기계·로봇 연구정보센터

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미래 의료 현장을 책임질 마이크로/나노 로봇 개발

최홍수 교수(DGIST 로봇공학전공) / mems at dgist.ac.kr 2021-12-13

마이크로/나노 로봇은 초소형 정밀기계 (Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 기술, Nano 기술, 재료 기술, 바이오 기술 등의 요소기술들에 기반을 둡니다. 일반적으로 1mm 이하 크기로 최소 침습 또는 비침습적인 방법으로 병변 관찰 및 치료에 활용하기 위해서 연구되고 있습니다. 최근 마이크로/나노 로봇을 이용한 세포이송 개념을 세계 최초로 개발해 마이크로/나노 로봇 분야의 새로운 연구 분야를 개척한 연구가 있습니다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 최홍수 교수(DGIST 로봇공학과)는 마이크로/나노 로봇을 이용한 심장 관상동맥 치료 기술, 세포 및 약물전달, 마이크로 초음파 트랜스듀서 어레이 등의 신기술을 연구 중이십니다. 멀티봇 기반 신경망 재건 플랫폼 기술 및 마이크로/나노 로봇 3차원 자기장 제어 시스템 등에 대해 이야기해보도록 하겠습니다.

1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

저희 Bio-Micro Robotics 연구실 및 DGIST-ETH 마이크로로봇연구센터 에서는 의료용 마이크로/나노 로봇 시스템 및 초소형 정밀기계 (Micro-Electro Mechanical System, MEMS) 기술 개발을 위한 연구를 수행합니다. 특히, 표적지향성 약물 및 세포 치료제 전달을 위해, MEMS 기술로 마이크로/나노 로봇을 제작하고 치료제를 전달하는 연구를 수행하고 있으며, 마이크로/나노 로봇을 원격으로 조종하고 정밀하게 제어하기 위한 자기장 제어 기술도 함께 연구하고 있습니다.

또한, 신체 모사 칩이나 MEMS 압전 소자 등을 포함하여 의료용 마이크로/나노 로봇 시스템을 아우르는 연구를 넓게 수행하고 있습니다. 이러한 기술들은 의료용 치료제, 최소 침습 또는 비침습 시술 등과 같은 다양한 분야에서 주목받고 있는 차세대 혁신적인 연구입니다.

현재 연구팀은 연구원 5명과 저를 포함하여 총 16 명 및 학부 연구생 9명이 함께 연구를 진행하고 있습니다. 또한 스위스 취리히의 스위스 연방공대(ETH)의 Bradley J. Nelson 교수님 및 Salvador Pane 교수님 팀과 꾸준히 공동연구를 진행하고 있습니다.

저희 그룹에 관심이 있으신 분들은 아래 홈페이지를 들러보시면 저희 연구들을 이해하시는데 도움이 될 것입니다. http://mems.dgist.ac.kr

2. 최근 세포이송 개념을 세계 최초로 개발해 마이크로 로봇 분야의 새로운 연구 분야가 되었다고 하는데요. 기존의 연구와 비교하여 어떻게 다른지 자세한 설명 부탁드립니다.

재생의학으로 각광받고 있는 세포 치료의 경우 치료가 필요한 부위에 정밀하게 세포치료제를 전달하는 것이 목표인데, 현재까지 정확한 양의 세포치료제를 원하는 곳에 정밀하게 전달하는 것은 어려운 상황이며, 세포치료제의 체내 전달 과정에서 유실양이 많아 치료 효율 및 안전성이 낮다는 점과 치료비용이 높다는 점이 한계점으로 인식되어왔습니다.

본 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 2013년에 약 250 마이크로미터 가량의 길이를 가진 스캐폴드 형태의 마이크로로봇에 세포를 담지하여 전달하는 연구를 세계 최초로 개발하였습니다. 마이크로 사이즈의 구조체에 니켈과 티타늄을 증착하여 외부 자기장에 의해 반응할 수 있으며, 세포 독성 또한 줄일 수 있도록 디자인 되었습니다. 본 연구는 2013년 세계적인 국제저널인 Advanced Materials에 표지논문으로 게재되었습니다.

이후 관련 연구를 꾸준히 진행하여 2019년에는 마이크로로봇에 쥐의 해마에서 추출한 신경 줄기세포 (Hippocampal neuroal stem cell)를 3차원 배양하고, 로봇에 배양된 해마 신경 줄기세포를 실제 뇌를 구성하는 성상교세포(Astrocyte), 희소돌기신경교(Oligodendrocyte), 뉴런(Neuron) 등 로봇위에서 원하는 세포로 선택적으로 분화시키는데 성공했습니다. 당시 연구의 중요성은 실제 동물유래 줄기세포를 사용하여 3차원으로 배양시키고 선택적 분화를 로봇위에서 수행한 것입니다.

더 나아가, 2019년 논문에서는 마이크로로봇을 뇌혈관 및 뇌 조직에서 정밀하게 제어하여 원하는 위치로 이송하는데 성공했습니다. 쥐의 뇌를 적출한 후, 클라리티 (Clarity, 조직 투명화 기술) 공정을 통해 투명해진 설치류 뇌 혈관 내에서 마이크로로봇을 구동하는 실험을 진행하였습니다.

당시 개발한 구형, 나선형 마이크로로봇을 내경동맥(Internal carotid artery; ICA)에 주입하고, 외부 자기장을 이용해 마이크로로봇을 전대뇌동맥 (Anterior cerebral artery; ACA)과 중간대뇌동맥(Middle cerebral artery; MCA)으로 각각 이송하는데 성공했습니다. 또한 쥐의 뇌 시상면(Sagittal plane)에서 마이크로로봇을 구동하여 뇌실(Brain ventricle) 안에서 원하는 위치로 이동이 가능한 것을 성공적으로 보였습니다.

3. 가이드와이어에 마이크로로봇이 부착되었다고 하는데요. 가이드와이어 마이크로로봇이 어떻게 제작되는지 설명 부탁드립니다.

생체적합하며 유연한 고분자 재료 및 자성체를 사용하여 레플리카 몰딩 공정을 통해 지름이 마이크로미터 수준인 가이드와이어 부착형 마이크로로봇을 제작했습니다. 제작된 마이크로로봇은 마이크로 스프링을 통해 의료용 가이드와이어 끝단에 부착되며 외부 자기장을 통해 방향 제어가 가능합니다.

이렇게 개발된 가이드와이어 또는 카테터 부착형 마이크로로봇은 관상동맥, 말초혈관, 간색전술, 뇌 색전술 등에 활용될 수 있습니다. 관련해서는 현재 기술이전을 통하여 스타트업 회사가 시작되어 사업화를 진행하고 있습니다.

4. 마이크로 나노 로봇의 생분해 속도를 조절하기 위해서는 로봇에 고주파의 교번자기장(Alternating magnetic field)을 걸어주어야 한다고 하는데요. 어떤 효과가 있는지 궁금합니다.

저희는 마이크로/나노 로봇을 제작할 때, 자성나노입자를 주요 재료로 사용합니다. 자성나노입자를 생분해성 폴리머에 담지하면 생분해성 마이크로/나노 로봇이 만들어집니다. 또한, 생분해성 마이크로/나노 로봇에 약물을 탑재할 경우, 폴리머가 분해되면서 약물이 방출됩니다. 한편, 자성나노입자는 고주파 교번자기장에 의해 열이 발생되는데, 이 열은 주변 생분해성 폴리머의 분해 속도를 조절할 수 있습니다. 따라서, 생분해성 마이크로/나노 로봇이 고주파 교번자기장에 노출되면, 로봇의 생분해 속도를 선택적으로 조절할 수 있으며, 이를 통하여 선택적으로 약물 방출 속도를 제어할 수 있습니다.

5. 항암치료는 암환자들에게 매우 곤혹스러운 치료과정입니다. 교수님의 연구가 암세포를 제거하는 킬러로봇으로도 쓰일 것 같은데요. 연구가 어디까지 발전되고 있는지 궁금합니다.

