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生 박테리아 잉크 쓰는 3D 프린팅 개발스위스 ETH 대학
심재율 기자 | 승인 2017.12.05 21:48

살아있는 박테리아를 이용한 3D프린팅 잉크가 개발됐다.

‘박테리아 3D프린팅 잉크’를 이용하면 치료에 사용하는 아주 깨끗한 셀룰로스(cellulose)를 생산하거나, 독성물질을 제거할 수 있는 생물학적 재료의 생산을 가능하게 할 것으로 기대된다.

스위스 취리히공대(ETH) 복합물질실험실 안드레 스튜다르(André Studart) 교수 연구팀은 살아있는 박테리아를 잉크로 사용하는 새로운 3D프린팅 장치를 개발했다.

이 잉크는 살아있는 박테리아를 함유한 것이 가장 큰 특징이다. 박테리아를 함유한 잉크를 3D프린팅 기기에 넣으면 원하는 특징을 가진 작은 생화학공장을 만들어낼 수 있다.

스위스 ETH 대학이 개발한 3D프린팅 기기의 개념도 ⓒ ETH

연구팀이 사용한 박테리아는 토양, 물 또는 식물에서 흔히 서식하는 ‘슈도모나스 퓨티다’ (Pseudomonas putida) 박테리아와 ‘아세토박터 자일리늄’(Acetobacter xylinum)이다.

이중 슈도모나스 퓨티다는 화학산업에서 대규모로 생성되는 독성 페놀물질을 파괴할 수 있으며, 아세토박터 자일리늄은 높은 순도의 나노 사이즈 셀룰로스를 분비한다. 아세터박터 자일리늄 박테리아가 분비하는 셀룰로스는 통증을 완화하고, 안정적으로 수분을 유지하기 때문에 화상치료에 응용될 것으로 전망된다.

토양에서 서식하는 박테리아 잉크에 넣어 

ETH 연구팀의 새로운 인쇄 플랫폼은 여러 가지 분야에 응용될 전망이다. 3D프린터가 한 번 움직일 때 과학자들은 다양한 종류의 박테리아를 가진 4개의 서로 다른 잉크를 사용할 수 있다. 대 여섯 가지 특징을 가진 물질을 생산할 수 있는 것이다.

잉크는 생체거부반응을 일으키지 않는 히드로젤(hydrogel 물을 용매로 하는 젤)을 사용한다. 히드로젤은 히알루론산, 설탕분자, 그리고 발열성 실리카 등으로 이뤄졌다. 히드로젤을 기본으로 한 잉크에 원하는 특성을 가진 박테리아를 첨가해서, 원하는 3차원 구조를 인쇄한다.

박테리아를 함유한 히드로젤을 만들려면 특별한 기술이 필요하다. 박테리아 잉크가 인쇄기 노즐을 통해서 나오려면 잉크 흐름이 일정하고 원활하게 유지되어야 한다.

잉크가 되면 잉크가 잘 흐르지 않아 아세토박터 자일리늄 박테리아에서 분비하는 셀룰로스의 양이 줄어든다. 그러면서도 먼저 부분이 뒤이어 나오는 층의 무게를 견딜 만큼 강해야 하기 때문에, 잉크가 너무 묽으면 안정적인 구조를 인쇄하기 어렵다.

박테리아 잉크는 치약처럼 점성이 있어으면서도 니베아 핸드크림 같은 농도를 유지해야 한다.

과학자들은 이 새로운 인쇄물질에 ‘기능성 생체잉크’(functional living ink)라뜻으로 플링크(Flink)라는 이름을 붙였으며 이 내용을 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 발표했다.

박테리아 잉크로 만든 인형 얼굴 ⓒETH

박테리아 잉크로 만든 인형 얼굴 ⓒETH

연구팀은 아직 3D로 인쇄한 미니공장의 수명을 연구하지는 않았지만, 박테리아는 아주 적은 양만 필요하기 때문에 오래동안 생존할 수 있을 것으로 보인다. 사람들은 박테리아를 먼저 질병을 일으키는 병원균으로 생각하지만, 잉크에 들어간 박테리아는 해를 끼치지 않고 안전한 것이다.

의학 및 생명공학적 분야에서 이 3D박테리아 프린팅은 다양한 용도로 사용될 수 있다. 대표적인 것이 화상 치료나 노화치료에 이용하는 방안이다. 박테리아를 함유한 3D 센서를 만들어, 마시는 물에 있는 독성을 감지하거나, 원유 유출을 막는데 사용할 수 있다.

그러나 아직은 초기 단계여서 인쇄시간이 느리고 확장성이 떨어지는 문제를 극복해야 한다. 생의학용도로 쓰이는 셀룰로스를 함유한 아세토박터 자일리늄을 제조하려면 여러 날이 들어간다. 그러나 과학자들은 이것도 최적화해서 시간을 앞당길 수 있다고 믿고 있다.

 철강 및 인공뼈 생산하는 3D프린팅도 나와

3D프린팅을 이용해서 더욱 강한 합금을 제조하거나 인공뼈를 제조하는 연구가 다양하게 진행되고 있다.

미국 로렌스리버모어국립연구소 과학자들은 3D프린팅으로 기존 스텐레스 강철보다 3배나 강하면서도 유연한 상반된 특징을 갖는 스텐레스 강철도 만드는데 성공했다. 이 기술을 활용하면 로켓엔진이나 원자력발전소 부품을 더욱 빠르고 저렴하게 만들 수 있다고 금년 10월에 발표했다.

약 150년 전에 나온 스텐레스 강철은 기존의 철강을 녹인 다음 크롬과 몰리브덴을 첨가해서 만들어 녹슬지 않는 특성을 갖는다. 스텐레스 강철은 복잡한 냉각과 가열과 압연과정을 거치면서 아주 조밀한 미세한 합금으로 변한다.

3D 프린팅 과학자들은 오래 동안 이 구조를 재생하려고 노력해왔다. 이들은 평평한 표면위에 합금 입자의 분말층을 조성한 뒤, 컴퓨터제어로 높은 출력을 가진 레이저빔이 분말층 표면을 왕복하도록 했다.

3D프린팅으로 제조한 로켓엔진 부품 ⓒ LLNL

3D프린팅으로 제조한 로켓엔진 부품 ⓒ LLNL

그러면 레이저에 쬐인 입자들은 녹아서 하나로 합쳐진다. 그 위에 다시 분말층을 만들고 레이저로 분말입자를 녹이는 방식으로 로켓 엔진같은 복잡한 구조물을 만들어낸다.

지난해 9월 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 과학자들은 3D프린팅으로 매우 유연한 인공뼈를 만드는데 성공했다고 발표했다. 이렇게 만든 인공뼈가 원숭이와 쥐에게는 실제 뼈 만큼 좋은 성과를 내는 것을 발견했다.

아직 인간에게 이식할 준비는 안됐지만, 바이오 엔지니어들은 암에 의해 손상된 뼈나 부러진 뼈를 치료하는데 3D프린팅으로 만든 인공뼈가 큰 도움을 줄 것으로 낙관하고 있다.

이 기사는 사이언스타임즈(www.sciencetimes.co.kr)에도 실렸습니다. 데일리비즈온은 직접 작성한 글에 한해 중복송고를 허용합니다.>

 

심재율 기자  kosinova@dailybizon.com

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