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학과개요

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국내외 연구현황 및 전망

  • 종래에는 인체 내부의 혈류변화, 세포이동, 뇌신경활동 등을 관찰하고 분석하기 위해 CT, MRI, SPECT, PET등 다양한 분석 시스템들이 이용되어 왔으나, 제한된 의료 시설 내에서만 수행될 수 있는 단점이 있다.
  • 바이오 이미징 시스템도 최신 유비쿼터스 헬스케어 시스템의 하나로서, 초소형 바이오 이미징 시스템을 체내에 이식하고, 그 신호를 무선으로 연결하여 외부에서 분석할 수 있는 시스템이며, 해외에서는 다양한 형태로 연구개발 중이나 아직까지 국내에서 개발된 사례는 거의 없다.
  • 다른 장애 요인으로는 의료 시설의 진단검사 분석실에 있는 대형 기자재나 숙련된 검사/분석 요원들의 노동을 대신할 수 있는 작고 값싸며 또한 고효율 분석 장치, 즉 목표 분석물 (target analytes)로서 생물 성분(biologicalcomponents)의 감지를 위한 다기능성 나노바이오 인터페이스(nanobio-interface) 소재의 개발에 달려있다.
  • 바이오센서 플렛폼으로써 초미세 바늘 어레이는 마이크로 제작기술을 이용한 생체공학 응용의 대표적인 소자로, 초미세 바늘 어레이를 이용해 몸속의 물질들을 추출하거나 약물을 인체에 주입할 수 있다. 뿐만 아니라, 인간의 뇌에 초미세 바늘을 삽입하고, 신호를 검출하거나 보냄으로써 뇌 기능을 연구할 수 있음. 하지만, 이러한 초미세 바늘은 삽입한 후 외부의 힘에 의해 깨지기 쉽고, 깨진 후에도 인체에 남을 위험성이 있다.
  • 인간 생체에 적합한 초미세 바늘 어레이를 제작하기 위해서는 생체적합성의 고연성 폴리머 재료의 사용이 필연적이고, 인체에 착용하기 쉬운 대면적의 패치 형태로 연구될 것이다. 또한 마이크로 유체소자가 초미세 바늘 어레이와 함께 집적되어, 약물의 주입이 필요할 때 외부의 무선 신호를 통해 정량의 약물을 정시에 주입할 수 있게 될 것임. 더불어 초미세 바늘 어레이에 바이오센서를 집적하여 인체로 부터 추출된 생체 정보를 검출 할 수 있다.

해외학자와 공동연구 수행의 필요성

  • 위에 언급된 기술들의 발전방향을 정립하기위해 다양한 배경을 가진 연구자 간의 활발한 상호교환연구가 필수적이고, 연구 클러스터를 형성하는 것이 향후 이 분야에서의 원천기술과 파생기술을 조기에 확보하는 데 중요하다.
  • Edith Cowan Univ.의 Dr. Kamal Alameh는 Microphotonic RF signal processor, OPTO-VLSI processor 등 본 과제에 필수적인 구동회로 설계 및 광신호처리에 풍부한 경험을 가지고 있다.
  • 제조된 바이오 센서 소자위에 나노바이오인터페이스 소재의 표면처리 상에서 그 계면의 측정 안정성과 신호 대 잡음비 (signal to noise)의 개선 사항을 위해서 극세 표면의 측정을 위하여 독일의 Prof. Harald Fuchs 의 나노/바이오 특성화 연구진 (University of Muenster, Center for Nanotechnology; CeNTech)과의 협력연구를 통해서 최적화된 계면 형성을 이룰 수 있다.

