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Research

체내에서 녹는 생분해성 항암치료 마이크로로봇 개발

  • 조회. 744
  • 등록일. 2019.08.27
  • 작성자. 홍보팀

체내에서 녹는 생분해성 항암치료 마이크로로봇 개발
- DGIST 최홍수 교수팀, 원하는 부위로 찾아가 약물전달 및 고열치료 병행하는 생분해성 마이크로로봇 개발해
- 기존보다 향상된 성능의 약물치료 가능, 미래 항암치료의 새 길 열어

 

△DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수(좌), 박종언 학위연계과정학생(우)


 DGIST(총장 국양) 최홍수 교수 연구팀이 원하는 부위에서 고열치료 및 약물방출 조절이 가능한 생분해성 마이크로로봇을 개발하는데 성공했다. 이번 연구 성과는 고열치료를 통한 암세포치료 뿐만 아니라 치료약물도 정교하고 체계적으로 조절 가능해, 항암치료의 효율과 안전성을 높일 것으로 기대된다. 

 항암치료는 약물 및 고열치료, 방사선, 수술 등 여러 방법으로 치료가 행해지고 있다. 그 중 약물치료는 가장 많이 쓰이는 방법이나 약물은 신체의 순환기능에 의해서만 전달되기에 원하는 양만큼 특정 부위에 정확히 전달이 어렵다. 또한 고열치료는 부작용이 적어 최근 각광받고 있지만 특정 부위에 고열을 정확히 전달하기 어렵다는 단점이 있다. 

 이러한 한계를 극복하고자 DGIST 최홍수 교수 연구팀은 3D레이저 리소그라피1) 공정으로 자성나노입자와 약물을 탑재할 수 있는 3차원 생분해성 마이크로로봇을 개발했다. 

 마이크로로봇을 체내에서 직접 사용하려면 마이크로로봇이 사용 후에는 체내에서 분해되거나 회수되어 추가적인 유해효과를 최소화시켜야 한다. 이에 연구팀은 마이크로로봇의 소재를 생분해성 폴리머로 제작하여 제 할 일을 다 한 로봇이 부작용 없이 체내에서 생분해될 수 있도록 설계했다. 또한 외부자기장을 이용한 무선제어방식으로 체내에서 빠르고 정밀하게 약물을 이송 가능한 것도 장점이다.

 특히 원하는 부위에 도달한 로봇에 고주파의 교반자기장(Alternating magnetic field)2)을 걸어주면 마이크로로봇에 탑재된 자성나노입자로부터 발생된 열이 주변의 온도를 올려 국부 고열치료를 수행할 수 있도록 설계했다. 추가로 교반자기장의 강도와 노출시간을 조절하여 약물 방출을 정확하게 조절할 수 있도록 설계한 점이 이번 연구의 큰 성과다.

 연구팀은 개발된 마이크로로봇이 체외에서 배양한 암세포에 마이크로로봇을 사용한 고열치료가 암세포 치료에 유의미한 효과가 있음을 확인했으며, 교반자기장으로 인해 조절된 각각의 다른 약물방출모드의 치료적인 효능을 확인하는 것에 성공했다. 

 DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 암세포 치료방법의 단점을 개선시켜 암세포 치료의 효율을 높이고 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다” 며 “앞으로도 지속적으로 병원 및 관련 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 마이크로로봇 기반 정밀치료 시스템을 개발하는데 노력하겠다”고 말했다.

 이번 연구는 로봇공학전공 박종언 학위연계과정학생이 제1저자로, DGIST-ETH 마이크로로봇 연구센터 김진영 선임연구원이 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 세계적인 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials’에 22일자 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다. 


1) 3D 레이저 리소그라피 공정 : 100fs의 짧은 펨토초 펄스를 가지는 780nm파장의 레이저를 감광제에 조사하여 노광하는 방식으로, 마스크 없이 3D 구조를 가지는 정교한 구조물 제작이 가능
2) 교반자기장(Alternating magnetic field) : 강도 H와 역방향 강도 -H사이를 시간과 함께 주기적으로 변화하는 자기장.


