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- 자연의 생체유체를 모방한 창의적 기술개발 및 적용
- 이상준 교수(포항공과대학교 생체유체연구단)
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postech.ac.kr - : 포항공과대학교 생체유체연구단
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안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!
투시력을 가진 것처럼 불투명한 인체 속에 물이나 혈액의 흐름을 측정하는 기술을 생체유체 기술이라고 하는데요. 해부를 하지 않고도 불투명한 신체의 혈관 속 혈액을 측정하거나 식물 내 물의 흐름을 측정하는 것 자체가 어려운 일이라고 합니다. 오늘 인터뷰에서 만나 보실 분은 생체유체 기술 연구단의 센터장을 맡고 계신 이상준 교수님이신데요. 교수님을 직접 찾아뵙고 이 기술이 공학적 문제 해결에 어떠한 영향을 미칠지 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 포스텍 생체유체연구단에 대해 간단한 소개 부탁드립니다.
생체유체연구단은 2008년도 연구재단 지정 창의연구단으로 세워졌고요. 지금 현재 연구 교수 2명, 석박사 통합과정 및 박사과정 학생 19명, 연구 참여생 4명, 기술원 1명, 행정원 1명, 총 28명으로 구성되어 있습니다.
2. 첨단 계측기법을 이용하여 생체유동과 미세유동 현상을 실험적으로 해석하고 효과적인 유동제어기법을 도출하는 연구를 하신다고 이야기 들었습니다. 유동제어기법이란 무엇을 말하는 건가요?
예를 들어 우리가 물이나 바람이 가진 에너지를 전기로 변환하는 것을 수력발전이나 풍력발전이라 하는데요. 이와 같은 발전도 결국은 일종의 유동제어입니다. 결국은 물이나 바람이 가진 에너지를 이용해서 그것을 제어 유용한 전기 에너지로 바꾸는 거죠. 다음에 자동차 회사들이 어떤 자동차 모양을 선형으로 바꾸어서 공기저항을 줄이는 그 노력도 일종의 유동제어이고요. 심혈관계 질환과 관련해서 우리가 사람 혈관에 노폐물이 끼이거나 플라그(Plague)*가 끼어 혈액순환이 원활하지 못하는 동맥경화 현상을 우리가 치료하기 위해서 혈관 내부에 스텐트(Stent)*를 넣어서 혈관을 확장하거든요. 그와 같은 것도 일종의 유동제어현상이라고 볼 수 있죠. 결국은 유동 제어라는 것은 유체의 흐름을 제어함으로써 우리가 공기 저항을 감소시키거나 유동 소음을 저하시켜서 우리가 소규모의 목적을 얻음으로써 대부분의 경우 에너지 절약 및 새로운 에너지 획득에 유용하게 이용되고 있습니다.
3. 식물, 곤충, 동물과 같은 생체에서 일어나는 생체유동현상을 정량적으로 가시화하기엔 많은 어려움이 있을 것 같은데요. 생체유체연구단에서 개발한 유동가시화기법들에 대해 설명 부탁드립니다.
식물, 곤충, 동물 같은 경우 불투명해서 내부가 보이지 않습니다. 우리가 일단 가시광으로 보는 것은 불가능하기 때문에 결국은 생체 내부를 보려면 생체 내부를 투과할 수 있는 그런 어떤 영상기법이 필요합니다. 대부분 지금 현재까지 이와 같은 생체내부유체현상을 관찰하는 데는 주로 자기공명단층촬영장치인 MRI를 주로 사용해 오고 있는데요. MRI 같은 경우 공간 분해능이 지금 100마이크로 정도 수준이고 시간분해능도 뛰어나지 못해 공학적으로 정확한 측정을 하기에는 어려운 점이 많습니다. 그래서 저희 연구단에서는 주로 X-ray 영상 기법하고 거기에 또 필요한 이동을 잘 추적하는 추적 입자를 개발해서 이러한 문제를 해결하였습니다. 지금 현재는 저희들이 아마 세계 최초이고 세계를 선두하고 있는 기술 중에 하나인데 X-선 영상 기법을 이용해서 곤충이나 식물이나 동물 내부 생체 유체흐름을 정량적으로 정확하게 측정하고 있습니다.
