Figure 4 Standalone 프린터 활용, 고속 질병 진단 장치 개발

전 세계적으로 빠르게 확산하고 있는 코로나19(COVID-19)에 대응하기 위해 편리한 사용, 신속하게 질병을 진단할 수 있는 진단기의 중요성이 커지고 있다. 질병 테스트 역량을 높인다는 것은 추가 확산을 막는 능력을 개선하는 것이라 생각하면 된다. 전염병 학자가 더 많은 정보를 수집해야만 보이지 않는 위협을 더 잘 파악할 수 있다는 의미다. 전파 요인의 공개부터 감염률까지 이제 전염병 테스트의 중요성은 전 세계가 요구하는 항목이다.


Pantelis Georgiou 박사가 이끄는 Imperial College London의 연구팀은 Lacewing이라는 병원체 감지를 위한 프로젝트를 통해 이 문제를 정면으로 다루고 있다.

클라우드 서버와 동기화된 스마트폰 앱에서 20분 내로 결과를 제공하고 있는 Lacewing은 SARD-CoV-2-RNA 를 포함해 휴대 및 질병 테스트가 가능하도록 하고 지오태깅을 통해 질병 진행 단계의 추적을 자동화한다. 분자생물학과 최첨단 기술을 결합해 진단 세계의 접근방식과 정보 격차를 메우고 있는 '첨단 랩 (lab-on-a-chip)' 플랫폼이다. 다른 진단 기술에는 고가의 대형 광학 장비가 필요한 데 반해 전기 감지 방법과 소형 Lacewing은 접근 방식 자체가 혁신적이다.

Lacewing의 기술 중 핵심은 3D Systems 의 Figure 4® Standalone 3D 프린터와 생체 적합성 소재다. Imperial College 박사 과정 학생이자 연구 조교인 Matthew Cavuto에 따르면 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 및 기능성 구성 요소의 원형 제작과 생산에 모두 사용하는 핵심 Lacewing 구성요소는 Figure 4 프린터의 기능에 기반해 설계됐다고 한다.

"그동안 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 디바이스는 까다롭고 고가의 느리고 노동 집약적인 무균실 프로세스를 통해 전통적으로 제작됐습니다."

"Figure 4 프린터를 통해 칩의 여러 감지 영역으로 샘플 유체를 전송하는 복잡한 내부 3D 유체 채널이 있는 부품을 빠르게 프린트할 수 있어서 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 생산 역량이 크게 개선됐습니다."

Figure 4 기술은 이 프로젝트에 설계 요소가 중요한 것만큼 고도로 정교한 솔루션 중 하나다. 3D Systems의 Figure 4 프린터로 구현 가능해진 부품 복잡성 및 세부 구조 충실도 외에도 이 3D 프린팅 솔루션으로 연구팀은 프린트 속도, 프린트 품질, 생체 적합성 소재 등의 측면에서 큰 도움을 받았다.

COVID-19 테스트에 부응하는 빠른 반복성
Lacewing 플랫폼은 현재까지 2년이 조금 넘는 기간 동안 개발되고 있으며 환자 샘플 내 병원체의 DNA나 RNA를 식별해 작동하는 분자 진단 테스트다. 이러한 유형의 테스트를 통해 특정 질병(뎅기열, 말라리아, 결핵, COVID-19 등)에 감염됐는지 여부 뿐만 아니라 증상의 심각도를 더 잘 알 수 있는 감염의 정도까지 판단할 수 있다.

COVID-19 발발 이전에 이 테스트의 원동력은 세계 각지에서 휴대 가능한 테스트 진단기를 제작 하는 것이었다. 스마트폰 시대에 휴대성은 당연한 것으로 생각하지만, 분자 진단에는 전통적으로 고가의 대형 실험실 장비가 필요했다.

Lacewing은 마이크로칩을 사용해 이전의 광학 기법을 전기 기법으로 대체하고 Figure 4 Standalone 프린터와 생체적합성 소재를 사용해 빠르게 원형을 제작하고 반복적으로 생산했다. Lacewing사 각각의 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 카트리지는 대략 30mm x 6mm x 5mm로, 10마이크론 레이어로 프린트됐다.

연구팀은 글로벌 COVID-19 테스트 기준에 맞춰 테스트 일정을 조정하면서 거의 매일 새로운 설계를 프린트하기 시작했다. Cavuto는 이러한 여건에서 빠른 장비 속도가 가장 큰 이점이었다고 말했다.

Cavuto는 16일 발표자료를 통해 '어떤 때는 Figure 4로 특정 구성요소의 세 가지 버전을 하루에 프린트하고 테스트할 수 있었다. 설계를 빠르게 반복하는 능력은 새로운 것을 시도하는 어려움을 없앴고 그 결과로 발생한 실험과 향상된 정보 수집으로 인해 시스템이 전반적으로 개선했다. 지난 2달 동안 30가지 버전을 수월하게 시도했다'고 설명했다.

