▲ 체외배양 3D 신경네트웍 모델용 맞춤형 세포배양 지지체-미세전극칩 일체형 플랫폼 개요도(그림=KAIST)  © 특허뉴스

기존 반도체 공정의 한계를 뒤집는 역발상으로, 뇌 연구와 바이오컴퓨팅을 위한 새로운 맞춤형 3차원 뇌신경칩이 개발됐다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 남윤기 교수 연구팀이 3D 프린팅과 모세관 현상을 결합해 체외 배양 신경 네트워크를 자유롭게 설계하고 측정할 수 있는 혁신적 공정법을 확립했다고 발표했다. 이번 성과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials 온라인판(6월 25일자)에 게재됐다.

반도체 공정 한계 뛰어넘은 ‘역발상’ 공정

기존 뇌신경칩 제작은 반도체 공정을 기반으로 해 입체적 설계 자유도가 제한되고 제작 비용도 높았다. 최근 3D 프린팅 방식이 시도됐지만, 전도성 물질 패터닝 → 절연체 도포 → 전극 오프닝 순서를 따르는 공정으로는 여전히 다양한 입체 신경 네트워크 구현에 한계가 있었다.

남 교수팀은 발상을 뒤집었다. 먼저 3D 프린터로 속이 빈 절연체 구조물을 출력해 미세 터널을 만들고, 이후 전도성 잉크가 모세관 현상을 통해 이 통로를 스스로 채우게 했다. 이를 통해 복잡한 입체 구조물 내부에도 미세전극을 자유롭게 배치한 맞춤형 3차원 뇌신경칩을 제작할 수 있었다.

다양한 형태·재료 적용 가능, 신경 연결 정밀 분석

새로운 플랫폼은 프로브형, 큐브형, 모듈형 등 다양한 형태의 칩을 구현할 수 있으며, 그래파이트·전도성 폴리머·은 나노입자 등 여러 전극 재료도 지원한다. 이를 통해 3차원 신경 네트워크 내부와 외부에서 발생하는 다채널 신호를 동시에 측정, 신경세포 간 동적 상호작용과 연결성을 정밀 분석할 수 있다.

남윤기 교수는 “이번 연구는 3D 프린팅과 모세관 현상을 결합해 신경칩 제작의 자유도를 크게 확장한 성과”라며, “향후 기초 뇌과학 연구뿐 아니라 세포 기반 바이오센서, 바이오컴퓨팅 등 응용 분야 발전에도 기여할 것”이라고 강조했다.

이번 연구에는 KAIST 바이오및뇌공학과 윤동조 박사가 제1 저자로 참여했으며, 체외 뇌신경 연구를 위한 플랫폼 기술 혁신으로 학계와 산업계 모두의 주목을 받고 있다.

논문명은 Highly Customizable Scaffold-Type 3D Microelectrode Array Platform for Design and Analysis of the 3D Neuronal Network In Vitro이다.