바이오인

핵심내용

종이 기반 3차원 마이크로유체칩 개발 성공
- 3D프린팅으로 생체친화적인 바이오칩, 바이오센서 등의 제작 기대 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 “현진호 교수 연구팀(서울대)이 얇고 투명한 종이 기반의 3차원 채널* 마이크로유체칩**을 제작하는 데 성공했다”고 밝혔다.

  * 채널 : 유체가 흐르는 통로

  ** 마이크로유체칩 : 마이크로미터(μm) 규모에서 유체의 흐름과 열전달, 물질전달을 다루고 제어하기 위한 장치의 일종

□ 마이크로유체시스템은 마이크로미터(μm) 규모에서 유체의 흐름과 열전달, 물질전달을 제어하는 장치·기술로서, 임신 진단, 단백뇨 검사, 말라리아 검사, 자가진단 키트 등의 의료산업뿐 아니라 독성가스 검출, 중금속 이온 검출 등 환경 분야에까지 널리 사용되고 있다.

□ 4차 산업혁명의 주요 기술로 손꼽히는 3D프린팅을 활용하여 마이크로 유체시스템을 제작하려는 시도가 있었으나, 현재까지는 소재나 제조방법에 있어서 한계가 있었다.
 
 ㅇ 기존에는 3D프린팅 활용 시에 실리콘이나 아크릴계 수지*를 소재로 하고 있어서 응용범위가 제한적이다.
 
 ㅇ 또한 펄프섬유를 이용한 종이기반 마이크로유체시스템 연구도 활발히 진행되고 있으나, 대부분 각 층별로 구조체를 제조하고 여러 층을 적층해서 조립하는 기존의 방식을 이용하는 데 머물러 있다.

  * 아크릴계 수지 : 아크릴산 및 메타 아크릴산과 그 유도체를 주성분으로 하는 비닐계 공중합체 수지

□ 이 연구에서는 하이드로겔* 형태의 셀룰로오스 나노섬유**를 3D프린팅 출력물의 지지대이자 틀 역할을 하는 프린팅 매트릭스***로 이용하였고, 매트릭스 내부에 3차원 마이크로 채널 구조체를 인쇄하는 데 성공했다.
 
 ㅇ 연구진은 매트릭스를 건조시킨 후, 내부에 페트롤륨 젤리 잉크로 인쇄했던 3차원 채널 구조체를 제거함으로써 유체가 흐를 수 있는 채널이 탑재된 종이 기반의 투명하고 유연한 3차원 마이크로유체칩을 개발해냈다.
 
 ㅇ 이번에 개발된 종이칩은 추가적인 접합이나 조립 없이 내부에 다양한 구조체를 3차원으로 구현, 집적화시킬 수 있다. 열린 채널의 구조로서 유체가 채널에 머무르지 않아 시료 손실도 최소화할 수 있다. 또한 펄프섬유와 달리 광학적 투명성****을 가지기 때문에 채널 내부와 유체의 이동을 눈으로 확인할 수 있다. 이 친환경 천연소재의 종이칩은 생체 친화적인 특성으로 인해 새로운 개념의 바이오칩, 바이오센서 및 광학분석 등에도 활용 가능하다.

  * 하이드로겔 : 수용성 고분자가 물리적 혹은 화학적인 결합에 의해 3차원의 가교를 형성하고 있는 망상구조로서 수상의 환경에서 용해되지 않고 물을 함유할 수 있는 물질

  ** 셀룰로오스 나노섬유 : 나무의 주성분인 셀룰로오스를 나노(10억분의 1미터) 수준으로 분해한 고분자 물질. 강한 기계적 강도와 열 안정성을 가진 친환경적 고분자 물질로, 기존 화학합성 소재와 비교해 가격 경쟁력이 우수함.

