본문 바로가기 사이드메뉴 바로가기 주메뉴 바로가기

주메뉴영역

주메뉴영역

혁신으로 세상을 바꾸는 융복합 대학, DIGIST
Innovative University Changing the World through Convergence
이 페이지를 SNS로 퍼가기

Research

원하는 치료 부위에 정확히 고정되는 바늘형 마이크로로봇 개발

  • 조회. 390
  • 등록일. 2020.04.13
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 최홍수 교수팀, 치료 부위에 고정돼 안정적으로 약물 전달 가능한 마이크로로봇 개발
- 기존 마이크로로봇 제어방식을 획기적으로 개선, 다양한 정밀의학기술에  적용 기대 

 

DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수(왼쪽), 이승민 박사(오른쪽)
DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수(왼쪽), 이승민 박사(오른쪽) ⓒDGIST

 

 DGIST는 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 인체 내 치료가 필요한 부위에 정확하고 안정적으로 약물 전달이 가능한 바늘형 마이크로로봇(Needle-Type Microrobot)을 개발했다고 13일(월) 밝혔다. 이번 연구 성과는 기존의 마이크로로봇 약물전달기능 및 제어방식을 획기적으로 개선해 다양한 정밀의학기술에 적용 가능할 것으로 기대된다. 

 급속한 고령화와 환경오염에 따른 각종 질병의 증가로 인해 첨단의료기술개발은 전 세계적인 관심사다. 현재 인체 내 조직 치료 중 약물치료는 가장 일반적인 치료방법으로 쓰이는데, 약물은 신체의 순환기능에 의해서만 전달되기에 목표하는 부위에만 필요한 양의 약물을 정확히 전달이 어려워 상당한 부작용이 발생한다. 이러한 한계를 극복하고자 몸 속을 자유롭게 돌아다니며 목표하는 체내 조직의 정밀 치료가 가능한 마이크로 의료로봇 연구가 최근 각광받고 있다. 

 이에 DGIST 최홍수 교수 연구팀은 세계 최초로 바늘형 마이크로로봇을 개발했다. 미세 로봇 구조물은 3차원 레이저 리소그라피1) 공정을 통한 나노-마이크로 스케일로 제작됐으며, 금속박막 증착기술을 이용해 자성물질(Nickel, Ni)과 생체적합물질(Titanium oxide, TiO2)을 증착했다. 더불어, 생체적합물질로 사용된 TiO2는 화학적인 방식으로 항암제(Paclitaxel, PTX) 탑재 능력을 향상시켰다.

 연구팀은 체외 약물 테스트 플랫폼에서 실험을 통해 기존의 마이크로로봇의 제어 기능을 한 차원 개선시켰다. 특히 이번에 개발한 바늘형 마이크로로봇은 목표지점으로 정확한 이동이 가능하며, 제어 시간 또한 획기적으로 줄였다. 또한 특정 치료 부위에 로봇을 고정시키기 때문에 외부의 지속적인 자기장 에너지 공급이나 제어가 불필요하며, 실제 인체 내부와 같이 특정 유체 흐름이 있는 환경에서 기존보다 유체 저항을 최대 6배 더 견디면서 안정적으로 약물을 전달할 수 있는 것이 장점이다. 

 연구팀은 또한 바늘형 마이크로로봇을 체외에서 배양한 암 종양 조직에 적용해 보았는데 암 종양에 고정되기 전, 후의 성능 테스트에서 유의미한 결과를 확인했으며, 항암제 약물방출을 통한 치료적인 효능도 추가로 증명했다. 

 DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 마이크로로봇의 기능을 더욱 개선시켜 약물전달 효율을 높이고 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로도 더욱 향상된 마이크로로봇을 지속적으로 개발하여 장기적으로 동물실험과 관련 병원 및 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 마이크로로봇 기반 정밀치료 시스템을 개발하는데 노력하겠다”고 말했다.

 이번 연구는 DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수가 교신저자로, DGIST 이승민 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 세계적인 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials’에 4월 8일(수) 표지논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 DGIST의 지원으로 수행됐다. 

---

1) 3D 레이저 리소그라피 : 100fs의 짧은 펨토초 펄스를 가지는 780nm파장의 레이저를 감광제에 조사하여 노광하는 방식으로, 마스크 없이 3D 구조를 가지는 정교한 구조물 제작이 가능

 


     연구결과개요 

A Needle-Type Microrobot for Targeted Drug Delivery by Affixing to a Microtissue
Seungmin Lee, Jin-young Kim, Junyoung Kim, Ali Kafash Hoshiar, Jongeon Park,
Sunkey Lee, Jonghyun Kim, Salvador Pané, Bradley J. Nelson, and Hongsoo Choi (Advanced Healthcare Materials, 8th Apr. 2020)

