세계적 국제학술지 게재
CCEP 기반 3차원 세포배양 자동화 플랫폼 기반 확보

인큐베이션 환경에서 SEDAR CCEP 시스템의 원격 작동 및 액적 제어. 국립부경대 제공

국립부경대학교 임도진 교수(화학공학과) 연구팀이 액적(미세 방울)의 상태를 인식해 자동으로 동작하는 이벤트 기반 자율 액적 제어 시스템(SEDAR)을 개발했다.

접촉 전하 전기영동(CCEP) 기반 디지털 미세유체 기술은 액적을 정밀하게 이동·제어할 수 있어 세포배양, 바이오 분석 및 자동화 플랫폼 분야에 활용할 수 있는 높은 잠재력을 가진 기술이다. 그러나 기존 시스템은 고전압 전원장치, 컴퓨터, 카메라 등 다양한 외부 장비에 의존하는 연구실 중심 플랫폼으로 구축돼 실제 세포배양 환경에서의 장기 운용과 자동화에 한계가 있었다.

연구팀은 휴대용 배터리, 고전압 승압 모듈, 라즈베리 파이 기반 제어 시스템, 카메라 및 통신 기능을 하나의 장치에 통합한 ‘Self-contained CCEP’ 플랫폼을 개발했다. 이를 통해 별도의 외부 장비 없이 독립적으로 운용할 수 있는 휴대형 시스템을 구현하고, 실제 세포배양 인큐베이터 내부에서도 장시간 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 또한 원격 모니터링 기능을 통해 인큐베이터를 개방하지 않고도 액적 내 세포 상태를 실시간으로 확인하고 제어할 수 있음을 검증했다.

연구팀은 앞서 개발한 범용 액적 제어 알고리즘 ‘L-SPAA’를 기반으로 액적 상태를 인식하고 이에 따라 자동으로 동작하는 ‘Event-driven Routing’ 기능을 구현했다. 영상 분석 기술을 이용해 액적 내부의 색 변화와 입자 존재 여부를 실시간으로 인식하고, 그 결과에 따라 액적 이동 경로를 자동으로 변경할 수 있음을 확인했다. 또한 스페로이드가 포함된 액적을 자동으로 선별·수집하는 데도 성공했다.

이번 연구는 ‘Self-contained CCEP’ 플랫폼과 ‘Event-driven Routing’ 기술을 하나의 시스템으로 통합함으로써 디지털 미세유체 기술의 활용 범위를 크게 확장했다는 점에서 의미가 있다. 특히 향후 액적 분주, 배양액 교체, 시료 선별 및 회수 기능이 추가될 경우 오가노이드 및 스페로이드 기반 3차원 세포배양 자동화 플랫폼으로 발전할 수 있는 기반을 마련했다.

이번 논문의 제1저자인 배서준 박사후연구원은 “기존 L-SPAA가 액적을 효율적으로 이동시키기 위한 제어 기술이었다면 이번 연구에서 개발한 SEDAR는 인큐베이터 내부에서 독립적으로 운용되면서 액적 상태에 따라 작업을 수행할 수 있는 자율형 플랫폼”이라며 “이번 연구를 통해 개별적으로 축적되어 온 액적 제어, 배양액 처리 및 시료 회수 기술들을 하나의 시스템으로 연결할 수 있는 통합 운용 플랫폼의 토대를 마련했으며, 향후 오가노이드 및 스페로이드 기반 3차원 세포배양 전 과정을 자동화하는 통합 플랫폼으로 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

이 연구 성과를 담은 논문 ‘A Self-Contained Event-Driven Autonomous Routing (SEDAR) CCEP System for Droplet 3D Cell Culture’는 기기 및 계측(Instruments & Instrumentation) 분야 JCR 상위 2% 이내의 세계적 국제학술지 ‘Sensors & Actuators B: Chemical’(IF 7.7)에 게재됐다.

임도진 교수 연구팀은 한국연구재단의 지원(RS-2026-25477068)을 받아 이번 연구를 수행했다.

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com