큰 외과적 개입 없이 어떻게 뇌에서 혈전을 제거할 수 있을까? 도달하기 어려운 병든 장기에 어떻게 약물을 정확하게 전달할 수 있을까? 이는 의료용 마이크로 로봇 분야의 연구원들이 구상한 수많은 혁신의 두 가지 예일뿐이다. 초소형 로봇은 미래의 의료 치료를 근본적으로 변화시킬 것을 약속한다. 언젠가는 환자의 혈관 구조를 통해 이동하여 악성 종양을 제거하고 감염과 싸우거나 정확한 진단 정보를 완전히 비침습적으로 제공할 수 있다. 원칙적으로 연구원들은 순환계가 신체의 모든 기관과 조직에 도달하기 때문에 마이크로 로봇의 이상적인 전달 경로 역할을 할 수 있다고 주장한다.

이러한 마이크로 로봇이 의도한 의료 개입을 안전하고 안정적으로 수행할 수 있으려면 생물학적 세포보다 크지 않아야 한다. 인간의 세포는 평균 직경이 25마이크로미터(마이크로미터는 100만분의 1미터)이다. 인간의 가장 작은 혈관인 모세혈관은 훨씬 더 얇다. 평균 직경은 8마이크로미터에 불과하다. 마이크로 로봇이 방해받지 않고 가장 작은 혈관을 통과하려면 그에 따라 작아야 한다. 그러나 그러한 작은 크기는 육안으로 볼 수 없게 만들기도 한다. 과학에서도 미크론 크기의 로봇이 몸을 순환할 때 개별적으로 감지하고 추적하는 기술적 솔루션을 아직 찾지 못했다.

처음으로 순환하는 마이크로 로봇을 추적

Max Planck ETH 학습 시스템 센터(CLS)의 박사 과정 연구원인 Paul Wrede는 "이 미래 시나리오가 현실이 되고 마이크로 로봇이 실제로 인간에게 사용되기 전에 이 작은 기계의 정확한 시각화 및 추적이 절대적으로 필요하다."고 말한다. CLS 회원이자 ETH Zurich 및 취리히 대학교의 생물의학 이미징 교수인 Daniel Razansky는 "영상 촬영이 없으면 마이크로 로봇은 본질적으로 장님이 된다."라고 덧붙였다. "따라서 실시간 고해상도 이미징은 살아있는 유기체에서 세포 크기의 마이크로 로봇을 감지하고 제어하는 데 필수적이다." 또한 이미징은 로봇이 수행하는 치료 개입을 모니터링하고 의도한 대로 작업을 수행했는지 확인하기 위한 전제 조건이기도 하다. "따라서 마이크로 로봇에 대한 실시간 피드백을 제공할 수 있는 능력의 부족이 임상 적용에 큰 걸림돌이 되었다."

막스 플랑크 지능 시스템 연구소(MPI-IS) 소장이자 ETH 물리 지능 교수이자 CLS 회원이기도 한 세계 최고의 마이크로로봇 전문가인 Metin Sitti와 다른 연구원들과 함께 팀은 이제 마이크로로봇과 이미징을 효율적으로 병합하는 중요한 돌파구를 달성했다. 과학 저널 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 막 발표된 연구에서 그들은 처음으로 비침습적 이미징 기술을 사용하여 생쥐의 뇌 혈관에서 5마이크로미터만큼 아주 작은 로봇을 실시간으로 명확하게 감지하고 추적하는 데 성공했다.

연구원들은 5~20마이크로미터 크기의 마이크로 로봇을 사용했다. 가장 작은 로봇은 직경이 7~8마이크로미터인 적혈구 정도이다. 이 크기는 정맥 주사 된 마이크로 로봇이 생쥐 뇌에서 가장 얇은 마이크로 모세혈관을 통해서도 이동할 수 있도록 한다.

돌파구: 적혈구만큼 작은 순환 마이크로 로봇(왼쪽 사진)이 광음향 영상(오른쪽 사진)으로 생쥐의 혈관에서 하나씩 시각화 되었다. 이미지: ETH 취리히/막스 플랑크 지능형 시스템 연구소

연구진은 또한 작은 로봇을 고해상도 실시간으로 실제로 감지하기 위해 전용 광음향 단층 촬영 기술을 개발했다. 이 독특한 이미징 방법을 사용하면 광학 현미경이나 다른 이미징 기술로는 불가능했을 신체와 뇌의 깊고 접근하기 어려운 영역에서 작은 로봇을 감지할 수 있다. 이 방법은 빛이 먼저 각 조직에서 방출되고 흡수되기 때문에 광음향이라고 한다. 그런 다음 흡수는 고해상도 체적 이미지를 생성하기 위해 감지 및 분석할 수 있는 작은 초음파를 생성한다.

금 층이 있는 야누스 얼굴 로봇

이미지에서 마이크로 로봇이 잘 보이도록 하기 위해 연구자들은 적절한 조영제가 필요했다. 따라서 그들은 연구를 위해 소위 야누스(Janus)형 코팅이 된 구형 실리카 입자 기반 마이크로 로봇을 사용했다. 이 유형의 로봇은 매우 견고한 디자인을 가지고 있으며 복잡한 의료 작업에 매우 적합하다. 두 얼굴을 가진 로마 신 야누스의 이름을 따서 명명되었다. 로봇에서 구의 두 반쪽은 다르게 코팅된다. 현재 연구에서 연구원들은 로봇의 절반을 니켈로 코팅하고 나머지 절반을 금으로 코팅했다.

구형 마이크로 로봇은 실리카 기반 입자로 구성되며 절반은 니켈(Ni), 절반은 금(Au)으로 코팅되고 녹색으로 염색된 나노버블(리포솜)이 로드된다. 이러한 방식으로 새로운 광음향 이미징 기술을 사용하여 개별적으로 감지할 수 있다. 이미지: ETH 취리히/MPI-IS

Razansky는 "금은 광음향 이미징을 위한 매우 우수한 조영제이다."라고 설명한다. 금 외에도 연구원들은 조영제 역할을 하는 형광 녹색 염료를 포함하는 나노리포좀이라는 작은 기포의 사용도 테스트했다. 연구의 제1저자인 Wrede는 "리포좀은 또한 강력한 약물을 리포좀에 적재할 수 있다는 장점이 있으며, 이는 표적 약물 전달에 대한 향후 접근 방식에 중요하다."라고 말했다. 리포솜의 잠재적 용도는 후속 연구에서 조사될 것이다.

또한 금은 니켈 코팅의 세포독성 효과를 최소화할 수 있다. 결국, 미래에 마이크로로봇이 살아있는 동물이나 인간에서 작동하려면 생체 적합성 및 무독성이어야 하며, 이는 현재 진행중인 작업의 일부이다. 현재 연구에서 연구원들은 니켈을 자기 구동 매체로 사용하고 간단한 영구 자석을 사용하여 로봇을 당기고 있다. 후속 연구에서 그들은 회전 자기장을 사용하여 더 복잡한 조작으로 광음향 영상을 테스트하기를 원한다.

Metin Sitti는 "이는 강력하게 흐르는 혈액에서도 마이크로 로봇을 정밀하게 제어하고 움직일 수 있는 능력을 제공한다"고 말한다. “현재 연구에서 우리는 마이크로 로봇을 시각화하는 데 중점을 두었다. 이 프로젝트는 로봇 부품에 대해 슈투트가르트에 있는 MPI-IS의 두 연구 그룹과 이미징 부품에 대한 ETH 취리히의 전문 지식을 결합할 수 있는 CLS의 탁월한 협업 환경 덕분에 엄청나게 성공적이었다.”라고 Sitti는 결론지었다.