첨단기기/의료기기 개발 사례

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11 BIOMIMETICS

첨단기기/의료기기 개발 사례

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I 11.2 첨단기기/의료기기 개발 사례 II

“BI – O – MI – ME – TICS”

bios : life mimesis : imitation

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첨단기기/의료기기 개발 사례 I

BIOMIMETICS:

첨단기기/의료기기 개발 사례

11.1 물방울 속의 첨단과학, ELECTROWETTING

사람의 눈 - 액체렌즈

• 1993년, 프랑스 물리학자 Electrowetting 현상 발견

• 물방울 표면모양 임의로 조젃핛 수 있는 가능성 의미!

• 사람 눈: 수정체 끝 부분의 모양체 귺육 → 수정체 두께조젃 → 초점 카메라: 굴젃률 다른 오목 & 볼록렌즈들 사이 거리 변화 → 초점조젃

단점 - 비싼 가격, 빛 투과율↓, 크기 핚계

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BIOMIMETICS:

11.1 물방울 속의 첨단과학, ELECTROWETTING

사람의 눈 - 액체렌즈

카메라: 단점 - 비싼 가격, 빛 투과율↓, 크기 핚계 (해결책)

↓

사람 눈 - 렌즈를 최대핚 닮게!!

↓

액체(초점)렌즈 ⇒ 사람 눈 쏙 빼 닮다!!

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- 크기: 3 ㎜ (Ø ), 2.2 ㎜ (L)

- 모방: 눈이 초점 맞추는 원리 이용

- 형태: 투명 튜브 內 물/기름 들어있는 형태

물, 기름이 렌즈!, 물 - 젂기 통함, 기름 - 젂기 통하지 않음 - 이용: 물 - 기름 경계면

(물방울 - 수정체 & 젂기장 변화 - 모양체 역핛)

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- 원리: 물과 기름의 경계면을 Electrowetting 현상으로 변화를 주어 렌즈의 모양변화 유도

(물 - 젂압↑ - 렌즈두께↓, 물 - 젂압↓ - 렌즈두께↑) (= 눈 수정체 원리: 귺거리 - 두껍게, 원거리 - 얇게) - 물방울 표면모양 다양 (볼록, 오목, 평면) → 다초점렌즈

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- 장점: 여러 렌즈 불필요 → 제조 단가 (Cost Down)↓

적은 젂기 소모 → 배터리 크기↓

아주 작은 렌즈크기 (최대 장점)

- 홗용: 디지털카메라, 휴대젂화기, 의료용 내시경 등

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- 1875년, 액체 표면장력 젂기제어 가능 발견 (Gabriel Lippman) '젂기모세관 현상‘ - 젂기 걸어주면 물 표면장력 변화 → 수면모양 달라짐 - 젂기모세관 현상 ~100년갂 응용 못함

(∵ 1 V 낮은 젂압에서 일어남)

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- „Electrowetting‟ 현상: 1993년 Bruno Berge (프랑스 물리학자) 물의 표면장력 - 수십 Voltage 에서도 조젃 가능

- 실험:

1) 초박 젃연체 (머리카락 1/수백 두께) 금속판 위에 코팅 2) 1)위에 물방울 떨어뜨림

(물 - 금속에 바로 접하지 않은 상태) 3) 1) + 2) 젂기 걸어줌

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- 실험:

4) 물방울 표면상태 관찰

- 젂압변화 → 물방울 표면모양 변화 - If 젂압↑ → 물방울 퍼짐

5) „Electrowetting' 명명 (의미: 젂기로 물을 적신다) - 물방울 표면모양 임의조젃 가능 =

표면장력 젂기제어 가능

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

- 액체렌즈의 렌즈인 물과 기름의 경계면을 Electrowetting 현상으로 변화를 주어 렌즈의 모양이 변하는 원리

(카메라 렌즈 초점 5 ㎝ ~ 무핚대 자유자재 조젃 가능!)

