바이오인

핵심내용

프린터로 출력해 휴대폰으로 질병 진단
- 종이전자 진단칩 개발, 진단과정을 자동화 -

□  개인용 프린터로 출력하여, 스마트폰으로 당뇨, 신장 이상, 뇌질환 등의 질병을 진단할 수 있는 개인 맞춤형 의료 진단기기가 최초로 개발되었다.

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은  “혈액으로 의학적 진단을 할 수 있는 종이 전자 진단칩*을 개발해 휴대폰으로 연결하여 혈당, 신장 이상, 뇌 관련 질환을 동시에 진단할 수 있는 의료용 진단칩을 개발하였다.”고 밝혔다.
   * 종이 전자 진단칩 (Paper based Electronic Diagnosis Chips) : 기존의 실리콘과 같은 기판을 사용하지 않고 종이 위에 프린팅기술을 이용하여 전기적 신호를 제어하고 이를 이용한 의학적 진단이나 분석이 가능한 칩

□ 신관우 교수(서강대) 연구팀은 태국·덴마크와의 공동연구를 통해 스마트폰, 가정용 잉크젯 프린터로 신체의 이상 변화를 진단하고, 분석할 수 있는 종이 기반의 전자 진단칩을 개발했다.

□ 개발된 종이 진단칩은 프린터된 후 휴대폰으로 연결되어 혈액의 의학적 진단을 위한 복잡한 전처리 과정(여러 시약의 혼합, 반응시간 제어, 측정 등)을 자동으로 수행, 진단이 가능하다. 인체의 질병에 의한 혈액의 변화를 3개 이상 동시에 판정할 수 있다.

□ 신관우 교수는“이 연구는 혈액을 종이전자 진단칩과 핸드폰으로 연결해 질병을 진단할 수 있는 전자칩을 개발한 것이다. 고가의 장비 없이 종이, 재생지를 이용하여 가정용 프린터로 수 천 개의 칩을 손쉽게 만들 수 있다. 개인 맞춤형 의료 서비스, 바이러스·박테리아 검출을 위한 현장 진단기기 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 등의 지원으로 수행되었다. 신소재 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스 테크놀로지(Advanced Materials Technologies) 3월 16자 표지 논문으로 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Paper-Based Digital Microfluidic Chip for Multiple Electrochemical Assay Operated by a Wireless Portable Control System
   - 저자 정보 : 신관우 교수 (교신저자, 서강대학교), 이주미 (제1저자, 세종대학교), 메드센 교수 (덴마크 기술대학교), 로통쿤 교수 (태국 출랄롱콘대학) 권오선 연구교수 (공동교신, 서강대학교)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

   ○ 현재 병원이나 생물화학실험실에서 병원균 탐지 및 오염도 측정을 현장에서 신속히 진단하고자 생화학적 반응을 자동화된 프로그램으로 확인할 수 있는 종이 기반의 유체칩 연구가 진행되고 있다. 종이 기반의 유체칩은 기존 고비용의 웨이퍼, 유리, 투명한 탄성 고분자인 PDMS 기판의 유체칩을 대체할 수 있다. 또한 종이라는 소재의 경제성, 환경친화성, 저비용, 단순성, 신속함이 장점이다. 스마트 POC기기에 세척이 필요 없는 일회용 측정 모듈로도 활용 가능하다. 

   ○ 현재의 질병의 진단을 위해서는 고가의 장비와 전문인력이 갖추어진 의료기관에서만 가능하나, 혈당과 같이 상시적 측정이 필요하거나, 전염병과 같이 동일한 방법으로 많은 사람들에 사람이 의료기관의 도움 없이도 신속하게 진단이 필요할 때 프로그램화 된 진단칩을 스스로 제작하고 제공된 프로그램을 휴대폰으로 다운로드하여 진단할 수 있어야 신속한 대응이 가능하다. 따라서 이번에 개발된 종이칩의 제작과 분석을 위한 구동의 휴대폰을 이용한 무선 구동은 이러한 개인의 맞춤형 의료서비스에 핵심적 기술이 확보되어야 한다.

2. 연구 내용
   ○ 연구팀은 전도성 배선이 프린팅된 종이칩 표면 위에 전기가 흐르도록 전기장을 부여하면 전기장 형성에 의해 액체가 프로그램된 위치와 방향으로 이동, 진단에 필요한 시약의 혼합이나 반응시간 등을 사전에 입력된 프로그램으로 정밀하게 제어할 수 있음을 알게 되었다. 진단에 필요한 의료도구 없이도 출력된 종이칩 위에서  휴대폰으로 구동 가능한 무선장비를 결합함으로써 유체의 이동을 무선으로도 제어 가능하며, 기존 복잡한 전처리 과정을 종이 위에 자동화할 수 있음을 확인했다.

