질병 치료에 도움을 주는 원격 제어되는 실리콘 구조
미국 시카고 대학(University of Chicago)의 연구진은 실리콘 기반의 구조물과 생물학적 시스템 사이를 원격으로 제어할 수 있는 새로운 바이오인터페이스(biointerface)를 제시했다. 생물학적 구조는 본질적으로 계층적이고, 나노미터의 세포 기관(organelle)과 마이크론 수준의 단일 세포와 센티미터 단위의 장기까지 다양한 길이를 가지고 있다. 다양한 생물학적 표적과 접합되기 위해서는 실리콘 재료가 생물학적 시스템과 일치하는 기하학적 구조 및 기계적 성질을 가져야 한다.
실리콘 기반의 재료는 생물학적 분야에 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 심근 세포의 신호를 전기적으로 모니터링하기 위한 실리콘 기반의 트랜지스터를 들 수 있다. 그러나 원격 제어가 필요한 분야에서는 거의 사용되지 않고 있다. 이것은 실리콘과 생물학적 물질 사이의 계면에서 발생하는 복잡한 물리 화학적 프로세스를 완전히 이해하지 못했기 때문이다.
이번 연구는 실리콘 기반의 구조와 생물학적 구조 간의 광-유도 인터페이스가 생물학적 시스템에 어떠한 유전적인 변화를 주지 않으면서 다양한 생물학적 활동들을 원격으로 제어할 수 있다는 것을 보여주었다. 이 연구결과는 생물 의학 분야와 생물 물리학적 프로세스를 연구하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.
이번 연구진은 다음과 같은 세 가지 유형의 물질을 만들었다. 첫 번째는 세포 골격 필라멘트를 따라서 미끄러지는 실리콘 나노와이어이고, 두 번째는 배양된 세포 또는 조직 절편에 잘 부착되는 얇은 실리콘 멤브레인이고, 마지막 것은 금이 피복된 유연한 실리콘 메쉬(mesh)이다. 그리고 크기, 화학적 도핑, 표면 화학과 같은 매개 변수들이 실리콘 구조의 특성에 미치는 영향도 조사되었다.
이 연구는 비유전적인 생물학적 조절을 원거리에서 제어할 수 있는 새로운 시작에 불과하다. 향후에 입력 신호(예 : 광학, 전기, 자기, 초음파)와 출력 신호(전기, 열, 기계)를 사용해서 생물 시스템을 인식할 수 있기를 기대해본다.
이 연구의 최종 목표는 신체 속에 삽입된 장치가 인간의 기능을 향상시키고 건강 상태를 모니터링해서 질병을 치료할 수 있는 의사소통이 가능한 기계적 인터페이스를 만드는 것이 될 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Biomedical Engineering에 “Rational design of silicon structures for optically controlled multiscale biointerfaces” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/s41551-018-0230-1).
