"역발상으로 문제해결" KAIST, 맞춤형 3차원 뇌 신경 칩 완성

KAIST는 바이오 및 뇌 공학과 남윤기 교수 연구팀이 '3D 미세전극 칩'을 다양한 형태의 맞춤형 체외 배양 칩 형태로 제작할 수 있는 플랫폼 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

(왼쪽부터) 바이오 및 뇌 공학과 남윤기 교수, 윤동조 박사후연구원. KAIST 제공

체외에서 배양한 뇌 신경조직은 뇌 연구를 단순화한 실험 모델로 널리 활용된다. 하지만 반도체 공정을 기반으로 제작된 기존 장치로는 형태 변형과 입체(3D) 구조를 구현하는 데 제약이 따랐다. 그간 3D 미세전극 칩 제작은 반도체 공정을 기반으로 이뤄져 입체적 설계 자유도가 제한되고 높은 비용이 요구된 까닭이다.

이를 극복하기 위해 최근에는 3D 프린팅 기반 제작 기술이 제안됐지만 '전기 전도성 물질 패터닝→절연체 도포→전극 오프닝' 순서로는 다양한 체외 배양 신경 네트워크 구조를 위한 입체적 설계 자유도 측면에서 여전히 한계를 보였다.

연구팀은 '역발상'으로 이러한 문제를 해결했다. 3D 프린터를 이용해 비어 있는 통로 구조를 먼저 제작한 후 전도성 잉크가 모세관 현상으로 통로의 빈 공간을 저절로 채워 전극·배선을 만드는 '맞춤형 3D 뇌 신경 칩'을 완성한 것이다.

특히 3D 프린팅 기술이 제공하는 우수한 입체적 설계 자유도와 출력물을 절연체로 활용할 수 있는 특성에 착안해 기존 공정 순서를 거꾸로 뒤집은 방식을 도입, 체외 배양용 3차원 신경 네트워크 모델을 보다 자유롭게 설계하고 기능을 측정할 수 있는 혁신 공정법을 확립했다.

새로운 플랫폼은 프로브형, 큐브형, 모듈형 등 다양한 형태의 칩 구현이 가능하다. 또 그래파이트·전도성 폴리머·은 나노입자 등 여러 재료를 기반으로 전극을 제작하는 것도 지원한다.

이는 3차원 신경 네트워크의 내·외부에서 발생하는 다채널 신경 신호를 동시에 측정할 수 있게 해 신경세포 간 동적 상호작용과 연결성을 정밀하게 분석하는 것을 가능케 한다.

남 교수는 "이번 연구는 3D 프린팅과 모세관 현상을 결합해 신경 칩 제작의 자유도를 확장했다는 데 의미가 있다"며 "이 기술은 앞으로 뇌 신경 조직을 활용한 기초 뇌 과학 연구는 물론 세포 기반의 바이오센서, 바이오 컴퓨팅 등 응용 분야의 발전에 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 바이오 및 뇌 공학과 윤동조 박사가 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인판에 게재됐다.

'3D 미세전극 칩'은 3차원 공간에 배치된 다수의 미세전극을 통해 신경세포의 전기적 활동을 측정하고 자극할 수 있는 신경 인터페이스를 말한다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr