▲서울대 전기·정보공학부 김성재 교수 연구팀(왼쪽부터 김성재 교수, 이효민 교수, 김준석 연구원)

서울대 공대(학장 이건우)는 전기·정보공학부 김성재 교수 연구팀이 나노전기유체역학 장치를 이용해 농축 대상 물질에 작용하는 전단응력을 최소화한 비파괴적 세포 농축장치를 개발했다고 11일 밝혔다. 이번 연구는 적혈구와 같은 깨지기 쉬운 생체세포들을 비파괴 방식으로 농축하여 진단 분야의 핵심 기술을 개발한 의의를 갖는다.

생체시료, 중금속 등의 대상 물질을 검출하기 위해서는 고가의 검출기를 사용하거나 시료 준비 단계에서 대상 물질의 농도를 높이는 선 작업이 반드시 필요하다. 분자량이 작은 단분자 화학 물질의 경우 다양한 방식의 농축 방법들이 존재하지만, 얇은 세포막으로 이루어진 생체물질들의 경우는 그 방법들이 제한적이다. 원심분리법이 주로 사용되나 세포가 쉽게 깨지기 쉬운 경우 타겟물질을 비파괴적으로 농축하는 장치가 절실히 요구되어 왔다.

본 연구팀은 높은 전기전도성의 나노다공성 막을 미세유체채널과 병렬 배치한 장치를 고안하였다. 해당 장치는 기존 장치들에 비해 표면의 전기전도도가 수십 배 늘어난 효과를 지닌다. 그 결과, 농축과정에서 발생하는 와류(전기대류성)가 억제되어 농축하고자 하는 타겟물질에 작용하는 힘(전단응력)을 최소화 할 수 있었다. 연구팀은 제안한 장치의 유효성을 실험과 이론적 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 고전해질농도 환경하에서 비파괴적으로 적혈구를 농축 할 수 있음을 보였다.

해당 메커니즘은 표면전도도를 높임으로써 전기유체 장치의 안정성을 높일 수 있는 물리적 중요성과 더불어, 혈액 검사를 빈번히 해야하는 환자들에게 채혈량을 획기적으로 낮출 수 있는 장치로 응용될 수 있다는 점에서 주목할 만한 성과이다.

김성재 교수는 “이번 연구는 이론적 분석을 기반으로, 실험의 설계 그리고 최종적으로 실제 공학적 응용처가 잘 정립된 연구”라며, “제안한 기술은 바이오-나노센싱 연구 분야에의 응용과 함께 농축을 이용한 생체물질 검사, 식품 안전성 검사, 약물 검사 등에 응용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

해당 연구는 이번 달 11일 세계적인 과학잡지 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘사이언티픽 레포트(Scientific Reports)에 게재되었다. 논문명은 ‘전기적 경로의 분기를 이용한 이온 농도 분극 현상(Ion Concentration Polarization by Bifurcated Current Path)’이다.

 [그림설명]

▲ (a) 기존장치에서 농축과정에서 용혈(파괴)되는 적혈구 및 등가회로도  (b) 개발한 미세유체역학 장치를 통해 비파괴적으로 농축되는 적혈구 및 전기적 등가회로도 (서울대 공대 제공)