  *** 프린팅 매트릭스 : 자유로운 형태의 조형물을 삼차원 공간 내부에 프린팅하기 위한 지지체

  **** 광학적 투명성 : 빛이 산란되지 않고 물질을 통과하는 물리적 특성
 
□ 현진호 교수는 “이 연구는 3D프린터를 이용해 얇은 두께의 종이 소재 내부에 3차원의 미세 채널을 도입, 집적화된 마이크로유체칩을 개발한 것”이라며 “기존의 종이 기반 칩이 가지는 한계를 극복함으로써 실리콘 기반 칩을 대체하는 것은 물론 의료 및 환경 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
 
□ 이 연구는 교육부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부·한국산업기술평가관리원 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS applied materials & interfaces)에 7월 24일자로 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Matrix-Assisted Three-Dimensional Printing of Cellulose Nanofibers for Paper Microfluidics
   - 저자 정보 : 현진호 교수(교신저자, 서울대학교), 신성철(제1 저자, 서울대학교)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성

   ○ 3D프린팅 기술은 4차 산업혁명을 견인할 것으로 기대되며 급속히 발전하고 있으나 3D프린팅에 적용 가능한 소재를 개발하기 위한 노력이 미진한 실정이다. 기존에는 실리콘이나 아크릴계 수지를 소재로 하고 있어 매우 한정적이다. 그러나 이들 소재를 미세유체시스템에 적용하기에는 매우 부적합하기 때문에 잉크 소재와 더불어 프린팅 베드에 해당하는 매트릭스의 개발을 통하여 새로운 소재시스템을 확보할 필요가 있다.

   ○ 이 연구에서는 대표적인 환경친화성 천연소재인 종이 펄프로부터 제조된 셀룰로오스 나노섬유를 프린팅 매트릭스로 이용하여 그 내부에 3차원 구조체를 자유롭게 인쇄하고자 하였다. 종이 내부에는 미세 채널을 형성할 수 없다는 기존의 관점을 창의적인 방법으로 해결하여 세계 최초로 종이기반 3차원 마이크로유체 시스템을 제작해 보고자 하였다.

 2. 연구내용

   ○ 이 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유를 하이드로겔화하여 3D프린팅 출력물의 지지대이자 틀 역할을 하는 프린팅 매트릭스로 이용하였고, 매트릭스 내부에 3차원 마이크로 채널 구조체를 인쇄하는 데 성공했다. 종이 펄프로부터 셀룰로오스 나노섬유 (CNF)를 제조하기 위한 공정을 최적화하였다. 기계적 그라인딩을 기본 공정으로 하여 1%의 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 하이드로젤을 제조하기 위한 조건들을 확립하고, 점도 측정을 통하여 3차원 프린팅이 가능한 조건을 획득하였다.
 
   ○ 마이크로유체 채널을 프린팅하기 위한 소재로 페트롤륨 젤리 혼합물을 선정하였으며, CNF 하이드로젤로 구성된 매트릭스 내부에 CAD로 디자인된 구조체를 직접 프린팅하였다. 건조 후 CNF 하이드로젤은 수직 방향으로 수축하여 2차원의 평면 종이 형태로 변환되었으며, 이후 내부에 프린팅된 구조체를 제거함으로써 3차원 구조체가 내재된 마이크로단위 두께의 종이가 제조되었다.

   ○ 주요 연구내용으로는 1) 투명한 셀룰로오스 나노섬유 하이드로겔의 제조 및 유변학적 특성분석 2) 3D 프린팅 매트릭스로서의 활용 가능성 평가 3) 매트릭스의 건조조건 확립 및 두께 평가 4) 채널 내벽의 선택적 실리콘 코팅을 통한 소수화 5) 다양한 채널 디자인 및 해상도 평가 6) 종이기반 센서로서의 활용 가능성 평가 등이 수행되었다.

3. 연구 성과

   ○ 3D 프린팅 기술 또한 현대 핵심기술 중 하나로 복잡하고 다양한 3차원의 구조를 어떠한 기술보다 쉽게 구현해낼 수 있다는 장점을 가지고 있으므로 이를 활용하면 매우 유용한 부가가치를 얻어낼 수 있을 것이다. 3D 프린팅 소재의 개발은 다양한 응용성을 확보하기 위하여 반드시 필요한 부분이며, 환경 친화적이면서 생체 적합한 소재의 개발은 3D 프린팅 기술의 폭넓은 적용 및 발전을 견인할 것으로 기대된다.

