Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

인간의 골격은 체중을 지탱할 수 있을 만큼 강하면서도 움직일 수 있을 만큼 가벼워야 하는 필요성 사이에서 균형을 맞추는 공학적 경이로움입니다. 부상이나 질병으로 뼈가 손실되었을 때, 의사들은 이를 대체하기 위해 임플란트를 사용하곤 합니다. 수십 년 동안 이러한 대체물을 위한 최고의 재료는 티타늄과 같은 금속이나 지르코니아와 같은 세라믹이었으며, 이들은 놀라운 강도와 체내에서 부식되지 않고 생존할 수 있는 능력을 갖추고 있어 선택되었습니다. 그러나 이러한 재료에는 중대한 단점이 있습니다. 바로 천연 뼈보다 훨씬 더 밀도가 높고 단단하다는 점입니다. 이러한 불일치는 마치 무거운 장화가 부드러운 땅을 짓누르는 것처럼, 시간이 지남에 따라 주변의 뼈를 약화시킬 수 있습니다. 반면, 칼슘 인산염과 같이 뼈의 화학적 구성과 유사한 재료는 새로운 조직의 성장을 촉진하는 데는 탁월하지만, 무거운 하중을 견디기에는 너무 취약한 경우가 많습니다. 과학자들의 과제는 환자의 고유한 해부학적 구조에 맞게 복잡한 구조로 성형할 수 있으면서도, 무게를 견딜 만큼 충분히 강하고 동시에 교체할 뼈와 무게를 맞출 수 있을 만큼 가벼운 재료를 만드는 것이었습니다.

리스본 노바 대학교와 리스본 대학교의 연구팀은 압출 기반 3D 프린팅이라 불리는 기술을 사용하여 새로운 유형의 세라믹 복합체를 개발함으로써 이 문제의 해결을 향한 한 걸음을 내디뎠습니다. 연구진은 단일 재료를 출력하는 대신, 두 가지 서로 다른 성분을 걸쭉한 페이스트 형태의 잉크로 혼합했습니다. 첫 번째 성분은 치과 및 의료용으로 내구성이 뛰어나 알려진, 열 안정화된 강한 형태의 3YSZ 지르코니아였습니다. 두 번째 성분은 인간의 치아 및 뼈에서 발견되는 미네랄과 화학적으로 유사하며 임플란트와 신체의 통합을 돕는 것으로 알려진 칼슘 인산염이었습니다. 이 페이스트들을 층층이 쌓아 출력한 후 고온의 오븐에서 구워냄으로써, 연구팀은 지르코니아의 강도와 칼슘 인산염의 생체 친화적 특성을 결합한 원통형 구조를 만들어냈습니다.

연구진은 단순히 지르코니아 페이스트에 칼슘 인산염을 추가하는 것만으로도 최종 생성물에 엄청난 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 순수 지르코니아 세라믹은 매우 밀도가 높아 세제곱센티미터당 3.5그램이 넘는데, 이는 천연 뼈보다 훨씬 무겁습니다. 그러나 연구팀은 혼합물에 30에서 45퍼센트 사이의 칼슘 인산염을 포함함으로써, 출력된 물체의 밀도를 2.2에서 2.5 그램/세제곱센티미터 범위로 낮출 수 있었습니다. 이 새로운 밀도는 천연 피질골과 매우 유사하여, 재료의 구조적 무결성을 희생하지 않으면서도 무게 문제를 효과적으로 해결했습니다. 재료가 매끄럽게 출력될 수 있도록 하기 위해 연구팀은 또한 흑연을 혼합물에 추가하는 실험을 진행했는데, 흑ola는 가열 과정에서 타서 없어지는 일시적인 공간 채움재 역할을 하여 무게를 더욱 줄여주는 미세한 기공을 남겼습니다.

연구진은 단순히 무게를 바꾸는 것을 넘어, 재료를 가열할 때 미시적 수준에서 어떤 일이 일어나는지 면밀히 조사했습니다. 그들은 지르코니아가 최대 1450도씨의 온도에서 소성된 후에도 가장 강하고 안정적인 결정 구조를 유지한다는 것을 발견했습니다. 동시에, 칼슘 인산염은 인체가 새로운 뼈를 만드는 데 사용하는 정확한 미네로인 하이드록시아파타이트와 베타-삼인산칼슘이라는 특정 상(phase)으로 변형되었습니다. 이러한 이중 상 구조 덕분에 최종 결과물은 단순히 두 가지 분말의 혼합물이 아니라, 강한 지르코니아가 생체 활성 칼슘 인산염이 달라붙을 수 있는 골격을 제공하는 응집력 있는 재료가 되었습니다. 연구진은 첨단 이미징 및 빛 산란 기술을 사용하여 이러한 변화를 확인하였으며, 제조 과정 중에 재료가 약한 형태로 분해되지 않고 안정성을 유지함을 검증했습니다.

어떤 뼈 대체 재료의 진정한 시험대는 그것이 신체의 물리적 힘을 견딜 수 있는지, 그리고 살아있는 세포가 그것을 받아들일 수 있는지 여부입니다. 연구진이 가장 성능이 좋았던 샘플(칼슘 인산염 35% 함유)의 강도를 테스트했을 때, 이 샘들은 180 메가파스칼의 압축력을 견딜 수 있음을 발견했습니다. 이 정도의 강도는 천연 인체 뼈의 범위 안에 정확히 들어오며, 이는 재료가 하중을 견디는 용도로 사용되기에 충분히 견고하다는 것을 입증합니다. 또한, 연구진이 인간 섬유아세포(연조직 세포의 일종)를 출력된 디스크 위에 배치했을 때, 세포들은 표준 플라스틱 실험실 접시에서와 마찬가지로 새로운 재료 위에서도 잘 성장하고 번식했습니다. 이는 이 재료가 살아있는 조직에 독성이 없으며, 세포가 부착하기에 친화적인 표면을 제공한다는 것을 시사하며, 이는 신체와 통합되기를 희망하는 모든 임플란트에 있어 중요한 첫 단계입니다.

결과는 유망하지만, 연구진은 이것이 예비 단계라고 언급했습니다. 그들이 만든 샘플은 고체 원통형이었으나, 실제 뼈 지지체(scaffold)는 혈관이 자라 들어올 수 있도록 속이 비어 있거나 구멍이 뚫린 네트워크 구조를 가져야 하는 경우가 많습니다. 또한 그들은 칼슘 인산염의 함량이 매우 높은 샘플은 다루기에 너무 취약해진다는 것을 관찰했으며, 이는 구조적 강도를 잃기 전에 첨가할 수 있는 뼈 유사 물질의 양에 한계가 있음을 나타냅니다. 연구팀은 자신들의 방법이 가볍고 강하며 생물학적으로 친화적인 세라믹 복합체를 성공적으로 만들어냈다고 결론지었으나, 향후 연구는 이러한 구조의 내부 아키텍처를 정교화하고, 이 재료가 실제로 임상 환경에서 뼈를 재생할 수 있는지 확인하기 위해 뼈 형성 세포 및 살아있는 동물 모델을 대상으로 테스트하는 데 집중해야 할 것입니다.