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6배 정밀한 3D 뇌 모사 플랫폼 구현 성공
기존의 3차원(3D) 신경세포 배양 기술은 뇌의 복잡한 다층 구조를 정밀하게 구현하기 어렵고, 구조와 기능을 동시에 분석할 수 있는 플랫폼이 부족해 뇌 연구에 제약이 있었다. 우리 연구진이 뇌처럼 층을 이루는 신경세포 구조를 3D 프린팅 기술로 구현하고, 그 안에서 신경세포의 활동까지 정밀하게 측정할 수 있는 통합 플랫폼 개발에 성공했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 박제균·남윤기 교수 공동연구팀이 뇌 조직과 유사한 기계적 특성을 가진 저점도 천연 하이드로겔을 이용해 고해상도 3D 다층 신경세포 네트워크를 제작하고, 구조적·기능적 연결성을 동시에 분석할 수 있는 통합 플랫폼을 개발했다고 16일 밝혔다.
기존 바이오프린팅 기술은 구조적 안정성을 위해 고점도 바이오잉크를 사용하지만, 이는 신경세포의 증식과 신경돌기 성장을 제한하고, 반대로 신경세포 친화적인 저점도 하이드로겔은 정밀한 패턴 형성이 어려워 구조적 안정성과 생물학적 기능 사이의 근본적인 상충 관계가 있었다.
연구팀은 묽은 젤로도 정밀한 뇌 구조를 만들고, 층마다 정확히 정렬하며, 신경세포의 활동까지 동시에 관찰할 수 있는 3대 핵심기술을 결합해 정교하고 안정적인 뇌 모사 플랫폼을 완성했다.
3대 핵심기술은 ▲ 묽은 젤(하이드로겔)이 흐르지 않도록 스테인리스 철망(마이크로메시) 위에 딱 붙게 만들어 주는‘모세관 고정 효과’ 기술로 기존보다 6배 더 정밀하게 (해상도 500μm 이하) 뇌 구조를 재현했고 ▲ 프린팅된 층들이 삐뚤어지지 않고 정확히 쌓이도록 맞춰주는 원통형 설계인 ‘3D 프린팅 정렬기’로 다층 구조체의 정밀한 조립과 미세 전극 칩과의 안정적 결합을 보장하였고 ▲ 아래쪽은 전기신호를 측정하고, 위쪽은 빛(칼슘 이미징)으로 동시에 세포 활동을 관찰하는 ‘이중 모드 분석 시스템’기술로 층간 연결이 실제로 작동하는지를 여러 방식으로 동시에 확인할 수 있다.
연구팀은 뇌와 유사한 탄성 특성을 지닌 피브린 하이드로겔을 이용해 3층으로 구성된 미니 뇌 구조를 3D 프린팅으로 구현하고, 그 안에서 실제 신경세포들이 신호를 주고받는 과정을 실험을 통해 입증했다.
위층과 아래층에는 대뇌 신경세포를 배치하고, 가운데층은 비어 있지만, 신경세포들이 가운데를 뚫고 지나가며 연결되도록 설계했다. 아래층에는 미세 센서(전극칩)를 달아 전기신호를 측정하고, 위층은 빛(칼슘 이미징)으로 세포 활동을 관찰한 결과, 전기 자극을 줬을 때 위아래층 신경세포가 동시에 반응했고, 신경 연결을 차단하는 약물(시냅스 차단제)을 넣었더니 반응이 줄어들어 신경세포들이 진짜로 연결돼서 신호를 주고받고 있다는 것을 입증했다.
바이오및뇌공학과 박제균 교수는 “이번 연구는 뇌 조직의 복잡한 다층 구조와 기능을 동시에 재현할 수 있는 통합 플랫폼의 공동개발 성과”임을 강조하며, “기존 기술로 14일 이상은 신호 측정이 불가했던 것에 비해 27일 이상 안정적인 미세 전극 칩 인터페이스를 유지하면서 구조-기능 관계를 실시간으로 분석할 수 있어, 향후 신경질환 모델링, 뇌 기능 연구, 신경독성 평가 및 신경 보호 약물 스크리닝 등 다양한 뇌 연구 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
바이오및뇌공학과 김수지 박사와 윤동조 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 2025년 6월 11일 자로 온라인판에 게재됐다.
※논문명: Hybrid biofabrication of multilayered 3D neuronal networks with structural and functional interlayer connectivity
※DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117688
한편, 이번 연구는 한국연구재단 글로벌 기초연구실지원사업, 중견연구 및 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.07.16 조회수 302 -
2022 청소년 과학 아카데미 성료
우리대학이 평택시와 함께 개최한 2022 청소년 과학 아카데미를 성료했다. 양 기관이 올해 처음으로 개최한 이번 청소년 과학 아카데미는 지난해 11월 KAIST와 평택시가 체결한 ‘KAIST 평택캠퍼스 조성을 위한 실시협약’의 일환으로 마련된 행사다. 이달 9일과 11일에 각각 60명씩 총 120명의 평택시 중고등학생이 KAIST를 방문해 미래 과학기술에 대한 이해를 높일 수 있는 프로그램을 체험했다. 이를 위해 배두환(전산학부), 최한림(항공우주공학과), 명재욱(건설및환경공학과), 남윤기(바이오및뇌공학과) 교수 등이 소프트웨어·항공우주공학·환경·바이오 분야의 특강을 진행했다.
또한, 급격한 과학기술 지형 변화에 따른 미래 일자리에 관한 질의응답을 통해 학생들이 개인의 적성과 진로를 탐색하는 시간을 가졌다. 이어, KAIST 캠퍼스 투어와 함께 재학생들과의 간담회가 열려 이공계 대학 캠퍼스 생활과 공부 방법 등 다양한 주제로 대화를 나누는 자리도 마련됐다.
행사에 참가한 신다희 현화중학교 3학년 학생은 "생분해 플라스틱이 알고 있던 것과는 다르게 환경에 해롭다는 것을 이번 특강을 들으며 알게 되었다"라며, "이번 기회를 통해 과학의 역할에 관심을 가지게 되었고 KAIST 진학에 대해 구체적으로 계획을 세워보고 싶다"라고 소감을 밝혔다.
평택시 관계자는 "KAIST를 찾아가는 청소년 과학 아카데미에 대한 학생과 학부모의 관심과 참여가 매우 높아, 앞으로도 관내 청소년의 미래 역량을 키울 수 있는 다양한 교육 프로그램을 마련하도록 하겠다"라고 전했다.
김경수 KAIST 기획처장은 "최근 들어 전통적인 대학의 임무였던 교육과 연구에 더해 '제3의 임무(the third mission)'가 더욱 강조되고 있다"고 말했다. 이어, 김 처장은 "이런 시대적 흐름에 발맞춰 KAIST가 지닌 자원을 국민에 개방해 대학과 지자체의 연계를 강화하고 지역 혁신 생태계 조성 및 국가 미래 인재 양성에 앞장서기 위해 노력하겠다"라고 밝혔다. KAIST와 평택시는 올해 말 '2022 겨울 청소년 과학아카데미'를 추가로 개최할 계획이다.
2022.08.12 조회수 5838