 

국내외 연구현황 및 전망

초고집적 체내 이식형 이미징 센서 (implantable imaging sensor)와 nanobio material과 초미세 바늘 어레이를 이용한 초고감도 나노바이오센서의 개발

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • Nanobio material의 개발 및 특성화 분석
  • 생체적합성 나노바이오소재를 이용한 초미세 바늘 제작 공정개발
  • 컴퓨터 모의 실험을 이용한 광학계 설계 제작 기술 확보
2차년도
  • 개발된 nanobio-interfaces의 바이오센서 전극과의 계면 적합성 및 최적화 연구 및 bio-surface 와의 계면 적합성 연구 및 피드백 결과 산출
  • 생체적합성 나노바이오소재-고분자 복합체를 이용한 초미세 바늘 제작
  •  저전력, 단일모드 VCSEL 및 고효율 PD 어레이 설계 및 제작
3차년도
  • 최적화 개발된 nanobio-interfaces의 바이오센서 및 bio-surface 응용
  • 고연성 인체착용 가능한 패치 형태의 초미세 바늘 어레이 제작
  • 단일칩 집적 VCSEL 및 PD 어레이 제작 및 특성 평가
4차년도
  • Nanobio-interfaces가 적용된 바이오센서를 타 단위 과제와 협력 연구 진행 (에너지 공급 및 저장상에서 진보된 바이오센서 개발)
  • 마이크로 유체소자가 집적된 패치 형태의 초미세 바늘 어레이 제작
  • 반도체 집적 이미징 센서 체내 이식 모의실험 및 특성 평가
  • 신호 처리용 multiplexer, digital signal processing 통합 시스템 제작
5차년도
  • 초고감도 다기능성 나노바이오센서의 상업화를 위한 전략 구상 및 최종 평가
  • 바이오센서와 연동하는 초미세 바늘 어레이 제작
  • 무선통신기능 포함 통합시스템 제작 및 이미징센서 체내이식 모의실험 및 특성평가

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • Nanobio material의 개발 및 특성화
  • 고분자를 이용한 photolithography 공정 개발
  • 상용툴(Code-V)을 이용한 최적 광학계 설계 및 어레이 소자 구조 설계 및 제작
2차년도
  • Nanobio material를 바이오센서에 적용 및 계면 적합성 연구
  • 나노바이오-고분자 복합체를 이용한 초미세 바늘 제작 기술 개발
  • 저전력, 단일모드 어레이 제작/특성 평가, 고효율 PD 어레이 제작/특성 평가
3차년도
  • Biosensor에 적용될 nanobio-interfaces의 최적화 및 in vivo/in vitro 실험
  • 나노바이오고분자 복합체를 통한 인체 착용 패치식 초미세 바늘 어레이 제작
  • VCSEL 및 PD 어레이 단일 칩 집적 기술 개발 및 파장 편차 보상 기술 개발
4차년도
  • Nanobio-interfaces가 적용된 biosensor와 타 단위과제와의 협력연구
  • 초미세 바늘 어레이와 마이크로 유체소자가 결합된 소자 개발
  • 체내 이식 모의 실험을 위한 구조물 제작 및 모의 실험 및 특성 평가
  • Multiplexer, digital signal processing 통합 시스템제작(타 단위과제와 협력 연구)
5차년도
  • 초고감도 다기능성 나노바이오센서의 상업화 전략구성 및 최종 평가
  • 마이크로 유체소자와 바이오센서가 결합된 초미세 바늘 어레이 개발
  • Wireless 통신기능 포함 통합 시스템 제작 (타 단위과제와 협력 연구)
  • 외부 통신기능 포함 반도체 집적 이미징 센서의 체내 이식 모의실험 및 특성 평가

국내외 연구현황 및 전망

Functionalized CNTs, CDs, NPs 와 biomolecules 기반의 나노바이오인터페이스 물질에 대한 연구를 위해서 독일의 Herald Fuchs교수 연구팀 (나노/바이오 특성화 연구진 (University of Muenster, Center for Nanotechnology; CeNTech)과의 공동 연구를 수행할 계획이다.
이러한 협력 연구를 바탕으로 최적화된 nanobio material을 제조하고 이를 초미세 바늘 제작 공정 연구팀 및 MEMs 연구팀과 RF 시스템 연구팀, 그리고 타 단위과제 연구진과의 협력연구를 통해서 바이오센서 전극 표면처리, 저전력 신호처리, 측정감도면에서 한층 진보된 초고감도 다기능성 바이오센서를 개발할 계획이다.

