3D 프린팅 및 자기 구동: 내시경의 크기 제한 돌파

전통적인 방법으로 제조된 구동 가능한 내시경은 광학 부품, 액추에이터 및 기계 구조를 통합하며, 소형화 능력에 한계가 있어 전체 외부 직경이 일반적으로 1mm를 초과합니다. 이는 인체의 가장 가는 혈관과 좁은 내강에 접근하는 데 어려움을 야기합니다.

2025년, 네이처의 자매지인 커뮤니케이션즈 엔지니어링에 발표된 한 연구가 획기적인 발전을 이루었습니다. 오늘 이 연구 보고서를 해석해 보겠습니다.

독일 슈투트가르트 대학교 및 기타 기관의 협력 연구는 매우 작고 자기 구동이 가능한 3D 프린팅 내시경 마이크로시스템을 제안하고 검증했습니다. 핵심은 2광자 중합 3D 프린팅 기술과 자기 구동의 결합으로, 광학, 기계 및 미세 유체 구조를 갖춘 완전한 마이크로시스템을 이미징 광섬유 번들의 끝면에 직접 한 단계로 통합 제작할 수 있습니다.

이 신기술의 작동 방식은 이해하기 어려울 수 있으며, 핵심은 "원스텝 통합 제작"이라는 문구에 있습니다. 기존 방식은 마이크로렌즈, 마이크로스프링, 마이크로자석과 같은 미세 부품을 개별적으로 제조한 다음, 마치 미세 조각 수술을 하는 것처럼 현미경 하에서 조립합니다. 이는 매우 어렵고 오류가 발생하기 쉬운 과정입니다. 반면에 이 신기술은 "한 번의 프린팅, 일체형 성형"을 실현합니다. 모든 부품이 상호 연결된 전체로 인쇄되어 본질적으로 단일 단위가 되므로, 악몽과 같은 미세 조립 단계를 완전히 제거합니다.

번거로운 마이크로 조립 공정을 제거하고, 복잡하고 정밀한 마이크로 광학 시스템을 3D 프린팅을 통해 한 단계로 제작합니다.

전자기 마이크로 코일이 시스템에 통합되어 있으며, 전류로 제어되는 자기장이 미세 구조에 내장된 폴리머 결합 자석을 구동하여 광학 부품의 정밀한 움직임을 달성합니다.

시연된 모든 시스템의 전체 직경은 900 마이크로미터(0.9mm) 미만으로 성공적으로 제어되었으며, 가장 컴팩트한 회전 구동 시스템은 직경이 약 660 마이크로미터에 불과하여 구동 가능한 내시경 장치의 놀라운 소형화를 실현했습니다.

연구팀은 각각 줌, 고화질 영상, 파노라마 보기 기능을 갖춘 세 가지 자기 구동식 마이크로시스템을 시연했습니다.

원리: 마이크로 렌즈는 세 개의 나선형 스프링에 의해 지지되며 축 방향으로 자화된 폴리머 자석에 내장됩니다. 전원이 공급되면 전자기 코일에서 생성된 자기장이 자석과 렌즈를 밀어 광축을 따라 이동시킵니다.

기능: 렌즈의 전후 이동은 초점 거리를 변경하여 줌(실험에서 약 1.3배의 줌 비율을 얻음)을 달성하며, 전체 내시경을 이동시키지 않고도 다른 물체 거리에서 초점을 다시 맞추는 데에도 사용할 수 있습니다.

크기: 마이크로 시스템 자체는 직경 500 마이크로미터이며 500 마이크로미터 광섬유에 통합되어 총 직경은 약 810 마이크로미터입니다.

원리: 특별히 설계된 유연한 힌지(예: 네 개의 평행 판 스프링)는 자기장의 작용 하에 마이크로 렌즈가 정밀한 측면 이동을 수행할 수 있도록 합니다.

기능: 측면 이동은 이미징 광학 경로에 약간의 변화를 일으켜 동일한 객체의 여러 약간 오프셋된 이미지를 얻습니다. 이러한 이미지를 알고리즘을 통해 융합함으로써 이미징 광섬유 번들의 고유한 "벌집 모양" 픽셀화 문제를 효과적으로 극복하여 이미지 해상도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 실험 결과, 재구성된 이미지는 원래 구별할 수 없었던 프링지를 명확하게 구별할 수 있음이 입증되었습니다.

치수: 전체 직경도 약 810 마이크로미터입니다.

원리: 편심 폴리머 자석이 장착된 마이크로 프리즘이 두 개의 토션 바를 통해 장착됩니다. 축 방향 자기장이 자석을 구동하여 프리즘이 축을 중심으로 회전하게 합니다 (실험에서 약 -6.9°에서 +9.0°의 회전 각도가 측정되었습니다).

기능: 프리즘의 회전은 광 경로의 방향을 변경하여 관찰 시야각을 이동하고 확장합니다. 이를 통해 임상의는 내시경 자체를 움직이지 않고도 측면 영역을 볼 수 있어 좁은 공간에서의 상황 인식을 향상시킵니다.

크기: 350마이크로미터 광섬유에 인쇄되며, 전체 시스템의 직경은 약 660마이크로미터에 불과하여 세 가지 중 가장 작습니다.

이 연구는 구동 가능한 내시경의 소형화에 있어 중요한 진전을 이루었습니다. 최첨단 마이크로/나노 3D 프린팅 기술과 독창적인 자기 구동 설계를 결합하여, 심장 혈관, 신경계 및 소아과 적용과 같은 극도로 좁은 공간에서의 미래 초정밀 최소 침습 수술 및 진단을 위한 완전히 새로운 기술 경로를 열었습니다. 내시경의 "눈"이 단순히 "볼" 수 있을 뿐만 아니라 "확대", "주변을 둘러보기" 및 더 선명하게 볼 수 있게 되면, 최소 침습 의학의 경계는 다시 한번 확장될 것입니다.

인용 출처:

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. et al. 자기 구동 3D 프린팅 내시경 마이크로 시스템. Commun Eng 4, 69 (2025).https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8