Ⅰ. 들어가는 말

   국립중앙인체자원은행은 한국인에게서 발생하는 다양한 질병의 원인 규명, 진단법, 치료법 개발·연구에 활용될 대규모 인체자원 확보 시스템을 갖추고, 17개 인체자원단위은행이 포함된 한국인체자원은행네트워크(Korea Biobank Network, KBN)를 통해 연구자 맞춤형 인체자원을 확보하여 연구자들에게 분양하고 있다. 질병관리본부의 국립중앙인체자원은행과 전국 17개 인체자원단위은행은 2001년부터 2011년 12월 31일 까지 인체자원 52만 명분을 수집하였고 454개 보건의료분야 R&D과제에 25만 바이알의 인체자원을 분양하였다[1]. 수집된 인체자원은 장기간 혹은 단기간 안정적인 상태로 유지시키기 위해서 -75℃와 -150℃ 이하의 냉동고에 보존하고 있다. 그러나 자원의 접수, 검수, 정도관리, 분양 등의 업무를 위해서 자원관리자는 상온에서 인체자원을 불가피하게 일시적으로 노출시켜야 만 한다. 냉동 저장된 인체자원은 상온에 노출된 시간과 온도에 따라 저장된 인체자원의 상(Phase)변화 및 재 저장 시 또 다른 상변화가 발생하여 건조, 다결정발생에 의한 손상으로 자원의 품질이 떨어질 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 상온 노출 시 자원의 온도안전성 확보 방안으로 크라이오벤치(CryoBench)를 사용하고 있다.
이 글에서는 질병관리본부 생물자원은행과에서 인체자원의 저장품질 향상을 위해 개발한 크라이오벤치를 기존 스티로폼 아이스박스와 비교하여 온도모니터링을 통한 장비효율성 분석에 대한 내용을 소개하고자 한다.


Ⅱ. 몸 말

   국립중앙인체자원은행에서 인체자원의 저장을 위해서 기계식냉동고(-75℃ Mechanical freezer)[2, 3], 액체질소냉동고(-150℃ ~ -196℃ Liquid nitrogen freezer)[2, 3], -80℃ 전자동자원관리플랫폼(Automated biospecimen management platform)을 사용한다. 현재 보관되어 있는 다양한 인체자원들은 -75℃ 이하의 온도에 저장되어 있으며, 접수, 검수, 분양 업무 시에 불가피하게 상온에 노출된다.
현재 국립중앙인체자원은행에 적재된 인체자원의 온도변화는 적재 전 드라이아이스를 사용한 운송장비에 의해서 온도 상승, 접수 업무에 의한 일정온도 상승, 저장장비에 적재 후 온도하강, 검수 업무 진행시 온도 상승, 저장장비에 재적재 후 온도하강, 분양업무시 일정온도 상승하는 양상을 보여준다(Figure 1, Table 1).
따라서 상온에 노출된 인체자원온도 상승, 저장장비내부에 적재된 인체자원의 온도상승(사용전력량 증가, 액체질소사용량 증가), 실내습도 유입에 의한 성에 발생 및 바코드 인식불능(사용자의 업무량 증가), 성에 발생에 의해 형성된 얼음으로 저장장비 고장발생 확률 증가(기계식냉동고 문 틀어짐, 액체질소냉동고 주입배관 막힘), 기계식냉동고 온도센서 주변에 얼음발생으로 냉동기 작동시간 및 전력사용량 증가 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점의 원인은 기존 인체자원 업무 시 저장장비 내부(-75℃ 혹은 -150℃)와 상온의 작업 공간(24℃~30℃) 사이의 온도 차이에 의해서 발생한다. 이러한 저장장비와 업무진행공간의 온도 차이를 최소화하기 위해서 질병관리본부에서는 크라이오벤치를 자체개발하여 사용 중에 있다.