4. 임상용 X선관을 이용한 혈관촬영법(Angiographic) X-ray PIV시스템을 개발하고 특허로 출원하였다고 들었습니다. 교수님 X-ray PIV 시스템이 무엇이며 X-ray 미세영상기법을 이용한 생체유동 계측에 대해 말씀 부탁드립니다.
X-ray PIV 기법은 X선 촬영도 하고 다음에 유체 흐름의 전체 속도저항을 순간적으로 측정할 수 있는 PIV 시스템입니다. 입체영상유속계의 장점들을 결합한 새로운 측정기법으로 우리 연구실에서 세계 최초로 개발하였습니다. 현재 이 기법을 이용해서 동물 내부 혈액흐름이나 곤충의 흡혈, 예를 들어 모기가 어떻게 흡혈하는지, 아니면 식물 내부에서 물이 뿌리에서 잎까지 줄기를 통해서 어떻게 올라가는지와 같은 유체현상을 정량적으로 가시화하고 있습니다. 특히 이와 같은 가시화기법 개발에는 유체를 측정하려면 유체를 따라 흘러가는 입자들의 거동을 우리가 영상화해서 그것으로부터 속도저항을 구하는데. 그와 같은 입자들 개발에 있어서도 저희들이 다양한 공헌을 했습니다. 예를 들어서 냉온에서 사용되는 아이오파미돌 같은 요오드 계열을 갖다가 생체 집합한 고분자로 캡슐화(Encapsulation)하거나 아니면 식물경우 세포막(Membrane: 식물의 세포막)이 통과하지 못하니까 그것을 통과하기 위해서 금나노 입자 같은 것을 키토산 등으로 코팅해서 추적 입자로써 활용하고 있습니다. 즉 X-ray 영상기법과 그기에 필요한 나노스케일(Nanoscale) 추적 입자를 개발하였습니다. 이것은 상용화되어 있지 않기 때문에 저희들이 자체적으로 개발할 수밖에 없었고, 어려움이 있었지만 개발이 거의 완료되어 다양한 모든 생체유체현상을 정량적으로 가시화하는데 현재 어려움이 없습니다. 지금 현재는 적용연구를 다하고 있고요.
5. 이 생체유체기술을 본 따서 요즘에는 청정에너지로 주목 받고 있는 연료전지가 있지 않습니까? 근데 연료전지가 효율성에 있어서 여러 가지 문제점이 많이 발생하고 있는데 이 연구단에서 효율을 높이기 위해 식물의 줄기에서 해결의 실마리를 찾았다고 들었습니다. 어떻게 하신건가요?
식물의 경우 식물 잎이 앞면은 태양에너지를 얻는 솔라셀(Solar-Cell) 이고요. 뒷면은 이것을 저장하고 활용하는 연료전지라고 볼 수 있는데요. 우리가 알다시피 식물은 지구상에 수십억 년 전에 나타났서 최적화되어 왔기 때문에 그 속에 비밀이 들어 있는 거죠. 연료전지는 필수불가하게 전기에너지를 얻으면 거기에 물이 생성됩니다. 물이 생성되고 다음에 전극과 수소 반응을 하려면 물을 또 필요로 하고요. 이와 같은 연료전지는 물관리가 핵심기술인데요. 그것을 해결하는 부분에 있어 어려움이 있습니다. 그래서 그동안에 연료전지 내부의 물의 생성 과정과 Membrane을 통해 물이 스며들어가는 과정들을 정량적으로 가시화했고, 식물이 가지는 물 관리 기술 등을 생체모방해서 적용하려고 하고 있습니다. 식물이 가지고 있는 물 관리 기술을 관찰하고 그것으로부터 응용기술 및 새로운 생체모방기술을 개발하는 연구를 하고 있습니다.
