오픈 소스 3D프린팅 생물반응기는 맞춤형 임플란트를 변화시킨다.

플로리다 국제 대학(FIU)의 연구원들은 융합 증착 모델링(FDM)을 사용하여 EnduroBone이라는 오픈 소스 생물 반응기를 만들었다. 생체의학 엔지니어 아나미카 프라사드(Anamika Prasad)가 이끄는 팀은 신체 외부와 실험실에서 뼈 조직을 생성하기 위해 이 장치를 개발했다.

이 획기적인 발전의 잠재력은 엄청나다. 개인화된 뼈 임플란트의 성장을 가능하게 하고 장기적인 의학 연구를 발전시킴으로써 뼈 부상과 질병에 대한 치료법을 변화시킬 수 있다. Creality의 저렴한 Ender 5 Plus 3D 프린터를 사용하는 조립 지침은 온라인으로 제공되므로 전 세계 연구자들이 이 기술을 복제하고 적용할 수 있다.

FIU의 공학 및 컴퓨팅 대학 중심부에서 프라사드와 그녀의 팀은 이 3D프린팅 가능한 생물반응기를 연구해 왔다. 이 장치에는 여러 개의 원통 모양의 빈 공간이 있는데, 이는 자연 뼈의 구조를 모방하도록 설계된 작은 둥근 공간이다. 이 구멍은 뼈 세포가 성장하고 번성할 수 있는 적절한 환경을 조성하며, 이는 신체 외부에서 장기간 생존하는 데 중요하다.

생물반응기는 기계적 움직임과 영양분 흐름을 결합하여 뼈 세포를 건강하게 유지한다. 여기에는 뼈 샘플이 배치되는 조직 우물 위로 움직이는 모터가 있다. 이 움직임은 뼈 샘플을 부드럽게 압축하여 뼈가 신체에서 경험하는 자연스러운 물리적 힘을 시뮬레이션하여 뼈 세포가 활동적이고 생존 가능한 상태를 유지하도록 돕는다.

동시에, 펌프는 폐기물을 제거하는 동시에 뼈 세포로 가는 영양분의 흐름을 일정하게 유지한다. 이는 혈액이 세포에 영양분을 운반하고 노폐물을 제거하는 것과 같다. 생물반응기는 부드러운 움직임과 영양분을 제공함으로써 뼈 세포가 번성할 수 있는 완벽한 환경을 조성한다.

기계적 자극과 꾸준한 영양분을 모두 제공함으로써 생물반응기는 뼈 세포에 대한 고도의 "지원 환경"을 조성한다. 이 설정을 통해 연구자들은 뼈 세포가 어떻게 성장하고, 치료에 반응하고, 장기간에 걸쳐 상호 작용하는지 연구할 수 있다. HardwareX 저널에 발표된 최근 연구에 따르면 뼈 샘플은 이 생물반응기에서 최대 28일 동안 생존할 수 있는 것으로 나타났다. 과학자들이 뼈 세포가 어떻게 성장하고 장기간에 걸쳐 치료에 반응하는지 연구할 수 있기 때문에 이것은 큰 문제이다.

과학자들은 EnduroBone을 사용하여 뼈 세포가 어떻게 변화하는지 관찰하고 통제된 환경에서 새로운 치료법을 테스트할 수 있다. 생물반응기는 뼈 조직 공학의 중요한 진전으로, 뼈 부상과 질병을 치료하는 방법을 잠재적으로 변화시킬 수 있다.

$20,000가 넘는 비용과 간접 공압 압축을 사용하는 MechanoCulture TX 및 TR과 같은 기존 시스템과 비교할 때 FIU는 EnduroBone이 단 $3,138에 더욱 저렴하고 통합된 솔루션을 제공한다고 말한다. 그들은 조직 성장 기술(Tissue Growth Technologies)에서 상업적으로 구입할 수 있는 직접 관류 장치인 OsteoGen 생물반응기와 같은 다른 상업용 생물반응기는 지속적인 관류로 기본적인 생리적 제어만 제공하지만 압축 기계적 자극이 부족하다고 논문에 나와 있다.

