혁신

영국 연구진은 유전자 치료가 적용된 세포에 자성 나노입자를 도입함으로써, 이 세포들을 종양 부위로 유도하는 데 성공했다. 아직 개발 단계에 있는 이 치료법의 효과는 크게 향상되었다.

셰필드 대학교의 연구원인 클레어 루이스와 무니타 무타나는 동료들과 함께 기발한 아이디어를 떠올렸다. 그들이 『Gene Therapy』지에 설명한 바와 같이, 이들은 단핵구에 자성 나노입자를 주입했다. 이는 놀랍게 들릴지 모르지만, 이러한 입자는 일부 박테리아에 존재하며, 이 생물체들은 이를 전혀 문제없이 잘 견뎌낸다.

출처:https://www.nature.com/articles/gt200857

20년 전, 유전자 치료는 큰 희망을 안겨주었습니다. 부인할 수 없는 성공 사례들이 있었음에도 불구하고, 현실을 좀 더 냉정하게 바라볼 필요가 있었으며, 상황은 생물학자와 의사들이 상상했던 것보다 훨씬 더 복잡했습니다. 그렇다면 유전자 치료란 무엇일까요?
유전자의 결핍이나 구조적 결함은 세포가 생성하는 단백질의 구성을 변화시킬 수 있습니다. 이러한 결함은 유전성 질환(낭포성 섬유증, 근병증)이나 비유전성 질환(암)의 원인이 됩니다. 유전자 치료의 기본 원리는 결함이 있는 세포에 정상 유전자를 도입하기만 하면 비정상적인 단백질 생성을 교정하거나 보상할 수 있다는 것입니다. 단백질의 활동과 세포 기능에 영향을 미치는 약물과 달리, 유전자 치료는 기능 장애의 근원에 직접 개입하는 것을 목표로 합니다.
병든 유기체에 정상 유전자를 삽입하는 한 가지 방법은, 먼저 백혈구 계열의 혈액 세포인 단핵구(이후 대식세포로 분화됨)에 정상 유전자를 도입한 다음, 이를 혈류로 주입하는 것입니다. 특정 암을 치료하기 위해 이러한 시도가 이루어져 왔으나, 그 효과는 치료 유전자를 운반하는 단핵구가 종양 내부로 침투하는 수에 부분적으로 좌우됩니다. 안타깝게도 일반적으로 이 수치는 매우 낮은 편입니다.

종양에 대한 자기적 인력

셰필드 대학의 연구원인 클레어 루이스와 무니타 무타나는 동료들과 함께 기발한 아이디어를 생각해 냈습니다. 이들이 『Gene Therapy』지에 설명한 바와 같이, 그들은 단핵구에 자성 나노입자를 주입했습니다. 놀랍게도 이러한 입자는 일부 박테리아에 존재하며, 해당 생물체들이 이를 완벽하게 잘 견뎌냅니다.
이 나노입자를 단핵구에 성공적으로 삽입한 후, 이를 질병에 걸린 생쥐에게 주입한 연구진은 자기장을 이용해 치료된 세포를 종양으로 끌어당겼습니다. 그 결과, 유전자 치료 물질을 운반하는 단핵구 중 종양 내부로 유입된 양이 증가했음을 확인했습니다.
루이스는 이 새로운 기술이 암뿐만 아니라 유전자 치료 전반에 걸쳐 큰 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다. 예를 들어, 그녀는 골관절염이나 심장 질환으로 이어지는 심근 허혈 등의 문제를 언급했습니다.

최근 광전 변환 소자인 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 뛰어난 전력 변환 효율(PCE)과 낮은 제조 비용을 보여주고 있으며, 기존의 실리콘 기반 태양전지를 대체하고 현재 시급한 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 유망한 소자 중 하나로 부상하고 있다.

그중에서도 특히 유연성 PSC는 적용 범위가 훨씬 넓어 웨어러블 전자기기의 급속한 발전을 촉진하고, 소비자 전자제품 분야에 중대한 패러다임 전환을 가져올 수 있다. 현재의 유연성 PSC는 생분해되지 않는 석유 기반 고분자 기판을 사용하며, 이를 폐기할 경우 ‘백색 오염’을 악화시킬 것이다. 따라서 친환경적이고 생분해되며 저비용인 유연성 기판을 개발하는 것은 유연성 PSC에 대한 훌륭한 대안이 될 것이다.

개질된 나노셀룰로오스 종이는 유연한 페로브스카이트 태양전지는 물론, 잠재적으로 다른 친환경 유연 소자에도 탁월한 생분해성 기판으로 입증되었다.

