경희대학교 의공학교실
2011-03-07
김경숙
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의공학은 의학과 공학기술을 상호 접목시켜 효율적인 질병의 진단, 치료, 예방 및 재활 등을 목적으로 하는 기술집약적인 다학제간 학문입니다. 경희대학교 의공학교실은 공학, 이학, 의학, 생물학 등 다양한 학문적 배경을 가진 분들이 모여, 임상 및 기초의학 전 분야의 응용 기술에 대한 연구를 수행하고 있습니다.
경희대학교 의공학교실은 2005년도에 설립된 후 6년이라는 짧은 시간 동안 눈부신 성장을 거듭하여 현재 10명의 박사급 연구원들과 3명의 석사급 연구원, 그리고 석박사 과정생들이 대형 정부과제 5개를 수행하고 하고 있습니다.
또한 경희의료원 내 내과, 신경외과, 피부과, 재활의학과, 산부인과, 비뇨기과, 안과, 치과, 류마티스 내과, 순환기 내과, 정신과 등 여러 임상분야와의 협동 연구를 통해 임상 적용성이 높은 기술 개발에 주력하고 있습니다.
본 연구실은 현재, 방사선 진단기, 압타머 센서, 교정치료시스템, 줄기세포 및 조직공학 등 다양한 분야의 연구를 진행하고 있습니다. 앞으로도 공학 기술을 기반으로 하여 의학 발전에 꼭 필요한 다양한 첨단 기술 개발에 최선을 다하고자 합니다.
경희대학교 의공학교실은 2005년도에 설립된 후 6년이라는 짧은 시간 동안 눈부신 성장을 거듭하여 현재 10명의 박사급 연구원들과 3명의 석사급 연구원, 그리고 석박사 과정생들이 대형 정부과제 5개를 수행하고 하고 있습니다.
또한 경희의료원 내 내과, 신경외과, 피부과, 재활의학과, 산부인과, 비뇨기과, 안과, 치과, 류마티스 내과, 순환기 내과, 정신과 등 여러 임상분야와의 협동 연구를 통해 임상 적용성이 높은 기술 개발에 주력하고 있습니다.
본 연구실은 현재, 방사선 진단기, 압타머 센서, 교정치료시스템, 줄기세포 및 조직공학 등 다양한 분야의 연구를 진행하고 있습니다. 앞으로도 공학 기술을 기반으로 하여 의학 발전에 꼭 필요한 다양한 첨단 기술 개발에 최선을 다하고자 합니다.
1. CNT 기반 X-ray 진단기 시스템 개발
나노기반 차세대 진단기는 나노기술에 바이오기술을 융합한 것으로, 기존의 거대한 X-ray 광원이 아닌 CNT(Carbon Nano Tube, 탄소나노튜브) X-ray 광원을 이용한 머리카락의 십 만분의 일 굵기인 마이크로 크기의 초소형 X-ray 방출기 입니다.
CNT기반의 X-ray는 기존 방사선 영상 진단기 보다 영상 진단능이 향상되기 때문에 유방암이나 기타 암 조직의 조기검출과 진단, 유전자 연구, 치아 우식증의 초기 진단, 류마티스 관절염의 조기진단 등에 매우 유용할 것으로 예상 됩니다.
나노기반 차세대 진단기는 나노기술에 바이오기술을 융합한 것으로, 기존의 거대한 X-ray 광원이 아닌 CNT(Carbon Nano Tube, 탄소나노튜브) X-ray 광원을 이용한 머리카락의 십 만분의 일 굵기인 마이크로 크기의 초소형 X-ray 방출기 입니다.
CNT기반의 X-ray는 기존 방사선 영상 진단기 보다 영상 진단능이 향상되기 때문에 유방암이나 기타 암 조직의 조기검출과 진단, 유전자 연구, 치아 우식증의 초기 진단, 류마티스 관절염의 조기진단 등에 매우 유용할 것으로 예상 됩니다.
경희대 의공학교실은 2007년에 나노기반 차세대 방사선 진단기 연구 프로젝트를 수주하여, 현재 진단기 시작품 제작 및 CNT X-ray의 비임상 적용에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 아래 그림 (왼족, 가운데)은 본 연구실에서 개발 중인 점, CNT-Xray모듈부 설계이고 오른쪽은 개발 완료된 소형 CNT X-ray 진단기 시작품 입니다.