6. 식물에서 찾아낸 그 해결책은 어떤 원리로 연료전지를 해결할 수가 있는 건가요?
연료전지 기술에서 가장 중요한 것이 물 관리 기술인데요. 물 관리 기술에 우리가 새로운 원천기술을 개발하기 위해서 저희들은 식물이 가지는 물 관리 기술을 생체모방하고 있습니다. 현재는 식물이 광합성을 하기 위해서 뿌리로부터 물을 끌어올리고 공기 중에서 이산화탄소를 받아서 그것을 가지고 광합성을 하는데요. 광합성 하는 과정에서 물이 생성됩니다. 그래서 식물이 물을 어떻게 관리하고 하는지를 식물의 어떤 기능을 저희들이 보고 다음에 그것을 식물이 생성하고 제가 아는 과정에 필요한 동적 구동을 분석하여 그것을 연료전지에 적용하려 하고 있습니다.
7. 최근 논의되고 있는 4세대 방사광 가속기가 연구의 효율성을 높아줄 거라 예상되는데요. 4세대 방사광 가속기가 연구에 어떤 도움이 되는지 설명 부탁드립니다.
저희들도 굉장히 기대를 하고 있습니다. 현재 저희들이 지난 10여 년간 사용했던 것이 3세대 방사광 가속기로써 지금 보게 되면 공간분해능이 일반적으로는 1~2마이크로, 다음에 나노영상기법을 쓰게 되면 60~70나노미터까지 해상도를 해서 볼 수가 있는데요. 이것이 4세대 방사광 가속기가 되면 빔(beam)양이 수백만 배 이상 늘어나기 때문에 이때까지 꿈 꿔왔던 단백질의 움직임이나 동적 구동을 분석할 수 있어 생리현상을 좀 더 근원적으로 접근할 수 있을 것 같고요. 좀 더 늦어질 수도 있겠지만 그것이 완공되었을 때를 대비해서 준비를 하고 있습니다. 실질적으로 X-ray 영상기법이 나노 이미지쪽으로 하려면 홀로 그래픽 기법이 필요한데요. 그 기법도 현재 4세대 가속기 완공을 맞추어 개발하고 있습니다. 그것이 되게 된다면 또 다른 도약을 될 수 있지 않을까 기대하고 있습니다.
8. 최적화된 생명체 내부 유체유동에 대해 생체 모방 기술을 도출하고 이를 공학적 문제 해결에 활용하여 신재생 에너지 개발, 에너지 절약, 고효율의 미세유체공학 기술 개발 분야에 적극 활용이 되고 있다고 하는데요. 특히 어떤 분야에서 활용되어지고 있는지 궁금합니다.
우리 연구실에서 하는 몇 가지 말씀을 드리는 게 좋을 것 같은데요. 일단 저희들이 지난 4~5년간 모기가 피를 어떻게 흡혈하는지 연구를 했는데요. 이 기술을 어떤 기술로 생체 모방할 수 있냐면 사실 모기는 크기에 비해 엄청난 양의 피를 빨아들이거든요. 소위 말해 순간적으로 자기 몸무게의 3~4배 되는 피를 빨아들입니다. 그것은 미세한 크기의 펌프성능이 엄청나다는 거죠. 그래서 모기의 흡혈과정, 흡혈 원리를 밝혀냈고 그것에 기초하여 모기를 생체 모방한 미세펌프를 개발하고 있습니다. 현재 마이크로칩이나 바이오칩에 붙이는 펌프들은 전부 다 상당히 크기가 큽니다. 결국 마이크로칩에다가 모기 한 마리 얹어 놓으면 되는 정도가 되니까 그것이 굉장히 유효할 수 있고요.
