December 09,2019

이식 가능 미세 바이오로봇 개발

하이드로겔 소재로 효과 높고 부작용 적어

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인체에 안전하게 이식할 수 있는 바이오 소재로 만든 미세 바이오로봇 제조 기술이 개발됐다.

미국 컬럼비아공대 샘 시아(Sam Sia) 교수가 이끄는 생의학 공학 연구팀은 생체 적합성을 지닌 유연한 하이드로겔 소재를 이용해 3 차원 구조에 자유롭게 움직이는 부품을 갖춘 미세 디바이스를 만들 수 있는 새로운 기술을 발명했다.

시아 교수팀은 ‘사이언스’ 자매지인 ‘사이언스 로보틱스’(Science Robotics) 4일자 온라인판에 이 기술을 소개하고, 이를 ‘이식형 미세전자기계시스템(implantable microelectromechanical systems(iMEMS)’이라고 이름 붙였다.

iMEMS 방법을 사용하여 연속적인 회전을 주기적인 회전으로 바꾸는 제네바 드라이브 장치를 제작한 모습 Credit: SauYin Chin/Columbia Engineering

iMEMS 방법을 사용하여 연속적인 회전을 주기적인 회전으로 바꾸는 제네바 드라이브 장치를 제작한 모습.  Credit: SauYin Chin/Columbia Engineering

효과적인 약물전달 능력 실험으로 증명

하이드로겔은 관련 학자들이 지난 10여년 동안 연구해 온 재료로, 연구진은 하이드로 겔 고유의 기계적 특성을 이용하여 자유롭게 움직일 수 있는 부품들이 정밀하게 구동하고 이동할 수 있는 ‘잠금 기제’(locking mechanism)를 개발했다. 이 잠금 기제는  밸브, 매니폴드, 로터, 펌프 및 약물 전달과 같은 기능을 수행할 수 있도록 한다.

연구팀은 하이드로겔의 광범위한 기계적 및 확산적 속성을 조율하고 이식 후에도 독성 염려가 있는 배터리 등의 지속적인 전력 공급 없이도 도구를 제어할 수 있었다. 또 이 도구에 항암성 항생물질인 독소루비신을 탑재해 뼈 암 모델에 전달한 결과 10일 이상 독소루비신 방출 작업이 진행됨으로써 표준 화학항암요법의 10분의 1에 불과한 적은 용량으로 높은 치료 효과와 낮은 독성률을 보여주었다.

시아 교수는 “전체적으로 볼 때 iMEMES 플랫폼은 필요에 따라 무선으로 제어할 수 있는 다양한 종류의 정교한 이동 부품을 가진 생체적합성 이식 가능 마이크로 디바이스  개발을 가능하게 할 뿐만 아니라 이 디바이스의 전력 문제와 생체적합성 문제를 해결해 냈다”고 밝혔다.

그는 “우리는 생체 소재의 세계를 복잡하고 정교한 의학 디바이스의 세계와 제대로 연결시켰다는 점에서 크게 흥분했다”며, “이번에 개발한 플랫폼은 논문에서 증명한 것과 같이 정밀의학에서 활용할 수 있는 맞춤 약물 수송과 같은 약물전달 시스템을 비롯해 수많은 잠재적 응용분야를 가지고 있다”고 덧붙였다.

제네바 드라이브 장치를 제작하고 조립하는 장면. 지지 구조를 층별로 제작하고 기어 구성 요소를 조립한다.  Credit: SauYin Chin/Columbia Engineering

제네바 드라이브 장치를 제작하고 조립하는 장면. 지지 구조를 층별로 제작하고 기어 구성 요소를 조립한다. Credit: SauYin Chin/Columbia Engineering

하이드로겔의 기계적, 화학적 특성을 조율

현재 나와있는 대부분의 이식 가능한 마이크로 디바이스들은 움직이는 부품이 아니라 정지된 부품으로 구성돼 있어 구동을 위해서는 배터리나 혹은 독성 염려가 있는 전자부품을 써야 해 생체적합성에 한계가 있다. 시아 교수팀도 8년 이상을 이 문제 해결에 매달렸다.

논문의 제1저자로 시아 교수와 함께 일한 사우 인 친(Sau Yin Chin) 박사는 “하이드로겔은 부드러울 뿐만 아니라 전통적인 가공 기술이 적용되지 않기 때문에 다루기가 어렵다”며, “우리는 기계적 특성을 잘 조율해 조심스럽게 구조의 강도와 일치시켜 디바이스 안에서 서로 접촉하도록 했다”고 말했다.