2. CNT 기반 멀티 X-ray 및 단층합성영상 시스템 개발 디지털 단층합성기는 제한 각 단층촬영기(Limited angle computed tomography)라고 불리는 단층촬영기(Computed tomography, CT)의 단순화된 형태로 방사선 조사에 사용되는 각도가 제한적인 만큼 일반 CT와 비교하여 매우 적은 영상정보를 통해 3차원 재구성 영상을 얻으므로 재구성 영상의 수준은 낮지만 인체에 미치는 영향이 상대적으로 작아서, 인체 특정 부위의 질병 진단에 사용되고 있습니다. CNT 멀티엑스선원의 배열을 통한 단층합성시스템은, 기존 단층합성장치가 구동을 통해 도달해야 하는 모든 방사선 조사 위치에, CNT 엑스선 광원을 배치하여 구동 부위를 완전히 제거하는 방식으로, 방사선 조사를 위해 선원을 이동할 필요가 없으므로 전체 조사에 사용되는 시간이 줄어 환자의 움직임에 의한 재구성 영상의 수준 저하를 최소화 할 수 있습니다. 또한 전계방출 방식의 전자를 사용하기 때문에 정전기적으로 정밀하게 엑스선 초점크기(Focal spot size)를 조절할 수 있고, 엑스선 발생장치의 회전축 유격에 의한 오차를 줄일 수 있으므로 경계의 흐림(Penumbra)을 극단적으로 줄일 수 있어서 재구성 영상의 질적 향상을 얻을 수 있습니다. 본 연구실에서는 단층합성영상 시스템 개발을 위한 영상 재구성 알고리즘을 개발하고 있습니다. 주요 연구 내용은, 멀티프레임 검출기 시뮬레이션 기술 개발, GPU 클러스터 구축 및 영상 재구성 알고리즘 개발, 몬테칼로 전산모사를 사용한 DBT 시뮬레이터 개발, 멀티어레이 엑스선원 보정 프로토콜 개발 등이 있습니다.
3. 차세대 압타머 기반 심혈관질환 조기진단 및 치료시스템 개발 산화질소(NO)는 유기체 내에서 신호를 전달하는 기체의 일종입니다. 하나의 세포에서 생성된 기체 신호전달 물질이 다른 세포의 세포막을 통과하여 그 세포의 기능을 제어한다는 사실은 기존의 생물학계의 신호전달 체계에 있어 전혀 새로운 원리를 제시한 것이었고, 이를 발견한 루이스 이그나로 박사 외 두 명의 학자들에게 1998년 노벨 생리/의학상이 수여되었습니다. 산화질소는 심장을 보호하며, 뇌의 기능을 촉진하고 박테리아를 퇴치할 뿐 아니라 다양한 질환의 위험 정도를 감소시키는 효능을 가지고 있습니다. 따라서, 체내에 존재하는 산화질소의 양을 정확히 측정한다는 것은, 산화질소의 신호전달 기전의 규명 및 치료법 개발에 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.
본 연구실에서는 고감도 산화질소 센서를 이용하여 세포를 이용한 연구뿐 아니라 급성 심근경색 동물모델과 전뇌경색 동물모델을 통해 체내에서 허혈-재관류 손상시, 산화질소의 역할을 규명하고, 보호약물의 효과를 파악함으로써 새로운 치료법에 대한 평가를 시행하고 있습니다.
위 그림은 고감도 산화질소 센서를 이용한 생체 내 산화질소 변화에 대한 실시간 측정결과를 보여주는 것으로, A는 랑겐도르프 관류장치를 이용한 심장의 허혈-재관류 측정을, B는 11개 혈관차단법을 이용한 전뇌경색 동물모델에서의 허혈-재관류 측정을 하는 실험 및 결과입니다.
4. 하이브리드 4차원 교정시스템 개발
현대 교정학의 연구는 점차 기존의 2차원 두부방사선영상에서 3차원 CT를 사용하는 진단으로 영상 진단법이 전환되고 있으며 국내에도 CT를 사용하는 진단프로그램을 도입하고 있습니다. 3차원 영상을 활용하는 부정교합 판단은 2차원 영상과 비교하여 기준점 개수도 2배 이상 늘어나고 복잡한 입체각을 정의하여 판단하므로 동일 환자에 대하여 서로 다른 판정결과를 주었던 기존의 판단 결과를 보다 명확하게 할 수 있습니다. 하지만 아직까지 3차원 영상을 사용하는 부정교합 판별에 있어 표준 기준이 없어 여전히 기존의 2차원 영상을 이용한 분석을 치료계획에 주로 사용하고 있습니다. 그러나 3차원 영상을 기반으로 한 부정교합 판단기준은 계속 연구되고 있으며 경희대학교 의공학교실도 3차원 영상의 기준점을 제시하여 임상에 적용 가능성을 검토하고 있습니다. 아래 그림은 악안면 CT 단면(왼쪽)과 3차원으로 재구성한 결과(가운데). 그리고 영상 깊이에 따른 악안면의 외부와 스컬(오른쪽)을 나타낸 것입니다.
본 연구의 목적은
1. 부정교합 환자의 3차원 진단정보를 통해 정상 교합위치에 도달하기 위한 치아의 3차원적 이동과 회전을 시간에 대해 예측하는 최적화 알고리즘을 이용한 4차원 인버스 교정치료계획시스템 개발하고,
2. 교정력에만 의존하는 기존 교정치료에 치아이동방향과 속도를 조절하고, 치주조직 재생과 항균작용을 하는 약물을 선택적으로 전달하는 방법을 병행하여 교정기간과 부작용을 최소화 할 수 있는 하이브리드 방식의 교정치료시스템 개발하며,
3. 하이브리드 4차원 교정치료시스템을 이용한 부정교합 치료과정에서 얻어지는 대량의 정량적 파라미터들을 효율적으로 데이터베이스화하고, 교정치료의 규격화 및 최적화를 하기 위한 교정치료 프로토콜을 개발하는 것입니다. 아래 그림은 악안면 CT 영상의 유한요소 모델입니다.
