3D

Aug 02, 2023

심장은 혈액을 펌핑하고 다시 내보내는 단순한 목적을 가진 복잡한 기관입니다.

이는 혈액을 심장 상단(심방을 통해)으로 펌핑하고 하단의 심실을 통해 내보내는 심근세포라고 불리는 직사각형 심장 세포의 상호 연결된 네트워크를 통해 수행됩니다. 심장의 박동조율기 세포는 사람의 기본 심박수에 따라 분당 60~100회의 속도로 계속 작동합니다.

심장의 복잡성으로 인해 약물 테스트에 사용하거나 살아있는 사람 내부에 이식하기 위해 모델 버전을 3D 프린팅하려는 시도는 지금까지 성공하지 못했습니다.

하버드 SEAS(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) 연구원들은 전기 자극을 받으면 고유한 리듬으로 박동하는 심실의 3D 프린팅 모델을 발표했습니다. 비결은 심근세포처럼 내부 섬유가 서로 연결되도록 설계된 새로운 종류의 섬유 주입 젤(FIG) 잉크에 있습니다.

SEAS 최수지 연구원은 하버드 뉴스와의 인터뷰에서 “FIG 잉크는 인쇄 노즐을 통해 흐를 수 있지만 일단 인쇄된 구조는 3D 형태를 유지한다”고 말했다. "이러한 특성 때문에 추가 지지 재료나 비계를 사용하지 않고도 심실과 같은 구조 및 기타 복잡한 3D 모양을 인쇄하는 것이 가능하다는 것을 알았습니다."

새로운 3D 잉크는 박사후 연구원인 Luke MacQueen의 아이디어에서 시작되었지만 SEAS의 질병 생물물리학 그룹 책임자인 Kevin Parker의 연구실 내부에서 개발되었습니다. 이 기계를 사용하면 특히 섬세한 극세사 소재를 직조할 수 있습니다.

최씨는 기계를 사용해 얇은 면 같은 시트를 음파를 이용해 작은 조각으로 나누고 하이드로겔 잉크에 첨가했습니다. 시간이 지나면서 그녀는 길이가 약 100마이크로미터에 불과한 잉크와 섬유 세그먼트 사이의 적절한 비율을 발견했습니다. 올바른 잉크를 사용하여 그녀는 실제 심장처럼 정렬된 섬유질과 심근세포가 있는 심실을 인쇄했습니다.

그녀가 전기적 “심박조율기” 전류를 적용했을 때, 심실은 조화된 파동으로 수축했습니다.

최씨는 “실제 심실이 펌프질하는 것과 비슷한 방식으로 챔버가 실제로 펌프질하는 것을 보는 것이 매우 흥미로웠다”고 말했다.

그녀는 이전의 3D 프린팅 심장 시도보다 5~20배 더 많은 양의 유체를 펌핑할 수 있을 때까지 구조를 개선했으며 팀은 이를 더 두껍고 더 심장처럼 만들고 싶어했습니다.

실제 심장은 하루에 10만 번 박동하는데, 그 때마다 대략 테니스 공을 쥐는 데 필요한 힘이 가해집니다. 무게 기준으로 볼 때 심장은 인간의 기관 중 가장 많은 에너지를 필요로 하며 다양한 에너지원에 의존합니다.

최 교수는 “실제 심장에 비해 우리의 심실 모델은 단순화되고 소형화됐다”고 말했다.

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