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세계최초 차세대 마이크로어레이 분석기술 개발
다양한 검출반응을 한 개의 칩에서 동시분석 가능, 바이러스 검출, 질병진단 및 신약개발에 효율적 활용
특허뉴스 박진석기자 기사입력  2017/08/21 [11:39]


과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 과기정통부)는 포항공과대학교 김준원 교수 연구팀이 마이크로 입자를 제어하여 화학 및 바이오 물질 반응 분석 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 ‘미세유체기반 차세대 마이크로어레이 플랫폼’ 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.
* 미세유체기술(microfluidics) : 밀리미터(mm)이하의 작은 공간 내 유체를 조작 및 제어하는 기술
* 마이크로어레이 : 대량의 데이터 분석을 효과적으로 수행하기 위해 수백개 이상의 매우 작은 물질들이 고체 표면에 집적화 된 것
 
기존에는 질병진단 등 화학 및 바이오물질의 복합반응을 1개의 분석 칩으로 분석할 때, 각각의 반응을 완전히 분리하지 못하여 반응물질끼리 오염될 수 있어 여러 가지 반응을 동시에 정확하게 분석하기 어려웠으나, 김준원 교수 연구팀이 물과 기름이 섞이지 않는 원리를 이용하여 분석 칩 속에 미세 막 구조물이 포함된 수많은 독립공간(30개/mm2)을 만들고, 각 공간에 다양한 마이크로 입자를 원하는 개수와 순서로 배치하여, 입자간 상호 오염 없이 여러 가지 반응을 동시에 정확하게 분석하는 기술을 개발하였다.

이 분석기술은 기존방법보다 시약 소모량을 수십에서 수백분의 1로 줄이고, 반응시간도 수배 이상 단축하여, 바이러스 검출이나 질병진단 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 성과는 8월 18일(독일 현지시간) 발간된 국제학술지「어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)」에 표지논문으로 게재되었다.
 
논문명, 주저자정보
- 논문명 : High-density microfluidic particle cluster array device for parallel and dynamic study of interaction between engineered particles
- 저자정보 : 김호진(제1저자, 포항공대), 이상현(공동 1저자, 포항공대), 이원형(공동 저자, 포항공대), 김준원(교신저자, 포항공대)
 
또한, Advanced Materials 본지와 자매지 내용 중 뛰어난 업적을 선별하여 보도하는「Advanced Science News(7월 20일)」에 주목해야 할 차세대 마이크로어레이 신기술(Playing Pinball at Microscale)로 소개된 바 있다.

김준원 교수는 “여러 물질 간의 복합반응과 분석을 하나의 칩에서 쉽고 간단하게 진행할 수 있는 원천기술을 확보하여, 향후 고병원성 질병진단이나 신약개발 및 복제약(바이오시밀러) 분야에 필요한 항원-항체 반응 및 세포독성 테스트 등의 분석시간과 고가의 반응시약 사용량을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
 
김 교수는 후속연구를 통해, 배열 가능한 마이크로 입자의 개수를 늘리고 입자의 기능을 다양화하여, 기존 기술로 수행할 수 없었던 더욱 복잡한 다중 분석 기술을 구현해 나갈 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌 프런티어사업(바이오나노헬스가드연구단)과 선도연구센터사업 및 보건복지부의 연구중심병원 육성 R&D 사업의 지원을 받아 수행되었다.
 
논문의 주요 연구내용

1. 연구배경
마이크로어레이 기술은 한 번의 테스트로 방대한 양의 결과를 효과적으로 얻을 수 있는 기술로, 약물 스크리닝, DNA 분석, 면역 검사 등 다양한 화학, 생물학 관련 정성/정량 분석에 활용되고 있다.
 
그러나, 주로 2차원 평면상에 다양한 종류의 물질(단백질, DNA, 세포 등)을 점 형태의 어레이로 구성하는 기존의 방식은 단순히 각 어레이 내 물질과 샘플간의 일대일 반응만을 관찰할 수 있으며 또한 어레이 내 상호오염 가능성으로 인해 결과의 신뢰성이 떨어지며 이에 제한적인 정보만을 얻을 수 있다는 한계점이 존재한다. 때문에, 병원에서는 의심이 가는 질병에 한해서는 정밀한 해당 질병 분석기술을 추가적으로 진행 하고 있다. 따라서 다양한 분석 정보를 제공하며 정밀한 질병 진단 성능을 가지는 차세대 마이크로어레이 기술이 필요성을 인식해 개발하게 되었다.
* 어레이 : 격자와 같은 특정 형태의 배열