체내 이식형 바이오 이미징 시스템은

  • VCSEL 및 PD 어레이 및 광학계를 포함하는 광학시스템
  • VCSEL 구동회로 및 PD 수신회로를 포함하는 회로 시스템
  • 인간의 뉴런의 동작원리를 이용한 neuromorphic 소자를 개발하고, 이를 이용한 human/machine Interface 가능성을 연구한다.

연구진 역량 및 구성 체계
 

  • Kurt E. Geckeler 교수는 CNTs-Proteins interactions에 관한 다양한 최신 연구 실적을 거둔 바 있으며, 세계 최초로 CDs와 퓰러렌의 복합구조체의 새로운 연구 영역의 지평을 열어 놓은 바 있으며, 다양한 CD 유도체들을 개발하여, 국내에서 CNTs 와CDs에 관하여는 독보적인 연구 경험과 실적을 축적하고 있다. 또한, 고분자 기반의 바이오센서에 대한 연구 논문을 이미 1993년에 발표한 바 있다. 게다가, 최근에는 본 연구진이 보유한 초분자 나노 기술 (supramolecular nanotechnology)을 바탕으로 하여, 2003년도에 Advanced Macromolecular and Supramolecular Materials and Process 및 2006년도에 Functional Nanomaterials의 서적들을 저술해온 바 있다.
  • 김영하 교수는 생체의료용 고분자, 조직공학, 항혈전성 고분자, 체내분해성 고분자, 환경분해성 플라스틱 분야의 전문가로서 현재까지 100편이 넘는 SCI 논문과 40여 개의 특허를 보유하고 있다. 특히 질병의 검진, 분석, 치료를 위해 인체에 사용되는 재료를 연구하는 학문인 생체재료 분야의 세계적인 권위자로서, 최근 4년간 세계생체재료학회연합회 회장으로 활동한 바 있으며, 체내에서 분해 흡수되는 수술용 봉합사를 미국, 일본에 이어 세계 3번째로 개발, 상품화시켜 연간 100억원을 수출하고 있다.
  • 이종현 교수는 광/바이오 MEMS 소자의 개발 및 연구에 대한 국내 권위자로서, 8년여 동안 우수한 연구결과를 바탕으로 국제저명학술지에 논문을 발표하였으며, 국내외 유명학술대회에 committee로 활동하고 있다.
  • 양성 교수팀은 마이크로 유체소자 및 의용생체 소자를 연구하고 있어, Geckeler 교수팀과 함께 기계 전기적 MEMS 소자에 바이오 센서기술을 접목하여 고연성 인체착용 가능한 바이오소자를 구현할 수 있을 것이다.
  • 이용탁 교수는 반도체레이저(VCSEL, DFB-LD, Uncooled LD), 광검출기(pin-PD, APD, RCE-PD)등 각종 광기능 소자 및 광집적회로, 광센서시스템 분야의 전문가로서 특히, 광이미징 시스템 개발에 필수적인 단일집적 VCSEL 및 PD 어레이 관련 세계적 수준의 연구 능력 및 know-how를 보유하고 있다.
  • Kamal Alameh 교수는 Microphotonic RF signal processor, OPTO-VLSI processor 분야의 전문가로서 본 과제에 필수적인 구동회로 설계 및 광신호처리에 풍부한 경험을 갖고 있다.

국내외 연구현황 및 전망

  • Edith Cowan Univ.의 Electron Science Research Institute(ESRI)는 microphonic system 및 optical/electrical signal processing 기술을 선도적으로 개발해왔으며, 향후 광주과기원에서 개발될 소자기술을 실제 적용해볼 수 있는 기반시설 및 기술을 갖추고 있는 연구기관중 하나로서 향후 광-이미징 통합시스템 개발 및 특성 평가에서 중요한 역할 을 할 수 있는 파트너이다.
1) Nanobio material과 인체착용 가능한 패치 형태의 초미세 바늘 어레이를 접목시킨 다기능성 초고감도 나노바이오센서의 개발

1단계: 기능성 biofunctionalized nanomaterials의 합성/특성화를 통한 최적화 물질 개발 및 고분자를 이용한 초미세 바늘 제작 공정/기술 개발

