바이오프린팅은 세포와 하이드로젤 등의 바이오잉크를 사용해 인체 조직이나 장기와 같은 3차원 구조물을 제작하는 기술로, 기존 잉크젯은 동작 시 발생하는 열로 인해 온도에 민감한 바이오잉크를 토출하기 어렵다. 또한, 기존 3차원 바이오프린팅은 대부분 하나의 바늘을 가지는 주사기 형태의 단순한 프린팅 장비를 활용하는 방식이어서 뇌, 폐, 심장 등의 인공장기를 제작하는 데 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀은 전자재료연구센터 백승협 박사팀, 고려대학교(총장 김동원) 김태근 교수팀과 공동으로 압전물질인 PMN-PZT를 활용해 기존보다 두께가 얇으면서도 높은 성능을 지닌 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다고 밝혔다. 이를 적용할 경우, 여러 위치에 바이오잉크를 높은 해상도로 동시에 토출할 수 있어 바이오프린팅의 생산성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 고성능의 PMN-PZT 박막을 사용해 다중 노즐을 가진 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다. 이 기술은 300μm 간격으로 배치된 16개의 잉크 토출부를 각각 조절할 수 있어 기존 방식 대비 구동 효율을 16배 높였다. 이는 바이오프린팅의 생산성과 안정성을 높여 인공장기의 생산시간을 단출할 수 있다.

실험 결과, 연구팀은 바이오잉크인 하이드로젤을 기존 대비 2분의 1 수준인 직경 32μm 크기로 출력하는 데 성공했으며, 프린트 출력 속도는 1.2 m/s로 기존 방식 대비 약 60배 빨라졌다. 또한, 발열 효과를 73.4% 줄여 출력 시 온도 상승을 3.2도 이내로 유지함으로써 안정적인 출력 환경을 확보했다. 이를 통해 고점도 물질의 정밀한 토출이 가능해졌으며 온도에 민감한 바이오잉크의 변성을 최소화할 수 있다.

이번에 개발된 PMN-PZT 기반 프린트 헤드는 열 안정성 문제로 바이오프린팅 기술의 적용이 어려웠던 인공장기 이식 및 약물 독성 평가 등 오가노이드 분야에서 활용될 수 있다. 또한, 동작 온도가 30도 이하로 유지돼 온도에 민감한 전자재료의 변성을 방지하고 안정적인 프린팅 환경을 제공할 수 있어 의료 분야 외 전자부품 등 다양한 산업군에서도 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.

KIST 이병철 박사는 “PMN-PZT 박막 소재를 사용한 새로운 프린트 헤드는 고해상도 3D 오가노이드 장기 모델 제작에 대한 가능성을 높였다”라며, “젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 시도해 실제 이식 치료 및 독성 평가에 적용이 가능한 장기를 만들 수 있는 3차원 바이오프린터를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 재원으로 KIST 주요사업 및 국가핵심소재연구단사업 (NRF-2020M3D1A2101933)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Sensors and Actuators B: Chemical」 (IF 8.0, JCR 분야 0.7%)에 게재됐다.

* 논문명 : A relaxor-ferroelectric PMN-PZT thin-film-based drop-on-demand printhead for bioprinting applications with high piezoelectricity and low heat dissipation 

[그림 1] 바이오프린팅 응용을 위한 고성능 압전 물질 기반 프린트 헤드의 개략도

동작 신호 최적화를 통하여 압전 얇은 압전 프린트 헤드의 출력 성능 향상과 동시에 발열량을 낮추어 열적 안정성까지도 확보할 수 있음을 보임.

[그림 2] 잉크젯 프린트 헤드 동작 신호에 따른 발열량 측정 실험.

동작 신호에 따라 같은 변위를 만들어 낼 때 생기는 발열량 차이를 보여주는 실험으로 양방향 (bipolar) 신호를 인가하였을 때 (a) 동작 주기 및 구동한 채널 개수에 따른 열화상 이미지, (b) 동작 채널이 4개일 때 동작 주기에 따른 온도 그래프, (c) 동작 주기가 16μs일때 채널 개수에 따른 온도 그래프. 단방향 (unipolar) 신호를 인가하였을 때 (d) 동작 주기 및 구동한 채널 개수에 따른 열화상 이미지, (e) 동작 채널이 4개일 때 동작 주기에 따른 온도 그래프, (f) 동작 주기가 16μs일때 채널 개수에 따른 온도 그래프. 

[그림 3] 제작된 프린트 헤드를 사용하여 하이드로젤 프린팅 결과

(a) 출력된 액체의 시간에 따른 이미지, (d) 아무 처리가 안된 기판 (좌) 발수 처리된 유리 (우)에 인쇄된 하이드로젤의 광학 이미지 (e) 좌측부터 1mm 간격으로 하이드로젤을 인쇄하였을 시, 3mm 간격으로 인쇄하였을 시, 5mm 간격으로 인쇄하였을 시 결과.