자연 뼈(Natural Bone) 성분을 활용한 치아 재생 바이오잉크가 실제 치아 조직 재생 가능성을 입증했다. 한림대학교춘천성심병원 이비인후과 박찬흠(사진) 교수팀(교신저자)이 개발한 이 바이오잉크는 별도의 성장 유도 물질 없이도 줄기세포의 초기 치아 조직 분화 신호를 유도하는 환경을 제공해 임플란트와 틀니를 대체할 차세대 재생 치료 기술로 주목받고 있다.

  치아 손실은 음식물을 씹고 분쇄해 소화를 돕는 기능 저하뿐만 아니라 발음과 외형 등 일상생활 전반에 영향을 미친다. 임플란트와 틀니가 대표적인 치료 방법으로 활용되고 있지만, 신경과 혈관을 통해 영양을 공급받고 감각을 전달하며 손상 시 스스로 회복·재생하는 실제 치아 조직의 생물학적 기능을 완전히 대체하는 데는 한계가 있다. 

치아가 재생되기 위해서는 줄기세포가 실제 치아 조직으로 잘 자라도록 도와주는 ‘지지체’가 필요하다. 그러나 기존의 인공 지지체는 줄기세포에게 어떤 조직으로 자라야 하는지 알려주는 생체 신호가 부족하거나 구조적 정밀도가 떨어져 치아 조직 형성을 충분히 유도하기 어려운 문제가 있었다.

박찬흠 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 자연 뼈에서 얻은 탈무기질 뼈 분말에 빛을 쬐면 단단해지는 특성을 더한 새로운 바이오잉크 ‘DbpGMA’를 개발했다. 이 바이오잉크는 실제 뼈가 가진 생체 기능을 최대한 살리면서도, 3D 프린팅을 통해 치아 형태를 정밀하게 구현할 수 있도록 설계된 것이 특징이다.

연구팀은 뼈 속 유익한 성분을 최대한 보존하기 위해 머리카락 굵기보다 훨씬 얇은 90마이크로미터(μm) 미만의 고운 뼈 분말만을 선별했다. 이를 통해 뼈 깊숙이 존재하는 핵심 단백질과 세포 성장을 돕는 성분을 손상 없이 추출했고, 줄기세포가 치아 조직으로 건강하게 성장할 수 있는 환경을 구현했다.

■ 최적의 바이오잉크 농도와 치아 미세통로 확인…실제 치아 구조 재현 가능성 제시

연구팀은 3D 프린터로 치아 구조를 구현하기에 가장 적합한 바이오잉크 조건을 찾기 위해 다양한 농도의 재료를 비교 실험했다. 그 결과, 바이오잉크 농도 20%가 단단함과 정밀함을 가장 균형 있게 갖춘 최적의 조건이라는 사실을 확인했다. 

바이오잉크가 너무 묽은 경우(10%)에는 출력 직후 형태가 쉽게 흐트러져 구조를 유지하기 어려웠고, 반대로 너무 되직한 경우(30%)에는 프린팅 시 형태 안정성은 증가하나 정교함이 감소되며 세포 증식에도 좋지 않은 문제가 있다. 반면 중간 농도인 20%가 치아 구조체 제조에 적절한 프린팅성과 세포 적합성을 보였다.

이로써 연구팀은 단순한 치아 모형 제작을 넘어, 실제 치아 구조를 정밀하게 재현할 수 있는 3D 바이오프린팅의 핵심 조건을 과학적으로 제시했다.

또한 연구팀은 혈관이 포함된 치아 구조체 구현에 성공했다. 이를 위해 식품 첨가물로도 쓰이는 타트라진 색소(빛을 적절히 흡수해 필요한 부분만 굳도록 하는 역할) 0.1%를 바이오잉크에 첨가했으며, 이를 활용해 도관이 포함된 구조체를 출력한 결과 지름 0.7mm의 혈관을 위치시킬 수 있는 미세 구조를 정밀하게 구현했다.

연구팀은 이 미세통로에 염료를 흘려보내 막힘없이 흐르는 것을 확인함으로써, 해당 구조가 단순한 구멍이 아니라 세포에 영양과 산소를 전달할 수 있는 ‘살아 있는 길’ 역할을 할 수 있음을 입증했다. 이는 단순히 치아 모양을 만드는 단계를 넘어, 이식된 세포가 실제 조직처럼 살아 성장할 수 있는 구조를 구현했다는 점에서 큰 의미를 갖는다.

■ 바이오잉크 자체로 줄기세포의 치아 조직 분화 유도 확인

더 나아가 연구팀은 치아 속 신경에서 얻은 줄기세포를 이 바이오잉크에 담아 배양했다. 일반적으로 줄기세포가 특정 조직으로 자라기 위해서는 성장을 유도하는 별도의 약물이 필요하다. 그러나 이번 연구에서는 아무런 추가 약물 없이도 줄기세포가 스스로 치아 세포로 변하는 현상이 확인됐다.

이는 이번에 개발한 바이오잉크가 단순히 세포를 담는 재료가 아니라, 줄기세포가 치아 조직으로 자라도록 자연스럽게 이끄는 환경을 제공한다는 의미다. 다시 말해, 바이오잉크 자체가 줄기세포에게 “이곳에서 치아 조직으로 성장하라”는 신호를 보내는 역할을 하고 있음을 보여준다.

이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 자연 뼈 성분 기반 바이오잉크를 활용한 3D 바이오프린팅 기술이 향후 환자 개개인의 치아 형태에 맞춘 맞춤형 치아 재생 치료는 물론, 다양한 골 재생 및 난치성 조직 재생 치료 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

박찬흠 교수는 “이번 연구는 프린팅이 가능하고 치주유래줄기세포의 분화를 유도할 수 있는 바이오잉크 개발을 위한 파일럿 연구로, 본 연구에서 사용한 재료는 즉각 치아 제작에 적용하기에는 아직 한계가 있으며 향후 추가적인 보완과 후속 연구가 필요하다”고 말했다. 또 “이번 연구는 자연 유래 뼈 조직의 생체 활성을 보존하면서도 고정밀 3D 프린팅이 가능한 바이오잉크 플랫폼을 확립했다는 데 의미가 있다”며 “앞으로 맞춤형 치아 재생 치료뿐 아니라 다양한 재생의료 분야로 기술을 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 ‘치아 형성 분화가 향상된 탈무기질 뼈 바이오잉크: 합성 및 특성 분석(Demineralized bone bioinks with enhanced odontogenic differentiation: Synthesis and characterizatio)’이라는 제목으로 고분자 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘폴리머 테스팅(Polymer Testing)’에 2026년 1월 게재됐다.