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일반 | 초고감도 패혈증 및 동물매개 전염병 진단 센서 칩 개발

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작성일19-09-16 08:42 조회6,862회

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현장에서 2시간 내에 패혈증 및 전염병을 진단한다!

재료, 초고감도 패혈증 및 동물매개 전염병 진단 센서 칩 개발



#1. 세계 최초 금속 구형 나노입자 진공합성 기술 개발

#2. 초고감도 센서 칩을 이용해 패혈증 및 조류독감 현장 검출 기술 개발

 

100조원 규모의 전 세계 체외진단 센서 시장은 미국과 독일 등 다국적 바이기업이 거의 독점적 우위를 차지하고 있다.

    이러한 상황에서 국내 연구팀이 주도해 현장에서 동물매개 전염병이나 질병의 초기진단이 가능한 초고감도 3차원

    바이오센서 칩이 개발됐다.

 

재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 표면기술연구본부 박성규 박사 연구팀이 이끄는 국제 공동 연구팀(재료연구소, 미국

    하버드 의과대학 메사추세츠 종합병원 (MGH), 영국 임페리얼 공대, 독일 뮌헨 공대)은 패혈증이나 조류독감을

    현장에서 빠른 시간(2시간 이내) 안에 초고감도(ppb 이하)로 검출할 수 있는 3차원 바이오센서 칩을 개발하는데

    성공했다.

 

재료연구소 박성규 박사 연구팀은 세계 최초로 금속 나노입자를 진공에서 직접 합성 가능한 원천기술을 개발했다.

    ​고분자 나노소재와 금속의 표면에너지 차이를 극대화시켜 고분자 나노구조 상에서 귀금속 나노입자를 구형으로

    형성하는 데 성공했다. 이번에 개발된 고감도 바이오센서 칩은 3차원 고밀도 금속 나노 구조체의 플라즈몬 공명

    현상을 이용한 것으로, ppb 이하 극미량의 단백질 바이오마커 검출이 가능하다. 한편, MGH 임형순 교수 연구팀은

    혈액에서 패혈증 관련 단백질 바이오마커만을 선택적으로 결합해 형광 이미지 구현을 통해 분석 가능한 형광 기반

    면역분석법을 개발했다. 독일 및 영국 연구팀은 3차원 금속 나노구조의 광학 전산모사를 통해 플라즈몬 공명 현상을

    해석하여, 초고감도 3차원 바이오센서 칩의 성능을 이론적으로 뒷받침하였다.

  ㅇ 진공증착 공정을 통해 형성된 금속 나노입자는 표면에 계면활성제와 같은 화학물질을 포함하고 있지 않기 때문에,

      ​면역분석법을 통한 형광 분석 시 형광신호의 세기와 민감도 등을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.


진공증착 공정

- 진공 속에 금속 소스를 넣고, 금속을 가열(열 증착법)하거나 플라즈마 발생

  ​(스퍼터링 증착법)을 통해 금속 소스를 휘산(揮散)시켜 기판 표면에 얇은 층(thin

  film)을 형성하는 공정을 일컬음. 금속 원자가 개별적으로 기판 표면에 도달하여

  표면에서 응축되기 때문에 기판 표면과 금속의 표면에너지 차이를 극대화하면

  구형의 금속 원자 응집체 (, 금속 나노입자)가 형성됨을 본 연구개발에서 세계

  최초로 규명하였음

바이오마커(Biomarker)

- 일반적으로 단백질이나 DNA, RNA 및 대사물질 등을 통해 정상이나 병적인

  상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수

  있는 표지자를 일컬음

면역분석법(Immunoassay)

- 항원과 항체 간의 결합이 큰 특이반응을 이용하여, 불순물이 많은 생체시료

  ​(혈액, 타액, 소변 및 땀)로부터 목적으로 하는 미량의 바이오마커를 선택적으로

  결합하는 기술

ppb(parts per billion)

- 10억 분의 1(10-9)이라는 뜻으로, 극미량 성분의 농도를 나타낼 때 사용함

연구책임자인 재료연구소 박성규 책임연구원은 패혈증은 전 세계적으로 매년 3천만 명 이상이 발병하고, 발병 후

    일주일 이내에 사망하는 치사율이 20% 매우 위험한 질병.”이라며, “2시간 이내에 패혈증을 확진할 수 있는 초고감도

    쾌속 진단기기의 개발이 치사율을 낮추는 가장 효과적인 방법이 될 것으로 기대한다.”고 말했다.

재료연구소의 바이오센서 칩을 직접적으로 분석한 MGH 임형순 교수는 바이오센서의 상용화를 위해서는 고감도

    바이오센서 칩의 대면적 제조공정의 확립과 재현성 확보가 관건이라며, “재료연구소의 3차원 바이오센서 칩은

    가지를 모두 만족시키기 때문에 향후 패혈증 임상 샘플을 통한 실증연구에 보다 집중할 계획이라고 말했다.

 

본 연구 성과는 과학기술정보통신부의 출연연 기본사업 및 산업통상자원부의 나노금형기반 맞춤형 융합제품 상용화

    지원센터 구축 사업을 통해 진행됐다. 또한 연구 결과는 나노소재분야 세계적 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈

    (Advanced Functional Materials, IF: 15.651) 에 표지논문으로 게재됐으며, 3차원 바이오센서 칩 제조기술은 한국/

    ​미국/중국에 특허를 출원한 상태이다.

 

현재 재료연구소 연구팀은 MGH와 공동으로 10여종의 패혈증 바이오마커에 대해 초고감도 다중분석기술을 통해

    진단 정확도의 향상 기술을 개발하고 있으며, 이와 함께 국내 광학기기 제조업체와 휴대형 질병진단기기 또한 개발

    ​중에 있다.