Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures

의사들이 손상된 장기를 수리하거나 소실된 피부를 대체하기 위해 살아있는 조직을 출력할 수 있는 미래를 상상해 보십시오. 이러한 비전은 생체 프린팅(bioprinting)이라 불리는 기술에 달려 있는데, 이 기술은 과학자들이 살아있는 세포와 이를 지지하는 젤이 혼합된 미세한 액체 줄기를 짜내기 위해 특수 기계를 사용하는 방식입니다. 목표는 인체의 복잡한 조직을 모방한 구조물을 만드는 것입니다. 하지만 이 혼합물을 좁은 노즐을 통해 짜내는 과정은 전단 응력(shear stress)이라고 알려진 강력한 물리적 힘을 생성합니다. 이 힘을 치약 튜브를 짤 때 느껴지는 압력과 같다고 생각해 보십시오. 더 빠르고 강하게 짤수록 내용물이 튜브 벽면에 더 많이 문질러지고 늘어나게 됩니다. 섬세하고 취약한 살아있는 세포들에게 이러한 마찰은 해로울 수 있으며, 잠재적으로 세포를 죽이거나 구조물이 구축된 후의 기능 수행 능력을 손상시킬 수 있습니다. 세포가 어느 정도의 힘까지 견딜 수 있는지 정확히 이해하는 것은 과학자들이 신뢰할 수 있는 살아있는 조직을 만들기를 희망한다면 필수적입니다.

한 연구팀은 혈관 세포와 유방 조직 세포라는 두 종류의 인간 세포가 함께 작용할 때, 이 짜내는 힘이 어떻게 영향을 미치는지 측정하고 예측하기 위해 연구를 시작했습니다. 이를 위해 그들은 단순히 세포를 출력하고 결과가 좋기를 바라는 대신, 프린터 내부에서 어떤 일이 일어나는지 관찰하고 계산하며 테스트할 수 있는 완전한 시스템을 구축했습니다. 먼저, 그들은 세포를 지지하는 데 사용되는 젤라틴 메타크릴로일(gelatin methacryloyl)이라는 두껍고 젤리 같은 물질을 연구했습니다. 그들은 이 물질이 어떻게 흐르는지 확인하기 위해 두 가지 다른 농도와 온도에서 테스트했습니다. 그들은 이 물질의 거동이 두꺼운 액체가 어떻게 움직이는지를 예측하는 수학적 모델로 설명될 수 있다는 것을 발견했으며, 이를 통해 실제 세포를 다루기도 전에 컴퓨터상에서 프린팅 과정을 시뮬레이션할 수 있었습니다.

컴퓨터 시뮬레이션의 정확성을 보장하기 위해, 연구진은 고속 카메라를 사용하여 흐르는 젤 내부에서 움직이는 미세 입자들을 관찰함으로써 디지털 예측이 실제 세계의 움직임과 일치함을 확인했습니다. 이 신뢰할 수 있는 모델을 확보한 후, 연구진은 세포 자체로 관심을 돌렸습니다. 그들은 서로 다른 압력과 농도에서 두 종류의 세포를 젤 속에 혼합하여 출력했습니다. 결과는 프린팅 조건과 세포 건강 사이의 복잡한 관계를 드러냈습니다. 세포를 더 낮은 온도에서 더 약한 젤에 출력했을 때, 직후의 결과에서는 세포 사멸의 증가가 나타났습니다. 흥러운 점은, 더 강한 젤이 더 약한 젤에 비해 더 높은 전단 응력 수준을 보였음에도 불구하고, 즉각적인 세포 사멸 급증을 일으키지는 않았다는 것입니다.

하지만 이야기는 프린팅이 멈춘 순간 끝난 것이 아니었습니다. 연구진은 출력된 구조물을 하루 동안 그대로 두어 세포가 어떻게 회복되는지 관찰했습니다. 그들은 프린팅 과정에서의 낮은 수준의 스트레스조차 지연된 효과를 준다는 것을 발견했습니다. 프린팅 중에 사용된 압력이 높아짐에 따라, 단 하루 만에 죽어가는 세포의 수가 증가했습니다. 이는 세포가 즉각적으로 드러나지 않는 방식으로 프린팅 과정의 물리적 힘에 민감하다는 것을 시사합니다. 이 연구는 컴퓨터 모델링과 세심한 관찰을 결합함으로써 과학자들이 살아있는 조직 프린팅의 미래를 형성하는 숨겨진 힘을 더 잘 이해할 수 있음을 보여주며, 이러한 효과를 예측할 수 있는 견고한 방법을 제공합니다.