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존의 수평 적층 방식을 넘어, 실제 생체 조직의 형상을 따라 출력하는 새로운 바이오프린팅 솔루션

3D 바이오프린팅 기술은 세포와 바이오잉크를 활용하여 인체 조직의 구조와 미세환경을 모사하는 핵심 기술로 발전하고 있습니다.

특히 조직공학(Tissue Engineering), 재생의학(Regenerative Medicine), 질환 모델링(Disease Modeling) 분야에서는 단순한 3차원 구조 제작을 넘어 실제 생체 조직의 복잡한 형상과 구조적 특성을 구현하는 것이 점점 중요해지고 있습니다.

이러한 연구 환경에 대응하여 CELLINK는 기존 BIO X 시리즈의 출력 가능성을 확장하는 새로운 소프트웨어, DNA Forma Lab을 선보였습니다.

DNA Forma Lab은 비평면 바이오프린팅(Non-Planar Bioprinting)을 위한 고급 출력 경로 생성 및 편집 소프트웨어로, 곡면과 분지형 구조 등 기존 수평 적층 방식으로 구현하기 까다로웠던 복잡한 형상을 보다 유연하게 설계할 수 있도록 지원합니다.

1. 기존 Layer-by-Layer 방식의 한계와 Non-Planar Bioprinting

일반적인 압출 기반 3D 바이오프린팅은 수평으로 형성된 레이어를 한 층씩 적층하는 Layer-by-Layer 방식을 사용합니다.

이 방식은 다양한 조직 모델과 3D 구조물 제작에 효과적이지만, 실제 인체 조직에서 관찰되는 복잡한 곡면이나 분지형 구조를 구현하는 데에는 일정한 제약이 존재합니다.

예를 들어 혈관의 분지 구조, 각막의 곡률, 비정형적인 조직 표면 등은 단순한 수평 적층 방식만으로 정확하게 재현하기 어려울 수 있습니다.

Non-Planar Bioprinting은 이러한 한계를 보완하기 위해 출력 경로를 수평면에 제한하지 않고 3차원 형상에 맞춰 생성하는 기술입니다.

DNA Forma Lab은 3D 모델의 곡률과 분지 구조를 분석하여 형상을 따라 이동하는 출력 경로를 생성함으로써, 보다 복잡한 생체모사 구조의 제작 가능성을 확장합니다.

이를 통해 연구자는 기존 BIO X 장비의 활용 범위를 넓히고, 다양한 조직 구조를 설계할 수 있습니다.

 

2. DNA Forma Lab의 주요 기능

① Non-Planar Slicing – 복잡한 3차원 출력 경로 생성

DNA Forma Lab은 STL, OBJ 형식의 3D 모델, 스캐너에서 획득한 Point Cloud 데이터 및 기존 G-code를 활용하여 비평면 출력 경로를 생성할 수 있습니다.

모델에 포함된 곡면과 분지 구조를 분석하고, 형상에 따라 바이오잉크가 압출될 수 있도록 G-code를 생성합니다.

이를 통해 다음과 같은 구조의 출력 경로를 설계할 수 있습니다.

• 곡면을 따라 형성되는 조직 구조

• 혈관과 같은 분지형 구조

• 비정형적인 해부학적 형상

• 곡면 기판 위에 형성되는 생체재료 구조

② Visual G-code Editor – 직관적인 출력 경로 편집

복잡한 3차원 형상을 출력할 때에는 생성된 출력 경로를 세밀하게 조정해야 하는 경우가 있습니다.

DNA Forma Lab은 3D 화면에서 출력 경로를 직접 확인하고 편집할 수 있는 Visual G-code Editor를 제공합니다.

연구자는 별도의 G-code 프로그래밍 경험 없이도 출력 경로의 개별 구간을 선택하고, 이동하거나 추가 및 삭제할 수 있습니다.

이를 통해 모델의 형태나 출력 조건에 따라 경로를 유연하게 최적화할 수 있습니다.

