▲ 트윈 스크류 기반 고체 시료 전처리 기술 개략도 및 엽채류와 동물조직 분쇄·균질화 실험 결과(출처: 한국기계연구원)

한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연)이 고체 기반 시료의 분석을 손쉽게 구현하는 기술을 개발해 현장 중심 진단(Point-of-Care Testing, PoC)기술 실용화에 기여할 것으로 기대된다.

기계연은 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 김관오 선임연구원 연구팀과 세종충남대학교병원(병원장 권계철) 이윤주 교수 연구팀이 고체 생체 시료를 빠르게 분쇄해 균질한 액상 시료로 전환하는 기계식 전처리 시스템을 개발했다고 29일 밝혔다.

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 전단력을 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 회수해 시료 손실을 최소화하고 전처리 효율을 극대화할 수 있다는 점이 핵심이다.

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 요구돼 현장 적용에 어려움이 있었다. 또한 유화 및 균질화를 위해 별도의 효소 처리나 화학약품을 사용하는 방식이 일반적이었다.

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 균질화 함으로써 단시간 내 분석에 적합한 고품질 액상 시료를 확보하도록 했다. 또한 동일한 메커니즘을 적용한 무전원 구동 방식의 소형 장치도 구현해 활용 범위를 넓혔다.

연구팀은 실제로 동물 조직, 식물체, 채소류 등 다양한 시료에 대해 우수한 전처리 효율과 높은 시료 회수율을 입증했다고 설명했다. 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.

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.