의학공학의 과제 -미래 의료기술에 대한 준비- 의과대학 의학공학교실 서 활

미래에 대한 우리 사회의 요구 (2030년까지) “건강한 삶의 실현”, “쾌적한 환경”, “지속가능한 경제성장”, “사회문제 해결”, “에너지•자원의 확보”, “고령인과 장애인의 자립” 등의 순 국가과학기술위원회 2004

의학공학의 교육목표: 빠르고 정확한 진찰과 치료를 위한 첨단 과학기술의 이해 -NBIT 융합기술 (convergent tech) 의 출현 -생체분자의 원소수준 조절 -새로운 진료소재, 기기의 출현

NBIT대상기술의 범위 나노급 물질계의 기본적 이해를 바탕으로, 나노급 크기의 특성과 나노기술 : 1-100 나노미터 크기의 극미세구조에서 나타나는 현상과 나노급 물질계의 기본적 이해를 바탕으로, 나노급 크기의 특성과 고기능을 발현하는 물질, 구조, 소자 및 시스템을 창조•이용하고자 하는 미래형 첨단기술

NBIT 융합기술이란? IT NT BT NIT 융합기술 BIT 융합기술 NBIT 융합기술 NBT 융합기술 정보처리기술 컴퓨터(H/W, S/W) 반도체 텔레커뮤니케이션 디스플레이 인터넷 등 나노소재 나노구조 나노공정 나노기계 등 유전체학 단백질체학 분자생물학 조직공학 세포기술 등 NIT 융합기술 정보처리기술 정보전송기술 정보저장기술 정보표시기술 등 NBIT 융합기술 나노바이오칩/센서 나노바이오소재 등 NBT 융합기술 나노바이오 칩/센서 나노바이오 소재 나노생물학 등 BIT 융합기술 바이오인포매틱스 바이오칩 바이오멤스 등 IT NT BT

NBIT 융합기술의 생활환경 활용 새로운 생활환경 새로운 의료기술 요구 활용 분야 활용 사례 건강한 삶 추구 - 효율적인 진단 및 치료 시스템 구축 - 질병의 예방•치료 및 인공장기 이식을 통한 수명의 연장 안정적 식량 확보 - GMO, LMO 기술을 통한 대량 식량생산 - 병해충에 강한 품종개량 등을 통해 식량 증산에 기여 - 농수축산 먹거리의 보관‧저장‧가공 기술의 획기적 개발 에너지/환경여건 개선 - 화석에너지원의 발굴•채굴•수송•저장의 효율화 - 태양에너지, 수소활용 에너지 등 재생에너지 이용의 활성화 자원효율 증가, 폐기물 저감, 오염물질 배출 저감을 통한 환경오염의 원인 제거 새로운 생활환경 새로운 의료기술 요구

대표적인 융합기술 및 제품 구분 세부기술분야 대표적인 제품(예) NBT 나노바이오칩/센서 나노바이오센서, DNA칩, 단백질칩, Lab-on-a-chip(LOC) 등 나노바이오소재 생체모방 나노소재, 기능성 나노소재 등 나노생물학 바이오/화학 센서, 광바이오시스템, 생체나노머신 등 NIT 정보처리분야 양자컴퓨터, 나노전지 등 정보전송분야 나노복합 광통신용 광소자, 실리콘 나노점의 전광소재/소자 원천기술제품 등 정보저장분야 테라급 초고밀도 자기 정보저장 매체 등 정보표시분야 차세대 리소그라피 원천기술, MEMS 기술제품 등 BIT 바이오인포메틱스 (Bioinformatics) DNA해석 소프트웨어, 단백질해석 소프트웨어, 바이오 DB 마이닝 등 바이오멤스 (BioMEMS) 초고밀도 집적회로, 초소형 기어, 초미세 기계구조물 등