   연구결과개요   

Magnetically Actuated Degradable Microrobots for Actively 
Controlled Drug Release and Hyperthermia Therapy

Jongeon Park, Chaewon Jin, Seungmin Lee, Jin‐Young Kim, and Hongsoo Choi
(Advanced Healthcare Materials, 22TH Aug 2019)

 마이크로로봇은 마이크로 사이즈, 최소 침습성, 정밀한 무선 제어 능력으로 인해 다양한 의공학 기술에 적용 가능한 미래의 유망한 기술로 떠오르고 있다. 표적 치료는 마이크로 로봇을 사용하여 약, 세포, 단백질, 열을 특정 부위에 정확하게 전달하는 다양한 마이크로 로봇 응용 분야 중 하나 이다. 생체 내 표적 전달을 위해 마이크로 로봇을 사용하기 위해서는 사용 후 부작용을 최소화시키기 위해서 생체 적합성과 생분해성이 있어야한다. 또한 약물 방출을 치료의 목적에 따라서 조절하여 부작용을 줄이고 치료 효율을 극대화하는 것이 중요하다. 
 분해 가능한 고열 마이크로로봇을 3 차원 나선 구조로 제작하여 약물 전달, 방출 고열 치료를 능동적으로 제어 할 수 있다. 생분해 가능한 PEGDA(poly ethylene glycol di acrylate) 로 이루어져 있으며 자성나노 입자와 항암제를 (5-FU) 함유하고 있다. 마이크로로봇은 이광자 중합시스템을 사용하여 정교한 3차원 헬릭스 모양으로 제작가능하다. 마이크로로봇의 구동은 전자기 작동 시스템에 의해 생성 된 회전자기장 에 의해 원격으로 정확하게 제어된다. 또한 교반자기장에 의해서 마이크로로봇은 43°C 까지 온도가 상승된다. 
 약물을 담지하고 있지 않는 마이크로로봇에 교반자기장을 걸어주어 마이크로로봇의 온도를 상승시킴으로써 암세포의 생존력을 감소시켰다. 약물은 교반자기장을 사용하여 마이크로로봇으로부터 정상, 버스트, 일정방출 모드로 컨트롤되어 방출되었다. 마이크로로봇으로부터의 약물방출은 체외환경에서 배양된 암세포생존율의 감소로 이어졌다. 또한 암세포 생존율은 정상모드보다 버스트방출 모드에서 더 큰 크기의 감소율을 보였다. 요약하면, 이번에 개발한 생분해성 마이크로로봇은 외부에서 제어 가능한 약물방출로 정교하고 질환 맞춤형 약물치료 및 국부고열 치료를 위한 잠재성을 가지고 있다.


   연구결과문답   


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
종래의 자성나노입자를 사용한 고열치료와는 다르게 자성나노입자를 생분해성 폴리머에 담지하여 이동시에 자성나노입자의 손실을 최소화 시켰다. 또한 기존의 생분해성 약물수송 마이크로로봇과는 달리 마이크로로봇이 타겟부위에 도달한 이후 교반자기장에 의해 발생되는 열을 사용하여 마이크로로봇으로부터 방출되는 약물의 방출속도를 외부에서 조절 할 수 있다. 그렇기에 약물 방출을 좀 더 효율적이고 체계적으로 할 수 있다. 또한 생분해성재료로 구성이 되어있기 때문에 치료가 끝난 후 부작용도 최소화 시킬 수 있다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
연구팀이 개발한 마이크로로봇을 사용하여 항암제뿐만 아니라 다양한 치료로 사용할 수 있다. 마이크로로봇의 특성상 사람의 손으로는 도달하기 어려운 뇌 심부와 같은 곳에 마이크로로봇이 안전하게 도달하여 치료제를 전달할 수 있다. 무절개 방식 혹은 최소 침습으로 마이크로로봇 시술을 진행할 수 있어, 감염의 위험을 낮추고 환자의 회복 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존의 약물이나 고열을 사용한 치료에 비해 치료효율과 안전성을 높일 수 있을 것으로 예상된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
이번 연구를 통해 마이크로로봇을 사용하여 고열치료가 가능하고 약물방출의 제어가 가능하다는 것을 확인하였다. 임상 치료 적용 및 상용화를 위해서는 신체 내에서의 마이크로로봇 제어를 위한 대형 자기장 시스템, 마이크로로봇 시각화를 위한 의료 영상 시스템, 신체 내 혈류, 조직 등 더욱 다양한 생리학적 환경 등에서의 구동 등 종합적인 시스템 연구 개발이 필요하므로 앞으로도 많은 기초연구가 요구된다. 

