막스 플랑크 지능 시스템 연구소가 백혈구 기반의 마이크로 로봇을 개발했다. (사진. MPI-IS)

막스 플랑크 지능 시스템 연구소(MPI-IS)가 백혈구의 크기, 모양 및 이동 능력을 갖춘 마이크로 로봇을 개발했다. 연구진들은 공 모양의 마이크로 롤러를 한쪽에는 자성 나노 필름으로, 다른 쪽에는 항암제로 덮었다. 이후 실험실 환경에서 혈관을 시뮬레이션, 역동적이고 조밀한 환경을 통해 마이크로 롤러를 자기적으로 탐색하는 데 성공했다. 이와 같은 약물 전달은 시뮬레이트된 혈류를 견뎌내서 표적 약물 전달의 발전을 한 단계 더 추진했다.

 

체내에서는 순환계보다 모든 조직과 기관에 대한 더 나은 접근 경로가 없다. 이는 모든 셀에 걸쳐 있으며 탐색에 이상적인 경로를 제공한다. 해당 연구 프로젝트는 지난 5월 20일(현지시간) 사이언스 로보틱스(Science Robotics)에서 ‘생리학적 혈류의 표적 약물 전달을 위한 다기능 표면 마이크로 롤러’라는 제목으로 출판됐다.

 

연구팀은 면역 체계의 태스크 포스인 백혈구에서 영감을 받아 혈류에서 유일한 운동성 세포를 만들어냈다. 이는 병원체가 침입한 곳으로 순찰할 때, 혈관 벽을 따라 구르며 문제 지점에 도달하면 혈관 밖으로 침투하게 되는데, 운동성의 핵심은 주로 용기 벽에서 유속의 실질적인 감소이다.

 

과학자들은 동일한 현상을 바탕으로 생리학적 고속 혈류 조건에서 혈관을 적극적으로 추진하고, 혈관 내부를 탐색할 수 있는 마이크로 로봇을 개발해냈다. 물리 지능 부서 책임자인 Metin Sitti는 “우리의 비전은 이전에 가능했던 것보다 훨씬 더 어려운 접근 경로로 신체 내부의 더 깊은 조직에 도달 가능한 최소 침습적 표적 약물 전달의 차세대 차량을 만드는 것”이라고 밝혔다.

 

한편 각각의 마이크로 롤러는 직경이 8마이크로미터 미만, 유리 마이크로 입자로 만들어진다. 또한 한 쪽은 얇은 니켈과 금 막으로 덮여있고, 다른 쪽은 항암 약물 분자와 암 세포를 인식 할 수 있는 특정 생체 분자로 덮여있다. 관계자는 “마이크로 로봇은 시뮬레이션된 혈관을 통해 상류를 탐색할 수 있는데, 이는 혈류가 강하고 밀도가 높은 세포 환경으로 인해 까다로울 수 있다”라고 전했다. 이어 “이 로봇은 암 세포와 같은 관심 세포를 자율적으로 인식할 수 있는데, 이는 표면에 세포 특이적 항체가 코팅돼있기 때문에 가능하다”고 전했다.

실험실 환경에서 마이크로 롤러는 초당 최대 600 마이크로미터(초당 약 76 몸길이)의 속도에 도달 할 수 있다. 그러나 실제 시나리오에서 이 동작을 수행하려면 몇 가지 문제를 해결해야 한다. 실험실에서는 현미경을 사용해 로봇을 이미징하고, 전자기 코일을 사용해 로봇을 조종할 수 있었기 때문이다.

아울러 클리닉의 현재 이미징 방식의 해상도는 인체 내부의 개별 마이크로 로봇을 이미징하기에 충분하지 않다. 또한 마이크로 로봇(약 10마이크로미터)과 목표 조직(수천 마이크로 미터) 사이의 크기 차이를 고려할 때, 단일 마이크로 로봇에 의해 운반되는 치료 용화물로는 충분하지 않다. 따라서 무리에서 많은 수의 마이크로 로봇을 제어하는 ​​조작은 충분한 효과를 생성하는 데 필요하다. 

지난 20 년 동안 연구 분야는 마이크로 기술의 제조 기술, 사용된 재료, 작동 및 이미징에 관한 많은 도약으로 인해 더욱 가속화되고 있다. 하지만 인체 내부의 현재 마이크로 로봇은 대부분 표면 조직(눈 내부), 접근 경로가 비교적 쉬운 위치(위장관) 및 정체되거나 속도가 느린 유체 환경으로 제한돼있다. 과학자들은 그들이 개발한 바이오 영감 전략이 고속 혈류 조건에서 순환 시스템에서 마이크로 로봇의 제어된 탐색을 위한 새로운 장소를 만드는 데 도움이 되기를 희망하고 있다.