식물의 경우는 우리가 뿌리로부터 나무 끝까지 예를 들어 큰 나무의 경우는 수십 미터로 물을 뽑아 올립니다. 보통 우리 가로수로 있는 것이 보통 한 20~30미터 높이 가로수를 생각하면 그 정도 물을 끌어올리려면 30층짜리 아파트를 생각하게 되면 그런 아파트에는 지하에 펌프실이 굉장히 큰데 식물은 뿌리 공간을 파도 펌프가 없어요. 결국 식물 잎에서 발생하는 증산현상이 그 정도 엄청난 힘을 내어서 뿌리로부터 끝까지 물을 끌어올리는데요. 식물기공은 조그만 수십 마이크로짜리 구멍인데 거기에서 발생하는 증산현상을 갖고 식물이 엄청난 일을 하는 것입니다. 그래서 식물이 물을 끌어올리는 현상을 연구하고 있습니다.
또한 해바라기경우 우라늄이나 세슘을 흡수합니다. 식물의 뿌리를 통해서 중금속을 흡수하는 기술도 우리 연구실에서 생체 모방을 합니다. 결국 현재 후쿠시마에 발생한 원전 문제 예를 들어서 물 속에 들어있는 우라늄의 세슘을 흡수하는 어떤 특수한 물질들을 개발할 수 있는 거죠. 식물은 또다시 특정 이온들을 통과시키고 나머지 이온들은 분리시키는 세포막(Membrane)기능을 가지고 있는데요. 그런 것들을 우리가 생체모방하게 되면 곡물의 어떤 증산, 획기적인 기술을 개발을 할 수 있습니다.
이런 것들을 전부 다 어떻게 보게 되면 수억 년 혹은 수십억 년을 통해서 최적화되어있는 생명체가 갖고 있는 그 기술들을 자세히 규명하고 그것에 기초해서 미래 산업을 이끌어낼 수 있는 생체모방 기술을 개발하는 게 연구단의 목표이고 그 과정을 진행하고 있습니다.
9. 이렇게 되면 에너지절약이나 신재생에너지개발에서도 정말 큰 영향을 많이 미칠 것 같습니다.
우리나라가 선진국으로 진입하고 세계를 선도하기 위해서는 핵심 요소 기술들이 필요합니다. 우리나라를 지금 먹여 살리고 있는 것이 반도체, 자동차, 선박 같은 것을 살펴보면 어떤 핵심 기술을 갖고 있기 때문입니다. 미래 산업에 필요한 핵심 원천 기술을 확보해 두게 되면 미래 세대가 좀 더 윤택하게 살 수 있게 되지않을까 생각 합니다.
10. 생체유체연구단에서 많은 연구를 하고 계신데요. 그 중에서 혈액유동 연구를 하는 목적과 여러 활용법에 대해서 말씀 부탁드리겠습니다.
