고체 생체시료를 빠르고 균질하게 액체로 만든다!

- 기계연, 트윈 스크류 기반 기계식 전처리 기술 개발 -

- 체외진단 분야 분석 정확도와 현장 대응력 모두 높여 -

- 자동화된 전처리 시스템으로 진단·분석 기술의 현장 확산 기대 -

□ 고체 시료를 1분 이내에 유화 및 균질화할 수 있는 초소형 고속 전처리 시스템이 개발됐다. 고체 기반 시료의 분석을 손쉽게 구현해 기존 액체 위주의 체외진단(In Vitro Diagnostics, IVD) 분야에 새로운 진단 플랫폼을 제시했다. 이로써 현장 중심 진단(Point-of-Care Testing, PoC) 기술 실용화에 기여할 것으로 기대된다.

□ 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 김관오 선임연구원 연구팀과 세종충남대학교병원(병원장 권계철) 이윤주 교수 연구팀은 고체 생체 시료를 빠르게 분쇄하여 균질한 액상 시료로 전환하는 기계식 전처리 시스템을 개발했다. 

기계연 나노리소그래피연구센터 김관오 선임연구원 연구팀은 트윈 스크류 기반 기계식 전처리 기술을 개발했다
(사진 왼쪽부터 유영은 책임연구원(제1저자). 박지효 학생연구원(제1저자), 김관오 선임연구원(교신저자)).

□ 체외진단 시스템 같은 액체 기반 분석 장비에 고체 생체 시료를 적용하기 위해서는 조직 내 결합을 해체하고 균일한 액상 상태로 전환하는 전처리 과정이 필수적이다. 연구팀은 반대 방향으로 회전하는 트윈 스크류(twin-screw) 구조를 적용해 고체 시료에 높은 전단력*을 주어 시료를 빠르게 유화하고 균질한 액상 시료로 전환할 수 있는 전처리 시스템을 개발했다. 스크류 내부에 유체가 흐를 수 있는 통로를 함께 설계해 액상화된 시료를 효율적으로 회수하여 시료 손실을 최소화하고 전처리 효율을 극대화할 수 있다는 점이 핵심이다.

* 전단력(Shear Force): 어긋나는 방향으로 작용하는 힘

□ 기존 고체 시료의 전처리 기술은 장비의 부피가 크고 처리 시간이 수십 분 이상 소요되며 시료 준비부터 장치 작동, 회수 및 세척까지 전 과정에 걸쳐 숙련된 실험 인력의 반복적인 수작업이 요구되어 현장 적용에 어려움이 있었다. 또한 유화 및 균질화를 위해 별도의 효소 처리나 화학약품을 사용하는 방식이 일반적이었다. 

□ 연구팀은 이러한 한계를 개선하기 위해 별도의 화학 처리 없이 순수한 기계적 방식만으로 고체 시료의 분쇄, 균질화, 회수까지 전 과정을 단일 장치 내에서 연속적으로 수행하도록 설계했다. 고체 시료를 1분 이내에 유화하고 균질화함으로써 단시간 내 분석에 적합한 고품질 액상 시료를 확보하도록 했다. 또한 동일한 메커니즘을 적용한 무전원 구동 방식의 소형 장치도 구현해 활용 범위를 넓혔다.

□ 실제로 동물 조직, 식물체, 채소류 등 다양한 시료에 대해 우수한 전처리 효율과 높은 시료 회수율을 입증했다. 전동 구동 방식뿐만 아니라 전력 공급이 어려운 환경에서도 사용할 수 있는 수동형 장치까지 함께 개발해 응급 진단, 농업 병해 진단, 식품 검사 등 다양한 현장 기반 응용 분야로의 확장 가능성도 높다. 다양한 진단 장비 및 분석 시스템과의 호환도 용이하다.

트윈 스크류 기반 고체 시료 전처리 기술 개략도 및 엽채류(양상추)와 동물조직 분쇄균질화 실험 결과

□ 기계연 김관오 선임연구원은 “트윈 스크류 기반 전처리 기술은 고체 시료 기반 분석의 실용화를 위한 기반 플랫폼으로, 기존 액체 중심 체외진단 시스템의 한계를 보완하는 기술적 해법을 제시한다”며 “농업, 식품, 환경 등 다양한 분야에서 진단 기술의 현장 적용 범위를 넓혀 진단 유연성과 분석 정확도 향상에 기여할 것”이라고 밝혔다.

□ 기계연의 트윈스크류 기반 고체 시료 전처리 기술은 국내 특허 6건을 출원하였으며 이 중 2건은 등록을 완료해 원천기술도 확보했다. 또한 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)에서 발행하는 국제 학술지 ‘Analyst’에 표지논문으로 선정됐다.

   * 논문명: “Portable and rapid solid sample preparation system utilizing twin-screw mechanism for diagnostic applications,” Analyst, 2025, 150(8), 1523.

□ 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업 중 첨단GW바이오 ‘화상병 시료 전처리 키트 및 프로토콜 개발’ 과제 및 세종충남대학교병원의 지원을 받아 수행됐다.

기계연 트윈 스크류 기반 기계식 전처리 장비(왼쪽) 및 Analyst 표지논문(오른쪽)