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DGIST (대구경북과학기술원, 총장 국양) 로봇및기계전자공학과 최홍수 교수팀이 탈체 상태 중 생체 외 환경에서 해마 조직 절편과 신경망 형성이 가능한 마이크로로봇을 개발했다. 한국뇌연구원 라종철 책임연구원팀과 공동연구를 통해 세포 전달 및 이식 과정 중 생체 외 환경에서 마이크로로봇을 이용하여 구조적, 기능적으로 연결된 신경망 분석이 가능함을 확인했다. 향후 신경망, 세포치료제 및 재생 의학 분야에서 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질환 또는 손상으로 인한 신경세포의 재생을 위해 세포치료제나 세포 전달 기술들이 개발되고 있는데, 최근 최소침습적 정밀 세포 전달이 가능한 마이크로로봇을 이용한 기술이 주목받고 있다. 기존 마이크로로봇을 이용한 세포 전달 연구나 신경망 연결 연구들에서는 주로 세포 수준에서 세포의 구조적, 기능적인 연결성 검증만 수행됐다.

이에 DGIST 최홍수 교수팀은 신경망 연결을 실제 활용할 수 있도록 마이크로로봇을 활용한 연구를 수행했다. 마이크로로봇을 통해 탈체 환경에서 기능적으로 연결된 신경망 분석과 세포 전달이 가능하도록 개발하고자 하였으며, 이를 위해 쥐의 뇌 조직을 이용하여 실험을 수행했다.

우선 연구팀은 쥐의 뇌 조직 속 해마 일차 신경세포에 초상자성 산화철 나노입자(Iron oxide nanoparticles)를 부착시켜 3차원 구체(Spherical) 형상의 자성 신경 마이크로로봇(Mag-Neurobot)을 제작했다. 로봇 내부에는 외부 자기장에 반응하여 원하는 위치로 이동할 수 있도록 자성 나노입자가 포함되어 있는데, 생체적합성 확인을 통해 로봇의 자성이 신경세포 성장에 영향을 미치지 않음을 확인하면서 안정성 또한 검증했다.

▲ 왼쪽부터: DGIST 로봇및기계전자공학과 최홍수 교수, (주)아임시스템 김은희 선임연구원

연구팀은 자기장 제어를 이용하여 마이크로로봇을 쥐 해마 조직 절편으로 이동시키고, 면역 형광염색법을 통해 마이크로로봇에 포함된 세포들과 해마 조직 절편 내 세포들이 서로 구조적으로 신경돌기들을 뻗으며 연결되어 있음을 관측했다.

또한 마이크로로봇을 통해 전달된 신경세포가 정상적으로 전기생리적 특성을 가지는지 측정하기 위해 미세 전극 칩(Microelectrode array, MEA)으로 마이크로로봇 속 신경세포를 자극했고, 해마 조직 절편 내 신경세포들을 통해 전기 신호가 정상 전파됨을 검증했다. 이를 통해 마이크로로봇으로 전달된 신경세포가 기능적으로도 쥐의 해마 조직 절편 내 세포들과 신경망을 형성할 수 있고, 인공 신경망 형성 및 신경세포 전달체로서의 역할을 할 수 있음을 최종적으로 확인했다.

DGIST 최홍수 교수는 “전기 생리학적 분석법으로 마이크로로봇과 쥐 뇌 신경 조직이 기능적으로 연결할 수 있음을 검증했다”며, “이번 연구로 개발된 기술이 향후 신경질환 및 세포치료제 분야에서 표적 정밀 치료의 검증을 위한 도구로 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학난제도전협력지원단, 한국연구재단 및 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 재료 분야 최고 권위 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, JSR IF 32.086, 분야 상위 2.1%)’에 2월 15일(수) 온라인 게재됐다.