사람은 기본적으로 수명 연장이나 삶의 질 향상의 욕구를 기본적으로 갖고 있습니다. 선진국의 경우 사망률 1위가 심혈관계 질환이고요. 그 중에서도 절반이 심장을 둘러싸고 있는 관상동맥에서 발생하는 혈액흐름이 원활하지 못해서 발생하는 질환입니다. 신장이나 간, 위는 이식이 가능한데 혈관 이식이 상당히 어렵습니다. 이와 같은 심혈관계 질환은 주로 유체, 혈액 흐름이 원활하지 못해서 발생하기 때문에 이와 같은 유체역학적, 즉 혈류 역학적 관점에서 접근해서 의사들과 같이 협력을 하여 우리가 심혈관계 질환을 조기진단하고 이것을 가지고 조금 더 완벽하게 치료할 수 있는 기술을 개발할 수 있다면 인류의 어떤 복지, 삶의 질 향상에 이바지할 수 있지 않을까 생각하여 연구를 하고 있습니다. 그러나, 실제 혈액 흐름의 연구는 사람을 대상으로 실험을 못합니다. 유정란은 우리가 이마트에서 살 수 있는 계란 하나, 500원 정도하는 계란 하나 속에서도 심혈관계의 시스템이 다 모여 있습니다. 거기에는 심장도 있고 줄기 세포도 있고 동맥과 정맥도 있습니다. 사람과 유사한 유정란을 이용해서 이와 같은 심혈관계 질환을 연구하기도 하고요. 아니면 제브라피시(Zebrafish)*라는 물고기로도 유전자를 조금 조작한다면 투명하게 됩니다. 그러면 혈액흐름을 그대로 현미경으로 볼 수 있습니다. 지브라 피쉬에서 일반적인 정상적인 음식을 공급하기도 하거나 콜레스테롤이 높은 음식을 공급하여 이 두 가지 음식을 먹은 똑같은 지브라 피쉬가 시간의 경과에 따라서 한 달 후에 혈액 흐름이 어떻게 차이가 나는지, 혈관이 콜레스테롤로 인해서 막혔는지 등을 분석하여 심혈관계 질환의 발생 시점에 대해 연구를 합니다. 최근에는 생쥐를 연구하였는데요. 생쥐도 다양한 모델이 있거든요. 예를 들어서 고혈압 생쥐도 있고, 당뇨 생쥐도 있습니다. 이와 같이 정상적인 생쥐하고 고혈압이나 당뇨 걸린 생쥐들이 갖고 있는 혈류 역학적 특성이라던 지, 아니면 점도나 점탄성이나 이와 같은 물성치의 어떤 변화를 우리가 어떻게 차이나는 지에 대해 분석을 함으로써 의사들이 병원에서 조기검진하고, 조기진단하고, 조기 치료하는데 필요한 그런 원천적인 기술이나 정보를 제공하려고 하고 있습니다. 그렇게 되면 궁극적으로 인류 복지에 조금은 공헌할 수 있지 않을까 생각합니다.
11.마이크로의 개념도 얼마나 더 발전이 될지 궁금한데요. 앞으로의 계획 중인 연구나 목표가 있으시다면 말씀 부탁드립니다.
생체유체연구단은 정부 지원으로 9년간 진행하는 사업으로 현재 6년차이며 이제 3단계, 3년이 남았습니다. 앞으로의 향후 3년간은 주로 생체유동 현상을 보고 관찰하고 기본 원리를 규명할 것이며, 마지막 3차년 도는 이것을 가지고 생체 모방하여 실사회에 쓸 수 있는 응용기술개발 나아가 우리나라 미래 산업 먹거리 창출하는데 집중하려고 하고 있습니다.
12.이 영상을 보고 생체유체를 공부하고자 하는 학생들이 있을 거 같은데요. 이들에게 조언을 해주신다면?
미래 산업을 창출하기 위해서는 굉장히 도전적인 자세를 가진 젊은 사람들이 필요합니다. 특히 새로운 분야를 개척할 때 있어서는 성실함과 도전정신이 필수적입니다. 그래서 편하고 쉬운 길보다는 어렵고 힘들지만 나중에 그 성과를 정말 크게 낼 수 있는 도전적이고 우리가 핵심적인 그런 연구에 대해 도전해 보시기를 바랍니다.
*플라그(Plague): 박테리오파지와 숙주가 되는 세균을 혼합하여 배양하면 증식한 세균 중 파지의 감염으로 용균한 부분이 투명 또는 반투명의 원형으로 된다. 이것을 플라크 또는 용균반이라 한다.
*스텐트(Stent): 혈관을 뚫고 지나가도록 설계된 그물관 장치
*제브라피시(Zebrafish): 인도 원산의 담수어로 성어는 3~4Cm이며, 유전자 조작을 통해 몸속을 투명하게 만들 수 있어 실험관찰이 용이하고 수정란을 얻기 쉽다.
* 인터뷰 진행: 정민경 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 (event1412@hanmail.net)
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