   ○ 마이크로유체시스템은 임신진단, 단백뇨 검사, 말라리아 검사 등의 의료분야뿐만 아니라 독성 가스 검출, 중금속 이온 검출 등의 환경 분야까지 다양하게 확장되고 있다. 현재 사용되고 있는 종이의 재료적 한계를 극복한다면 더 많은 분야에 있어서 응용이 가능할 것으로 기대되며 이로 인한 고부가 가치가 창출될 수 있을 것으로 기대된다. 제작된 종이기반 마이크로유체시스템은 기존 실리콘을 기반으로 한 마이크로유체시스템의 특성을 대체할 수 있으며, 미세 두께의 종이 소재 내부에 3차원 유체시스템을 구현할 수 있기 때문에 효율적인 적층 구조의 제작이 가능하다.

상세내용

연구 개요

1. 연구배경

  ⚪ 4차 산업혁명을 견인할 것으로 기대되는 3D 프린팅 기술의 발전에 비하여 적용 가능한 소재를 개발하기 위한 노력이 미진한 실정이다. 소재의 개발은 다양한 응용성을 확보하기 위하여 반드시 필요한 부분이며, 환경 친화적이면서 생체 적합한 소재의 개발은 3D 프린팅 기술의 폭넓은 적용 및 발전을 견인할 것으로 기대된다. 그나마 현재까지 개발된 적층방식의 프린팅 소재는 열가소성 고분자물질을 기반으로 하는 것으로 매우 한정적이다. 그러나 이들 소재를 마이크로유체시스템에 적용하기에는 매우 부적합하기 때문에 잉크 소재와 더불어 프린팅 베드에 해당하는 매트릭스의 개발을 통하여 새로운 소재시스템을 확보할 필요가 있다.

  ⚪ 이 연구에서는 대표적인 환경친화성 천연소재인 종이 펄프로부터 제조된 셀룰로오스 나노섬유를 프린팅 매트릭스로 이용하여 그 내부에 3차원 구조체를 자유롭게 인쇄하고자 하였다. 제작된 종이기반 마이크로유체시스템은 기존 실리콘을 기반으로 한 마이크로유체시스템의 특성을 대체할 수 있으며, 미세 두께의 종이 소재 내부에 3차원 유체시스템을 구현할 수 있기 때문에 효율적인 적층 구조의 제작이 가능하다. 종이 내부에는 마이크로 채널을 형성 할 수 없다는 기존의 관점을 창의적인 방법으로 해결하여 세계 최초로 종이기반 3차원 마이크로유체 시스템을 제작해 보고자 하였다.

 2. 연구내용

  ⚪ 종이 펄프로부터 셀룰로오스 나노섬유 (CNF)를 제조하기 위한 공정을 최적화하였다. 기계적 그라인딩을 기본 공정으로 하여 1%의 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 하이드로젤을 제조하기 위한 조건들을 확립하고, 점도 측정을 통하여 3차원 프린팅이 가능한 조건을 획득하였다. 마이크로유체 채널을 프린팅하기 위한 소재로 페트롤륨 젤리 혼합물을 선정하였으며, CNF 하이드로젤로 구성된 매트릭스 내부에 CAD로 디자인된 구조체를 직접 프린팅하였다. 건조후 CNF 하이드로젤은 수직 방향으로 수축하여 2차원의 평면 종이 형태로 변환되었으며, 이후 내부에 프린팅된 구조체를 제거함으로써 3차원 구조체가 내재된 마이크로단위 두께의 종이가 제조되었다.

  ⚪ 주요 연구내용으로는 1) 투명한 셀룰로오스 나노섬유 하이드로겔의 제조 및 유변학적 특성분석 2) 3D 프린팅 매트릭스로서의 활용 가능성 평가 3) 매트릭스의 건조조건 확립 및 두께 평가 4) 채널 내벽의 선택적 실리콘 코팅을 통한 소수화 5) 다양한 채널 디자인 및 해상도 평가 6) 종이기반 센서로서의 활용 가능성 평가 등이 수행되었다.