항암치료는 암 환자들에게 굉장히 곤혹스러운 치료과정입니다. 저희 연구실에서는 마이크로/나노 로봇을 항암치료에 사용하기 위한 연구도 관심 있게 진행하고 있습니다. 기존 항암치료는 항암제를 복용하거나 혈관에 주사하는 방식으로 진행되었으나, 이러한 방법은 병변 이외 정상 부위에도 부정적 영향을 미쳐 의도치 않은 부작용이 생길 수 있습니다.

반면에, 마이크로/나노 로봇을 이용한다면 표적지향성 치료제 정밀 전달이 가능하게 됩니다. 적은 양의 치료물질을 투여하지만 실제 질병 부위에서 전달되는 치료제 농도는 더 높일 수 있으므로 인체 내 약물 부작용을 최소화하고 치료 효과는 극대화시킬 수 있습니다.

이처럼 마이크로/나노 로봇은 항암치료뿐만 아니라 난치성 신경질환, 뇌질환, 등 다양한 질환에도 적용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 저희는 다양한 질환에 마이크로/나노 로봇을 활용할 수 있도록 기초연구를 열심히 수행하고 있습니다.

한 가지 말씀 드리고 싶은 것은, 저희가 논문 발표하고 언론홍보하면 환자분들께서 어렵게 연락을 주시는 경우가 있습니다. 답답하신 마음에 스스로 임상시험을 해보고 싶다고 말씀해주시는데, 참 죄송하게도 저희는 기초연구를 진행하고 새로운 치료법의 가능성을 확인하면 논문을 발표하지만, 실제 임상시험까지는 여러 단계의 인허가 등의 과정이 필요합니다. 저희가 저희 기술을 의료현장에서 사용될 수 있도록 발전시키기 위해서 많은 노력을 하고 있지만, 실제 환자분들께서 저희 기술을 의료현장에서 만나시는 데는 좀 더 시간이 필요한 부분을 잘 이해하여 주시면 감사하겠습니다.

6. 최근 코를 통해서 뇌까지 들어가 신경계 질환인 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌종양 등 다양한 난치성 신경계 질환 치료가 가능할 것으로 예상되는데요. 관련 연구를 통하여 기대하시는 것은 어떤 점이 있을까요?

최근 저희는 좀 더 생체적합하고 생체 응용 가능성이 높은 세포기반 cellbot을 만들어 연구를 진행하고 있습니다. 본 연구에서는 가톨릭대학교 서울성모병원 김성원 교수팀과 공동연구를 통해 줄기세포 치료 효율과 안전성을 향상시킬 수 있는 ‘사람유래 줄기세포 기반 자성 cellbot 및 후각경로를 통한 최소 침습 뇌 내 치료제 전달방법’을 개발했습니다.

7. 각 종 질병 치료를 위한 마이크로 로봇은 상용화하기 힘든 영역입니다. 언제쯤 의료용으로 사용가능할까요?

현재까지 환자 맞춤형, 질환 종류별, 신체 부위별 등 다양한 기능과 목적을 지닌 마이크로/나노 로봇이 혁신적으로 개발되고 있고, 차세대 의료현장을 책임질 신기술로 각광받고 있습니다. 이러한 마이크로/나노 로봇의 상용화를 위해서는 임상시험 및 인허가를 필수적으로 거쳐야 합니다. 이를 위해서 신체 내에서 마이크로/나노 로봇 제어를 위한 대형 자기장 시스템이나 시각화를 위한 의료 영상 시스템 등도 함께 개발하고 있으며, 신체 내 혈류, 조직 등 다양한 생리학적 환경에서의 구동 등 종합적인 시스템 연구개발이 필요합니다.

제가 이런 질문을 받을 때마다 “적극적인 지원이 있다면 5년 정도면 의료용으로 상용화가 가능할 것으로 본다”라고 답을 하는데요, 이번에도 비슷한 답을 드려야 할 것 같습니다. 현재 혈관질환용 가이드와이어 또는 카테터 부착용 마이크로로봇의 경우 대형 자기장 제어 시스템과 함께 사업화를 진행하고 있고 식약처 품목허가 및 임상시험을 준비하고 있습니다. 따라서 혈관질환 시술용 마이크로로봇은 적극적인 지원이 있다면 3년 정도면 임상시험을 마치고 의료현장에서 평가받아볼 수 있을 것 같습니다.