상단 프레임 내의 기본 플랫폼에 있는 동일한 조직 웰은 각각 영양 배지용 유입-유출 채널을 갖추고 있다. FIU/HardwareX의 이미지 제공.

EnduroBone 생물반응기는 Creative Commons에 따라 라이선스가 부여된 오픈 소스 플랫폼을 제공함으로써 전 세계 연구자들이 이 혁신적인 기술을 복제하고 구축할 수 있도록 해준다. 3D 프린팅 덕분에 이 하드웨어는 상업용 하드웨어에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 생산될 수 있어 고급 뼈 연구를 더욱 저렴하고 광범위하게 만들 수 있다.

연구 문서는 EnduroBone 생물반응기 구축에 대한 명확하고 자세한 지침을 제공한다. 연구원들은 특정 설정으로 Creality의 Ender 5 Plus 3D 프린터를 사용하여 CAD 파일을 생성 및 게시하고 모든 구성 요소를 인쇄했다. 프린팅 후 부품을 Smooth-On의 XTC-3D 실런트로 코팅하여 안전한 영양 밀봉을 보장했다. 조립 공정에는 철저한 세척과 생체 적합성을 위해 Dow Corning의 PDMS Sylgard-184를 사용한 조직 웰의 추가 코팅이 포함된다. 이러한 포괄적인 지침을 통해 연구자는 생물반응기를 저렴하고 효과적으로 복제할 수 있다.

프라사드 팀은 기본 연구를 넘어 EnduroBone을 사용하여 심각한 형태의 골암인 골육종으로 고통받는 어린이를 위한 맞춤형 임플란트를 설계할 것이다. 플로리다 암 혁신 기금(Florida Cancer Innovation Fund)과 플로리다 보건부(Florida Department of Health)의 지원을 받는 이 프로젝트는 각 환자의 고유한 요구에 맞는 맞춤형 3D 임플란트를 만드는 것을 목표로 한다. Baptist Health의 근골격 종양 외과 의사인 후안 프레텔(Juan Prettel)과 협력하여 팀은 젊은 환자의 암 치료 및 회복을 변화시키기를 희망한다.

여기의 세포(녹색 점으로 표시)는 뼈를 만드는 임무를 수행하고 있다. 하지만 그들은 FIU의 3D 프린팅 가능한 생물반응기 내부에서 신체 외부에서 이를 수행하고 있다. FIU의 이미지 제공.

뼈 조직 공학 외에도 EnduroBone 시스템은 연골 연구, 특히 연골이 분해되어 뼈로 변하는 방법을 연구하는 데도 유망하다. 이러한 다재다능함은 생물반응기가 정형외과 장치 테스트 및 재생 의학의 새로운 치료법 개발을 포함하여 생의학 연구의 다양한 분야에서 사용될 수 있음을 의미한다고 연구원들은 설명한다.

"EnduroBone: 확장된 뼈 조직 배양을 위한 3D프린팅 생물반응기"라는 제목의 프라사드의 연구는 하드웨어의 장기 조직 생존 가능성을 지원하는 능력을 강조하고 확장된 뼈 조직 배양에 대한 적용 가능성을 보여준다. 생물반응기의 주요 특징으로는 오픈 소스 설계, 낮은 생산 비용, 쉽게 접근할 수 있는 구성 요소 통합 등이 있으며, 이는 어디에서나 연구자에게 적합한 도구이다.

팀은 EnduroBone이 뼈 조직, 질병 메커니즘 및 잠재적인 치료 개입에 대한 외부 자극의 영향에 대한 연구를 위한 새로운 길을 열기를 희망한다. 이는 뼈 생물학, 골격 발달 및 재생 의학의 발전을 가속화하기 위해 만들어졌으며 궁극적으로 의료 개선을 위한 핵심 도구가 되었다.