전남대 로봇연구소, 질환별 맞춤형 마이크로로봇 개발
초미세 로봇, 질환별 모형 최적화‧키토산 구성 체내 분해
상용화 되려면 임상시험서 재료 안정성‧유효성 입증 관건
연구팀 “임상실험을 유효성 입증해 국내 첫 상용화 목표”
전남대학교 로봇연구소 연구진이 질병의 위치와 종류에 따라 치료제를 신속, 정확하게 전달할 수 있는 다양한 모양의 초미세 의료용 로봇을 개발했다. 초미세 의료용 로봇에 자율주행 기능까지 탑재한 기술을 개발하고 있어, 머지않은 미래 의료현장에서 다양한 질병에 적용되는 새로운 치료방법이 될 것으로 전망된다.
전남대 로봇연구소연구진 고광준 기계공학부 박사과정, 최은표·김창세·박종오 교수는 마이크로로봇을 전달경로와 이동 유체, 치료제의 전달형태 등 질환의 특성과 줄기세포, 면역세포, 항암제 등 치료제의 종류에 따라 모양을 달리했다. 이를 통해 질환별로 치료제를 정밀하게 전달할 수 있는 마이크로로봇을 개발했다.
연구결과에 따르면 고형암을 치료해야 할 경우 혈액이 고속으로 흐르는 혈관 내에서 혈류를 이겨내야 하는 상황에서 로봇을 1초당 785μm의 빠른 이동속도를 나타내는 타원형 마이크로로봇으로 제작했다.
반면, 무릎연골손상의 경우는 3차원 자유공간에서 점성이 높은 활액을 통해 가야하므로 이동속도보다는 많은 양의 치료제 탑재가 가능한 원형이 더 알맞다. 아울러 마이크로로봇의 모양을 달리할 경우, 간종양 색전시술과 무릎연골재생에서 표출된 낮은 표적효율과 침습적 시술의 단점도 극복할 수 있는 것으로 보고 있다.
마이크로로봇은 최소 200μm(마이크로미터. 1μm는 100만분의 1m) 크기로 100μm의 크기인 머리카락을 두개를 합친 크기다. 생체 안전성을 위해 천연고분자(키토산)의 다공성 마이크로구조체로 돼 있다. 수천에서 수만개의 구멍이 있는 표면에 줄기세포나 면역세포 또는 항암제 등을 실어 나를 수 있다. 역할을 다하면 체내에서 서서히 분해된다.
이번 연구결과는 지금까지 소재 개발과 치료제 전달에 치우친 마이크로로봇의 편향적 연구를 치료제의 전달효율까지 높이는 것으로 확대했다는 평가를 받았다. 관련 논문은 국제 저널 ‘ACS 나노’(영향력지수 14.6)에 실렸다. 이 연구는 보건복지부 ‘마이크로의료로봇 실용화기술개발사업(총괄책임자 박종오)’과 광주시 투자로 진행됐다.
연구팀은 “일반 의료로봇과 달리 마이크로의료로봇은 한국이 세계경쟁력을 가지고 있는 분야로서 기술의 다양성 관점에서도 우위를 지니고 있다”며 “이번 로봇기술이 원천기술에만 머물지 않도록 임상실험을 통해 유효성까지 입증할 예정”이라고 밝혔다.
◆ 미니 인터뷰(Mini Interview) 최은표 로봇연구소 교수
Q. 연구 배경에 대해.
"마이크로로봇 자체가 치료 및 진단 기능을 가지고 있다. 혈관안에 주입하면 혈관을 따라 이동해 원하는 곳에 가서 치료 및 진단을 하는 개념이다. 기존의 외과적인 수술은 개복, 침습적 수술이다. 이에 마이크로의료로봇을 이용해 비절제, 비침습 수술로 흉터없이 정확하고 효과적인 새로운 치료방법을 개발하고 있다."
Q. 마이크로로봇의 상용화 사례가 있는가.
"현재까지 상용화된 제품은 없다. 특히 초미세로봇이 몸 안에 들어가기 때문에 생체에 적합하고 몸 속에서 분해가 돼야해 재료 개발이 필요하다. 임상시험을 통해 치료적 유효성을 검증하고 인허가를 받아야 상품화가 가능하다. 실제 의료현장에서 쓸일 때까진 많은 검증이 필요해 보인다."
Q. 마이크로로봇이 의료현장에서 쓰인다면 어떤 부분이 변화되나.
"본 연구에서 개발된 마이크로로봇은 비침습적으로 타겟팅 효율을 높여 정밀치료가 가능한 장점이 있다. 질환타겟은 연골재생과 간종양의 색전환으로 두가지에 적용했다. 연골재생치료에서 줄기세포 치료를 선호한다. 이유는 무릎절개를 하지 않고, 줄기세포 치료제를 연골에 주입해서 치료를 할 수 있다는 점이다. 하지만 주사기로만 놓기 때문에 질환 질환 부위에 도달하기 어렵다는 단점이 있다. 마이크로로봇 기술은 줄기세포를 로봇에 넣고 원하는 부위에 정확하게 도달하게 할 수 있게해 치료 효과를 높일 수 있다. 간종양 색전술에서도 마찬가지다. 의사의 기술에 따라 얼마만큼 종양에 가까이 가는지 판가름이 난다. 사실 그게 굉장히 어렵다. 색전술에도 의사들이 조종기를 이용해서 원하는 곳에 마이크로봇을 보내 치료할 수 있게된다."
