DGIST 로봇및기계전자공학과 최홍수 교수팀은 가톨릭대학교 서울 성모병원 김성원 교수팀, 스위스취리히연방공대 (ETH Zurich) 브래들리 넬슨 (Bradley J. Nelson) 교수팀과 공동연구를 통해 체내에서 분해 가능한 마이크로로봇을 분당 100개 이상 제작하는 기술을 개발하였다.
▲ (왼쪽부터) 로봇및기계전자공학과 최홍수 교수, 노승민 석박사통합과정생 (이미지 출처=DGIST)
환자의 신체에 부담을 줄이기 위해 절개 부위 등을 최소화 하는 방법인 최소 침습적 표적 정밀 치료를 목표로 하는 마이크로로봇은 다양한 방법으로 제작이 가능하지만, 그 중 두 개의 레이저를 합성수지에서 교차시켜 중합반응을 일으키는 방식인 이광자 중합(Two-photon polymerization)이라는 초미세 3D 프린팅 기술이 가장 많이 사용되고 있다.
해당 기술을 통해서는 나노미터 단위의 정밀도를 가진 구조체를 만들 수 있으나, 3D 프린팅으로 구현된 화소인 Voxel을 하나하나 경화시켜야하기 때문에, 하나의 마이크로로봇을 만드는데 오랜 시간이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 로봇 내부에 포함되어 있는 자성나노입자가 이광자 중합 과정에서 빛이 지나가는 경로를 막을 수 있기 때문에, 높은 농도의 자성나노입자를 사용할 시 공정 결과가 균일하지 못할 가능성이 높다는 문제점도 가지고 있다.
DGIST 최홍수 교수 연구팀은 기존 마이크로로봇 제작 방법의 한계를 극복하기 위하여, 생분해성 재료이며, 빛에 의해 경화가 가능한 물질인 Gelatin methacrylate와 자성나노입자의 혼합물을 미세 유체 칩 내부에 흘려보내어 마이크로로봇을 분당 100여개 이상의 높은 속도로 제작할 수 있는 방법을 개발했다. 이는 기존의 마이크로로봇 제작 방법인 이광자 중합을 이용했을 때 보다 10,000배 이상 빠른 속도이다.
▲ 미세 유체 칩을 이용한 마이크로로봇의 대량 제작 방법 (상)과 제작한 마이크로로봇의 외부 자기장 (자석) 에 의한 반응 (하) (이미지 출처=DGIST)
그리고 해당 기술로 제작된 마이크로로봇을 사람의 코에서 채취한 줄기세포 (human nasal turbinated stem cells)와 함께 배양하여 마이크로로봇 표면에 줄기세포가 부착되도록 유도했다. 이러한 과정으로 내부에는 자성나노입자가 포함되어 있고, 외부 표면에는 줄기세포가 부착된 줄기세포 담지 마이크로로봇을 제작하였다. 로봇은 내부에 포함된 자성나노입자가 외부 자기장(자석, 전자기장 등)에 반응하여 이동하며, 원하는 위치로 이동하게 할 수 있다.
▲마이크로로봇 표면에 줄기세포가 붙는 24시간 동안의 과정 (상) 과
마이크로로봇 표면에 붙은 세포를 확인위한 세포 염색 결과 (하) (이미지 출처=DGIST)
기존 줄기세포 치료법의 경우 세포의 선택적인 전달이 어려웠으나, 줄기세포 담지 마이크로로봇은 전자기장 제어 시스템으로부터 발생하는 자기장을 실시간으로 제어하여 원하는 위치로 이동하는 것이 가능하다. 연구팀은 줄기세포 담지 마이크로로봇이 미로 형태의 마이크로 채널을 통과하여 목표 지점에 도달하는 것이 가능한지 실험을 진행하였으며, 그 결과 연구팀이 원하는 위치로 이동시킬 수 있음을 확인했다.
▲ 정교한 미로 내에서의 줄기세포 부착 마이크로로봇의 정밀 제어와 MR이라는 글자 작성 (상), 효소에 의한 마이크로로봇의 분해 및 로봇으로부터 나온 자성나노입자의 수거 (중), 로봇을 통해 전달된 줄기세포의 부착 및 증식 (하) (이미지 출처=DGIST)
또한 줄기세포가 부착된 마이크로로봇을 분해효소와 함께 배양하여 로봇의 분해성을 평가했다. 배양 6시간 후, 마이크로로봇이 완전히 분해되었고, 로봇 내부에 들어있던 자성나노입자는 자기장 제어 시스템으로부터 발생한 자기장에 의해 수거되었다.
줄기세포는 마이크로로봇이 녹은 위치에서 증식되었다. 이후, 줄기세포가 정상 분화함을 확인하기 위하여 신경 세포로 분화가 되도록 유도하였고, 약 21일 후 신경세포로 분화 하는 것을 확인하였다. 본 실험을 통해 마이크로로봇을 이용하여 원하는 위치로 줄기세포를 전달하는 것이 가능하며, 전달된 줄기세포는 증식과 분화를 보여주어 표적 정밀 치료제로의 역할을 할 수 있음을 검증하였다.
▲ 표적 부위에 전달된 줄기세포의 신경세포로 분화를 검증하기 위한 세포 염색 (상), 마이크로로봇에 붙은 해마 신경세포로부터 발생한 전기적 신호 검증 (하) (이미지 출처=DGIST)
나아가 연구팀은 마이크로 로봇이 전달한 줄기세포가 정상적으로 전기적, 생리적 특성을 나타내는지 확인하였다. 이번 연구의 최종목표는 기존 신경세포 간의 연결이 끊긴 상태에서 로봇이 전달한 줄기세포가 가교역할을 정상적으로 수행하는 것인데, 이를 확인하기 위해 전기적 신호를 안정적으로 발산하는 쥐 태아로부터 추출된 해마 신경 세포를 활용하였다.
해당 세포를 마이크로 로봇의 표면에 부착하고, 마이크로 사이즈의 전극 칩 위에서 배양을 진행하였으며, 28일이 지나서 해마 신경 세포로부터 전기 신호가 발생하는 것을 관찰하게 되었다. 이를 통해 마이크로 로봇이 신경세포 전달체로서의 역할을 제대로 수행할 수 있음을 최종적으로 검증하였다.
DGIST 최홍수 교수는 “마이크로로봇의 대량 제작, 전자기장에 의한 정밀 구동, 줄기 세포 전달 및 분화 등 본 연구를 통해 개발된 기술이 향후 표적 정밀 치료의 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 세계적인 국제 과학 학술지 ‘스몰 (Small, 종합 분야 상위 7.10%)’에 6월 23일 게재됐으며 과학난제도전협력지원단, 한국연구재단 및 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐다.
글. 이지은 기자 smile20222@brainworld.com | 사진 및 자료출처 = 대구경북과학기술원(DGIST)