"주사기에서 나온 피부": 이중상 "과립형" 바이오잉크로 인쇄된 진피와 이식

스웨덴 과학자들이 진피 3D 바이오 프린팅을 위한 µInk 바이오잉크를 선보였습니다. 이 제품은 다공성 젤라틴 미세구체에 인간 진피 섬유아세포를 "심어" 놓고 히알루론산 매트릭스를 결합한 2상 과립형 하이드로젤입니다. 이 혼합물은 주사기/프린터 노즐에 압력을 가하면 액체처럼 작용하고 상처 부위에서는 다시 젤 형태로 변합니다. 이러한 특성 때문에 언론에서는 이 제품에 "주사기 속 피부"라는 별명을 붙였습니다. 쥐를 대상으로 한 실험에서, 매우 높은 세포 밀도를 가진 인쇄된 구조물이 생존하여 세포외 매트릭스를 빠르게 형성하고 혈관을 성장시킨 후 28일 만에 조직과 결합하는 것을 확인했습니다. 이 연구는 Advanced Healthcare Materials 에 게재되었습니다.

배경

• 현재 피부 대체물이 "진정한 진피층"과는 거리가 먼 이유. 넓은 상처와 화상의 임상 표준은 부분층 자가이식편(STSG) 및/또는 진피 템플릿(예: 인테그라)입니다. 이러한 이식편은 생명을 구하고 결손 부위를 봉합하지만, 특히 얇은 피판의 경우 흉터와 구축을 남기는 경우가 많습니다. 흉터의 질은 이식편 내 "심부 진피층"의 비율에 크게 좌우됩니다. 넓은 부위를 덮기에 편리한 "메시" 피판조차도 메시 세포를 통한 치유로 인해 더 눈에 띄는 흉터를 남깁니다. 진피 템플릿은 "신배엽(neoderm)" 형성에 도움이 되지만, 무세포 상태로 유지되고 단계적인 시술이 필요하며, 시술 후 첫 몇 주 동안 자가 세포/혈관 부족 문제를 해결하지 못합니다.
• 3D 피부 바이오 프린팅이 논리적으로 다음 단계이지만, 바이오잉크 때문에 발전이 지연되고 있는 이유입니다. 프린팅은 세포와 재료를 원하는 위치에 정확하게 배치할 수 있게 해주지만, 기존의 균질 하이드로젤은 "포크"에 빠지게 됩니다.
  • 너무 액체 상태이면 퍼져서 형태를 유지하지 못하고, 너무 딱딱하면 세포를 압박하여 혈관 침투를 방해하고 세포 밀도를 높게 인쇄할 수 없습니다. 게다가, 부속기 구조(모낭 등)를 재현하는 것도 여전히 어렵습니다. 노즐 압력으로 흐르다가 즉시 안정적인 다공성 덩어리로 "모여들"고, 전단력으로 세포를 죽이지 않는 바이오 잉크가 필요합니다.
• 과립형(마이크로젤, "잼") 바이오잉크는 무엇이며, 왜 진피에 적합할까요? 과립형 바이오잉크는 "고밀도"로 충전된 마이크로젤 입자로, 정지 상태에서는 고체처럼, 전단 유동(전단 박화) 상태에서는 액체처럼 거동합니다. 주사기/압출 프린팅 및 주사에 이상적입니다. 도포 후, 스트링은 형태를 유지하며, 혈관 성장을 위한 입자 간 기공을 남깁니다. 이 혼합물은 연성 화학 물질로 "가교"될 수 있습니다. 이러한 종류의 소재는 최근 몇 년 동안 연조직 프린팅의 기반이 되었습니다.
• µInk의 아이디어를 간략하게 요약 해 보겠습니다. 저자들은 세포와 기질이라는 두 가지 문제를 결합했습니다. 인간 피부 섬유아세포를 다공성 젤라틴 미세구(콜라겐과 화학적으로 유사한 생체적합성 "비드")에 이식한 다음, 구리가 없는 클릭 화학을 사용하여 히알루론산 기질과 과립을 "접착"했습니다. 그 결과, 초고밀도 세포, 프린팅/주입, 그리고 이미 제자리에 있는 세포외 기질의 빠른 유입을 가능하게 하는 "가압 상태의 액체, 정지 상태의 고체" 바이오잉크가 탄생했습니다. 이 구조물은 28일 이내에 생쥐에 뿌리를 내리고 혈관을 형성했습니다.
• 이러한 접근 방식이 병원의 "고통스러운 점"을 어떻게 해결하는지.
  1. 속도와 물류: 조직 대체물을 장시간 배양하는 대신, "살아있는 과립"을 빠르게 준비하고 "주사기에서 꺼낸 피부"를 상처나 결함 모양에 직접 삽입합니다.
  2. 생물학: 높은 세포 밀도 + 다공성 구조 → 더 나은 ECM 축적 및 신생 혈관 생성 - 흉터 감소 및 탄력 있는 진피층의 핵심.
  3. 자가조직과의 호환성: 섬유아세포는 작은 생검을 통해 쉽게 얻을 수 있으며, 젤라틴/HA는 피부에 익숙한 성분입니다.
• 아직 부족한 부분이 있습니다. 이 모든 것은 아직 생쥐를 대상으로 한 임상 전 단계입니다. 환자에게 적용하려면 전층 피부 모델, 장기 추적 관찰, 각질세포/내피세포와의 공동 프린팅, GMP 표준화, 그리고 이 기술이 표준 기술에 비해 실제로 흉터를 줄이고 기능을 개선한다는 증거가 필요합니다.
• 이 소식이 지금 중요한 이유. STSG/템플릿의 지속적인 한계와 과립형 바이오잉크 계열의 성숙도를 배경으로, µInk는 "마이크로겔 담체 + 소프트 결합 매트릭스 + 고농도의 자가 세포"라는 실용적인 조합을 보여줍니다. 이를 통해 긴 "인큐베이터" 단계 없이 빠르고 세포 밀도가 높은 진피 재건을 더욱 현실적으로 구현할 수 있습니다.