 1. 기존 자원이동장비의 인체자원 온도모니터링
   인체자원의 접수, 검수, 분양 시 스테인리스 스틸(stainless steel)재질로 만들어진 카트에 스티로폼 아이스박스를 놓은 후, 스티로폼 아이스박스 내부 밑에 드라이아이스를 적재한다(Figure 3). 드라이아이스 위에 인체자원이 적재된 샘플박스를 놓고 이동 및 접수, 검수, 분양 업무를 진행한다. 접수와 검수 업무는 -75℃ 기계식냉동고에서 진행하며, 분양 업무는 기계식냉동고 혹은 액체질소냉동고에서 진행할 수 있다. 스티로폼 아이스박스 내에 해당 저장장비의 랙을 적재할 수 없어서, 사용자는 샘플박스단위로 출고하고, 최대 8개 까지 적재할 수 있다.
온도모니터링의 목적은 인체자원을 -75℃ 기계식냉동고와 액체질소냉동고에 저장 후 실험실 혹은 저장실에서 대부분 사용하는 스티로폼 아이스박스에서의 드라이아이스 사용 시 인체자원의 온도변화를 확인하고자 하였다. 드라이아이스를 사용하기 때문에, 인체자원이 냉동된 상태로 유지된다는 인식보다 스티로폼 아이스박스 내 드라이아이스에 의한 냉동상태를 온도로 확인하여 드라이아이스 사용량, 사용시간을 파악하여야 한다. 또한, 기존 인체자원 업무환경에서 온도변화 기록 및 적합성여부를 확인한다.
이에 대한 방법으로는 스티로폼 아이스박스 내 샘플박스를 적재하기전과 동일하게 드라이아이스를 적재한 상태에서 인체자원 업무 시와 동일하게 스티로폼 아이스박스의 뚜껑을 열고 9개의 온도센서로 표면온도를 3회 측정하여 스티로폼 아이스박스 내 열전도율과 드라이아이스 사용량을 확인하고, 스티로폼 아이스박스 각 벽면에서 온도센서 탐침부분을 2cm 간격을 두고 9개를 설치하여 온도분포도를 3회 측정하여 외부 온도 및 풍향에 의한 온도변화를 확인하였다. 또한 실제 사용하는 1.8ml 바이알에 인체자원 업무 시와 동일하게 테스트용 용액(1.0ml)을 적재하고 9개의 온도센서 탐침부분을 바이알 내부에 설치하여 실제 자원의 온도변화를 확인하기 위해서 온도침투도 3회를 측정하였다(Figure 4).



    스티로폼 아이스박스 내 표면온도와 온도분포도 측정결과 스티로폼 아이스박스 내 온도모니터링 그래프 A와 B에서 드라이아이스와 먼 상부는 상온에 가깝고, 드라이아이스와 가까운 하부는 평균 -13.19℃(+3.69℃, -4.94℃)가 측정되었다. 그래프에서 표면온도와 온도분포도 측정 시 순간 온도상승 구간이 있다. 그 구간에서 주변온도의 변화가 없는 것으로 보아 공조기 풍향 혹은 작업자 이동에 의한 풍향에 의해서 온도가 변화된 것으로 확인된다. 스티로폼 아이스박스를 뚜껑 없이 사용할 경우 외부풍향에 의해서 급격하게 온도가 상승될 가능성이 크다(인체자원 업무진행시 자원에 접촉을 위해서 뚜껑 미장착 상태).
스티로폼 아이스박스의 표면온도와 온도분포도를 확인하였을 때 각 온도 측정점에서 드라이아이스 온도(-78℃)와 최대 85.3℃, 최소 46.5℃차이가 발생되었다(Table 2). 표면온도와 온도분포도 결과 온도는 각 위치에서 최소온도를 확인하였고, 온도침투도 결과 온도는 기계식냉동고에서 스티로폼 아이스박스에 자원이 이동되었기 때문에, 결과에서 확인해야할 온도는 각 위치에서 최대온도이다(Figure 5).
온도분포도 3차 측정 시 설치된 하부온도센서보다 크기가 높은 드라이아이스를 사용하였을 때, 기존에 측정된 최소값보다 낮게 측정되었다. 드라이아이스의 냉기가 아래로 가라앉기 때문에, 샘플박스를 드라이아이스 밑에 적재하여야, 드라이아이스 위에 적재된 샘플박스보다 낮은 온도를 유지할 것으로 사료된다.


