6배 정밀한 3D 뇌 모사 플랫폼 구현 성공 | 뉴스 > Bio뉴스 > 동향

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6배 정밀한 3D 뇌 모사 플랫폼 구현 성공

Bio통신원(KAIST)

등록2025.07.16
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바이오및뇌공학과 박제균·남윤기 교수 공동연구팀, 바이오프린팅 된 뇌세포와 미세전극 칩을 결합하는 것으로 뇌 구조 그대로 구현하는 고정밀 3D 신경 플랫폼 개발에 성공

저점도 하이드로겔 기반 고해상도 3D 신경세포 뇌 모델을 제공함으로써, 신경 네트워크의 메커니즘 연구, 신경질환 모델링, 약물 스크리닝 등에 활용될 것으로 기대

기존의 3차원(3D) 신경세포 배양 기술은 뇌의 복잡한 다층 구조를 정밀하게 구현하기 어렵고, 구조와 기능을 동시에 분석할 수 있는 플랫폼이 부족해 뇌 연구에 제약이 있었다. KAIST 연구진은 뇌처럼 층을 이루는 신경세포 구조를 3D 프린팅 기술로 구현하고, 그 안에서 신경세포의 활동까지 정밀하게 측정할 수 있는 통합 플랫폼 개발에 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 박제균·남윤기 교수 공동연구팀이 뇌 조직과 유사한 기계적 특성을 가진 저점도 천연 하이드로겔을 이용해 고해상도 3D 다층 신경세포 네트워크를 제작하고, 구조적·기능적 연결성을 동시에 분석할 수 있는 통합 플랫폼을 개발했다고 16일 밝혔다.

기존 바이오프린팅 기술은 구조적 안정성을 위해 고점도 바이오잉크를 사용하지만, 이는 신경세포의 증식과 신경돌기 성장을 제한하고, 반대로 신경세포 친화적인 저점도 하이드로겔은 정밀한 패턴 형성이 어려워 구조적 안정성과 생물학적 기능 사이의 근본적인 상충 관계가 있었다. 연구팀은 묽은 젤로도 정밀한 뇌 구조를 만들고, 층마다 정확히 정렬하며, 신경세포의 활동까지 동시에 관찰할 수 있는 3대 핵심기술을 결합해 정교하고 안정적인 뇌 모사 플랫폼을 완성했다.

3대 핵심기술은 ▲ 묽은 젤(하이드로겔)이 흐르지 않도록 스테인리스 철망(마이크로메시) 위에 딱 붙게 만들어 주는‘모세관 고정 효과’ 기술로 기존보다 6배 더 정밀하게 (해상도 500μm 이하) 뇌 구조를 재현했고 ▲ 프린팅된 층들이 삐뚤어지지 않고 정확히 쌓이도록 맞춰주는 원통형 설계인 ‘3D 프린팅 정렬기’로 다층 구조체의 정밀한 조립과 미세 전극 칩과의 안정적 결합을 보장하였고 ▲ 아래쪽은 전기신호를 측정하고, 위쪽은 빛(칼슘 이미징)으로 동시에 세포 활동을 관찰하는 ‘이중 모드 분석 시스템’기술로 층간 연결이 실제로 작동하는지를 여러 방식으로 동시에 확인할 수 있다.

연구팀은 뇌와 유사한 탄성 특성을 지닌 피브린 하이드로겔을 이용해 3층으로 구성된 미니 뇌 구조를 3D 프린팅으로 구현하고, 그 안에서 실제 신경세포들이 신호를 주고받는 과정을 실험을 통해 입증했다.

위층과 아래층에는 대뇌 신경세포를 배치하고, 가운데층은 비어 있지만, 신경세포들이 가운데를 뚫고 지나가며 연결되도록 설계했다. 아래층에는 미세 센서(전극칩)를 달아 전기신호를 측정하고, 위층은 빛(칼슘 이미징)으로 세포 활동을 관찰한 결과, 전기 자극을 줬을 때 위아래층 신경세포가 동시에 반응했고, 신경 연결을 차단하는 약물(시냅스 차단제)을 넣었더니 반응이 줄어들어 신경세포들이 진짜로 연결돼서 신호를 주고받고 있다는 것을 입증했다.

KAIST 박제균 교수는 “이번 연구는 뇌 조직의 복잡한 다층 구조와 기능을 동시에 재현할 수 있는 통합 플랫폼의 공동개발 성과”임을 강조하며, “기존 기술로 14일 이상은 신호 측정이 불가했던 것에 비해 27일 이상 안정적인 미세 전극 칩 인터페이스를 유지하면서 구조-기능 관계를 실시간으로 분석할 수 있어, 향후 신경질환 모델링, 뇌 기능 연구, 신경독성 평가 및 신경 보호 약물 스크리닝 등 다양한 뇌 연구 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 김수지 박사와 윤동조 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 2025년 6월 11일 자로 온라인판에 게재됐다.