Q. 마이크로로봇을 이용한 치료과정은 어떻게 되나.
"관절의 경우 수백개의 마이크로로봇을 관절내에 주입을 한다. 마이크로 로봇 각각에는 구멍이 여러 개가 나 있는 다공성 물질로 돼 있다. 구멍 사이사이 수만개의 줄기세포 치료제가 들어가게 된다. 수천개에서 수만개의 줄기세포가 들어가 있는 마이크로로봇 수 만개를 혈관에 투입하게 된다.
간종양 색전술은 종양에 뻗어있는 혈관을 색전할 수 있는 입자가 있다. 그 입자로 혈관을 막으면 종양에 공급되는 영양분이 차단이 돼 종양을 죽이는 시술이다. 색전 입자를 종양 근처까지 정확하게 옮겨 놔야하는데 의사들의 손으로도 굉장히 하기가 어려운게 사실이다. 마이크로로봇 기술을 이용하면 조이스틱으로 조향을 할 수 있다. 조이스틱 조향을 해서 종양근처까지 안전하게 옮겨 표적 효율을 높일 수 있다."
Q. 로봇이 자율주행처럼 스스로 치료지점까지 찾아가게 할 수도 있는가.
"가능하다. 소프트웨어를 구축하면 자동으로도 보낼 수 있다. 당초 마이크로로봇이 너무 크기가 작아 안보였는데 연구진에서 엑스레이 조형제 탑재기술을 도입해 실시간으로 움직이는 것을 볼 수 있게 됐다. 엑스레이를 실시간으로 비춰 마이크로로봇이 어디 있는지 확인하고 자율주행할 수 있는 기능을 추가로 개발하고 있다. 의사들이 목표기점만 설명하면 치료제를 품고 있는 마이크로로봇이 치료지점까지 정확히 도달하게 되는 것이다."
Q. 질환별 로봇의 모형으로 최적화 했다고 들었다. 이에 대해.
"그동안 마이크로의료로봇에 모형에는 사람들이 관심이 없었다. 마이크로의료로봇을 개발하고 있는데 어떤 안전성 있는 소재로 만들지에 대해서만 집중했다. 연구진은 질환별로 다르게 초미세의료로봇을 모형화를 하면 목표지점에 더 쉽게 도달할 수 있다는 점을 포착했다. 무릎은 유속이 없어 마이크로로봇을 동그라미로 만들었다. 마이크로로봇 구멍에 세포(치료제)를 넣게 되는데 이러한 세포도 어떤 크기 어떤 구멍 모양일때 잘 들어가는지 형상을 최적화 했다. 이는 몇 가지 질환이 아닌 모든 질환에 적용될 수 있다. 질환별로 마이크로로봇을 레이저로 커팅을 해 쉽게 형상을 바꿀 수 있다."
Q. 연구과정에서 어려웠던 점.
"마이크로로봇을 개발에서 로봇의 재료의 안정성 검증이 가장 중요한 부분이다. 로봇이 몸안에 투입되기 떄문이다. 소재를 선택하고 가공할 수 있는 형태로 제작하는 것이 가장 어려운 부분이고,이번 연구도 안전성에 초점을 맞춰 진행됐다. 재료는 키토산을 사용했다. 로봇을 전자기로 구동하려면 나노사이즈 자성입자가 코팅돼 있어야 한다. 나노 자성입자도 FDA에 승인된 철분 보충제를 사용했다. 최대한 몸에 적합하도록 제작했다."
Q. 마이크로로봇 분야 연구를 하면서 느꼈던 문제점.
"마이크로로봇 자체가 약을 품고 있는 로봇이기 때문에 의료품인지, 의약품인지가 명확하지가 않다. 의약품으로 가면 제약에 관한 규제에 맞춰야 하는 것이고, 의료쪽으로 가면 의료기기에 속한다. 식약처에서도 약을 품고 있는 마이크로로봇에 대해 의약품인지 의료기기인지 구분이 모호하다. FDA에서는 이러한 시스템을 앞서 구축해 잘 시행하려고 하고 있다. 의료기기와 의약품이 융합된 것에 대해 어떤 허가 절차를 적용 할 것이며, 규제 부분에 대한 새로운 정립이 돼야 상용화가 가능하다."
Q. 연구개발 이후 계획에 대해.
"현재는 기술만 개발해 놓은 원천기술 단계에 있다. 곧이어 과제를 통해 동물에게서 마이크로로봇이 치료적 유효성이 있는 지 진행할 계획이다. 동물실험이 성공을 하면 기술이전을 할 계획이다. 우선 올해부터 진행하는 동물 실험에서 효능을 검증하는 것을 목표로 하고 있다."
Q. 끝으로 한 말씀.
"2017년 의료기기 플랫폼인 '스템 셀 네비게이터'를 바이오트코리아 기업에 기술이전을 했었다. '스템스 셀 네이게이터'는 줄기세포를 손상된 연골부위로 정밀하게 이동시키고, 이식된 줄기세포가 다시 연골세포로 분화돼 손상된 무릎연골을 재생시키는 기술이다. 줄기세포 치료제를 마이크로로봇으로 손상된 연골 부위로 보내 치료하겠다는 것이다. 5년 안으로 이 기업과 협업해 이를 임상허가 받을려고 준비 중에 있다. 만약 이 기술이 임상허가를 받으면 마이크로로봇이 상용화가 되는 첫 번째 사례가 될 것으로 보고 있다. 저희의 목표는 빠른시일내에 마이크로의료로봇 임상허가를 받아 첫 상용화가 되게 하는 것이다."
AI타임스 구아현 기자 ahyeon@aitimes.com
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