왜 이것이 필요한가요?

기존의 피부 이식은 종종 흉터를 남깁니다. 세포 수가 적고, 서로 잘 자라지 않으며, 약하고 "올바른" 진피 기질을 형성하기 때문입니다. 게다가 두껍고 복잡한 진피를 하나의 접시에서 완전히 배양하는 것은 시간이 오래 걸리고 어렵습니다. 저자들은 다른 방법을 제안합니다. 환자 자신의 섬유아세포에서 "벽돌"을 빠르게 조립하여 다공성 미세구에 심고, 이를 결손 부위에 직접 주입/인쇄하여 신체가 완전한 진피를 완성하는 것입니다.

µInk 바이오잉크 작동 원리

• 1단계: "살아있는 과립." 다공성 젤라틴 미세구체(본질적으로 아주 작은 구슬로, 피부 콜라겐과 화학적으로 유사)에 인간 피부 섬유아세포를 생물 반응기에서 증식시킵니다.
• 2단계: "바인딩 젤". 구리 성분이 없는 클릭 케미스트리를 통해 과립을 접착하는 히알루론산 용액입니다.
• 유동학. 그 결과, 전단 박화성 과립형 하이드로젤이 생성됩니다. 이 하이드로젤은 압력을 받아도 흐르고 정지 상태에서도 형태를 유지하므로 주사기 적용과 3D 프린팅 모두에 적합합니다.

실험 결과

• 인쇄 및 생존력: 초고밀도 세포가 포함된 안정적인 미니 패치가 µInk에서 인쇄되었으며, 섬유아세포 생존력과 표현형이 보존되었습니다.
• 생체 내 실험(쥐): 28일간 피하 이식된 구조물은
  혈관으로 뒤덮였고,
  하이드로젤 리모델링이 나타났으며,
  피부 ECM이 축적되었습니다(섬유아세포는 계속 분열하고 기능함). 이는 조직 통합을 나타냅니다.
• 적용 실습. 이 소재는 바늘을 통해 상처 부위에 직접 도포할 수 있습니다("주사기 피부" 방식). 또는 특정 결함 부위에 맞게 층/모양을 인쇄할 수 있습니다.

왜 이것이 중요한가요?

• 속도와 밀도. 화상과 만성 상처에는 시간이 매우 중요합니다. µInk를 사용하면 장기간의 조직 "볼륨 증가" 주기를 건너뛰고 필요한 부위에 많은 활성 세포를 즉시 주입할 수 있습니다.
• 정상에 더 가까운 생물학적 구조. 미세구의 높은 세포 밀도와 다공성 구조는 기질 생성과 신생혈관 형성을 촉진하는데, 이는 흉터 없는 치유와 탄력 유지의 두 가지 핵심 요소입니다.
• 클리닉 물류. 이 개념은 자가 조직 접근 방식과 잘 맞습니다. 즉, 소량의 피부 생검을 실시하고 → 미세구체에 섬유아세포를 빠르게 증식시키고 → 환자 상처에 이식할 조직을 인쇄하는 것입니다.

이것이 일반적인 "세포가 있는 하이드로젤"과 어떻게 다릅니까?

기존의 "균질" 하이드로젤은 너무 액상이거나(퍼짐) 너무 단단하여(세포를 압박하고 혈관 성장을 방해함) 혈관 성장을 방해합니다. 과립 구조는 혈관에 기공과 통로를 제공하며, "2상" 구조는 기계적 안정성과 주사성을 모두 제공합니다. 또한, 젤라틴 담체는 생분해성이고 조직에 "친숙"합니다.

제한 사항 및 향후 계획

아직 전임상 단계입니다(마우스, 피하주사; 기간: 4주). 향후 계획:

• 전층 피부 결손 및 더 긴 추적 관찰
• 각질세포/내피세포 및 복합 전층 피부 검사
• 환자 자가 세포 및 화상/만성 상처 모델로의 전환
• **GMP 생산**을 위한 확장(생물반응기, 무균, 클릭 제어).

출처: Shamasha R. 외. " 진피 재생을 위한 고세포 밀도 구조물의 생체 제작을 위한 이중상 과립형 바이오잉크", Advanced Healthcare Materials, 2025년 6월 12일 온라인 게재 https://doi.org/10.1002/adhm.202501430