 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, 열 등을 특정 부위에 정확하게 전달하는 다양한 마이크로 로봇 응용 분야 중 하나이다. 이 중 약물을 원하는 부위에 정확하게 전달하는 것은 약물 오남용을 최소화 하면서, 약물 전달 효율을 극대화 시킬 수 있어야 한다. 또한, 외부 영향을 받지 않고, 안정적으로 원하는 위치에 약물을 전달 할 수 있는 것이 중요하다. 
 바늘형 마이크로로봇은 원하는 부위에 고정 할 수 있는 바늘 부분이 있어, 외부 에너지원과 정밀 제어 없이 한번 전달된 위치에 고정되어 위치 유지가 가능하다는 것이 장점이다. 이는 3차원 레이저 리소그라피 공정을 통해 나노-마이크로 스케일로 미세 로봇 구조물을 제작 하였고, 금속박막 증착 기술을 이용하여 자성물질(Nickel, Ni)과 생체적합물질(Titanium oxide, TiO2)을 증착하였다. 더불어, 생체적합물질로 사용된 TiO2는 화학적인 방식으로 항암제(Paclitaxel, PTX) 탑재 능력을 향상 시킬 수 있다.
 개발된 마이크로로봇은 약물의 정밀 전달을 위해 체외 약물 테스트 플랫폼에서 이동시 정밀 제어가 중요하다. 기존에 개발된 마이크로로봇의 제어는 사용자의 제어 숙련도에 따라 수동 제어(Manual control)시 정확성과 정밀성이 떨어졌으나, 본 연구에서 개발된 자동 제어(Automatic control) 알고리즘을 활용하면 정확한 이동과 제어 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 것이 장점이다. 또한, 체외 약물 테스트 플랫폼에서 암종양 조직에 바늘형 마이크로로봇이 고정 전과 후의 성능 실험을 통해 종양 조직 사멸에 유의미한 결과를 확인하였다.
 약물 실험은 대조군과 실험군(w/o drug, w/ drug)에 따라 확인 하였고, 암세포 생존율은 대조군보다 실험군 에서 큰 (상대적인 크기 및 ATP
2)) 감소율을 보였다. 요약하면, 이번에 개발한 바늘형 마이크로로봇은 목표 조직에 정밀하게 고정되는 기능이 추가되어 장기간 외부 힘없이 안정적인 약물 방출을 통해 질환 맞춤형 세포 및 약물치료의 잠재성을 가지고 있다. DOI : 10.1002/adhm.201901697

---

2) Adenosine triphosphate(ATP): 근육 수축, 신경세포에서 흥분의 전도, 물질 합성 등 살아있는 세포에서 다양한 생명 활동을 수행하기 위해 에너지를 공급하는 유기 화합물

 

 

     연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
종래의 마이크로로봇은 약물전달시 외부 환경에 따라 질환 부위에 정확하게 전달하기 위해 외부 자기장 에너지 및 제어가 지속적으로 필요했으나, 본 연구에서 개발된 바늘형 마이크로로봇은 원하는 부위에 고정(fixation) 할 수 있는 기능을 통하여 안정적이고 효율적으로 약물전달이 가능하도록 개발됐다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
연구팀이 개발한 마이크로로봇을 사용하여 약물전달 뿐만 아니라 세포 전달 등으로 다양하게 적용 될 수 있다. 마이크로로봇의 특성상 약물 또는 세포 전달을 위해 체외 테스트 플랫폼에서 미세제어가 필수적으로 필요하고, 외부자기장 에너지의 지속적인 제어 없이 장기간 전달이 가능하도록 실용적인 마이크로로봇 개발에 주안점을 뒀다. 향후 무절개 방식 혹은 최소 침습적으로 마이크로로봇 시술을 진행할 수 있고, 약물의 과남용 위험을 낮추며, 환자의 회복 시간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 연구를 통해 체외 약물 테스트 플랫폼에서 바늘형 마이크로로봇이 외부 자기장 에너지의 지속적인 도움 없이 장기간 약물전달이 가능하다는 것을 확인하였다. 임상 치료 적용 및 상용화를 위해 신체 내에서의 마이크로로봇 제어에 필요한 대형 자기장 시스템, 마이크로로봇 시각화에 필요한 의료 영상 시스템 등의 추가적인 시스템 연구를 진행 중이다. 향후 이러한 전반적인 연구결과에 따라 본 마이크로로봇의 실용화 시기가 결정될 것으로 판단된다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
이번 연구는 기존에 개발된 세포 및 약물전달용 마이크로로봇보다 실용성 측면에서 한 차원 기능이 업그레이드 된 로봇이다. 앞으로 실용화를 위해 약물 탑재량 향상, 마이크로로봇 제어를 위한 대형 자기장 시스템 실용화, 마이크로로봇 시각화 및 위치 추적을 위한 의료 영상 시스템 연구 및 통합 시스템 개발이 필요하다. 마지막으로 통합 시스템을 이용한 다양한 동물의 체내 환경에서 마이크로로봇 약물 전달의 평가도 필요하다. 이를 위해 임상의사와 공동연구를 계속해서 진행할 예정이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
기존의 약물전달 로봇들을 조사하던 중에 약물을 탑재한 마이크로로봇은 제작방식과 이동 메카니즘에만 연구들이 집중되었다. 이러한 연구들 중 특정 위치에 도달하여 약물을 안정적으로 최종 전달하는 것, 즉 외부 자기장 에너지의 지속적인 제어 없이 장기간 약물 전달이 치료에 중요하다고 생각하여, 고정기능을 탑재한 바늘형 마이크로로봇 개발 연구를 시작하였다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
기존의 마이크로로봇은 세포나 약물전달을 위해 자기장 제어를 통하여 원하는 부위에 접근을 하고, 지속적으로 위치 제어를 해야만 특정 부위에 장기적으로 약물 전달이 가능하다. 이는 지속적인 에너지 소모와 연속적인 제어가 필요하여 실험의 효율성이 부족했다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 로봇 앞 단에 바늘형 구조물을 추가로 제작하고, 기계적으로 목표 위치에 고정이 가능하게 해 기존보다 훨씬 효율적으로 약물 전달이 가능하도록 설계했다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구팀의 다양한 의공학적 연구를 통한 이번 성과가 마이크로로봇 연구 분야에 새로운 한 획을 그을 수 있길 바라며, 의료 현장에서 실제로 활용되는 기술로 발전할 수 있도록 노력하겠다. 
현재는 원천연구 수행을 통해 세계적 경쟁력을 확보했고, 앞으로도 정부 부처의 적극적인 지원으로 충분한 기초연구 및 동물실험을 통해 사업화 기반을 마련하고자 한다.

