일본산업뉴스요약

바이오이미지 센서, 산∙학∙관으로 실용화 
도요하시과학대, 이온∙신경전달 관찰/ 로봇∙의약∙농업에 응용

도요하시기술과학대학은 올림푸스나 하마마쓰 포토닉스, 국립장수의료연구센터(아이치현) 등과 산∙학∙관 협력으로 이온이나 신경전달의 움직임을 관찰하는 바이오이미지센서의 실용화를 도모하고 있다. 신경전달물질을 관찰하는 현미경, 냄새 성분을 검출하여 패턴화하는 카메라 등을 개발하였다. 실용화를 위한 연구회에는 중견∙중소기업도 참가하여 용도를 모색하고 있다. 2018년에 과학기술진흥기구(JST)의 산학공창플랫폼공동연구추진프로그램 ‘OPERA’에 채택되어 로봇이나 의약, 농업 등에 대한 응용을 추진하고 있다.

바이오이미지센서는 도요하시과학대학 전기∙전자정보공학계 사와다(沢田) 교수 연구팀이 개발하였다. 전하결합소자(CCD) 기술을 이용하여 이온 신호를 전자량으로 변환, 이온 농도를 기존의 100분의 1 이하로 검출한다. 수소이온지수(pH) 분포를 2차원으로 실시간 측정, 형광색소를 사용하지 않고 이온이나 신경전달 등의 생체 물질의 움직임을 관측한다.

-- 5년에 걸쳐 개발 --
사와다 교수는 “효과나 타깃에 대해서는 정확히 알지 못했지만 보이지 않는 것을 볼 수 있다면 새로운 산업으로 이어질 것이다”라는 생각으로 개발에 착수하였다. 단, 수중에서 기능하는 반도체라는 난제에서 개발을 담당할 기업을 찾지 못해 도요하시과학대학의 설비로 5년에 걸쳐 개발하였다.

그 후에 하마마쓰 의과대학과 하마마쓰 포토닉스 등의 협력을 얻어 프로토타입 제작이나 고성능화 등을 도모하면서 “실용화를 위해 어떻게 사용하고, 어떻게 사회에 활용할 것인가, 대학 측이 앞장설 필요가 있다”(사와다 교수)라고 판단하였다. 연구개발 외에 도호(東朋)테크놀로지(나고야시), 이케다토카(池田糖化)공업(히로시마현) 등 중견∙중소기업도 참가하는 연구조직 ‘멀티모달 바이오이미지센서 연구회’를 12월에 설립하였다.

연구회에서는 바이오이미지센서를 다면적으로 응용하여 산업 발전으로 연결시키기 위해 연구회나 강연회 등을 열어 정보제공이나 공동개발 등을 검토하고 있다.

또한 16년에는 특허를 관리하는 ‘도요하시센서협의회’라는 조직을 설립하였다. 바이오이미지센서로 약 70건의 특허를 취득하였으며, 가일층의 보급을 위해 특허를 활용하고 싶은 기업과의 교섭을 원스톱으로 추진하는 지적재산 관리조직을 두기로 하였다.

-- 현미경 개발 --
연구기관과 연구기관의 연계도 추진한다. 야마나시대학 의학부나 생리학연구소와 공동으로 뇌의 해마에서 신경전달물질이나 삼인산아데노신(ATP)의 움직임을 보고 세포해석 등에 사용하는 현미경을 개발하였다. 단, 현미경은 많은 대수의 보급을 전망하기 어려웠다. “과학적인 의의는 있지만 센서의 보급 속도를 높이기 위해서는 현미경보다 대량판매가 가능한 것이 필요하다”(사와다 교수)라고 느꼈었다.

그래서 연구회의 멤버 가운데 자비로라도 개발할 각오가 있는 멤버를 중심으로 프로젝트팀을 결성하였다. 냄새를 검출하는 카메라 ‘니오이(냄새)카메라’를 개발하였다. 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 이미지센서 상에 검출막을 도포하고, 냄새를 구성하는 복수의 가스종(種)이 흡착했을 때의 전기신호의 변화를 포착한다. 가스종의 조합을 패턴 인식하여 표시한다.