현재 기술분석을 통한 미래기술 예측 나노바이오시스템 기술의 근간이 되는 현재의 5대 기술이 미래 유망기술로 가기 위해서는 단일 기술의 발전에 의해서가 아니라 여러가지 현재기술이 또다시 융합하여 미래기술로 발전될 것임. 현재기술 현재기술 미래기술 미래기술 마이크로 어레이 바이오 칩 및 LOC 등과 IT 등을 융합한 e-health용 칩 및 센서 나노바이오센서 나노바이오센서 BINT가 융합된 고감도 nanobio sensor & bio chip 기술 Ubiquitous 지향형 센서 및 바이오 칩 바이오칩 바이오칩 Sensor integrated real time in vivo system (진단검사 의학용) 인지 자가 반응형 진단 치료 외과 시스템 바이오 바이오 MEMS MEMS 단백질 3차원 구조 예측 시스템 SNP 패턴과 질병의 상관관계 규명을 위한 유전역학 분석기법 바이오인포메틱스 바이오인포메틱스 가상생물 구현을 위한 방법론 생체모방나노소재 생체모방나노소재 세포 자가 조립용 신호 전달 나노소재 바이오 컴퓨팅 및 바이오 단말기

NBT(Nano-Bio Technology) 융합기술 “나노기술의 원리와 기법들을 바이오시스템에 적용하여 세포나 분자수준에서 다룰 수 있도록 하거나, 기존 생체시스템의 원리를 이용하여 새로운 구조를 갖는 나노소재• 시스템을 제조가 가능할 수 있도록 해주는 융합기술 분야” NBT 융합기술 나노기술의 바이오시스템 응용 나노기술 바이오기술 바이오 물질의 구조 및 원리를 응용하여 새로운 나노소재 제조 생명체를 구성하는 바이오 물질을 나노미터 크기의 수준에서 조작•분석하고 제어할 수 있는 기술들과 생명체 혹은 바이오 물질의 구조 및 상호작용을 모사하여 이를 기반으로 새로운 구조의 나노소자•시스템을 개발하는 생체모사 나노기술들을 포함

NBT 융합기술 응용분야 구 분 내 용 의약 선택성 신의약, 인체적합 약물전달체계 확립 구  분 내  용 의약 선택성 신의약, 인체적합 약물전달체계 확립 부작용이 없고 효과는 5배 이상인 약물 등 생명과학 하이브리드 시스템의 합성피부, 유전자 분석ㆍ조작, 혈액대체물질 인공장기, 인공조직, 세포유전자 치료, 초미세 수술용 로봇 구동장치 등 환경 오염물 감소 및 제거용 소재, 재활용소재 눈에 보이지 않는 분진, 미세먼지등의 제거 등 에너지 고성능 배터리, 청정연료의 광합성, 양자태양전지 기존 배터리 용량과 태양 집열판 효율을 3배 이상 향상등 재료 분자단위에서 설계된 고기능성/고성능/고효율 소재 100℃에서 녹고 강도는 3배 이상인 고분자 소재 등 우주 경량 우주선, 극소형 로봇 시스템 무인 초소형 비행체(곤충 크기) 등 안보 나노구조전자장치, 나노로봇, 무인전투차량, 초소형 정찰기, 화학 및 생물학적 탐지기 여러 기술을 군사기술에 응용한 초소형 무기, 생화학 무기 등

DNA chip X100 Protein Chip Lab on a Chip Lab-on-a-chip이란 미세 가공 기술을 이용하여 (생)화학물질의 분석 시 사용되는 분석장치의 전처리 과정에 필수적인 펌프, 밸브, 반응기, 추출기, 분리시스템 등을 분석 장치의 센서기술과 접목하여 같은 칩 상에 구현한 것을 의미 NBT 융합기술의 예

Mycroradioblast를 동력으로 이용하는 나노생체모방재료의 이용 Mycroradioblast를 동력으로 이용하는 Muscle-Bot (2004. 3. Dr. Montemaneu, NASA)

NIT(Nano-Information Technology) 융합기술 기반적 성격이 강한 나노기술과 시스템적 성격이 강한 정보통신기술이 접목되어 반도체, 생명공학, 환경, 정보통신 등의 여러 분야에 활용될 수 있는 신개념의 기술창출이 가능 NIT의 대상분야 IT-NT 융합기술 Photolithography Telecommunications Electronics/ Optoelectronics Quantum Computing Processors Data Storage • Optical Storage • Magnetic Storage • Molecular Memory • Molecular-based M. • Nanotube-based M. • Nano-wire-based M. - Display Technology Wireless Technology Optical Transmission Optical Switching