난징 공과대학교 첨단재료연구소의 황웨이(Wei Huang) 교수가 이끄는 중국 과학자 팀은 투명한 나노셀룰로오스 종이 위에 유연한 페로브스카이트 태양전지를 제작했다. 이는 순수 나노셀룰로오스 종이의 기계적·광학적 특성과 방수 능력을 향상시키는 처리 공정을 개발한 후에야 비로소 가능해졌다.

개질된 기판 위에 제작된 플렉서블 태양전지는 0.^{56 W g⁻¹의} 높은 비출력을 보일뿐만 아니라 우수한 안정성과 기계적 내구성을 나타낸다. 나노셀룰로오스 종이의 또 다른 주요 장점은 생분해성인데, 이로 인해 차세대 친환경 플렉서블 전자기기를 위한 기판으로서 PEN이나 PET보다 더 우수한 선택지이다. 

출처: Nature.com

https://www.nature.com/articles/s41528-019-0048-2

GenesInk는 2018년 1월부터 유럽연합(EU)의 ‘호라이즌 2020(Horizon 2020)’ 연구 및 혁신 프로그램의 지원을 받아 보조금 계약 번호 761000에 따라 진행되고 있는 GREENSENSE 프로젝트의 일환입니다. GREENSENSE 프로젝트의 목표는 나노셀룰로오스(NC) 기반의 인쇄 전자 소자를 개발하여, 이를 다중 매개변수 하이브리드 인쇄 생체 감지 플랫폼에 최종적으로 통합함으로써 약물 남용 물질(DoA)을 검출하는 것입니다. 인쇄 전자 분야에서 NC 기반 소재(예: 기판 및 잉크)는 종이에 비해 더 우수한 인쇄성과 성능을 제공합니다. 또한, NC는 폴리머에 비해 기술적·환경적 이점(높은 기능화 정도 및 재활용성)으로 잘 알려져 있습니다. 이 프로젝트는 생의학 산업 분야에서 유망한 혁신의 원천이 될 것입니다. 프로젝트 기간은 4년이며, 총 예산은 8백만 유로입니다.

1. 프로젝트 목표

인쇄 전자(PE)는 전 세계에서 가장 빠르게 성장하는 기술 중 하나입니다. PE는 소비재, 사물인터넷(IoT), 의료, 항공우주, 전자, 미디어, 교통 등 다양한 응용 분야에서 주목받고 있습니다. 종이와 플라스틱은 미래의 유연 전자 기기 개발에 있어 핵심 기판으로 간주됩니다. 폴리머 기판과 달리, 종이/셀룰로오스 기반 전자 소자는 비용 효율적이고 재활용이 가능하며, ‘전자 폐기물’이 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 상당한 기여를 할 것으로 기대됩니다. 안타깝게도 일반 종이의 표면 특성(다공성 및 표면 거칠기)은 인쇄 전자 공학에 적합하지 않습니다. 일반 종이에서 발생하는 이러한 문제를 극복하기 위해, 기계적 강도, 투명성, 낮은 다공성 및 매끄러운 표면 거칠기를 갖춘 NC 기반 필름이 유망한 대안으로 주목받고 있습니다.

따라서 GREENSENSE는 정량적인 약물(DoA, Drug-of-Abuse) 분석을 위한 지속 가능하고, 무선이며, 자율적인 나노셀룰로오스(NC) 기반 바이오센싱 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 합니다. 나노셀룰로오스를 활용하여, 다양한 인쇄 전자 부품(근거리 무선 통신(NFC) 안테나, 에너지 저장(E. storage) 장치 및 디스플레이)을 새로 개발된 인쇄형 바이오센서 및 마이크로칩과 통합할 것입니다. 이후 나노셀룰로오스는 다음과 같은 용도로 사용될 것입니다:

• 인쇄 전자 장치의 기판으로서,
• 최종 소자의 캡슐화를 위해,
• 그리고 기능성 잉크 제형의 유효 성분으로 사용됩니다.

필요한 경우, 나노셀룰로오스 표면을 처리하여 인쇄 적합성과 기능성 잉크와의 호환성을 개선할 것입니다.

2. 전망

GREENSENSE 프로젝트의 일환으로, 약물 남용 분석을 위한 지속 가능한 나노셀룰로오스 기반 바이오센싱 플랫폼이 개발될 예정입니다. 이 플랫폼은 안테나, 디스플레이, 슈퍼커패시터 또는 배터리와 같은 고부가가치 인쇄 전자 부품과 특수 실리콘 마이크로칩이 탑재된 바이오센서를 통합합니다.