    스티로폼 아이스박스와 기계식냉동고 온도편차는 최대 82.3℃, 최소 43.5℃이며, 액체질소냉동고는 최대 157.3℃, 최소 118.5℃ 이었다. 온도침투도 측정결과 스티로폼 아이스박스 내부 하단에 적재된 드라이아이스와 멀어진 상부 샘플박스 내부에 적재된 인체자원의 온도는 최대 -3.5℃까지 상승하며, 드라이아이스와 가까운 하부에 적재된 자원의 온도는 최대 -34.4℃까지 상승하였다.
온도모니터링 결과에서 온도그래프와 드라이아이스 사용량을 확인하였을 때, 드라이아이스 온도(-78℃)를 전달할 수 있는 물질이 없으며 자원관리업무를 진행하기 위해서 미장착한 아이스박스 뚜껑과 인체자원보다 낮은 위치에 적재된 드라이아이스에 의해서 스티로폼 아이스박스 내부에서 온도 전달이 원활하지 않고, 외부풍향에 의해서 온도가 쉽게 상승되는 것을 확인하였다. 따라서 기존 인체자원 업무진행시 스티로폼 아이스박스를 사용한 자원업무는 사용시간에 의해서 비교적 빠르게 자원의 온도가 상승되어, 자원의 상(Phase)이 고체에서 액체로 변화될 가능성이 높은 것으로 사료된다.

2. 크라이오벤치 내부 인체자원 온도모니터링
   인체자원의 온도변화를 최소화하기 위해서 저장장비와 자원이동장비 간의 상온에서의 노출시간을 최소화 하여야 한다. 따라서 상온노출시간을 최소화하기 위해서 많은 양의 자원을 이동 및 업무를 진행할 수 있는 크라이오벤치 도입과 플랜트급 자동화 저장장비(건물크기의 저장고와 로보틱스 시스템을 사용한 자동화 자원관리 저장장비)의 도입이 필요한 것으로 판단된다. 그러나 플랜트급 자동화 저장장비를 도입하기 위해서는 많은 시간과 예산이 필요하여, 이번 인체자원업무 보완사항으로 국립중앙인체자원은행 인체자원 업무절차에 적합하게 자원이동장비를 제작하게 되었다. 국립중앙인체자원은행에서 자체적으로 설계한 크라이오벤치의 사양은 아래와 같다.



    크라이오벤치를 도입 후 인체자원의 접수, 검수, 분양업무시 온도변화를 확인하기 위하여, 스티로폼 아이스박스와 동일한 냉매인 드라이아이스를 사용하여 적재공간의 표면온도, 온도분포도, 테스트용 더미를 사용한 온도 침투도를 확인하였다. 각각 3회(각 3시간) 테스트를 진행하여 재연성 및 보완 방법 확인, 사용관련 표준관리지침서 작성을 계획하였다. 온도테스트 중에는 스티로폼 아이스박스와 동일하게 뚜껑 미장착 상태로 테스트를 진행하고, 뚜껑장착 후 온도변화를 확인하였으며, 자원관리자는 테스트 운영을 통해서 편의성 부분의 보완점을 제시하였다.
크라이오벤치에 드라이아이스를 적재하여 인체자원업무 수행 시 정확하게 사용할 수 있도록, 도달온도, 사용시간, 드라이아이스 사용량 등을 확인하였다. 스티로폼 아이스박스와 동일하게 표면온도, 온도분포도, 온도 침투도를 각각 3회(3시간) 측정하고, 뚜껑을 장착하여 1회 측정하였다.
표면온도와 온도분포도 측정결과 상하 온도편차가 최소 -1.7℃, 최대 10℃로 확인되었으며, 뚜껑이 장착되었을 경우 테스트결과 최소온도로 측정되었다. 뚜껑이 미장착되었을 때 스티로폼 아이스박스와 동일하게 외부풍향에 의해서 온도 상승 및 하강을 반복하였지만, 저장공간에 뚜껑을 장착하였을 경우, 그러한 현상이 확인되지 않았으며 작업공간의 온도도 낮아졌다. 온도침투도 1차 테스트에서는 표면온도와 온도분포도 측정시의 방법과 동일하게 드라이아이스를 적재하고 테스트용 샘플을 바로 적재하였다. 온도침투도 1차 그래프를 확인하였을 때 샘플을 적재하고 일정하게 온도가 상승한 후 하강한 것을 확인하였다(Figure 10).
표면온도, 온도분포도, 온도침투도 1차 온도그래프를 확인하였을 때 드라이아이스 적재 후 50분간 안정화 시간이 필요한 것으로 확인되었으며, 온도침투도 2차 테스트부터 드라이아이스 적재 50분 후에 샘플을 적재하여 2시간동안 측정하였다. 1차 테스트와 비교하여 최소 6.8℃, 최대 9.8℃ 낮아졌으며, 뚜껑을 장착하였을 때 27℃ 낮아졌다.
드라이아이스를 사용한 자원이동장비들의 온도모니터링 결과에서 표면온도와 온도분포도는 크라이오벤치에서 온도는 낮았고, 하부위치에서 온도 침투도는 스티로폼 아이스박스에서 낮게 측정되었다. 크라이오벤치의 열전도율이 높지만, 뚜껑을 미장착하였을 때 넓은 면적에 외부풍향이 내부에 유입되고, 내부 차가운 공기가 배출되기 때문에 온도변화가 발생된 것으로 파악된다. 스티로폼 아이스박스에서 온도침투도 측정 시 하부온도가 낮게 측정된 것은 하부 샘플박스는 아래에 드라이아이스, 위에 상부 샘플박스에 의해서 외부풍향의 영향을 덜 받는 것으로 사료된다.