친 박사에 따르면 힘을 전달하고 반복적인 작동을 견뎌내려면 맞물리는 기어가 좀 뻣뻣해야 한다. 반대로 잠금 메커니즘을 형성하는 구조에서는 부드럽고 유연해야 기어들이 구동하면서 미끌어지게 된다. 하지만 디바이스가 작동하지 않을 때는 기어를 충분히 고정시킬 수 있을 만큼 딱딱할 필요가 있다. 연구팀은 이와 함께 디바이스에 탑재된 약물이 하이드로겔 층을 통해 쉽게 분산되지 않도록 하기 위해 하이드로겔의 확산 특성도 연구했다.

제네바 드라이브 장치의 자기 발진 모습. 자석은 기기와 접촉하지 않고 약 1cm 아래에 놓는다. 회전하는 자석이 더 작은 구동 기어의 회전 운동을 일으킨다. 이 구동 기어가 1 회전 할 때마다 더 큰 피구동 기어가 맞물려 60º 회전하고 다음 번 저장소가 장치 상단의 구멍에 노출된다. https://www.youtube.com/watch?v=MK4dLgmFSMo  Credit: SauYin Chin/Columbia Engineering

제네바 드라이브 장치의 자기 발진 모습 동영상. 자석은 기기와 접촉하지 않고 약 1cm 아래에 놓는다. 회전하는 자석이 더 작은 구동 기어의 회전 운동을 일으킨다. 이 구동 기어가 1 회전 할 때마다 더 큰 피구동 기어가 맞물려 60º 회전하고 다음 번 저장소가 장치 상단의 구멍에 노출된다. https://www.youtube.com/watch?v=MK4dLgmFSMo   Credit: SauYin Chin/Columbia Engineering

배터리 안 쓰고, 무선으로 통신 가능

연구팀은 빛을 이용해 겔 시트들을 중합하고, 스테퍼 기계화(a stepper mechanization)를 도입해 Z축을 제어하고 레이어별로 시트를 패턴화해 3차원적 입체감을 부여했다. z 축을 제어하면 하이드로겔의 한 층 안에서 복합 구조를 생성하고, 제조 공정 전반에 걸쳐 각 층의 두께를 관리할 수가 있다. 연구팀은 정확하게 정렬된 여러 개의 레이어를 쌓을 수 있었고 한 번에 하나의 레이어를 바로 이어 중합할 수 있었기 때문에 복잡한 구조가 30 분 이내에 만들어졌다.

시아 교수의 iMEMS 기술은 생체적합성 미세기구와 마이크로머신, 마이크로로봇 제작에 필요한 여러 기본적인 고려사항에 대한 고민의 흔적을 보여준다. 독성 배터리를 사용하지 않고 소형 로봇 장치에 전력을 공급하는 방법, 제한된 생체적합성을 갖는 실리콘이 아닌 소재로 미세 생체적합성 이동성 부품을 만드는 방법, 일단 이식된 디바이스와 무선으로 통신하는 방법(무선주파수를 쓰는 미세 전자기구는 전력을  필요로 하고 비교적 크며 생체적합성이 떨어진다) 등의 문제가 그것이다.

개발자인 시아 교수(왼쪽)와 논문 제1저자인 사우인 친 박사 ⓒ ScienceTimes

개발자인 시아 교수(왼쪽)와 논문 제1저자인 사우인 친 박사

유연한 소형 로봇 개발을 위한 교두보

연구팀은 iMEMS 디바이스 이식 후 며칠에서 수 주에 걸쳐 이 디바이스가 부가된 짐(약물)을 방출하도록 할 수 있었다. 또 자력을 사용해 기어를 움직여 고도의 조율성이 필요한 하이드로겔로 만들어진 구조 빔을 구부림으로써 정확한 작동을 수행할 수 있었다(자성을 띤 철 입자가 일반적으로 사용되며 조영제로 인체 사용을 위해 FDA 승인을 받았다).

연구팀은 컬럼비아 대학의 정형외과 의사인 프란시스 리(Francis Lee) 박사와 협력하여  뼈 암이 있는 실험 쥐를 대상으로 약물 전달 시스템을 시험했다. iMEMS 시스템은 암에 근접해 치료제를 방출함으로써 전신을 대상으로 투여되는 화학요법보다 적은 독성을 나타내면서 종양의 성장을 억제했다.

시아 교수는 이 마이크로 규모의 구성품들이 “약물 전달에서 카테터, 심장 박동 조정 장치 및 소프트 로봇에 이르는 더 큰 마이크로 전자기계시스템(MEMS)에 사용될 수 있다”고 밝혔다. 그는 “사람들은 이미 인체 대체조직을 만들고 있으며, 우리는 무선으로  대화할 수 있는 작은 이식형 장치, 센서 혹은 로봇을 만들 수 있게 됐다”고 말하고, “iMEMS 시스템은 사람을 비롯한 다른 생명체 시스템과 안전하게 상호 작용할 수 있는 유연한 소형 로봇 개발에 좀더 근접하게 다가섰다”고 자평했다.

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