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3D시스템즈, '3D프린팅으로 질병 진단까지?' 장비 및 생체적합소재 개발 박차

입력 : 2020.09.16 14:46

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[헬로티]


전 세계적으로 빠르게 확산되는 코로나19에 대응하기 위해 사용이 편리하고 신속한 질병 진단기의 중요성이 강조되고 있다. 


▲외부는 Figure 4 PRO-BLK 10으로 제작한 인클로저, 내부는 Figure 4 MED-AMB 10으로 3D프린트한 마이크로플루이딕스 카트리지


질병 테스트 역량 증대는 추가 확산을 막는 능력을 개선할 뿐 아니라 전염병 학자가 더 많은 정보를 수집해 보이지 않는 위협을 더 잘 파악할 수 있도록 한다. 전파 요인의 공개부터 감염률까지 파악하는 전염병 테스트의 중요성은 전 세계적으로 인정되고 있다.


Pantelis Georgiou 박사가 이끄는 Imperial College London의 연구팀은 'Lacewing'이라는 병원체 감지를 위한 프로젝트를 통해 이 문제를 정면으로 다룬다. 


클라우드 서버와 동기화된 스마트폰 앱에서 20분 내로 결과를 제공하는 Lacewing은 SARD-CoV-2-RNA 를 포함해 휴대 및 질병 테스트가 가능하도록 하고 지오태깅을 통해 질병 진행 단계의 추적을 자동화한다. 


분자생물학과 최첨단 기술을 결합해 진단 세계의 접근방식과 정보 격차를 메우는 '첨단 랩 (lab-on-a-chip)' 플랫폼이다. 다른 진단 기술에는 고가의 대형 광학 장비가 필요한 데 반해 전기 감지 방법과 소형 Lacewing은 접근 방식 자체가 혁신적이다.


Lacewing의 기술 중 핵심은 3D시스템즈의 Figure 4 Standalone 3D프린터와 생체 적합성 소재다. Imperial College 박사 과정 학생이자 연구 조교인 Matthew Cavuto에 따르면, 마이크로플루이딕스(microfluidics) 및 기능성 구성 요소의 원형 제작과 생산에 모두 사용되는 핵심 Lacewing 구성요소는 Figure 4 프린터의 기능에 기반해 설계됐다고 전했다. 


Matthew Cavuto는 "그동안 마이크로플루이딕스 디바이스는 제작이 까다로운 노동 집약적인 무균실 프로세스를 거쳐 제작됐다"고 말했다. 


이어 그는 "Figure 4 프린터로 칩의 여러 감지 영역으로 샘플 유체를 전송하는 복잡한 내부 3D 유체 채널이 있는 부품을 빠르게 프린트할 수 있어 마이크로플루이딕스 생산 역량이 크게 개선됐다"고 덧붙였다. 


Figure 4 기술은 이 프로젝트에 설계 요소가 중요한 만큼 고도로 정교한 솔루션 중 하나다. 3D시스템즈의 Figure 4 프린터로 구현 가능해진 부품 복잡성 및 세부 구조 충실도 이외에도 이 3D프린팅 솔루션으로 연구팀은 프린트 속도, 프린트 품질, 생체 적합성 소재 등의 측면에서 큰 도움을 받았다.


▲소재의 생체적합성은 화학 반응 억제 없이 의도한 반응이 발생하는 데 중요하다.


코로나19 테스트에 부응하는 빠른 반복성


Lacewing 플랫폼은 현재까지 2년이 조금 넘는 기간 동안 개발 중이며 환자 샘플 내 병원체의 DNA나 RNA를 식별해 작동하는 분자 진단 테스트다. 


이러한 유형의 테스트를 통해 특정 질병(뎅기열, 말라리아, 결핵, 코로나19 등) 감염 여부뿐 아니라 증상의 심각도를 더 잘 알 수 있는 감염의 정도까지 판단할 수 있다.


코로나19 발발 이전에 이 테스트의 원동력은 세계 각지에서 휴대 가능한 테스트 진단기를 제작 하는 것이었다. 스마트폰 시대에 휴대성은 당연한 것으로 생각되는 경우가 많지만 분자 진단에는 전통적으로 고가의 대형 실험실 장비가 필요했다. 


Lacewing은 마이크로칩을 사용해 이전의 광학 기법을 전기 기법으로 대체하고 Figure 4 Standalone 프린터와 생체적합성 소재를 사용해 빠르게 원형을 제작하고 반복적으로 생산했다. Lacewing 사 각각의 마이크로플루이딕스 카트리지는 대략 30mm x 6mm x 5mm로, 10마이크론 레이어로 프린트됐다.


연구팀은 글로벌 코로나19 테스트 기준에 맞춰 테스트 일정을 조정하면서 거의 매일 새로운 설계를 프린트하기 시작했다. Matthew Cavuto는 이러한 여건에서 빠른 장비 속도가 가장 큰 이점이었다고 말했다. 