   ○ 이를 통해 의료시설에서 혈액과 같은 액체를 종이칩 위에 투입해 질병 진단 전 과정을 매우 신속하고 정밀하게 제어할 수 있음을 발견했다. 실제 센서를 부착해 휴대폰으로 모든 전처리 과정으로 무선으로 제어하고 혈당, 신장, 뇌 관련 질병을 동시에 진단 및 분석할 수 있는 실제 진단기기를 개발했다. 

  ○ 블루투스로 연결된 장비는 혈액의 진단에 필요한 여러 단계의 과정을 휴대폰의 프로그램으로 제어하며, 최소 한 방울의 혈액으로도 3가지 이상의 신체의 이상 현상을 동시에 진단할 수 있음을 확인하였다.

 3. 연구 성과 
  ○ 이 연구를 통해 개발한 종이칩 기반의 진단기기는 의료시설에서 실시간 원격제어가 가능한 ICT 연계형 현장 진단 기기로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 개인 맞춤형 건강 진단이 가능한 휴대형 장비로도 활용할 수 있다.

  ○ 또한 종이 기반의 고감도, 고선택성 검출센서를 적용, 혈액 전처리를 통한 다양한 면역검출 및 센서 등을 추가로 장착할 수 있는 모듈형 종이 유체칩으로도 개발이 가능하다. 향후 전염성 바이러스나 박테리아의 검출 등을 위한 현장 진단 기기에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

상세내용

 연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ○ 최근 국내외 많은 연구자들이 관심을 갖는 랩온어칩(Lab-on-a chip)은 작은 소자에 화학/물리/생물학적인 반응을 유도 및 확인할 수 있다.  대부분 미세한 통로를 통해 유체를 연속적으로 흐르게 하는 미세유체칩(microfluidic chip)을 이용하게 된다. 그러나 미세유체칩은 유체의 흐름 유지를 위해 외부의 압력을 유지해야 하며, 연속적인 액체 공급을 위한 부가 장비가 많이 필요할 뿐만 아니라 분석에 있어 신속성이 필요한 현장에서는 활용이 어려운 한계를 갖고 있다. 또한 유체칩 제작을 위한 공정장비가 있어야 하기 때문에 많은 비용이 필요하다.

  ○ 연구팀은 지난 2014년 세계 최초로 가정용 잉크젯 프린터를 이용한 전자칩 제작에 필요한 전도성잉크 원천기술을 발표한 후, 이를 이용한 개인 맞춤형 휴대용 질병 진단기기로 발전시키기 위한 연구를 진행하게 되었다.

 2. 연구내용
   ○ 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 종이 위에 전기가 통할 수 있는 전도성 잉크를 도포, 미세한 유체의 흐름을 전기로 제어하는 전기습윤현상(electrowetting)*을 단위 물방울의 연속적인 유체 흐름으로 연결시킬 수 있는 기술을 이용해 새로운 개념의 디지털 유체칩 개발 연구를 수행했다. 실제 적용이 가능하도록 휴대폰을 이용한 구동 제어, 전원 및 제어부의 소형화, 전기화학센서의 모듈화를 통해 다중 진단장치의 결합을 구현했다.
     * 전기습윤현상 : 인가된 전압에 의하여 물방울의 모양을 변화시킬 수 있으며, 연속된 전압의 변화로 이동할 수 있도록 제어하여, 유체를 원하는 위치로 이동, 혼합, 분리시킬 수 있는 현상

   ○ 본 연구는 서강대학교가 기존에 확보하고 있는 잉크젯 기반 액체 구동 모듈화 기술을 본격적인 의학-진단 기술에 적용하기 위해 혈액과 같은 미량의 물방울을 일반 종이 위에 전기로 구동시키는 기술을 발전시켰다. 또한 휴대폰으로 개별 물방울의 무선 제어가 가능하며, 전기화학 센서를 결합해 혈액 진단을 위한 전처리 (혈액의 변화를 진단하기 위하여 필요한 여러 시약의 혼합, 반응시간 제어, 측정 등) 가 자동으로 가능한 종이 전자칩으로 동시에 질병을 진단할 수 있는 전자 센서 시스템을 개발했다. 본 연구에서 전혀 다른 생물학적 메커니즘인 혈당분석과 알츠하이머 질병에서 나타나는 뇌 전달물질, 그리고 신장 이상에 의한 요산의 농도를 동일한 칩에서 동시 분석이 가능함을 보여주었다.  

