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국내 연구팀이 초음파를 칼날처럼 사용해 수술 없이 종양조직 제거하는 가능성을 열었다. 박기주 바이오닉스연구단 박사후연구원(사진 왼쪽)과 김형민 선임연구원(사진 오른쪽) 연구팀이 강력한 초음파 영역에서 발생하는 음향 공동현상을 예측하는 수학적 모델을 개발해 접속초음파의 연조직 제거효과 메커니즘을 최초로 규명했다. -KIST 제공

국내 연구팀이 최초로 고강도 초음파로 연조직을 제거하는 메커니즘을 규명했다. 외과수술 없이도 초음파를 칼날처럼 사용해 원하는 세포만 제거할 수 있는 길이 열렸다.

한국과학기술연구원(KIST)은 박기주 바이오닉스연구단 박사후연구원과 김형민 선임연구원 연구팀이 강력한 초음파 영역에서 발생하는 음향 공동현상(acoustic cavitation)을 예측하는 수학적 모델을 개발해, 고강도초음파로 연조직을 제거하는 메커니즘을 최초로 규명했다고 22일 밝혔다. 음향 공동현상은 액체 내 압력이 달라질 때 기포가 진동하거나 터지는 현상이다.

고강도 초음파는 압력 세기가 대기압의 수백 배인 수십 메가파스칼(MPa)이나 돼, 초점 부위의 온도를 1000분의 1초만에 끓는점까지 올릴 수 있다. 이때 초점에서 발생한 수증기 기포의 운동에너지를 이용해 주변 세포 조직을 물리적으로 제거할 수 있다.

전문가들은 이 현상을 의료에 활용하기 위해 다양한 연구를 해왔다. 하지만 종양을 제거하는 등 기술을 실제 사용하려면 수증기 기포의 운동을 완벽하게 조절해야 하는데, 지금까지 이 현상이 어떻게 일어나는지 밝혀지지 않았다.

연구팀은 강력한 초음파를 쏴 끓는점에 도달했을 때 수증기 기포가 어떻게 운동하는지, 이로 인해 주변 세포 조직이 얼마나 변형되는지 예측하는 수학적 모델을 개발했다. 또한 인체조직를 모사한 겔에 강력한 초음파를 쏴 음향 공동현상이 일어나는 과정을 초고속카메라로 촬영했다. 연구팀은 수학적 모델로 예측한 값과 초고속카메라로 촬영한 결과를 동일조건에서 비교분석해 정확도를 검증했다.

KIST 제공

그 결과 기포의 운동으로 발생하는 강도는 연조직을 파괴할 수 있을 만큼 강하지만 혈관을 파괴시키기에는 약한 것으로 나타났다. 기포의 운동 변화와 강도를 조절하면 주변 조직을 손상시키지 않고 종양 등 원하는 연조직만 선택적으로 제거할 수 있다는 뜻이다.

박기주 박사후연구원는 “이번 연구는 초음파를 이용한 연조직 제거 메커니즘을 학계 최초로 규명한 것"이라며 "수학적 모델링 기법으로 최적화된 초음파 조사 조건을 찾으면 외과적 수술 없이도 종양 및 특정 세포만을 선택해 제거하는 것이 가능할 것”이라고 밝혔다. 김형민 선임연구원는 “지속적인 연구를 통해 향후 항암면역치료와 세포이식술 분야 등에도 활용할 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 '초음파음향화학'(Ultrasonics Sonochemistry)' 3일자에 게재됐다.