2. 연구방법
흐르는 유체에 의해 변형 가능한 미세 막 구조물을 활용하여 다양한 마이크로입자들을 분석 공간 내 위치시켜 입자 조합을 구성한 후 표면장력을 이용한 2상구획화를 통해 조합된 입자를 독립된 피코리터(10-12 L) 액적 어레이로 구현할 수 있는 미세유체기술 기반 차세대 마이크로어레이 플랫폼 기술을 개발하였다. (그림 2 참고)

* 2상 구획화 : 물-기름과 같이 섞이지 않는 액체들을 활용하여 한쪽 액체 내 다른 쪽 액체를 액적 형태로 고립 분산 시키는 방법
* 액적 어레이 (droplet array) : 작은 액체 방울이 어레이 형태로 존재하는 것
* 미세유체기술(microfluidics) : 밀리미터(mm)이하의 작은크기의 공간 내 유체를 조작 및 제어하는 기술

 
3. 연구성과
기존의 미세유체 기반 입자 어레이 기술은 3종 이상의 다양한 성질의 입자들을 조합함에 있어 각 입자의 크기, 모양, 강성 등의 의한 차이로 한 가지 성질에 의한 제어가 어려워 사용되는 입자의 종류가 한정적이며 또한 동시에 같은 미세유체 칩 내 다양한 특성의 입자의 적용이 제한적이었다. 따라서 이런 제한적 요소를 극복하기 위하여 복잡한 칩 설계와 제작, 그리고 구동을 위해 복잡한 주변기기(전기력, 자기력, 레이저 등 추가적인 힘을 가하기 위한 장치)가 필요하였다.

본 연구에서는 입자 자체의 특성(크기, 모양, 강성 등)에 구애받지 않는 미세 막 구조를 적용하여 미세유체 칩 내에서 흐르는 유체로부터 작용되는 힘만으로(즉, 주변기기 없이) 다양한 종류의 입자조합을 독립된 미세액적(분석공간) 내에 구현할 수 있는 방법을 세계 최초로 제안하였다. 이는 다양한 입자 제어가 가능하면서도 구동을 위한 시스템 구성 및 칩 설계를 단순화할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
 
본 기술을 활용하면 액적 어레이 형태로 서로 분리되어 있는 각 입자 조합 내에서 더욱 복잡한 반응들을 병렬 방식으로 수행할 수 있을 것으로 기대하며, 더 나아가 복잡하고 높은 비용의 실험들을 수십~수백피코리터 액적 내부에서 빠르고 정확하게 수행할 수 있는 Lab-in-a-Picodroplet (LIP)* 분야를 새로이 개척하여 세상에서 가장 작은 다중 분석 실험실을 구현하는 것이다.
* Lab-in-a-Picodroplet(LIP) : 본 연구에서 새로이 제안하는 개념으로서, 피코리터 액적 내에서 다중 분석 실험을 수행할 수 있는 기술 [기존기술(Lab-on-a-chip) 대비 수십~수백배 작아진 부피 내 이루어지는 분석 기술]

     

▲  어드밴드스 머티리얼즈 8월호 표지     © 특허뉴스

그 림 설 명
1) 어드밴드스 머티리얼즈 8월호 표지: 다수의 캡슐 형태의 액적 어레이와 각 캡슐 내 다양한 입자 조합과 그 상호작용을 보여주고 있음. 광학적(등대를 관찰자로 표현)으로 각 캡슐 내에서 일어나는 반응을 동시에 실시간으로 관찰할 수 있는 기술.

 
 
▲   제안하는 미세유체칩의 구조 및 액적 어레이 형태오 구성된 입자 조합의 모식도   © 특허뉴스

그림설명
1) 제안하는 미세유체칩의 구조 및 액적 어레이 형태로 구성된 입자 조합의 모식도.
2) 다양한 형태의 입자들로 조합을 구성할 수 있으며, 입자 상호간의 반응을 병렬로 관찰할 수 있다.
*HTPV (hydrodynamically tunable pnuematic valve): 흐르는 유체에 의해 변형이 가능한 막 구조물을 활용한 밸브기술. 이를 활용하여 다양한 입자 조합을 구성
 

 

▲     © 특허뉴스
 
그림설명
1) 제안하는 입자 조합 메커니즘을 이용한 입자 조합 어레이 결과 (왼쪽)
2) 약 92% 정도의 높은 효율로 3종류의 입자 조합 어레이를 구현할 수 있었다(오른쪽).



     

▲     © 특허뉴스
     
그림설명
1) 교차오염 없이 (cross-contamination-free) 독립된 액적 어레이 형태로 구성된 입자 조합에서 입자간 반응 동시/다중관찰 수행결과

기사입력: 2017/08/21 [11:39]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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