  ⚪ 다음 단계로는 바이오센서로서의 기능뿐만 아니라 세포 배양 기능이 추가된 투명 종이 기반 마이크로유체시스템을 이용한 휴먼온어칩(human on a chip)을 구현할 계획이다.

3. 기대효과

  ⚪ 환경 친화적인 천연 소재를 이용한 새로운 마이크로유체시스템의 개발은 미래 선도 기술의 좋은 예라고 할 것이며, 국제적인 기술 경쟁력에 있어서도 우위를 선점할  유용한 부가가치를 얻어낼 수 있을 것이다.

  ⚪ 마이크로유체시스템은 임신진단, 단백뇨 검사, 말라리아 검사 등의 의료분야뿐만 아니라 독성 가스 검출, 중금속 이온 검출 등의 환경 분야까지 다양하게 확장되고 있다. 현재 사용되고 있는 종이의 재료적 한계를 극복한다면 더 많은 분야에 있어서 응용이 가능할 것으로 기대되며 이로 인한 고부가 가치가 창출될 수 있을 것으로 기대된다.

  ⚪ 건강 및 질병관리에 대한 관심도가 높아짐에 따라 자가진단키트 보급의 필요성이 계속해서 대두되고 있으며 기존에 실리콘기반 마이크로유체시스템을 통해 구현할 수 있었던 기술들을 종이기반 마이크로유체시스템으로 가져올 수 있다면 이는 산업적으로 큰 파급효과를 가져올 것이다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

현재 3D 프린팅 소재의 개발은 다양한 응용성을 확보하기 위하여 반드시 필요한 부분이며, 환경친화적이면서 생체적합한 소재의 개발은 3D 프린팅 기술의 폭넓은 적용 및 발전을 견인할 것으로 기대된다. 그나마 현재까지 개발된 적층방식의 프린팅 소재는 열가소성 고분자물질을 기반으로 하는 것으로 매우 한정적이다. 그러나 이들 소재를 마이크로유체시스템에 적용하기에는 매우 부적합하기 때문에 잉크 소재와 더불어 프린팅 베드에 해당하는 매트릭스의 개발을 통하여 새로운 소재시스템을 확보할 필요가 있다. 이 연구에서는 대표적인 환경친화성 천연소재인 종이 펄프로부터 제조된 셀룰로오스 나노섬유를 프린팅 매트릭스로 이용하여 그 내부에 3차원 구조체를 자유롭게 인쇄하고자 하였다. 제작된 종이기반 마이크로유체시스템은 기존 실리콘을 기반으로 한 마이크로유체시스템의 특성을 대체할 수 있으며, 미세 두께의 종이 소재 내부에 3차원 유체시스템을 구현할 수 있기 때문에 효율적인 적층 구조의 제작이 가능하다. 종이 내부에는 마이크로 채널을 형성 할 수 없다는 기존의 관점을 창의적인 방법으로 해결하여 세계 최초로 종이기반 3차원 마이크로유체 시스템을 제작해 보고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

셀룰로오스 나노섬유를 3D 프린팅 잉크소재로 응용하고자 하는 연구는 다양한 연구팀에서 전세계적으로 수행되고 있으나 현재까지 이를 3D 프린팅 매트릭스로 사용하고자한 연구는 보고된 바가 없다. 본 연구팀은 셀룰로오스 나노섬유가 매트릭스로 활용되기 적합한 유변학적 특성을 가짐을 규명하였고 프린팅 형상을 관찰하여 최적조건을 설정할 수 있었다. 이러한 제조법은 기존에 활용된 적이 없던 새로운 접근이었으므로 창의적이고 도전적인 접근방식이 요구되었다.

수계의 셀룰로오스 나노섬유 하이드로겔 내부에 채널을 도입하기 위한 잉크의 선정 또한 매우 중요한 과제였다. 본 연구팀에서는 하이드로겔 내부에서 형태를 유지할 수 있으면서 추후 매트릭스 건조과정 이후 쉽게 제거할 수 있는 재료로 페트롤륨 젤리를 선택하였고 상온에서 토출가능한 조성의 잉크를 제조하였다. 이러한 재료 시스템을 통해 다양한 디자인의 3차원 마이크로유체시스템을 구현했고, 이 디바이스의 센서로서 활용 가능성을 평가해 보았다.