8. 마이크로 로봇 기술은 점점 발전하는데 정부의 지원정책과 의료 수급을 보면 아직 미흡한 것 같습니다. 필요한 정부의 정책이나 의료계의 반응은 어떠한지 궁금합니다.

최근 과기부, 산업부, 보복부 등 다수의 부처에서 마이크로/나노 로봇 관련 지원을 많이 하고 있고, 관련 기초연구 및 중계 연구를 위해서 “첨단재생의료 및 첨단바이오의약품 안전 및 지원에 관한 법률”, “신의료기술평가” 등 혁신적인 지원 정책도 만들어져 여러 여건이 좋아지고 있다고 생각합니다. 따라서 의사 선생님들과 공동연구를 진행하기도 환경이 좋아지고 있으며, 의료현장의 의사선생님들도 이러한 새로운 기술에 관심을 가지는 분들이 많아지고 있습니다. 다만 아직 연구자 입장에서는 정부과제를 수행하는데 몇몇 아쉬운점이 있는데, 이런 부분은 기회가 된다면 정부부처와 협의하여 조금씩 바꿔갈 수 있다면 좋겠습니다.

9. 의료용 마이크로 나노 로봇은 기존 치료법에 새로운 패러다임을 일으키고 있지만, 환자가 부담하는 비용이 매우 부담이 될 것 같은데요. 교수님의 생각은 어떠신지요?

이 부분은 어느 정도 예측은 되면서도 사실 어떻게 대응을 해야 할지 많은 생각이 필요한 부분입니다. 다만 이러한 마이크로/나노 로봇 기반 새로운 치료법이 개발된다면, 초기에는 비용이 좀 비싸더라도 많은 병원에서 활용하고 치료효과가 탁월하게 우수하다면 아마도 대중적인 치료법이 될 수 있을 것입니다. 그렇다면 식품의약품안전처 및 건강보험심사평가원 등에서도 평가를 통하여 관련 치료가 보험처리가 될 수 있도록 해줄 것으로 생각합니다.

말씀 드렸지만 이러한 부분은 사실 아주 복잡한 부분이기 때문에 많은 분들이 논의를 통하여 해답을 찾아가기를 바랍니다. 그런데 무엇보다도 관련 연구자들께서 우수한 신기술을 개발하여 치료효과를 검증하는 것이 현 단계에서는 중요할 것 같습니다.

10. 관련 연구의 국내 상황과 국외 상황을 구체적으로 비교해주신다면 어떤 실정인가요? 어디까지 발전되고 있는 건지 궁금합니다.

국내 마이크로/나노 로봇 연구는 DGIST, 연세대학교, 전남대학교, 명지대, GIST, 서울대학교 등에서 진행하고 있으며, 다기능 마이크로/나노 로봇 제작 및 정교한 3차원 마이크로 구조물 제작, 나노구조체 개발, 자기장 제어시스템 개발 및 시뮬레이션 등이 주로 연구되고 있습니다.

국외의 경우, 스위스 취리히 연방 공대의 Bradley Nelson 교수팀, Max Planck Institute(독일)의 Metin Sitti 교수팀, Polytechnique Montréal(캐나다)의 Sylvain Martel 교수팀, Max Planck Institute(독일)의 Peer Fischer 교수팀 등이 활발히 진행하고 있으며, 대학교 및 연구기관 내에서 핵심 요소 기술별 응용 연구 위주로 진행되고 있습니다. 최근 중국의 아주 많은 학교 및 연구기관에서 관련연구를 시작하면서 최근 5년 사이에 갑자기 세계적으로 관련 연구자가 급증하고 있는 상황입니다. 해외 일부 연구팀은 임상시험도 시작하였고 사업화를 준비하고 있는 것으로 알고 있습니다. 그러나 국내 기술수준도 세계 선두그룹이라고 생각하며, 국내에서 적극적인 지원 및 연구가 진행된다면 경쟁력 있는 팀이 다수 나올 것으로 생각합니다.

11. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

마이크로/나노 로봇 연구를 성공적으로 수행하기 위해서, 공학 외에도 타 연구 분야에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 마이크로/나노 로봇은 최종적으로 체내에 들어가는 것을 목표하기 때문에 공학에 대한 전반적인 이해는 물론 의학, 생화학, 재료 등 다양한 분야에 대한 이해가 동반되어야 합니다. 이러한 부분들을 본 연구진이 전부 다루기는 어렵기 때문에 해당 분야(병원, 연구소, 대학교)에 종사하고 있는 연구자분들과 협업을 하는 경우가 많고, 연구 방법과 방향 등을 조율하며 진행하고 있습니다.

완전히 다른 분야에 대한 공부를 하는 것이 어렵지만, 함께 연구하는 연구진들이 해당 분야에 종사하는 최고의 연구진이므로 혼자 공부하는 것보다 더 빠르고 깊게 배우며 연구를 진행하고 있습니다.

12. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

현재 100세 시대로 초고령 사회를 목전에 두고 있습니다. 그만큼 국민의 건강한 노후, 즉 건강 수명에 대한 중요성이 부각되고 있습니다. 이러한 시대적, 사회적 요구에 맞춰, 기존 방법으로 치료가 어렵거나 불가능했던 질환을 극복하기 위해 다양한 분야의 과학자들이 미래 첨단 의료기술을 개발하고 있습니다. 저희는 고령화 사회에 매우 심각한 사회적 문제로 대두되고 있는 뇌질환 및 심뇌혈관질환을 치료하기 위한 기초 연구를 진행해오고 있으며 앞으로도 유사한 연구를 꾸준하게 진행할 계획입니다.

우선, 뇌질환을 치료하기 위해 치료제가 뇌 부위로 잘 전달되어야 하는데, 기존 방식으로는 치료제 전달 효율이 낮고 다양한 부작용이 발생하는 등 여러 현실적 난제를 지니고 있습니다. 따라서 뇌질환 치료법 개발은 기초과학-의학-공학의 융복합적인 사회적 과학 난제로, 저희는 이를 해결하기 위해 기존 뇌질환 치료법의 틀을 완전히 벗어난 혁신적인 신기술을 개발하고자 합니다. 심뇌혈관 질환을 위한 기술은 기초연구에서 응용연구로 발전시키고 있습니다. 기초연구에서 확인한 가능성을 응용연구에서 발전시켜 사업화 및 임상현장에서 사용될 수 있도록 성공적으로 상용화 하는 것이 목표입니다.

13. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

마이크로/나노 로봇 분야는 21세기에 접어들면서 전 세계적으로 주목받는 분야가 되었습니다. 특히 중국은 최근 급격하게 관련 연구가 확대되는 것으로 보입니다. 이러한 이유는 최근까지 발전한 MEMS, 마이크로 공정기술, 나노기술 등의 비약적인 발전으로 예전에는 상상만 하던 일이 이제는 실험실에서 실제로 구현이 가능하기 때문으로 생각합니다. 마이크로/나노 로봇 연구는 하나의 연구 분야로 정의하기는 어려운 융복합적 다학제 연구 분야입니다.

저희도 마이크로/나노 로봇 연구를 진행하면서 임상의, 재료공학자, 로봇공학자, 영상공학자, 신경과학자 등 다양한 연구자들과 함께 협업 연구를 진행하고 있습니다. 그래서 마이크로/나노 로봇에 관심이 있다면, 현재 본인의 연구 분야에서 최선의 연구를 다하고, 다양한 전공의 연구자들과 함께 연구를 수행할 수 있도록 열린 마음을 가지면 좋겠습니다. 그리고 아직은 생소한 연구 분야로 보일 수 있겠지만 마이크로, 나노, 로봇, 의공학 등의 분야에 관심이 있고, 마이크로/나노 로봇 연구를 해보고 싶은 생각이 있는 경우 적극적으로 도전하면 세계적인 연구를 수행할 수 있는 기회가 있을 것으로 생각합니다.

표적신경회로재생연구단
마이크로로봇
초소형정밀기계
Micro-robots
Piezoelectric micromachined ultrasonic transducers

Bio-Micro Robotics Lab

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