니오이카메라를 응용하여 간병이 필요한 사람의 소변 냄새를 비접촉으로 감지하여 컴퓨터 등에 표시한다. 떨어진 장소에서 배뇨 상태를 확인할 수 있는 센싱 장치를 개발하였다. 심층학습과 조합하면 배뇨 타이밍을 알 수 있어 간병인의 부담을 줄일 수 있다. 또한 변비나 요로감염 의심 등 건강 상태의 확인이나 예방의료에도 응용 가능하다.

JST의 OPERA 사업은 기업이 갹출하는 연구개발비와 같은 금액을 JST가 보조하는 시스템으로 기업이 주력할수록 개발 속도가 빨라질 것으로 전망된다.

-- 냄새 검출 응용 --
로봇에 대한 전개에서는 의료나 간병 관련에서의 활용을 목표하고 있다. 냄새 검출을 응용하여 땀의 pH나 호흡, 이온 등을 계측하여 컨디션관리나 스트레스를 체크하는 등의 방법으로 병실 회진로봇 등에서의 용도를 전망한다.

의약분야에서는 재생의료나 알츠하이머 관련에서의 활용을 목표한다. 신약개발에서 약의 효과나 영향을 검사할 때에 iPS세포(유도만능줄기세포)에 투여하여 이온의 움직임을 관찰하는 형식을 상정한다. 세포 레벨에서 검사할 수 있어 기존의 마우스 등 동물을 이용한 경우와 비교하여 개발기간을 단축할 수 있다.

또한 뇌의 해마의 신경전달물질인 글루타민산은 활성화하여 기억형성에 관여한다고 한다. 그곳에서 칼륨이온이나 ATP의 움직임을 관찰하는데 센서를 활용하면 약의 자극이나 부작용 검사에 응용할 수 있을 것으로 전망한다.

농업의 경우는 에히메대학 농학부 등과 공동으로 농작물의 병충해 대책에 활용한다. 병충해의 피해를 입은 농작물이 나온 경우, 옆에서 자라고 있는 농작물은 피해를 입은 냄새를 느끼고 병충해를 피하는 체제를 만든다고 한다. 이 시스템에 니오이카메라를 응용하여 냄새로 농작물이 시들지 않도록 관리하는 방법의 확립을 목표한다.

▶과학의 힘으로 새로운 산업 창출
도요하시기술과학대학 사와다 카즈아키(沢田和明) 교수

JST의 OPERA 사업에 채택됨으로써 바이오이미지센서의 다분야 전개를 본격화할 수 있게 되었다. 센서의 개발자이며 산∙학∙관 협력에 앞장서고 있는 사와다 교수에게 목적과 향후 방침에 대해 물었다.

Q: 센서 개발의 목적은 무엇입니까?
“세상에 없는 센서를 개발하고자 노력해 왔다. 이온의 움직임으로 신체나 질병의 구조를 알 수 있게 되기를 바라는 마음에서 연구를 시작하였다. 과학의 힘으로 새로운 산업을 창출하는 것이 목적이다”

Q: 연구회를 중심으로 활동하고 있습니다.
“컨소시엄에서는 기업이나 연구기관 등이 많이 모이기 쉽다. 멤버와 멤버가 정보를 교환하거나 보조금을 받아 공동 개발을 추진하는 데는 좋을지도 모른다. 그러나 대학의 시즈를 실용화하기 위해서는 대학이 리드하여 연구개발에 착수하는 체제가 바람직하다. 제품 개발이나 비즈니스 전개, 타깃으로 하는 시장 등을 어떻게 할지에 대해서는 대학 측도 생각해야 한다. 시장을 바꾸는 경우는 기업이 생각하면 된다”

Q: 앞으로는 실용화가 가속될 것 같습니다.
“센서 개발을 계속하면서 주변을 포섭한다. 대학이 사업화에 관여하는 형태를 플랫폼로서 확장하고 싶다. 박사과정의 학생을 참여시켜 인재육성도 도모한다”

 -- 끝 --