그는 "어떤 때는 Figure 4로 특정 구성요소의 세 가지 버전을 하루에 프린트하고 테스트할 수 있었다. 설계를 빠르게 반복하는 능력은 새로운 것을 시도하는 어려움을 없앴고 그 결과로 발생한 실험과 향상된 정보 수집으로 인해 시스템이 전반적으로 개선됐다"고 말했다. 


Matthew Cavuto는 "팀은 솔리드웍스로 모든 부품을 설계하고 3D Sprint 소프트웨어를 사용해 각 빌드를 설정한다. 3D Sprint는 3D시스템즈의 올인원 소프트웨어로, 3D프린팅 공정을 준비, 최적화 및 관리하며 팀에서 예상치 못한 문제를 발견하고 해결하는 데 유용했다. 가끔 발생하는 STL 오류는 3D Sprint의 준비 탭에서 해결할 수 있다"고 덧붙였다. 

 

화학 반응을 억제하지 않는 생체 적합성 소재


고속 테스트의 시간 압박에도 불구하고 속도는 연구팀에 가장 중요한 요소가 아니었다. 이 응용 분야는 DNA와 직접 접촉하기에 특수한 생체 적합성 소재로만 가능하다.


Imperial College팀은 Figure 4 MED-AMB 10, 즉 생체적합성에 관한 ISO 10993-5 및 10 표준(세포 독성, 민감도, 자극)을 충족하는 투명 황색 소재를 사용했고 오토 클레이브를 통해 살균 가능하다. 이 소재는 반투명 마이크로플루이딕스 매니폴드에 사용한다. 


Matthew Cavuto는 "Figure 4 MED-AMB 10은 PCR 반응에서 인상적인 생체 적합성을 보여줬다. 과거에 사용했던 많은 소재는 이 반응을 억제했지만 Figure 4 MED-AMB 10은 화학 반응과 상호작용이 적었다"고 말했다. 


이어 그는 "이 사실은 프로젝트 전체에 매우 중요하다. 생산 소재에 의한 간섭으로 인해 의도한 반응이 지연되거나 발생하지 않을 수 있기 때문이다"고 덧붙였다. 

 

팀에서는 Lacewing의 미소유체(microfluid) 구성요소를 프린트하는 데 Figure 4 MED-AMB 10 소재를 사용할 뿐 아니라 장치 인클로저에는 생산 등급의 경질, 내열성 소재인 Figure 4 PRO-BLK-10을, 장치 전체의 개스킷에는 새로 출시된 탄성 소재 Figure 4® RUBBER-65A BLK를 사용한다. 


Lacewing의 한 부분은 생산 등급 폴리프로필렌과 같은 소재인 Figure 4 FLEX-BLK 20으로도 제작된다. 전자 장치와 일부 하드웨어를 제외하고 현재 거의 장치 전체를 Figure 4 프린터 시스템으로 생산하고 있다.  


▲NHS에서 검증이 완료되면 연구팀은 코로나19 테스트 생산 규모를 늘릴 계획이다. 


빠르고 간편한 세척 및 후처리 공정


깨끗하고 매끄러운 표면은 Lacewing 카트리지의 최종 성능에 매우 중요하다. 이런 이유로 연구팀은 단일 레이어로 카트리지를 프린트하기 위해 Figure 4의 쌓기 또는 겹치기 기능을 사용하지 않는다. 


프로젝트가 여전히 설계 단계에 있으므로 팀에서는 아직 제작판을 완전히 로드하지 않았지만 한 번에 약 30개의 미소유체 카트리지를 최대 제작 용량으로 예상한다.


응용 분야의 민감도를 감안하면 후처리가 중요하다. 프린트되고 나면 부품은 IPA 배스에서 세척하고 경화 및 연마 처리 후 다시 세척하여 부품에 잔여물이나 연마 입자가 완전히 제거되도록 한다. 


Matthew Cavuto는 "깨끗하고 멸균 처리된 부품을 유지하는 것이 성공적인 반응과 정확한 진단에 매우 중요하다"고 말했다. 


이어 그는 "후처리에 걸리는 시간이 20분 이내이고 대부분의 부품은 한 번에 공정을 마칠 수 있다고 전했다. NHS에서 검증이 완료되면 연구팀은 코로나19 테스트 생산 규모를 늘릴 계획이다"고 말했다. 


Imperial College 연구팀은 조만간 영국국립보건서비스(NHS)에서 코로나19 테스트를 검증 받아 향후 6개월 내로 생산 확대에 나설 계획이라고 한다. Lacewing의 기술에 대해 자세히 확인하려면 Imperial College 연구팀의 웹사이트에서 가능하다. 


/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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