5. 조직공학과 줄기세포
조직공학은 재생의학의 가장 중요한 분야로서 생체소재를 이용하여 손상된 조직을 재생하고 생체기능의 정상회복을 촉진하는 기술을 개발하는 분야입니다. 따라서 세포 치료를 위한 줄기세포 연구 분야도 조직공학의 한 분야라고 할 수 있습니다. 본 연구팀은 조직공학 전문가와 세포연구 전문가로 구성되어 이와 같은 연구를 팀 내부에서 모두 추진할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.
본 연구팀은 현재 전기방사 및 고분자합성 기술을 보유하고 있고, 이 기술을 이용하여 다양한 구조 및 형태를 가진 세포 배양용 담체(Scaffold)와 생체응용 접착제(Adhesive)를 개발하고 상용화를 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 아래 그림은 본 연구팀의 전기방사시스템과 개발된 Scaffold 이미지로서, 2D 뿐만 아니라, 3D 구조의 Scaffold 형성기술도 보유하고 있습니다.
본 연구팀에서는 또한 상기의 Scaffold를 조직 재생에 이용하기 위하여 줄기세포의 연구에 매진하고 있고, 나노 소재를 이용한 줄기세포의 분화유도에 대한 연구도 수행하고 있습니다. 아래의 그림은 나노기술을 이용하여 인간의 성체줄기세포를 연골로 성공적으로 분화시킨 결과입니다.
6. 바이오물질의 물리적 특성 연구
원자현미경 (Atomic force microscopy, AFM)은 표본의 표면을 캔틸레버(Cantilever)라고 불리는 작은 막대가 주사를 하면, 이 때 캔틸레버 끝에 붙어있는 탐침이 시료 표면에 접근하여 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력, 반데르발스 힘) 미는 힘(척력, 쿨롱 힘)이 작용하게 되고, 이 힘에 의해 캔틸레버가 아래 위로 휘어지게 되며, 이 휘는 정도를 측정하여 영상을 만들어서 원자단위의 구조를 파악하게 하는 원리를 이용하여 물질의 표면과 물리적 특성을 분석합니다. AFM의 응용분야는 반도체 부품, 전기전자 부품, 광학부품, 자동차 부품의 미세표면조도, 금속재료, 신소재, 세라믹, 펄프, 박막, Glass, 고분자재료 등 매우 다양합니다.
본 의공학 교실은 국내에서 처음으로 AFM을 바이오물질 연구에 이용하였으며, 현재 이 분야에서 독보적인 기술을 확보하고 있습니다. 그 동안 쥐의 방광, 머리카락, 미토콘드리아, 암세포 등의 다양한 생체조직 연구에 AFM을 적용하여 표면 특성 및 물리적 특성 변화에 대한 연구를 진행해 오고 있습니다.
아래 그림은 대표적 항암제인 taxol 처리에 의한 Ishikawa cell의 AFM 이미지의 변화를 보여 주는 것으로 왼쪽 그림은 taxol 처리 전, 가운데는 24시간 동안 taxol 처리 후, 오른쪽은 36시간 동안 처리한 Ishikawa cell의 모습을 나타냅니다.
또한 아래 그림은 지루피부염 (seborrheic dermatis)에 결린 환자의 머리카락의 AFM 이미지 (왼쪽) 와 3차원 AFM 이미지 (오른쪽)를 나타냅니다.
의공학교실은 현재 교수님 두 분과 박사연구원 (10명), 석사연구원 (3명), 박사과정생 (2명)과 교실 업무를 도와 주시는 랩매니저 (3명)로 구성되어 있습니다. 연구원들은 기계, 전자, 물리, 재료, 화학 등 다양한 전공분야를 가진 분들로, 의공학 분야에서 서로 협력 및 경쟁하며 우수한 연구 결과를 위해 노력하고 있습니다. 또한, 연구원들의 협동과 단합을 위하여 매월 단합대회 및 분기별 워크？ 등 다양한 연구 외 활동도 진행하고 있습니다.
우리 연구실은 경희대학교 의과대학 3층 331호에 위치하고 있습니다. 의공학에 관심과 열정이 있으신 분들은 언제라도 저희 교실 방문을 환영합니다.
주소: 서울특별시 동대문구 회기동 1번지 경희대학교 의과대학 3층 331호 의공학교실
전화: 82-02-961-0290, 5515
팩스: 82-02-6008-5535
Home page: http://biomed.khu.ac.kr/xe/?mid=biomedical
E-mail: medeng@khu.ac.kr
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