NIT 융합기술 응용분야 분야 설 명 나노정보저장 기존 정보저장 장치의 기술적 한계를 극복한 대용량 고밀도 저장기술 설  명 나노정보저장 기존 정보저장 장치의 기술적 한계를 극복한 대용량 고밀도 저장기술 나노정보전송 미래 광통신에서 요구되는 광대역성을 성취하기 위하여 고전적 동작원리의 한계를 극복하는 양자광 통신소자의 기초기술 등 나노정보처리 기존의 반도체 트랜지스터 소자의 기술적 한계를 극복하기 위한 실리콘 나노소자, 분자 트랜지스터 등의 신기능 나노 전자 소자기술 나노정보표시 휴대성과 이동성이 요구되는 정보표시 단말기를 위한 문자 수준의 나노 소재를 이용한 초저전력, 구부림 가능, 월등한  표시력을 가지고 있는 정보 표시소자 기술

정보통신 사회와 NIT

(자료: 정보통신연구진흥원, IT-NT 융합기술기획보고서, 2002) 미래형 시스템과 단말이 추구하는 특성 (자료: 정보통신연구진흥원, IT-NT 융합기술기획보고서, 2002)

(1) 나노정보저장 정보저장 단위를 나노미터 크기로 구현하여 현재의 자성매체를 이용하는 정보저장 나노 코팅을 이용한 데이터 장치의 대체 기술, 나노미터 스케일에서 새로운 물리화학적 현상을 이용하여 정보를 기록/ 재생할 수 있는 기술 • 하드디스크 기술과 광디스크 기술, 탐침형 저장기술을 포함하는 전자기계식 저장기술과 자기스핀 메모리 기술 및 상변화 메모리 기술을 포함하는 고상매체 저장 기술을 포함. 나노 코팅을 이용한 데이터 저장기술, 후지필름

NIT 융합기술의 발전에 따른 정보저장 분야 실용화 예상시기 년도 NIT 융합기술의 발전에 따른 정보저장 분야 실용화 예상시기 (자료: 국가기술지도, 2002) 나노 저장기기 예 (자료: NSTC, International Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology(IWGN), 1999

(2) 나노정보전송 (3) 나노정보처리 (4) 나노정보표시 운반자의 속도를 증가 시키는 등 신기능의 미래형 정보전송을 위한 양자점 광통신소자 기술, 포토닉 밴드갭 소자기술, 양자통신 기술 등의 기술을 포함. (3) 나노정보처리 급증하는 정보통신의 양적 및 질적 수요에 부응하기 위해, 테라비트의 고집적화, 저전력 소모, 100GHz 이상의 고속화 등을 가능하게 하는 반도체 나노 전자소자 기술, 유기 반도체 나노전자소자 기술, 양자 전자소자기술 등 하드웨어의 신개념의 소자기술을 포함. (4) 나노정보표시 박막화, 실감화, 고화질화를 나타내는 신개념의 플라스틱 기판을 사용한 정보표시소자 구현기술로서, 구부림이 가능한 Paper-like 디스플레이로 발전할 것으로 예상. • 나노구조 표시소자기술(카본나노튜브 표시소자기술, 형광유기 나노입자투명표시소자기술 등)과 나노구조 전지기술(슈퍼커패시터 기술, 2차 전지기술 등)을 포함. 반도체 기술의 진화 (자료: 국가기술지도, 2002)

NIT 융합기술의 응용사례

나노정보처리 기술 활용 예 (실리콘 반도체 기반의 미래형 초고집적 고기능형 통신 IC 소자 개념도 : System-on-chip, Network-on-chip의 개념) 나노정보처리 기술 활용 예

(자료: Presentations from the Bio-IT Workshop, 2003) BIT(Bio-IT) 융합기술 정보기술을 활용한 바이오정보의 신속한 추출 및 축적과 관련되는 바이오인포매틱스 기술분야와 바이오기술을 IT분야의 제품개발에 접목한 바이오일렉트로닉스 기술분야로 나눌 수 있다(한국전자통신연구원, 2002). BIT의 활용사례 (자료: Presentations from the Bio-IT Workshop, 2003)