③ Collision Detection – 출력 중 충돌 가능성 사전 확인

비평면 바이오프린팅에서는 노즐이 기존에 출력된 구조물 주변이나 내부를 이동해야 하는 상황이 발생할 수 있습니다.

이 과정에서 노즐과 출력 구조물 간의 충돌은 구조물의 변형이나 출력 실패로 이어질 수 있습니다.

DNA Forma Lab의 Collision Detection 기능은 출력 경로를 분석하여 잠재적인 충돌 구간을 확인하도록 지원합니다.

또한 노즐 형상과 간격 조건을 고려한 검토가 가능하며, Delete and Bridge 기능 또는 수동 편집을 통해 문제가 되는 경로를 조정할 수 있습니다.

④ Print Simulation – 실제 출력 전 시뮬레이션

DNA Forma Lab은 생성된 출력 경로를 실제 프린팅 전에 시뮬레이션할 수 있는 기능을 제공합니다.

전체 출력 과정을 시각적으로 확인하고, 프린팅 속도와 압출량에 따른 경로의 상태를 검토할 수 있습니다.

특히 압출량에 따른 출력 선의 두께 변화를 확인하여 과다 압출이나 압출 부족 등 잠재적인 문제를 사전에 검토할 수 있습니다.

이를 통해 반복적인 테스트 과정에서 발생할 수 있는 시간과 바이오잉크 소모를 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다.

 

3. DNA Forma Lab의 주요 연구 응용 분야

DNA Forma Lab은 복잡한 3차원 구조의 구현이 요구되는 다양한 바이오프린팅 연구에 활용될 수 있습니다.

혈관 조직공학(Vascular Tissue Engineering)

혈관은 다양한 직경과 분지 구조를 갖는 복잡한 네트워크를 형성합니다. DNA Forma Lab은 곡선 및 분지형 출력 경로를 생성하여 혈관 유사 구조 제작을 위한 설계에 활용할 수 있습니다.

각막 조직공학(Corneal Tissue Engineering)

각막은 고유한 곡률을 가진 조직으로, 조직의 형태를 고려한 정밀한 구조 제작이 중요합니다. 비평면 출력 경로를 활용하면 곡면을 따라 재료를 적층하는 연구에 적용할 수 있습니다.

상처 치유 및 조직 재생 연구(Wound Healing & Tissue Regeneration)

불규칙한 상처 표면이나 조직 결손 부위의 형상을 고려하여 바이오잉크를 배치하는 연구에도 비평면 바이오프린팅 기술을 응용할 수 있습니다.

Embedded Bioprinting

서포트 배스(Support Bath) 내부에서 바이오잉크를 압출하여 복잡한 3차원 구조물을 제작하는 연구에도 활용할 수 있습니다.

DNA Forma Lab은 서포트 배스 내부의 비평면 출력 경로를 생성하고 검증하도록 지원하며, 기존의 수평 적층 방식만으로 구현하기 어려웠던 형상을 설계하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

4. DNA Forma Lab을 이용한 실제 바이오프린팅 연구 사례

CELLINK는 DNA Forma Lab을 활용하여 비평면 바이오프린팅의 가능성을 보여주는 기술 노트를 공개했습니다.

Application Note: Using DNA Forma Lab to Generate Non-Planar BIO X Toolpaths – Over-Surface and Embedded Bioprinting Workflows

해당 자료에서는 두 가지 방식의 바이오프린팅 사례를 소개합니다.

사례 1. 곡면 구조를 따라 세포가 포함된 바이오잉크 출력

첫 번째 사례에서는 사전에 제작한 코 형상의 Pluronics 40% 지지 구조물 위에 세포가 포함된 GelMA C 바이오잉크를 출력했습니다.

DNA Forma Lab을 통해 코의 곡면을 따라 이동하는 출력 경로를 생성하였으며, 이후 희생 지지 구조물을 제거한 상태에서도 의도한 형상을 유지하는 구조물을 제작했습니다.

특히 해당 실험에서는 7일간의 배양 기간 동안 90% 이상의 세포 생존율이 확인되었습니다.