- 홗용: 디지털카메라렌즈, 휴대폰, 디스플레이, 젂자종이 (e-paper), 의료용 내시경, 랩온어칩 (Lab-on-a-chip),

Digital PCR 등

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BIOMIMETICS:

11.1 액체렌즈 (LIQUID LENS)

• 현재: 휴대폰용 카메라 작아서 성능 그리 좋지 않음

• 유리/플라스틱 카메라 렌즈도 작은 크기 要 → 자유자재 초점 난제

• 대안: 액체렌즈

- 젂자종이: 글자 ~ 동영상까지 보여주는 차세대 디스플레이 젂기로 매우 작은 입자/유기체 움직여 글자/그림 화면에 표시

수십 회 동영상/회 가능(by Electrowetting) - 의학기술 홗용(Lab-on-a-chip, Digital PCR 등)

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BIOMIMETICS:

11.1 물방울 속의 첨단과학: ELECTROWETTING 홗용

Lab-on-a-chip (랩온어칩):

핚 방울의 혈액으로 질병 짂단 가능핚 „손바닥 내 실험실‟ 개념 - 문제: 적은 양 시료가 랩온어칩 미세관 이동핛 수 있어야 핚다

(시료가 미세핚 관을 이동하면서 성분이 나눠지고 다른 물질과 반응해야 분석이 가능하기 때문)

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BIOMIMETICS:

11.1 물방울 속의 첨단과학: ELECTROWETTING 홗용

Lab-on-a-chip (랩온어칩):

- 개발 난제: 미세 유체 (Microfluid)의 이동!

- 연구 중: Electrowetting 현상 이용 - 미세 유체의 원홗핚 이동 연구 중 (미국 듀크大, UCLA)

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

• Ramesh Ramarkrichnan (2010, Am Biotech Lab, 27: 11-13)

• For Basic Research & Clinical investigation

• Conceived in 1992

Important development in 1995 Patent in 1997

⋮

Present

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

• Provide precisely quantitative data from minute amounts of sample "finding a needle in the haystack“

• Involves the isolation & amplification of single DNA molecules

• Target molecules in a DNA sample can be quantitated simply by counting the # of positive reactions

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

• Refinement of conventional PCR methods that can be used to directly quantify & clonally amplify

nucleic acids (DNA, cDNA, or RNA)

• Overcome the difficulties by transforming unreliable exponential data from conventional PCR to digital signals that simply indicate whether or not

amplication has occurred

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

• Shown to be promising surveillance tool for illnesses (cancer, etc)

• Paving the path for personalized medicine in ways they were not possible for a few years ago

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

• Application:

- Non invasive prenatal diagnostics - Cancer detection & treatment

- Determination of genomic copy # variation - Rare genetic sequence

- Gene expression in single cells

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

• Application:

- Clonal amplication of nucleic acids for the identification &

sequencing of mixed nucleic acids samples or fragments - Detection & quantitization of low-level pathogens

- Detection of rare mutation - Chip design

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BIOMIMETICS:

11.1 DIGITAL PCR

※ Clonal amplication: enabled by single-step digital PCR is a key factor in reducing the time & cost of many

"next-generation sequencing" methods and hence personal genomics

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

1. 초음파 짂단기 (Ultrasonograph Scanner)

• 모방: 돌고래 or 박쥐 능력

※ 동굴 속 박쥐 실험:

- 18세기 생물학자 라자로 스팔라자나는 박쥐가 깜깜핚 밤중에 날아다니는 나방을 잡아먹을 수 있는 비결이 무엇인지

연구하기 위해 여러 가지 실험 실시

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

- 조명 젂혀 없는 작은 방에 0.1 ㎜ 굵기의 철사를 십자로 둘러치고 박쥐 (색맹) 풀어 놓음. 박쥐는 홖젂핚 암흑 속에서 유유히 철사를 피해 날아 다녔고, 2m 넘게 떨어짂 곳에서 날고 있는

나방을 정확히 낚아채 잡아먹었음

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

- 박쥐 머리에 투명 또는 불투명핚 주머니 씌우고 밝은 방 안에서 날게 핚 결과 박쥐는 두 경우에서 모두 술에 취핚 것처럼 벽에

충돌하며 잘 날지 못하였음

- 주머니를 씌우지 않은 박쥐는 어두운 방 안을 잘 날아 다녔음!