대량 생산을 위해 고처리량 및 고정밀 스크린 인쇄 및 잉크젯 인쇄 기술이 활용될 것입니다. 최종적으로 완성될 유연하고 재활용 가능한 바이오센싱 플랫폼은 초저전력 소비로 대량 생산이 가능할 것이며, 그 결과 비용 효율적이고 지속 가능하며 환경 친화적일 것입니다.

3. 컨소시엄

이 프로젝트는 2018년 1월^1일에 시작되었습니다. 13개 파트너 기관이 힘을 합쳐, 지속 가능한 NC 기반 바이오센싱 플랫폼을 개발한다는 프로젝트 목표를 달성하기 위해 노력하고 있습니다.

• Leitat, 산업 혁신 프로세스 분야의 기술 연구소 전문가. GREENSENSE 프로젝트는 Leitat가 주관하며, Leitat는 NC 기능화 및 NC 기반 잉크 제형 개발에도 참여하고 있습니다.
• 바이오센싱 플랫폼에 탑재될 인쇄형 바이오센서의 개발에 참여하고 있는 AIT(오스트리아 기술 연구소).
• 셀룰로오스 나노결정 추출 분야의 전문 기업인 멜로데아(Melodea)는 파일럿 규모에서 결정질 나노셀룰로오스(CNC) 및 CNC 기반 필름의 생산과 기능화 작업에 참여하고 있습니다.
• RISE Acreo AB는 혁신적이고 부가가치를 창출하는 ICT 솔루션을 제공하는 기업입니다. Acreo는 잉크 개발, 인쇄 공정 최적화, 전기변색 디스플레이 개발에 주력하고 있으며, 인쇄와 픽 앤 플레이스(pick & place) 공정을 결합한 하이브리드 방식을 통해 GREENSENSE 바이오센싱 플랫폼의 제조를 담당하고 있습니다.
• 반도체 기업 인피니언(Infineon)이 마이크로칩 개발에 참여하고 있다.
• 고품질 진단 시약 및 키트의 제조업체이자 공급업체인 아틀라스 메디컬(Atlas Medical)은 체외 진단 기기에 대한 전문 지식과 바이오센싱 플랫폼의 최종 검증에 기여하고 있습니다.
• GenesInk는 전도성 및 반도체성 나노잉크를 제조 및 공급하는 기업입니다. GenesInk는 GREENSENSE 프로젝트의 일환으로 NC 기반의 은(Ag) 전도성 나노잉크를 개발하고 있습니다.
• 이동통신 신제품 연구개발 분야의 선도 기업인 IMST는 인쇄형 NFC 시스템의 개발 및 스마트폰과의 통신 기술 개발에 참여하고 있습니다.
• 혁신 관리 및 핵심 기반 기술(KETs) 분야를 비롯한 다양한 서비스를 제공하는, 선제적이고 지식 기반의 기업입니다.
• Prelonic Technologies는 2007년부터 배터리, 디스플레이, 로직 등으로 구성된 인쇄 전자 소자를 개발해 왔습니다. Prelonic은 Zn/MnO₂ 1차 전지 및 슈퍼커패시터와 같은 인쇄형 에너지 저장 시스템을 개발할 예정입니다.
• 재료과학 및 연구 기관인 EMPA가 GREENSENSE 프로젝트의 틀 안에서 지속가능성 평가를 다루고 있다.
• 스웨덴 RISE 연구소의 산하 조직인 RISE Bioeconomy(INNVENTIA AB)는 파일럿 규모에서 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 및 CNF 기반 필름의 생산과 기능화 작업에 참여하고 있습니다.
• Coatema는 고품질 코팅, 라미네이션 및 인쇄 설비 분야의 엔지니어링 전문 기업입니다. Coatema는 R2R 파일럿 라인을 활용하여 NC 기반 기판 개발에 참여하고 있습니다.

[1] V. Beni 외, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 4 (10) S3001-S3005; 2015

『Science and Technology of Advanced Materials』에 게재된 리뷰 논문에 따르면, 신축성 전자기기는 차세대 웨어러블 기기를 위한 유망한 신기술로 부상하고 있다.

이 기술은 의료, 에너지, 군사 분야에서 다양한 응용 가능성이 있다. 하지만 적합한 소재와 제조 공법을 찾는 데에는 몇 가지 과제가 있다. 중국 우한대학교의 재료과학자이자 이 리뷰 논문의 저자인 웨이 우(Wei Wu)에 따르면, 신축성 전자기기를 제작하는 데 있어 가장 큰 과제는 각 구성 요소가 성능을 유지한 채 압축, 비틀림, 그리고 고르지 않은 표면에 부착되는 상황을 견뎌내야 한다는 점이다.

https://www.printedelectronicsworld.com/articles/16846/the-future-of-stretchable-electronics

출처 및 상단 이미지: NIMS