이는 DNA Forma Lab을 활용한 비평면 출력 경로가 세포 기반 곡면 조직 구조 제작에 적용될 수 있음을 보여주는 사례입니다.

사례 2. Embedded Bioprinting을 이용한 분지형 혈관 유사 구조 제작

두 번째 사례에서는 CELLINK START 서포트 배스 내부에 분지형 구조를 출력했습니다.

GelMA C와 Pluronics 40%를 활용한 동축 압출(Coaxial Extrusion) 방식으로 내부 공간(Lumen)이 형성된 분지형 구조물을 제작했습니다.

이후 지지재 및 희생재료를 제거하여 내부 공간이 개방된 구조를 확보했습니다.

이는 DNA Forma Lab이 기존 BIO X 시리즈에서 복잡한 혈관 유사 구조의 제작을 위한 출력 경로 생성에 활용될 수 있음을 보여줍니다.

해당 사례들은 비평면 바이오프린팅의 구조 제작 가능성을 입증한 기술적 사례이며, 실제 조직의 생리학적 기능이나 임상적 적용을 검증한 결과와는 구분할 필요가 있습니다.

 

5. DNA Studio 4와 DNA Forma Lab의 관계

DNA Forma Lab은 기존 DNA Studio 4를 대체하는 소프트웨어가 아니라, 고급 비평면 출력 경로 설계 기능을 추가하는 **독립 실행형 보완 소프트웨어(Standalone Complementary Software)**입니다.

기존 DNA Studio 4의 바이오프린팅 워크플로우와 함께 활용할 수 있으며, DNA Forma Lab에서 생성된 G-code를 BIO X 시리즈의 출력에 사용할 수 있습니다.

DNA Forma Lab이 제공하는 추가 기능은 다음과 같습니다.

주요 기능	DNA Forma Lab
비평면 출력 경로 생성	지원
곡면 및 분지형 구조 경로 설계	지원
STL, OBJ, Point Cloud 활용	지원
3D 화면 기반 G-code 편집	지원
노즐 충돌 가능성 검토	지원
출력 시뮬레이션	지원

호환 장비

• CELLINK BIO X Gen 2

• CELLINK BIO X Gen 3

• CELLINK BIO X6 시리즈

실제 도입 시에는 보유 장비의 세대, 구성 및 소프트웨어 환경에 따른 호환성 확인이 필요합니다.

6. 비평면 바이오프린팅으로 확장되는 조직공학 연구

3D 바이오프린팅은 단순한 구조물 제작을 넘어 실제 생체 조직의 복잡한 형상과 기능을 모사하는 방향으로 발전하고 있습니다.

특히 혈관, 곡면 조직, 복잡한 해부학적 구조를 대상으로 하는 연구에서는 바이오잉크의 물성뿐 아니라 재료가 배치되는 경로와 형상을 제어하는 기술 또한 중요합니다.

DNA Forma Lab은 이러한 요구에 대응하여 기존 BIO X 시리즈에 고급 출력 경로 설계 및 검증 기능을 제공하는 솔루션입니다.

닥터바이오는 CELLINK의 바이오프린팅 솔루션을 통해 연구자들이 다양한 3D 조직 모델과 생체모사 구조를 구현할 수 있도록 기술 정보와 연구 응용 사례를 지속적으로 소개하고 있습니다.

CELLINK BIO X 시리즈 및 DNA Forma Lab의 기능, 장비 호환성, 연구 적용 가능성에 대해 궁금하신 사항은 닥터바이오로 문의해 주시기 바랍니다.

관련 자료

CELLINK DNA Forma Lab 공식 제품 페이지

https://www.cellink.com/software/dna-forma-lab/

DNA Forma Lab 기술 노트 – Over-Surface and Embedded Bioprinting Workflows

https://www.cellink.com/application-notes/using-dna-forma-lab-to-generate-non-planar-bio-x-toolpaths-over-surface-and-embedded-bioprinting-workflows/

문의: 닥터바이오(DoctorBio)

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