팀은 SOLIDWORKS로 모든 부품을 설계하고 3D Sprint® 소프트웨어를 사용해 각 빌드를 설정한다. 3D Sprint는 3D Systems의 올인원 소프트웨어로, 3D 프린트 공정을 준비, 최적화 및 관리하며 팀에서 예상치 못한 문제를 발견하고 해결하는 데 유용했다는 것이다.

"가끔 발생하는 STL 오류는 3D Sprint의 준비 탭에서 해결할 수 있습니다."

과거 다양하고 많은 3D 프린터를 사용한 Cavuto는 프린트 시간, 비용, 품질 면에서 장애가 거의 없는 Figure 4는 다른 프린터와 다르다고 말한다. 다른 프린터의 경우 Cavuto는 시간과 소재 비용 면에서 모두 프린트 할 가치가 있는지 의문이 들었지만 Figure 4 프린터를 사용하면서 그런 의문이 사라졌다.

Cavuto는 '부품을 프린트하고 잘 작동하는지 확인하고 잘 작동하지 않으면 재설계해서 단 몇 시간 내로 다시 프린트 한다'며 '프린터의 속도가 워낙 빨라서 아주 신속하면서도 반복할 수 있다'고 했다.

화학 반응을 억제하지 않는 생체 적합성 소재
고속 테스트의 시간 압박에도 불구하고 속도가 연구팀에 가장 중요한 요소는 아니었다. 이 응용 분야는 DNA와 직접 접촉하기 때문에 특수한 생체 적합성 소재로만 가능하다.

Imperial College팀은 Figure 4® MED-AMB 10, 즉 생체적합성에 관한 ISO 10993-5 및 10 표준(세포 독성, 민감도, 자극)을 충족하는 투명 황색 소재를 사용했고 오토 클레이브를 통해 살균 가능하다. 이 소재는 반투명 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 매니폴드에 사용한다.

"Figure 4 MED-AMB 10은 PCR 반응에서 인상적인 생체 적합성을 보여주었습니다." Cavuto의 설명입니다. "과거에 사용했던 많은 소재는 이 반응을 억제했지만 Figure 4 MED-AMB 10은 화학 반응과 상호작용이 적었습니다."

이 사실은 프로젝트 전체에 매우 중요하다. 생산 소재에 의한 간섭으로 인해 의도한 반응이 지연되거나 발생하지 않을 수 있기 때문이다. 소재의 생체적합성은 화학 반응 억제 없이 의도한 반응이 발생하는 데 중요하다.


팀에서는 Lacewing의 미소유체(microfluid) 구성요소를 프린트하는 데 Figure 4 MED-AMB 10 소재를 사용할 뿐만 아니라 장치 인클로저에는 생산 등급의 경질, 내열성 소재인 Figure 4® PRO-BLK-10을, 장치 전체의 개스킷에는 새로 출시된 탄성 소재 Figure 4® RUBBER-65A BLK를 사용한다. Lacewing의 한 부분은 생산 등급 폴리프로필렌과 같은 소재인 Figure 4® FLEX-BLK 20으로도 제작된다. 전자 장치와 일부 하드웨어를 제외하고 현재 거의 장치 전체를 Figure 4 프린터 시스템으로 생산하고 있다.

빠르고 간편한 세척 및 후처리 공정
깨끗하고 매끄러운 표면은 Lacewing 카트리지의 최종 성능 발현에 있어서 상당히 중요하다. 이런 이유로 연구팀은 단일 레이어로 카트리지를 프린트하기 위해 Figure 4의 쌓기 또는 겹치기 기능을 사용하지 않았다. 프로젝트가 여전히 설계 단계에 있으므로 팀에서는 아직 제작판을 완전히 로드하지 않았지만 한 번에 약 30개의 미소유체 (microfluidics) 카트리지를 최대 제작 용량으로 예상했다.

응용 분야의 민감도를 감안하면 후처리가 중요하다. 프린트되고 나면 부품은 IPA 배스에서 세척하고 경화 및 연마 처리 후 다시 세척해 부품에 잔여물이나 연마 입자가 완전히 제거되도록 했다. 어떤 경우에도 오염이 되지 않는 것이 가장 중요하기 때문이다.

"깨끗하고 멸균 처리된 부품을 유지하는 것이 성공적인 반응과 정확한 진단에 매우 중요합니다."

전체적으로 Cavuto는 후처리에 걸리는 시간이 20분 이내이고 대부분의 부품은 한 번에 공정을 마칠 수 있다고 전했다. NHS에서 검증을 완료하면 연구팀은 COVID-19 테스트 생산 규모를 늘릴 계획이다.

개발과 혁신을 위한 새로운 기능
Figure 4를 통해 프린트할 수 있는 부품과 만들 수 있는 것이 늘었다. 해상도, 속도, 표면 품질, 소재 범위, 생체 적합성 면에서 Figure 4와 견줄 만한 것은 없다. 지금까지 거의 모든 유형의 3D 프린터를 사용해 봤다

Imperial College 연구팀은 조만간 영국국립보건서비스(NHS)에서 COVID-19 테스트를 검증 받아 향후 6개월 내로 생산 확대에 나설 계획이다.