미국 캘리포니아 공과대학교(칼텍·Caltech) 과학자들이 생체적합형 미세 하이브리드 마이크로 로봇을 개발해, 치료용 약물을 원하는 신체 부위에 주입하는 데 성공했다. 

미래에는 치료용 약물을 체내 필요한 곳에 정확히 전달하는 것이 소형 로봇의 과제가 될 것이다. 금속 휴머노이드 로봇이나 생체를 모방한 로봇이 아니라 눈에 보이지 않을 정도로 작은 거품과 같은 구체가 될 것이다. 체내 실핏줄을 따라 이동해야 할 것이기 때문이다.

이러한 로봇의 개발은 까다롭다. 위산과 같은 체액으로부터 생존해야 하고 외부에서 제어가 가능해야 한다. 그래야 정확하게 목표 부위로 향할 수 있다. 또 목표에 도달했을 때만 치료제를 방출해야 하며, 그 후에는 인체에 해를 끼치지 않고 신체 내에서 흡수되어야 한다.

이런 모든 요건을 충족하는 마이크로 로봇이 칼텍(Caltech) 연구팀에 의해 개발되었다고 칼텍이 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 연구팀은 로봇을 사용해 쥐의 방광에 발생한 종양의 크기를 줄이는 치료제를 성공적으로 전달했다.

관련 논문은 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 게재됐다. 연구팀이 개발한 로봇은 '생체흡수성 음향 마이크로 로봇(BAM)'이라고 명명됐다. 연구팀의 레이 가오 박사는 "약물을 신체에 주입하면 신체 모든 곳으로 확산된다. 우리가 개발한 마이크로 로봇은 종양 등 치료 대상 부위로 직접 안내해 통제되고 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있다"고 말했다.

마이크로 또는 나노 로봇 개념은 새로운 것은 아니다. 전문가들은 지난 20년 동안 마이크로 로봇을 개발해 왔다. 그러나 혈액, 소변 또는 타액과 같은 복합적인 생체 유체에서 로봇을 정밀하게 움직이는 것은 매우 어렵기 때문에 생물 대상 적용은 제한적이었다. 특히 생체적합성 및 생체흡수성으로 신체에 독성 물질을 남기지 않아야 하는데, 이 역시 난제였다.

칼텍에서 개발한 마이크로 로봇은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트라는 하이드로겔로 만들어진 미세한 구체다. 하이드로겔은 액체 또는 수지 형태로 시작해 내부에 있는 폴리머 네트워크가 굳어지면 고체가 되는 재료이다. 이러한 특성으로 하이드로겔은 다량의 액체를 유지할 수 있고, 많은 하이드로겔이 생체적합성을 갖는다. 또한 적층 제조 방법을 통해 구체의 외부에 치료용 약물을 탑재, 신체 내 목표 부위로 운반할 수 있다.

하이드로겔 레시피를 만들기 위해 연구팀의 일원이었던 줄리아 그리어는 '2광자 중합(TPP) 리소그래피'라는 기술을 활용, 3D 프린팅을 연상시키는 방식으로 복잡한 형태의 구조를 층층이 쌓아 올려 완성했다. 이 기술은 적외선 레이저 펄스를 사용해 특정 패턴에 따라 매우 정밀한 방식으로 감광성 폴리머를 가교시키는 기술이다. 그리어 팀은 직경 30마이크론의 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했다. 이는 사람의 머리카락 직경과 비슷하다.

최종적으로 마이크로 로봇은 구체의 바깥쪽 내부에 자성 나노 입자와 치료 약물을 넣었다. 자성 나노 입자는 외부에서의 통제를 위한 것으로, 외부 자기장을 사용해 로봇을 원하는 위치로 안내할 수 있게 한다. 로봇이 목표 부위에 도달하면 그 자리에 머무르고 약물을 주입하게 된다.

연구팀은 마이크로 로봇의 외부를 친수성으로 설계해 구형 로봇이 신체를 통과할 때 뭉치지 않도록 했다. 그러나 마이크로 로봇의 내부는 기포를 가두어야 하기 때문에 친수성이어서는 안 된다. 그렇지 않으면 기포는 쉽게 붕괴되거나 용해된다. 가두어진 기포는 로봇을 이동시키고 실시간 이미징으로 추적하기 위해 중요하다.

외부는 친수성이고 내부는 소수성, 즉 물에 대한 저항성을 모두 갖춘 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 연구팀은 2단계 화학적 변형을 고안했다. 먼저, 하이드로겔에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 전체 구조를 소수성으로 만들었다. 그런 다음 산소 플라즈마 에칭 기술을 사용해 외부의 긴 사슬 탄소 구조 일부를 제거함으로써 외부는 친수성으로, 내부는 소수성으로 남겼다. 이것이 이번 연구 프로젝트의 핵심 혁신이었다. 가오는 "내부는 소수성이고 외부는 친수성인 비대칭 표면 변형을 통해 소변이나 혈청과 같은 생체 유체에 장시간 기포를 가둘 수 있게 됐다“고 설명했다.

구형 마이크로 로봇 안에 있는 기포는 초음파 영상 대조제 역할을 한다. 기포를 통해 생체 내에서 움직이는 로봇을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 연구팀은 마이크로 로봇이 목표 지점으로 이동하는 것을 추적하는 방법도 개발했다.

연구의 마지막 단계는 방광 부위에 종양이 있는 쥐에 대한 테스트였다. 연구팀은 21일 동안 마이크로 로봇을 통해 네 차례 치료제를 전달했다. 그 결과 로봇이 전달하지 않은 치료제보다 종양을 줄이는 데 더 효과적이라는 사실이 규명됐다.

연구팀은 이번 개발 결과는 환자에 대한 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이 될 것이라고 자평하고 사람에 대한 임상 실험을 거쳐 상용화가 필요하다고 주장했다.