  • CNTs, CDs, NPs 와 biomolecules의 접합을 통한 biofunctionalized nanomaterials 개발
  • 개발된 biofunctionalized nanomaterials의 다양한 특성화를 통한 성능 분석 및 최적화 설계
  • 고분자를 이용한 초미세 바늘 제작 공정/기술 개발

2단계: Nanobiointerfaces와 초미세 바늘 어레이의 계면적합성 연구 및 피드백 결과 산출

  • 단위 과제 내부 협력 연구진 (MEMs, 초미세 바늘 어레이)과의 연구를 통한 바이오센서 개발
  • 개발된 센서 계면상에서 Nanobiointerfacial materials의 안정성 및 재현성 평가 분석

3단계: Nanobiointerfaces가 적용된 biosensor와 타 단위과제와의 협력연구

  • 에너지 연구팀과의 협력 연구를 통한 에너지 수송/저장 면에서 진보한 시스템 구축
  • 정보기술 연구팀과의 협력 연구를 통한 정보기술상에서 진보한 시스템 구축
2) 체내 이식형 반도체 집적 광이미징 센서 개발

1단계: 단일 칩 집적 VCSEL/PD 어레이 개발

  • 컴퓨터 모의 실험을 이용한 최적 광학계 설계
  • 저전력, 단일모드 VCSEL 및 고효율 PD 어레이 제작
  • 고밀도 단일 칩 집적 VCSEL/PD 어레이 개발 및 균일도 향상 기술 개발

2단계: 구동 및 수신회로 통합 광이미징 시스템 개발

  • VCSEL 구동회로 및 PD 수신회로 설계
  • 전력최소화 구조 설계 및 어레이형 구동/수신회로 설계 및 제작
  • 구동/수신회로 통합 광이미징 시스템 제작 및 특성 평가

3단계:외부 통신 기능 포함 체내 이식형 반도체 집적 광이미징 센서 개발

  • Wireless 통신기능 포함 통합 시스템 제작
  • 체내 이식 모의 실험 및 특성 평가
1) 과학기술 학문 발전의 기여도

여러 선진국들 뿐 만 아니라, 우리나라에서도 나노생명기술이 활발히 연구되고 있지만, 나노화학과 초분자화학의 개념이 동시에 도입된 연구는 아직은 미진한 수준이기 때문에, 본 연구를 통하여 나노기술, 생명기술, 나노화학, 초분자화학, 뿐만 아니라 의약화학 등의 연계되는 과학 기술들이 정보기술(IT)와의 동시 발전을 촉구할 것으로 기대된다.

체내 이식형 외부 통신 기능을 포함한 광이미징 기술을 이용하여 일상생활에서의 세포활동 및 각종 생리학적 화학적 특성을 분석을 가능하게 함으로써, 뇌과학, 인지·신경과학 등 기존에 밝힐 수 없었던 새로운 매커니즘 규명에 기여할 것이며 또한 전자코, 전자 미각과 유사한 진보한 센서의 개발을 위한 발판을 마련할 것이다.

2) 경제 사회 문화적 파급효과

체내 이식형 외부 통신 기능을 포함한 광이미징 기술이 실현될 경우, 실시간 이동형 뇌신호 분석, 종양세포 검출 등 기존 분석 방식이 해결할 수 없었던 새로운 기술발전의 방향을 제시하게 될 것이다.

또한 실시간 뇌신호 분석을 이용한 인공팔 움직임 조작(Prosthetic arm), 이동형 Micro-fluidic sensing system 등에 적용가능하여 상용화될 경우, 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.

현재 국내에 부족한 나노바이오인터페이스 재료에 대한 연구저변을 확장하고, 다양한 검출물의 동시 다발적 검출을 가능하게 하는 다기능성 초고감도 나노바이오센서에 대한 활발한 연구의 촉매 역할을 수행할 것으로 예측되며, 또한 선진국들과 함께 세계 시장 선점의 발판을 마련할 것으로 기대한다.

고연성의 인체착용 가능한 형태의 바이오소자의 개발은 의료산업의 individual examination 시대를 이끌어 저비용 고부가가치를 창출할 수 있고, 저소득계층도 쉽게 이용가능할 수 있어, 고품격의 의료과학 서비스를 제공받아 계층 간의 의료서비스 격차를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

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