※논문명: Hybrid biofabrication of multilayered 3D neuronal networks with structural and functional interlayer connectivity

※DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117688

한편, 이번 연구는 한국연구재단 글로벌 기초연구실지원사업, 중견연구 및 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

1. 연구 배경

뇌는 인체에서 가장 복잡한 조직으로, 모듈형 구조를 통해 계층적 기능 네트워크 시스템을 형성함. 뇌의 구조적 연결성과 기능적 활성 간의 관계는 뇌과학 연구의 핵심 주제이며, 이를 3D 체외 모델에서 재현하고 분석하기 위해서는 정밀한 신경세포 네트워크 제작 기술과 기능적 활성 측정 인터페이스가 필수적임.

바이오프린팅은 이러한 구조체 실현을 위한 유망한 기술로 부상했으나, 신경돌기 신장과 네트워크 형성은 하이드로겔의 기계적 특성에 크게 의존함. 신경세포 배양에 일반적으로 사용되는 콜라겐과 저농도 피브린은 낮은 점도로 인해 미세압출 바이오프린팅에 부적합하고, 이를 보완하는 고강도 겔은 구조적 해상도나 세포 적합성에 한계가 있었음.

또한, 바이오프린팅으로 제작된 연성 하이드로겔 구조체는 형태 유지와 분석 플랫폼과의 안정적 결합이 어려워 장기간 기능 분석에 제약이 있었음. 특히 미세전극배열과의 직접 통합은 기술적 한계로 인해 14일 이상의 신호 측정이 불가능했음.

본 연구진은 정밀한 다층 바이오프린팅 기술과 기능적 활성도 측정 기술을 통합하여 뇌 조직 구조를 모방한 3차원 신경 네트워크 모델을 제작함과 동시에 기능적 특성을 효과적으로 분석할 수 있는 플랫폼을 개발하였음.

2. 연구 내용

적층형 바이오프린팅 기술은 의료용 스테인레스 스틸 마이크로메시 (선 두께 30 μm, 선간 거리 254 μm)를 지지체로 활용하여 모세관 고정 효과를 통해 저점도 피브린 하이드로겔의 고해상도 패턴 형성을 가능하게 함. 기존 유리 기판 대비 6배 향상된 해상도로 500 μm 이하의 선폭 구현이 가능했음.

각 층은 압력 민감 접착테이프로 프레임 처리되어 바이오프린팅과 가교결합 과정에서의 조작을 용이하게 하고, 3D 프린팅된 정렬기를 사용하여 미세전극칩 위에 정밀하게 적층됨. 정렬기는 회전 방지 마크를 포함한 원통형 설계로 일관된 공간적 관계를 보장함.

대뇌피질 신경세포가 포함된 피브린 바이오잉크를 사용하여 3층 구조체를 제작했으며, 하부층 (층1)과 상부층 (층3)에는 신경세포를, 중간층 (층2)에는 세포가 없는 피브린 층을 배치하여 뇌의 모듈형 구조를 모사함.

구조체 하부층에서는 미세전극칩으로 고시간해상도 전기신호를 기록하고, 상부층에서는 동시에 칼슘 이미징으로 신경활동을 관찰하여 층간 기능적 연결성을 종합적으로 평가할 수 있었음. 시냅스 차단제 처리와 전기자극 실험을 통해 층간 연결이 흥분성 시냅스를 통해 매개됨을 확인함.

3. 기대 효과

적층형 바이오프린팅과 측정 기술이 통합된 플랫폼을 확립함으로써, 뇌 조직과 유사한 기계적 특성을 가진 천연 하이드로겔을 사용하여 정밀한 다층 신경세포 네트워크를 제작할 수 있을 뿐 아니라, 27일 이상 미세전극칩 인터페이스를 통해 장기간 기능 분석이 가능한 안정성을 강점으로 갖추고 있음.

이러한 통합 플랫폼은 뇌 조직 공학 분야에서 구조-기능 관계 연구의 한계를 극복하고 연구 효율성을 크게 높일 것으로 기대됨. 특히 기존의 2D 배양이나 단일층 3D 모델 제작 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 모듈형 뇌 구조와 층간 기능적 특성을 정밀하게 재현할 수 있다는 점에서 중요한 의의를 가짐.

개발된 플랫폼은 다양한 뇌 영역의 특이성을 반영한 복잡한 구획화 조직 모델 제작에 응용하여, 높은 생체모사도를 기반으로 신경질환 메커니즘 연구, 신경독성 평가, 신경보호 약물 스크리닝 등 정밀한 뇌 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.

<그림 1. 뇌 구조 모방 신경 네트워크 모델 구축과 기능적 측정 기술이 통합된 플랫폼> [사진=KAIST]

<그림 2. 적층형 바이오프린팅 기술과 미세전극 칩의 통합 과정> [사진=KAIST]

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