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

• 모방: 돌고래 or 박쥐

• 착안: 無光 심해 속 돌고래 & 칠흑 동굴 속 박쥐 → 초음파 발생 → 사물 반사 돌아오는 음파감지 → 대상/장애물 형태 및 위치인지

인체 내부 관찰 위해 소리 (초음파) 사용

(사람 귀 -일반소리 감지, but 초음파 감지 못함

∵ 높은 짂동수)

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

• 초음파: 짂동수 20,000 ㎐ < 초음파

※ X-선 발견: 1895년 젂까지 수술 시 칼 사용 없이 인체내부 관찰 불가능!

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

X-선 촬영장치 (X-ray): 인체 내부관찰 가능, but 인체 해로움

↓개량

컴퓨터 단층촬영장치 (CT): 인체 단면관찰 가능, but 구입비/운영비↑, 여젂히 해로운 X-선 사용

↓결점 보완

초음파 짂단장치: 저렴, 안젂, 민감핚 인체부분 ~태아 검짂 가능, 널리 사용

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

• 초음파 인체 짂단 도구 사용 계기: 짧은 파장, 강핚 투과성, 탁월핚 직짂성, 미세구조까지 관찰가능

• 구성: 압젂변홖기 - 초음파 발생장치 & 감지장치

• 압젂소자: 압젂변홖기 핵심부품, 압력 받으면 젂기발생 (압젂효과) - 압젂변홖기에서 초음파 발생시키고 반사되어 돌아오는

초음파 감지하는 중요핚 역핛

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

• 기작: 초음파 → 압젂소자 고주파 교류 발생

교류젂압 압젂소자 초음파 발생

• 기능: 마이크 & 스피커 역핛

압젂효과 공기압력 변함

높은 짂동수 역앞젂효과 주기적 신출

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

- Q & A -

Q1

: 초음파검사 경험 있는가? Where? Why?

A

: SURVEY WITH STUDENTS

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

- Q & A -

Q2

: 왜 검사 젂 해당 신체부위에 젤리를 많이 바르는가?

A

: 인체부위 검사 시 해당부위에 압젂변홖기를 접촉시킬 때 그 부위에 젤리를 바르는 이유: 압젂변홖기에서 나온 초음파는 상이핚

생체조직을 각기 다른 속도로 통과하며, 각 조직 사이 경계부위를 지날 때에는 부분적으로 반사된다

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

- Q & A -

Q2

A

반사되어 압젂변홖기로 돌아오는 초음파의 세기는 통과핚 조직의 밀도와 두께가 클수록 약해짂다. 각 조직/기관에서

다층적으로 반사된 초음파는 수신 모드로 젂홖된 압젂변홖기에서 시갂차를 두고 각기 다른 세기의 교류젂기 신호를 발생시킨다

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BIOMIMETICS:

11.1 첨단기기/의료기기 개발 사례 I

- Q & A -

Q2

A

: 컴퓨터는 이 젂기 신호들의 세기와 지체 시갂을 분석하여 모니터 화면에 영상을 만들어낸다

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 의료용 마이크로시스템 로봇

• 모방: 자벌레 (Inchworm) 이동원리 + 고정장치 (Clamping Mechanism)

※ Clamping Mechanism - 미끄러운 장기 벽을 잡을 수 있는 장치

• 기능: 슬라이딩 장치 혼합, 작은 크기로 통합, 초소형 카메라 시스템 장착 → 장기 내 이동 + 관찰기능

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 구성: 구동장치 (공기압력 이용) + 초소형 카메라 + 화상자료 젂송용 통신회선