 


     그림 설명 

[그림 1] ‘Advanced Healthcare Materials’ 의 Front cover로 선정된 표지 그림

Front cover로 선정된 표지 그림

 

[그림 2] 바늘형 마이크로로봇의 약물전달 과정 모식도 

바늘형 마이크로로봇의 약물전달 과정 모식도

(그림설명) 바늘형 마이크로로봇이 외부의 회전자기장 제어를 통해 치료부위로 접근해 고정됨. 이 때까지는 외부 자기장의 힘이 필요하지만, 고정된 이후 약물을 방출하는 과정부터는 별도의 자기장 제어 없이 약물전달 치료가 가능함


[그림 3] 바늘형 마이크로로봇의 약물 전달 과정(a), 제어 환경에 따른 실험결과(b), 유체 흐름 환경에 따른 고정 기능의 정성(c) 및 정량(d)적인 실험결과

바늘형 마이크로로봇의 약물 전달 과정(a), 제어 환경에 따른 실험결과(b), 유체 흐름 환경에 따른 고정 기능의 정성(c) 및 정량(d)적인 실험결과

(그림설명)
(a) : 바늘형 마이크로로봇이 미세 조직에 고정 되는 전 과정을 보여주는 개념도
(b) : 마이크로로봇을 수동제어 하는 모습(i)과 자체 개발한 자동제어 알고리즘을 통한  제어(ii) 비교 결과, 이동 경로 및 시간이 확연히 단축됨
(c) : 인체 내와 같이 유체 흐름이 있는 환경에서 마이크로로봇이 미세 조직에 고정 전(upper)과 후(lower)의 고정(fixation) 기능을 실험적으로 비교함. 마이크로로봇이 고정되었을 때가 고정되기 전의 유체 저항을 최대 6배 가량 더 견딜 수 있어, 보다 안정적인 약물전달이 가능함을 확인함. 그 결과를 (d)와 같이 정량적인 그래프로 나타냄


[그림 4] 형광을 입힌 암세포에 바늘형 마이크로로봇의 약물 방출을 나타낸 측정군과 약물 투입을 하지 않은 측정군 등을 시간에 따라 비교한 광학현미경 사진

형광을 입힌 암세포에 바늘형 마이크로로봇의 약물 방출을 나타낸 측정군과 약물 투입을 하지 않은 측정군 등을 시간에 따라 비교한 광학현미경 사진

(그림설명)
(a) : 약물이 탑재된 바늘형 마이크로로봇(로봇○/약물○)이 암세포에 고정되어 약물을 투여했을 때, 시간이 지남에 따라 암세포가 사멸됨을 알수 있다.(녹색형광은 온전한 암세포를 나타내며, 붉은색으로 변한 암세포는 사멸되었음을 의미함)
(b),(c) : 그림(a)의 암세포 미세조직의 크기 및 ATP의 양을 상대적으로 보여주는 그래프

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   홍보팀 ㅣ 053-785-1135