Q. 실용화를 위한 과제는?
이번 연구는 고열 전달 및 약물 전달 마이크로로봇의 원천기술을 보여준 연구이다. 실용화를 위해서는 약물 탑재량 향상, 인간 신체 내에서의 마이크로로봇 제어를 위한 자기장 시스템, 마이크로로봇 시각화 및 위치 추적을 위한 의료 영상 시스템 연구 및 통합 시스템 개발, 체내에서 좀 더 적합한 생분해성 물질개발이 필요하다. 마지막으로 통합 시스템을 이용한 다양한 동물 체내 환경에서의 마이크로로봇 기반 치료, 열치료, 약물치료의 평가가 필요하다. 이를 위해 임상의사와의 공동연구를 계속해서 진행할 예정이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
기존의 약물전달 로봇들을 조사하던 중에 약물을 탑재한 마이크로로봇을 각 질환부위로 이동시키는 것에만 연구들이 집중되었었다. 환부에 도달하여 약물을 어떻게 얼마큼 방출 할 것인지 또한 치료에 중요하다고 생각하여 마이크로로봇으로부터의 약물방출을 외부에서 조절 할 수 있는 방법에 대하여 연구하기 시작하였다. 열을 이용하여 약물방출을 조절하는 아이디어를 생각하였고, 교반자기장을 사용하여 고열을 발생시키면서 동시에 약물방출을 조절 할 수 있는 현재의 마이크로로봇을 개발하게 되었다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
자성나노입자만을 사용한 고열치료에 비해 자성나노입자를 손실 없이 표적위치에 이동시킬 수 있어서 비효율적인 운반으로 생기게 되는 부작용을 최소화 시킬 수 있다. 생분해성 재료로 만들어 졌기 때문에 치료 후에 몸속에서 자연스럽게 분해되어 몸 밖으로 방출이 되므로 치료 후의 부작용을 최소화 할 수 있다.
마이크로로봇이 표적부위에 도달한 후에 교반자기장에 의해 발생되는 열을 사용하여 마이크로로봇에서 방출되는 약물의 방출속도를 외부에서 조절 할 수 있기 때문에, 약물 방출을 원하는 치료방법에 따라 좀 더 효율적이고 체계적으로 수술이 가능하다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
우리 연구팀의 마이크로로봇을 이용한 다양한 의공학적 연구결과가 기존의 치료방법을 개선하고 다양한 목적으로 의료 현장에서 실제로 활용돼 새로운 치료기술로 인류 복지에 이바지 할 수 있기를 바란다. 
현재는 원천연구 수행을 통해 세계적 경쟁력을 확보했고, 앞으로도 정부 부처의 적극적인 지원으로 충분한 기초연구 및 임상실험을 통해 사업화 기반을 마련하고자 한다.


   그림 설명   

[그림 1] 생분해성 마이크로로봇의 암세포 치료 메커니즘 모식도

 

[그림 2] 시간에 따른 마이크로로봇의 분해 이미지

 

[그림 3] 교반자기장을 사용한 약물 방출 조절과 암세포 치료 효과 결과

 

   논문 바로보기    Advanced Healthcare Materials

 

 

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