KAIST, 뇌 닮은 ‘미니 뇌’ 3D 프린팅으로 구현…신경세포 활동 정밀 측정 가능해져

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 3D 프린팅 기술로 뇌의 신경세포층 구조를 정밀하게 구현하고, 그 안에서 신경세포의 활동까지 실시간으로 측정할 수 있는 통합 플랫폼을 개발했다.

KAIST는 박제균·남윤기 바이오 및 뇌공학과 교수팀이 뇌 조직과 유사한 특성을 가진 저점도 천연 하이드로겔을 사용해 이 같은 성과를 거뒀다고 16일 밝혔다.

기존의 바이오프린팅 기술은 구조적 안정성을 높이기 위해 고점도 바이오잉크를 사용했으나, 이는 신경세포의 증식과 신경돌기의 성장을 제한한다는 단점이 있었다. 반면 신경세포 친화적인 저점도 하이드로겔은 세포 증식에는 유리하지만 정밀한 구조 구현이 어려워, 구조적 안정성과 생물학적 기능 사이의 딜레마를 해결하기 어려웠다.

연구팀은 이 두 문제를 동시에 해결하기 위해 세 가지 핵심기술을 결합했다. 우선 묽은 하이드로겔을 스테인리스 철망(마이크로메시) 위에 안정적으로 고정시키는 ‘모세관 고정 효과’ 기술을 개발해, 기존 대비 6배 이상 정밀한 해상도 500마이크로미터(㎛) 이하의 뇌 구조를 구현하는 데 성공했다.

또한, 원통형의 ‘3D 프린팅 정렬기’를 고안해, 프린팅된 층을 정확하게 쌓고 미세 전극 칩을 안정적으로 결합할 수 있도록 했다. 마지막으로 미세 전극을 이용한 전기신호 측정과 빛(칼슘 이미징)을 통한 세포 활동 관찰을 동시에 수행하는 ‘이중 모드 분석 시스템’ 기술을 접목하여, 뇌 구조 내 층간 신경세포들의 실제 기능적 연결성을 정밀하게 관찰할 수 있도록 했다.

생물학적 뇌 조직의 구조를 본떠 제작한 인공 뇌 모사 생체 구조물. 각 층에 위치한 신경세포들이 실제 뇌처럼 연결되어 있고, 칼슘 이미징(빛 신호)과 미세 전극(전기 신호)을 이용해 신경세포의 활동을 동시에 측정할 수 있음을 나타낸다.

연구팀은 뇌와 비슷한 탄성 특성을 가진 피브린 하이드로겔로 3층으로 이루어진 미니 뇌 구조를 3D 프린팅으로 구현했으며, 실제 신경세포들이 신호를 주고받는 과정을 성공적으로 입증했다.

박제균 교수는 “기존 기술로는 신호 측정 기간이 최대 14일에 불과했으나, 이번 플랫폼은 27일 이상 안정적인 미세 전극 칩 인터페이스를 유지하면서 신경세포의 구조와 기능을 실시간으로 분석할 수 있다”며 “신경질환 모델링, 신경독성 평가, 뇌 기능 연구 및 신경 보호 약물 스크리닝 등 다양한 분야에 활용될 것”이라고 말했다.

김수지, 윤동조 KAIST 바이오 및 뇌공학과 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스’의 6월 11일 자 온라인판에 게재됐다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr