물은 늘 아래로 흐르려는 성질을 갖고 있다. 기체 또한 온도가 높은 공기는 온도가 낮은 쪽으로 이동해 간다. 바람이 부는 것도 같은 원리다. 증기 기관차를 발명하면서 인간은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 성질을 이용했다. 고체도 마찬가지다. 내려갈 수 있는 틈만 있다면 높은 곳에 있는 것들은 낮은 곳으로 굴러 이동하려는 성질을 갖고 있다.

▲ 성형진 KAIST 기계공학과 교수는 “혈액을 통해 질병을 진단하려면 혈액 속의 세포를 종류별로 분리하고 감지하는 작업이 필요하고, 얼마나 정밀하게 분리하느냐에 따라 진단의 정확성과 효율성이 결정된다”고 말했다

KAIST 옵토-유체-연성체 상호작용 연구단은 광력을 이용한 유체 내 입자 분리, 연성체 제어, 그리고 유체-연성체 상호작용의 주제로 연구 활동을 펼치고 있다. 옵토(빛)를 전통적인 유체 연구에 접목시켜 흐르는 유체 내 입자를 효율적으로 분리하기 위한 기술을 개발하고, 이를 고도화하여 정상 세포와 비정상 세포를 효율적으로 분리하여 혈액과 관련한 질병의 진단에 응용하고자 한다. 또한 유체와 고체를 동시에 풀어 유체와 연성체로 이루어진 생명체 내의 유동 현상을 예측하고 실험할 수 있다.

성형진 교수가 이끄는 연구단은 복잡한 형상, 연성체/움직이는물체, 연속적인 입자 분리 기술, 옵토-유체-연성체 동시해석, 생체 내부 유동의 현상 규명이 연구의 중심을 이룬다. 이와 관련하여 연구단은 독자적으로 개발한 cross-type optical cell separation, micro-pumping, micro-PIV 및 FSI 해석 및 측정 기법을 고도화하여 옵토-유체-연성체 상호작용에 대한 연구를 진행, 광력을 이용한 연속적인 세포 분리기법뿐만 아니라 혈관 등의 생체 내부에서의 연성체의 동적 특성을 밝혀 낼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 대표적으로는 혈관과 관련된 각종 질환이나 암 세포 같은 비정상 세포와 정상 세포를 분리하고 진단하는 데 쓸 수 있다. 혈관 내부를 비롯해 사람의 몸속은 수많은 종류의 유체와 연성체로 이뤄져 있기 때문이다. 예를 들어 혈액 내 유체, 연성체, 그리고 혈관 벽 사이의 복잡한 상호작용과 연관 관계를 정확히 규명할 수 있다.

연성체 유체역학 분야 개척한 독보적인 공학자
  올해 창의적연구진흥사업에 선정된 KAIST 옵토-유체-연성체 상호작용연구단은 광력을 이용한 유체내 입자의 연속분리 기술 개발, 생체와 같이 조직과 혈액이 끊임없이 상호작용하는 시스템에서 연성체의 동적 특성 및 생체 내 유동 현상의 규명을 위해 활발한 연구 활동을 펼치고 있다. 이를 통해 생체 내부의 유동 현상을 규명하고 광력을 이용한 유체 내 입자 제어 기술을 고도화하여 옵토-유체-연성체계에서 적용할 수 있는 해석/제어기법을 개발하고 있다. 지금까지 대부분의 유체 연구는 딱딱한 물체 주변이나 그 속을 흐르는 유체가 대상이었다.
  연성체 유체역학이라는 분야를 개척한 독보적인 공학자인 성형진 KAIST 기계공학과 교수는 “혈액을 통해 질병을 진단하려면 혈액 속의 세포를 종류별로 분리하고 감지하는 작업이 필요하고, 얼마나 정밀하게 분리하느냐에 따라 진단의 정확성과 효율성이 결정됩니다”라며 “기존의 방법은 혈액 속을 흐르는 세포 중 하나만을 분리하고 제어한 뒤 검사하는 방식이라 비효율적인 단점이 있었죠. 분자생물학적 혹은 생화학적 반응을 통해 세포를 분리하는 과정이기 때문에 세포에 손상을 가하게 되고 이로 인해 진단의 정확성이 떨어지기도 합니다.”라고 덧붙였다

▲ KAIST 옵토-유체-연성체 상호작용 연구단은 광력을 이용한 유체 내 입자 분리, 연성체 제어, 그리고 유체-연성체 상호작용의 주제로 연구 활동을 펼치고 있다.

광력 이용해 암 세포 진단 가능 기술 개발
  KAIST 옵토-유체-연성체 상호작용 연구단은 올해 창의적 연구진흥사업에 선정되기 전부터 이미 광력을 이용해 입자를 분리해낼 수 있는 방법을 증명해냈고, 이를 이용해 암세포와 정상세포를 구별해낼 수 있는 아이디어를 제시하였다. 빛은 흐르는 물이나 공기처럼 운동에너지를 갖고 있다. 유체 내부에 존재하는 입자에 빛을 쏘게 되면 입자는 빛의 운동에너지를 전달 받게 되며 운동 방향이 변하게 된다. 이 운동에너지의 전달은 빛의 세기가 더 강할수록, 전달 받는 입자의 크기가 더 클수록 잘 일어나게 된다. 또 입자의 크기가 같더라도 더 빠르게 지나갈수록 입자가 받는 광력은 작아진다. 입자가 어떤 내부구조를 갖느냐에 따라서도 입자가 받는 광력이 달라진다. 이 경우에는 빛이 입자 속을 투과할 때 입자 내부구조에 따라 달라지는 굴절률이 영향을 미친다. 이에 연구단은 혈관에 레이저를 쏘았을 때 정상입자와 암세포입자의 굴절율이 다르다는 것을 밝혀냈다. 여기서 광력에 사용되는 레이저빔은 세포의 생명을 손상시키지 않는다. KAIST 학술대상을 받으며 그 실력을 인정받은 성형진 교수는 “여러 번의 실험을 통해 굴절율과 크기에 따른 분리기술을 공식화해서 밝혀낸 것에 큰 의의가 있습니다”라며 “이 기술은 피한방울로 질병을 진단하는 진단기술로 상용화될 계획”이라고 덧붙였다. 연구단이 옵토-유체-연성체의 상호작용 연구를 통해 최종적으로 얻을 수 있는 연구결과는 자가진단시스템(Point-Of-Care Testing) 핵심기술 개발, 생체모사기술을 통한 심혈관계 질환 예측, 세포 및 연성입자제어의 기반 기술 개발이다.
  이러한 연구결과들의 시너지효과는 대단하여 연속 세포 분리 기술개발을 통한 의료기기 산업, 심장/혈관 질환 진단과 인공장기설계를 통한 생명/의료 산업, 무스크류 수중추진체와 초소형 항공기 등의 무기산업과 항공/해양산업에 영향을 미칠 것으로 보인다. 성형진 교수는 “저희가 연구하는 내용이 세계 최고임을 자부한다. 최첨단 설비를 갖추고 최고의 연구를 진행하고 있고 결과도 좋아 imfact factor가 높은 저널에 논문을 게재하고 있다”며 “앞으로 세계적인 연구 성과로 제 책임을 다하고자 한다”고 강한 포부를 밝혔다. NM