3. 기대효과
  ○ 프린터로 혈액의 의학적 진단을 위한 화학적 자동으로 수행, 진단이 가능한 종이전자 진단칩을 출력하고, 이를 휴대폰으로 구동하여 3개 이상의 의학적 진단이 가능한 종이 다중 진단기기를 개발하였다. 전기로 구동되는 종이칩 기술에, 전기화학적 센서와 휴대폰으로 구동이 가능한 무선장비를 결합하여, 혈당, 신장의 이상, 뇌질환에 의한 신체의 변화를 동시에 검출하는데 성공하였다,

  ○ 이번 연구를 통해 개발한 종이칩 기반의 진단기기는 의료시설에서 실시간 원격제어가 가능한 ICT 연계형 현장 진단 기기로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 개인 맞춤형 건강 진단이 가능한 휴대형 장비로도 활용할 수 있다.  이미 논문의 성과와 함께 한국과 미국 등에 특허출원을 완료했으며, 병원균 탐지 센서와 1회용 분석기기, 전기구동 디바이스 등 파생될 수 있는 다양한 분야에 순차적으로 특허를 출원 및 실용화를 위한 연구와 더불어 환경 및 군사 분야와 신속한 전염병 진단을 위한 후속 연구가 진행 중이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2014년 세계 최초로 잉크젯 종이칩 기술을 발표하면서 실제 종이칩이 의학적으로 활용될 수 있는 가능성을 소개한 바 있습니다. 종이에 전기적 신호를 통해 액체를 정밀하게 움직이고 제어가 가능함을 확인했으나, 실제 실용화를 위해서는 부가가치가 높은 혈액과 같은 임상에 적용할 수 있는 액체의 제어가 가능해야 추후 연구를 지속할 수 있는 동기부여가 된다고 생각했다. 이를 실현하기 위해 국제적인 연구팀들과 공동을 연구를 수행하게 되었습니다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

현재 혈액과 같은 액체를 이동하고, 혼합 및 반응을 기다리는 등의 정밀한 생화학적 분석을 위한 전처리 작업은 고도로 숙련된 전문가만이 가능하기 때문에 이 점은 실제 개인용 진단기기로 활용함에 있어 가장 어려운 문제입니다. 그러나 서강대학교 연구진이 이 부분에 있어 핵심기술을 갖고 있었으며, 기술적 내용을 적용하기 위해 휴대폰으로 구동할 수 소형화된 전압장비는 덴마크 연구진과 전기화학 센서기술은 태국의 연구진들과의 협력으로 연구를 수행했습니다. 태국의 두 명의 연구진이 6개월간 서강대학교에 파견됐으며, 덴마크 연구진 또한 함께 서강대학교에서 상주하면서 진단기기를 완성했습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

하나의 연구 집단이 수행할 수 있는 연구의 범위는 그 전문성에 비추어서 자체 인력으로는 한계가 생기기 마련입니다. 이번 연구를 진행함에 있어 종이 전기칩의 설계와 소재 연구, 구동 소프트웨어, 화학센서의 결합, 그리고 휴대폰을 이용한 무선제어 등 관련 분야의 전문그룹들과의 공동연구 필요성을 느꼈으며, 각 그룹의 연구진행과 그것을 조정하고 통합하기 위한 연락과 논문의 작성, 연구 결과 공유 등 많은 노력이 필요했습니다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

종이에 잉크젯 프린터를 이용해 패턴을 출력, 혈액과 같은 미세 유체를 진단하기 위한 모든 전처리과정을 휴대폰으로 제어할 수 있는 구동부와 다중 질병을 동시에 검출할 수 있는 센서를 결합하였습니다. 또한 장비와 시연을 위해 모든 구동 장치를 소형화하고, 안정적으로 구현하고자 검증을 진행해 결국 잉크젯으로 종이칩을 출력하고, 휴대폰으로 출력된 종이칩의 액체를 구동하고 제어하는 전 과정을 구현했습니다. 실제 제품화가 되기 위해서는 아직 부족한 부분이 있지만 매우 혁신적인 진단장비를 구현했으며, 대량의 진단기기를 동시에, 신속히 제작할 수 있는 개인 맞춤형 진단기기 개발이 가능함을 보여주고 있습니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

누구나 첨단 반도체 공정시설 없이도 본인이 필요한 진단장비를 스스로 제작, 전염병과 같은 신속한 질병 진단이 필요할 때 대응할 수 있는 개인 맞춤형 다중 질병 진단기기로 활용될 수 있도록 연구를 진행할 계획입니다. 

...................(계속)

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