한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 압전물질인 'PMN-PZT'를 활용해 기존보다 두께가 얇으면서 성능은 높은 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다고 밝혔다.
여러 위치에 바이오잉크를 고해상도로 동시 토출할 수 있어 바이오프린팅 생산성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
이병철 바이오닉스연구센터 박사팀이 백승협 전자재료연구센터 박사팀, 김태근 고려대 교수팀과 이뤄낸 성과다.
바이오프린팅은 세포와 하이드로젤 등 바이오잉크를 사용해 인체 조직이나 장기 등 3차원 구조물을 제작하는 기술이다. 기존 잉크젯은 동작 시 발생열로 온도에 민감한 바이오잉크를 쓰기 어렵다.
또 기존 3차원 바이오프린팅은 대부분 바늘이 하나인 주사기 형태 프린팅 장비를 활용해 뇌, 폐, 심장 등 인공장기 제작에 오랜 시간이 걸린다.
이에 연구팀은 PMN-PZT 박막을 사용해 다중 노즐을 가진 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다. 300마이크로미터(㎛) 간격으로 배치한 16개 잉크 토출부를 각각 조절할 수 있어 기존 대비 구동 효율을 16배 높였다. 인공장기 생산시간을 줄일 수 있다.
연구팀은 하이드로젤을 기존 대비 2분의 1 수준인 직경 32㎛ 크기로 출력하는 데 성공했다. 프린트 출력 속도는 초당 1.2 m로 기존 방식 대비 약 60배 빨라졌다.
또 발열 효과를 73.4% 줄여 출력 시 온도 상승을 3.2도 이내로 유지했다. 안정적인 출력 환경을 확보했다.고점도 물질을 정밀하게 토출할 수 있으며 온도에 민감한 바이오잉크 변성을 최소화할 수 있다.
이번에 개발한 PMN-PZT 기반 프린트 헤드는 열 안정성 문제로 바이오프린팅 기술 적용이 어려웠던 인공장기 이식 및 약물 독성 평가 등 오가노이드 분야에서 활용될 수 있다.
또 동작 온도가 30도 이하로 유지돼 온도에 민감한 전자재료 변성을 방지하고 안정적인 프린팅 환경을 제공할 수 있어 의료 분야 외 전자부품 등 다양한 산업군에서도 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.
이병철 박사는 “PMN-PZT 박막 소재를 사용한 새로운 프린트 헤드는 고해상도 3D 오가노이드 장기 모델 제작에 대한 가능성을 높였다”며 “젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 시도해 실제 이식 치료 및 독성 평가에 적용이 가능한 장기를 만들 수 있는 3차원 바이오프린터를 상용화할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) 재원, KIST 주요사업 및 국가핵심소재연구단사업으로 수행됐다. 연구 성과는 '센서 및 구동기 B: 화학(Sensors and Actuators B: Chemical)'에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