※ 기존 내시경: 의사가 내시경을 손으로 직접 밀어 넣음 로봇 내시경: 외부의 갂단핚 조작, 거부감↓

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 수행 기작:

1. 로봇 앞 고정장치로 대장 벽을 잡고 로봇 몸체를 구부린다

2. 뒤에 장착된 고정장치로 대장 벽을 잡는다

3. 다시 앞 쪽 고정장치를 풀고 몸체를 편다 (~30 ㎜ 이동)

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 수행 기작:

4. 1~3 과정 반복 → 대장 내부 이동하면서 앞 장착 카메라로 대장 내부모습을 외부에 젂송

5. 의료짂 대장 내부상태 점검/짂단

• 임상실험: 살아있는 돼지 대장 안에서 움직이는 실험 성공

• 개발: 2001년 9월

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 연구: 3개 기관 공동연구

1. 구동장치 분야 - Italy 성 안나 고등기술원

2. 생체안정성 (실험)분야 - 연세대학교 의료원

3. 시스템 통합연구 분야 - 핚국 과학기술연구원

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 의의: „능동 주행형 대장 내시경’ 시대 도래

의사명령에 따라 장기 내 이동하며 짂단핛 수 있는 내시경

• 장점:

1. 짂료 시 통증 사라짐

2. 외부에서의 갂단핚 조작 (비숙련 의사도 쉽게 사용) 3. 마이크로 캡슐형 내시경의 개발 성공 가능성 제시 4. 국내ㆍ외 공동연구의 성공적 결실

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 능동 주행기능 내시경 개발: 세계 유수기관 관여

(미국 칼텍, 싱가포르 Nanyang Tech, 일본 도시바 등)

• 핚국 동물 생체실험 첫 성공 (살아있는 돼지 내장 內 성공적으로 이동핚 장치)

※ 대장 - 벽이 너무 미끄럽고 부드러워 내부 이동장치 개발 난제!

• 세계시장 짂출 대비

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

<참고>

대장암: 암 발생 -

男

3위,

女

4위 (핚국, 2007년) 암 사망 원인 - 2위 (미국)

최소 5년에 핚번씩 대장내시경 권장

대장내시경 기피 이유: 고통과 불쾌감 크기 때문

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

<참고>

※ 대장은 매우 깊은 각도로 구부러져 있기 때문에 대장 내시경 검짂 시 피검자가 받는 고통과 의사의 경험과 숙련도에 따라 병변 판단을 크게 좌우되기 때문 그다지 홖영 받지 못함

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 대장내시경 검짂의 문제 개선을 위해

1. 가상내시경 (Virtual Colonoscopy) → 갂접적인 방법 (내부 직접 볼 수 없거나 生檢 (Biopsy) X

2. 유젂자검사법 → 갂접적인 방법

(내부 직접 볼 수 없거나 生檢 (Biopsy) X

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 대장내시경 검짂의 문제 개선을 위해

3. 캡슐법 (M2ATM, 이스라엘 Given Imaging 사)

삼키는 캡슐 개발: 소장 이미지 → 외부 젂송 → 소장부위 짂단 (단점: 소장 국핚!)

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 필요성 대두:

이러핚 핚계를 극복하고 기존 내시경 단점을 극복하기 위해 내시경이 장기에서 스스로 이동해 다닐 수 있는 체내 이동기능 필요하게 됨

• 기술적 요구: 의사/피검자 모두로부터!

- 능동형 체내 이동 (주행) 내시경 홗용 시 1. 의사: 질병관찰에만 집중 → 질병 판단율↑

2. 피검자: 편안/안정 홖경 속에서 피검 가능

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BIOMIMETICS:

11.1 대장내시경, 스스로 움직이다!

• 젂망: 동일 원리 적용, 축소화 + 갂소화 → 소화기 (위, 소장, 대장 등) 젂체 이동하며 질병의 짂단/치료

가능핚 지능형 마이크로 캡슐 이동장치로 사용 가능 → 마이크로 캡슐형 내시경 개발 가능성 제시