포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 김동성 기계공학과 교수와 석사과정 류준열 씨, 통합과정 윤재승 씨 연구팀이 생체 기저막을 모사한 나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩의 생산효율을 안정적이고 획기적으로 높일 수 있는 공정을 개발했다고 17일 밝혔다.
나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩을 제작하는 획기적인 공정법인 이번 연구결과는 최근 국제학술지 '미국화학회 매크로 레터스' 표지논문에 선정됐다.
나노섬유 멤브레인은 수십~수백 나노미터(㎚) 직경 나노섬유로 이루어진 얇은 반투과성 막이다. 물질 투과가 가능한 다공성 구조와 높은 비표면적 특성을 가진 소재로 환경, 에너지 분야에서 고효율 필터로 활용됐다.
최근에는 생체의 세포외기질(ECM)과 유사한 나노섬유 구조를 활용하는 재생 의료 분야 뿐 아니라, 나노섬유 멤브레인을 미세유체 칩에 결합해 체내 조직의 복잡하고 정교한 물리·화학·구조적 환경을 체외에서 구현할 수 있는 세포배양 플랫폼 개발이 각광받고 있다.
하지만 나노섬유 멤브레인이 가지는 약한 기계적 강성과 복잡한 표면 구조로 인하여 나노섬유 멤브레인을 미세유체 칩에 결합하는 것은 매우 어렵고 정교한 공정을 수반한다. 또 나노섬유 멤브레인을 만드는데 주로 활용되는 전기방사 공정 과정에서 미세유체 칩 제작 재료인 폴리디메틸실록산(PDMS)을 적용하면 그 재료적 특성으로 인해 전기방사의 효율을 떨어뜨리고, 나노섬유로 인해 거칠어진 표면으로 인해 미세유체 칩의 결합을 어렵게 한다.
연구팀은 나노섬유 멤브레인이 결합된 PDMS 미세유체 칩에 기능층(SNUP)을 적용하는 간편한 제작 공정을 소개했다. SNUP는 은-나노와이어(AgNWs)가 내장된 경화되지 않은 PDMS 접착층으로, PDMS 미세유체 칩으로의 전기장 집중을 향상시켜 전기방사 효율을 높이고, 결합되는 칩의 표면을 매끄럽게 만들어 견고한 결합을 가능케 하는 기능을 한다.
SNUP이 적용된 미세유체 칩은 기존 제작 공정에 비해 약 4배 이상 향상된 생산 효율을 보였다. 제작된 미세유체 칩을 이용해 인간 피부각질 세포를 실제 배양해본 결과, 세포가 7일 동안 95% 이상 생존율을 보였다.
김동성 교수는 “은-나노와이어와 PDMS로 이루어진 기능층을 활용해 간단한 공정으로 견고한 나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩을 구현하는 혁신적인 방법”이라며 “체내 조직의 나노 구조와 미세유동 환경을 구현할 수 있는 초정밀 체외 세포 배양 플랫폼을 대량생산할 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업 및 나노·원천기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