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

본 연구팀에서 개발한 종이기반 3차원 유체칩에서 매트릭스의 역할을 수행하는 셀룰로오스 나노섬유의 경우 셀룰로오스의 재료적 특성상 친수성, 흡습성을 가지기 때문에 시료가 열린 채널을 이동하는 도중에 셀룰로오스 내부로 일부 흡수되는 현상을 보였다. 이러한 특성은 시료를 분석하는 센서로 활용될 시 셀룰로오스의 장점으로 부각될 수 있으나, 유체를 수송하는 채널의 관점에서 보았을 때 유체가 정체되는 문제를 가진다. 이에 본 연구팀에서는 셀룰로오스 채널 내부를 실리콘으로 선택적 코팅하는 방식으로 해결하였고 셀룰로오스가 가지는 재료적 장점은 유지하면서 단점은 보완하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 오히려 열린 채널에서 셀룰로오스 내부로 흡수되는 현상을 이용하여 센싱 및 물질합성에 이용하는 연구결과도 도출되었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

현재까지 3D 프린팅 기술을 이용하여 제조된 마이크로유체 시스템은 모두 실리콘 혹은 아크릴계 레진으로 소재가 국한되어왔으며 이러한 소재적 한계로 인해 응용처가 제한적이었다. 본 연구팀에서는 종이(셀룰로오스)기반 소재를 3D 프린팅 기술과 접목시켜 새로운 차원의 마이크로유체시스템을 구현하는데 성공하였다. 종이를 기반으로 하여 제작된 마이크로유체시스템의 경우 저비용으로 상용성이 높고, 가볍기 때문에 휴대하기 용이하며, 천연유래 셀룰로오스로 이루어져 친환경적이고, 사용 후 소각이 용이하다는 장점이 있다. 3D 프린팅을 위한 잉크소재와 매트릭스 소재의 유변학적 특성에 대하여 체계적인 연구를 수행하고, 최적화 조건을 확보할 수 있었다. 내부에 3차원의 채널을 도입하는 것은 셀룰로오스 하이드로겔의 유변학적 특성에 따라 채널 형성물질의 3차원 구조 안정성이 결정된다. 이러한 이유로 3D 프린팅 원천기반소재의 발굴에 있어서 소재 유변학적 특성과 3차원 구조화의 관계 증명은 핵심적이며 도전적이었다. 제조된 3차원의 종이기반(셀룰로오스 나노섬유) 마이크로유체시스템은 기존의 종이기반(펄프섬유) 마이크로유체시스템과 비교했을 때 많은 장점을 보였다. 3차원 구현시 추가적인 접합 및 조립과정이 요구되지 않으며, 열린 채널의 구조를 가지기 때문에 유체가 채널에 머무르지 않아 시료의 손실도 최소화 할 수 있었다. 또한 광학적 투명도를 가지기 때문에 기존의 2차원 종이기반 시스템과 차별적으로 다양한 기능이 가능하며, 채널 내부 및 유체의 이동을 가시적으로 확인 할 수 있는 새로운 개념의 바이오칩 및 바이오센서로 응용이 가능하다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

향후 셀룰로오스 나노섬유 기반 3차원 마이크로유체시스템을 활용하여 휴먼온어칩(human on a chip)을 제작하고 생체 디바이스로 활용할 계획이다. 셀룰로오스 나노섬유는 생체적합성이 우수하여 최근 생체재료로서 재료적 우수성을 인정받고 있다. 현재 실리콘기반의 마이크로유체시스템에서 수행되고 있는 휴먼온어칩을 본 연구실에서 제조한 셀룰로오스 나노섬유 기반의 칩에 적용해보고 차별적인 특성들을 도출하고자 한다. 개발된 원천 기술과 소재 다변화를 통하여 생체에 근접한 3차원 세포 배양이 가능한 종이기반 마이크로유체칩을 개발하고자 한다. 

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