자기장 하나로로 치료·추적·제어까지 가능한 플랫폼이 세계 최초로 개발됐다.
고려대학교 세종캠퍼스는 전자및정보공학과 김성훈 교수 연구팀이 세계 최초로 자기입자영상(MPI·Magnetic Particle Imaging) 기술을 기반으로 한 ‘올인원 전자기 테라노스틱스 마이크로로봇 플랫폼’을 개발했다고 8일 밝혔다.
이번 연구는 고가의 의료영상 장비없이도 마이크로로봇의 정밀한 위치 추적과 자극, 세포 전달이 가능한 마이크로로봇 및 전자기 테라노스틱스 플랫폼을 개발한 것이며 차세대 의료 로봇기술의 새로운 가능성을 제시했다.
김성훈 교수(교신저자, 고려대학교 전자및정보공학과)를 중심으로 구성된 이번 연구팀에는 곽소정 교수(공동 교신저자, 원광대학교 화학융합공학과), Armando Ramos-Sebastian 박사(제1저자, 고려대 광전자신소재연구소), 이자성 박사과정(공동 제1저자, 고려대 전자·정보공학과), 송원일·지동민 박사과정(고려대 전자·정보공학과)이 참여했다.
기존 의료용 마이크로로봇은 CT, X-ray, 광학카메라 등 외부 장비를 통해 위치를 추적해야 했고 이로 인한 방사선 노출과 고비용이 문제로 지적되어 왔다.
그러나 연구팀이 개발한 시스템은 MPI 신호만으로 자성 물질의 농도와 위치를 실시간 정량 추적할 수 있어, 환자 안전성과 정밀 진단 효율성을 획기적으로 개선할 수 있다.
연구팀은 생체적합성 높은 알지네이트 하이드로겔에 초상자성 나노플라워(iron oxide nanoflowers)와 NdFeB(네오디뮴 자성입자)를 복합 삽입해 MPI 신호, 로봇의 고정밀 위치제어, 열발생 제어, 세포 및 약물전달 기능을 모두 갖춘 다기능성 소프트 마이크로로봇을 제작했다.
특히 연구팀은 다중 자성나노입자를 이용하여 소프트 마이크로로봇의 모티모덜 기능을 구현하기 위한 최적 제조 방법을 제시했다.
MPI 신호, 로봇의 고정밀 위치제어, 열발생 제어, 세포 및 약물전달 기능을 모두 갖춘 이 마이크로로봇은 실제 혈류 환경을 모사한 3차원 유동 시스템에서도 안정적으로 동작하며, 목표 지점에 정확히 도달해 세포를 전달하고 생장까지 유도하는 데 성공했다.
이와 더불어 다중 마이크로로봇 간의 선택적 제어 기술도 구현됐고 이를 통해 원하는 특정 로봇에만 선택된 영역에서 자성 열치료(magnetic hyperthermia)를 수행하는 정밀 온열 자극 기술도 실험적으로 구현했다.
기존의 자성 열치료 방식은 정상세포 내에 자성 나노입자가 존재할 경우, 발열에 의해 정상조직이 함께 손상될 수 있는 한계가 존재한다.
그러나 이번 연구에서 개발된 선택적 열치료 기술은 병변 주위에 자성 나노입자가 존재하더라도, 3차원 공간상에서 치료 영역의 위치와 크기를 정밀하게 제어함으로써 설정된 특정 영역의 자성 나노입자 또는 마이크로로봇에서만 국소 발열을 유도할 수 있다. 이를 통해 정상조직의 손상을 최소화하는 선택적 치료 효과를 실험적으로 구현하고 검증했다.
하나의 자기장 시스템을 통해 위치 추적, 이동, 치료, 세포 전달까지 모든 과정을 통합적으로 제어 및 수행할 수 있다는 점이다. 이는 진단과 치료 기능을 각각 분리해 수행하던 기존 의료시스템의 한계를 극복하고, 단일 플랫폼으로 통합하는 ‘올인원 테라노스틱스 시스템’의 실현 가능성을 세계 최초로 입증한 사례다.
김성훈 교수는 “이번 연구는 의료 영상, 자극, 치료, 전달을 통합한 세계 최초의 자성 기반 올인원 테라노스틱스 플랫폼”이라며 “향후 장기 생체실험 및 동물모델을 통한 실용화 연구를 본격적으로 추진하겠다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 제조 분야 세계 1위 저널인 ‘International Journal of Extreme Manufacturing(IF 21.3, JCR 상위 0.7%)’에 7월 온라인 게재됐다.
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