빛과 전기로 세포를 움직이는 법 새로운 광전자 유체 프린팅 시스템 개발

우리 학과 박제균 교수 연구팀이 세포와 마이크로 입자의 패터닝이 가능한 광전자적 유체 프린팅 시스템을 개발했다. 본 연구는 지난 1월 <바이오패브리케이션(Biofabrication)>에 게재되었다.

세포와 미세입자의 배치를 원하는 대로
하나의 세포를 정확히 원하는 위치에 옮길 수 있을까? 세포생물학 분야에서 세포나 미세입자의 위치를 조절하는 방법은 다양한 형태로 연구되었다. 세포의 움직임을 연구하거나 세포를 조합하여 조직의 형태를 만드는 인공 장기 개발과 같은 연구 분야에서 각각의 세포의 위치를 조절하는 기술이 필수적이기 때문이다. 지금까지 물리적인 힘이나 전기적 힘, 광학적 방식으로 세포를 움직이는 기술이 다양하게 시도되었다.
최근에는 빛과 전기를 동시에 이용하는 광전자 유체역학(Optoelectrofluidics) 방식으로 세포의 위치를 조작하는 연구가 주목받고 있다. 광전자 유체역학은 빛으로 가상전극을 형성해 전기장을 유발하고 그 전기장을 이용해 유체 내 미세입자의 움직임을 분석한다. 빛으로 미세입자를 움직여서 유체 내에서 미세입자를 하나의 단위로 조작할 수 있으며 프로그램화된 조작이 가능하다. 하지만 가상전극을 형성하기 위해서는 상하가 막혀있는 형태의 미세유체칩이 필요해 공간적 조절에 한계가 있다. 박 교수 연구팀은 이를 극복하고자 조작된 미세입자 자체를 미세유체칩 외부로 꺼낼 수 있는 방법을 제안했다.

하이드로젤을 이용한 광전자 유체 프린팅 시스템
연구팀은 미세유체칩을 세포 프린터처럼 사용할 수 있는 방법을 개발했다. 미세유체칩 속에 하이드로젤(Hydrogel)을 넣고 광전자 유체역학 방식으로 입자의 위치를 조작한 후 하이드로젤을 경화시키면 입자의 위치가 하이드로젤 속에 고정된다. 이후 미세유체칩에서 하이드로젤을 분리하면 하이드로젤 시트(Hydrogel sheet)에 인쇄된 입자 패턴을 얻을 수 있다.
본 연구를 진행한 기현지 연구원은 “하이드로젤 시트를 제작하는 다양한 방법이 있지만 이번 연구처럼 미세입자를 한 개의 단위로 조작하고 프로그램화해서 제작할 수는 없었다”라며 “추가적인 구조물이나 전극을 제작하지 않고 빛으로 가상전극을 형성시키기 때문에 공정 과정이 없이 편리하게 원하는 패턴의 미세입자가 포함된 하이드로젤 시트를 제작할 수 있다”라고 본 연구의 장점을 들었다.

정교한 자동화 패터닝 가능해져
광전자 유체 프린팅 시스템은 정교하고 자동화된 세포 패터닝이 가능하다. 현재 널리 활용되는 3D 프린터는 자동화 패터닝과 대량 생산이 가능하지만 미세 입자 하나 단위의 패터닝은 어렵다. 광전자유체 프린팅 시스템은 프러그램화 된 패터닝이 마이크로 수준에서 가능하여서 사용자의 목적에 맞게 미세입자가 패터닝 된 하이드로젤 시트를 제작할 수 있다. 기 연구원은 “광전자 유체역학은 자유자재로 미세입자를 패터닝 할 수 있지만 미세유체칩 내에서만 패터닝이 가능해 활용에 제약이 많았다”라며 “이번 연구를 통해 광전자 유체역학의 확장성을 높여서 다른 분야에서도 활용할 수 있는 하이드로젤 시트를 제작할 수 있었다”라고 이야기했다.

김래영 기자 (ry_kim@kaist.ac.kr)

참고 자료
Optoelectrofluidic printing system for fabricating hydrogel sheets with on-demand patterned cells and microparticles, Hyun Ji Gi, Dongsik Han and Je-Kyun Park, Biofabrication, 2017, doi:10.1088/1758-5090/aa564c