(1) 바이오인포매틱스 바이오인포매틱스 기술분야는 바이오 데이터 처리기술, 바이오 데이터 마이닝기술, 바이오 인포매틱스 개념 바이오 데이터 통합 관리기술, 바이오인포매틱스 응용서비스 지원기술을 포함. 바이오 인포매틱스 개념

◈ 바이오인포매틱스 기술분야의 내용 기존의 컴퓨터는 0과 1로 정보를 나타내지만, DNA 컴퓨터는 DNA의 화학적 단위로 정보를 표시하고 DNA를 합성하여 계산을 수행함으로써 많은 연산을 동시에 수행해 낼 수 있다. 또한 분자단위에서 화학적, 물리적 정보를 읽고 구분하여 정보를 저장하고 처리함으로써 문제해결이 가능한 능력을 갖게 하는 한편, 복잡한 컴퓨터 시스템이 인간의 능력을 능가하는 방식으로 설계될 수 있는 환경을 조성할 수 있다(허두영, 테크노퓨처, 거름, 2001) 기 술 명 내  용 바이오 데이터 처리 기술 다양한 형태의 바이오 데이터를 처리하여 분석이 용이한 형태로 변환하고 시각화하는 기술 마이닝 기술 바이오 데이터를 분석하여 내제된 패턴을 찾아내어 유용한 지식을 생성하는 기술 통합 관리 기술 분산되어 있는 다양한 형태의 대용량 바이오 데이터를 저장, 관리하고 통합 검색하는 기술 바이오인포매틱스 응용서비스 지원기술 통합 관리된 바이오 데이터를 각종 응용분야에 활용하는 기술

(자료: 한국전자통산연구원, IT-BT 융합기술개발 기획연구, 2002) 바이오 인포매틱스 기술분야 (자료: 한국전자통산연구원, IT-BT 융합기술개발 기획연구, 2002)

(2) 바이오일렉트로닉스 기술 ◈ 바이오일렉트로닉스 기술분야의 내용 바이오일렉트로닉스 기술분야는 바이오 정보처리 소자 기술분야와 바이오 정보 단말 기술분야의 2개 기술을 포괄한다. ◈ 바이오일렉트로닉스 기술분야의 내용 기 술 명 내  용 바이오 정보 처리 소자 기술 질병을 감지, 진단, 치료하는 소자를 연구하는 기술 • 바이오 진단 모듈 및 시스템 기술(휴대형 바이오센서, 바이오칩, 진단/처치 복합용 의료기기 등의 소자 및 시스템 기술) • 바이오 컴퓨팅 기술(DNA 등 생체분자의 특성을 이용한 소프트웨어 및 하드웨어 기술) • 인공생체보조기 기술(각종 장기, 뼈, 눈, 피부 등의 인공 제작 및 인공장기의 기능이나 동작을 제어하는 기술) 단말 기술 감지된 인체 정보를 송수신하는 소자를 연구하는 기술 • 바이오 정보 단말기용 ASIC(주문형 반도체) 기술 및 트랜시버 기술 • 바이오 정보 단말기의 모듈 기술 • 인체-무선 단말간의 무선 링크 기술

BIT의 활용사례 <Bio Defence & Social Security의 예> 바이오일렉트로닉스 기술분야 (자료: 한국전자통신연구원, IT-BT 융합기술개발 기획연구, 2002) BIT의 활용사례 <Bio Defence & Social Security의 예>

NBIT 기술이 의료에 미칠 영향 ○ NBIT기술은 새로운 차원의 잔단 및 치료용 제품을 창출   융합신기술을 기반으로 하는 초경량, 초정밀, 초저전력 소모기술의 발전 - lab-on a chip을 이용한 단시간 정밀 진단시험 - bioinformatics를 통한 진단 및 적정 치료 정보 획득 - biomolecule을 이용한 생활성 치료 소재 - biomems를 이용한 intrabody micro-surgery ○ 의사들의 malpractice 가능성 최소화 – 진료의 질 향상