▲ (위)뇌 구조 모방 신경 네트워크 모델 구축과 기능적 측정 기술이 통합된 플랫폼 / (아래)적층형 바이오프린팅 기술과 미세전극 칩의 통합 과정(그림 및 설명=KAIST)   © 특허뉴스

KAIST 공동 연구팀이 실제 뇌와 흡사한 구조를 6배 더 정밀하게 구현하고 신경세포의 활동까지 실시간으로 분석할 수 있는 혁신적인 '3D 뇌 모사 플랫폼' 개발에 성공했다. 이 기술은 뇌 연구에 새로운 지평을 열 것으로 기대를 모으고 있다.

기존 기술의 한계를 뛰어넘다

그동안 3D 신경세포 배양 기술은 뇌의 복잡한 다층 구조를 정밀하게 재현하기 어려웠다. 또한, 구조와 기능을 동시에 분석할 수 있는 통합 플랫폼이 부족하여 뇌 연구에 큰 제약이 있었다. 특히, 바이오프린팅 기술은 구조적 안정성을 위해 고점도 바이오잉크를 사용해야 했고, 이는 신경세포의 성장과 기능을 저해하는 단점이 있었다. 반대로 신경세포에 친화적인 저점도 하이드로겔은 정밀한 패턴 형성이 어려워 구조적 안정성과 생물학적 기능 사이의 상충 관계가 존재했다.

3대 핵심 기술로 탄생한 고정밀 플랫폼

KAIST 바이오및뇌공학과 박제균·남윤기 교수 공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 3가지 핵심 기술을 결합했다.

첫째, '모세관 고정 효과' 기술은 저점도 하이드로겔이 흐르지 않도록 스테인리스 철망(마이크로메시)에 고정시켜 기존보다 6배 더 정밀하게 (해상도 500μm 이하) 뇌 구조를 재현했다. 둘째, '3D 프린팅 정렬기'는 원통형 설계로 프린팅된 층들이 삐뚤어지지 않고 정확히 쌓이도록 맞춰주어 다층 구조체의 정밀한 조립과 미세 전극 칩과의 안정적인 결합을 가능하게 했다. 셋째, '이중 모드 분석 시스템'은 아래층에서 전기신호를 측정하고 위층에서 빛(칼슘 이미징)으로 동시에 세포 활동을 관찰하는 기술로, 층간 연결이 실제로 작동하는지를 여러 방식으로 동시에 확인할 수 있도록 했다.

실제 뇌 기능 검증 성공

연구팀은 뇌와 유사한 탄성 특성을 지닌 피브린 하이드로겔을 이용해 3층으로 구성된 미니 뇌 구조를 3D 프린팅으로 구현하고, 그 안에서 실제 신경세포들이 신호를 주고받는 과정을 실험을 통해 입증했다. 위층과 아래층에는 대뇌 신경세포를 배치하고, 가운데층은 비어 있지만 신경세포들이 가운데를 뚫고 지나가며 연결되도록 설계했다. 미세 센서(전극칩)와 칼슘 이미징을 통해 전기 자극에 대한 신경세포의 동시 반응과 시냅스 차단제 투여 시 반응 감소를 확인하며, 신경세포의 실제 연결과 신호 전달을 증명했다.

박제균 교수는 "이번 연구는 뇌 조직의 복잡한 다층 구조와 기능을 동시에 재현할 수 있는 통합 플랫폼의 공동 개발 성과"라고 강조하며, "기존 기술로 14일 이상 신호 측정이 불가했던 것에 비해 27일 이상 안정적인 미세 전극 칩 인터페이스를 유지하면서 구조-기능 관계를 실시간으로 분석할 수 있다"고 설명했다. 

KAIST 바이오및뇌공학과 김수지 박사와 윤동조 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)' 2025년 6월 11일 자 온라인판에 게재되었다. 이 획기적인 플랫폼은 향후 신경질환 모델링, 뇌 기능 연구, 신경독성 평가 및 신경 보호 약물 스크리닝 등 다양한 뇌 연구 분야에 활용될 것으로 기대된다.

논문명은 Hybrid biofabrication of multilayered 3D neuronal networks with structural and functional interlayer connectivity이다.