Ⅲ. 맺는 말

   스티로폼 아이스박스와 크라이오벤치의 온도모니터링을 통해서 드라이아이스를 사용하였을 때, 냉기를 전달할 수 있는 알루미늄과 같은 재질을 사용하여야 인체자원 업무기간동안 자원의 온도안정성 확보가 가능한 것으로 파악되었다. 또한, 스티로폼 아이스박스와 크라이오벤치 모두 온도를 유지하기 위해서 사용하기 때문에, 인체자원관리자가 온도를 통한 자원의 안정성을 확보할 수 있도록 자원이동장비에 소형 디지털 온도계를 장착할 계획이다.
드라이아이스를 냉매로 사용할 경우 인체자원업무의 편리성이 크지만, 제한된 온도(-78℃) 이상으로 유지되는 단점이 있다. 액체질소는 1기압 상태에서 -195.8℃를 유지하여 냉매로서의 활용방안이 다양하지만 사용자의 질식 및 초저온 안전사고 발생률이 높다. 이러한 안전사고를 막기 위해서 액체질소냉동고 제조사들에서 사용하는 액체질소 흡수재를 크라이오벤치에 사용하고자 한다. 따라서 드라이아이스보다 낮은 온도를 유지할 것으로 사료되지만 온도유지기간 및 온도변화 확인을 위해서 온도모니터링을 추가 진행할 것이다.
이번 크라이오벤치의 온도모니터링 진행시 인체자원관리자가 자원냉동카트를 사용 후, 단점으로 지적한 사항이 소량의 자원을 이동할 때 많은 드라이아이스 사용 및 무게로 인해서 소형의 크라이오벤치 제작을 요청하였다. 샘플박스 5개를 이동시킬 수 있는 소형냉동이동장비 및 액체질소냉동고 랙을 쉽게 이동시킬 수 있는 수직형 크라이오벤치를 제작할 계획이다.
국립중앙인체자원은행 저장실은 여러 종류의 저장장비가 설치되어 있다. 이러한 저장장비와 자원관리자간의 온도 차이를 최소화하여 인체자원의 온도변화를 최소화하고 인체자원의 저장 상태를 최상의 상태로 유지하고자 노력하고 있다. 기존의 저장장비 외부에서 사용하던 인체자원업무 방법과 장비의 문제점 파악 및 인체자원의 저장품질유지상태 확인과 연속적인 온도관리 방안을 확보하고 이를 위해서 필요한 장비 및 설비 등의 개발, 도입하여 인체자원의 온도안정성을 유지해 나갈 예정이다.


IV. 참고문헌

1. 질병관리본부. 2012. Annual Report 2011 on National Biobank of Korea.
2. 전재필, 한복기. 2009. 바이오뱅크 입문. 월드사이언스.
3. ISBER. 2010 Best Practices for Repositories, Third Edition.
4. 질병관리본부. 2011. 2010 BIOSPECIMEN SCIENCE YEARBOOK.