재료 분야 저명 학술지 ‘스몰’에 게재
[정보통신신문=박남수기자] 광주과학기술원(지스트) 신소재공학부 이재영 교수 연구팀은 주사로 주입할 수 있고 수명을 조절할 수 있는 생체 이식형 전도성 수화젤을 제작했다. …
연구팀은 수화젤 기반의 생체 이식형 전극을 개발해 절개 없이 주사로 주입함으로써 감염 위험 등 부작용을 최소화하고 분해 속도를 조절하여 전극의 수명을 제어했다.
이식형 생체전극은 정밀한 생체 신호를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 파킨슨병 치료를 위한 심부 뇌 자극, 만성 통증 완화를 위한 척수 자극 등 선별적 전기 자극이 가능하며, 생리적 신호를 실시간 모니터링하여 특정 조직에 표적 약물을 전달하는 복합형 전극으로의 활용이 가능하다.
반면 기존 이식형 생체 전극은 절개 시술에 따른 상처, 감염 등 부작용이 생기거나 금, 백금과 같은 전도성 생체재료 이식 시 조직 손상 또는 극심한 염증 반응이 일어날 위험성이 있으며 이식 및 제거 시 수술이 필요하다.
전도성 수화젤은 전도성 수화젤은 수화젤 골격 고분자와 전도성 물질을 섞어 제작된다. 이렇게 제작된 전도성 수화젤은 전기적 특성이 우수하고 부드러우면서 유연하기 때문에 세포 지지체, 여러 전자 소자, 생체 전극 등 여러 분야에 응용된다.
연구팀은 클릭 화학 반응을 사용해 생체전극을 주입할 수 있도록 설계했다. 주사형 전도성 수화젤의 경우, 곡면이나 조밀한 조직 내부에서 등각 접촉이 가능하다. 생분해성은 수화젤의 고분자 골격의 종류에 따라 분해 정도를 조절했으며, 생체 내에서 가수분해가 가능하도록 고분자와 안정적인 고분자를 사용했다.
클릭 화학 반응은 2001년 노벨화학상을 수상한 칼 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless)가 만든 용어로, 분자 결합에 사용 가능한 효율적․선택적 화학 반응이다. 이번 연구에서는 대표적인 클릭화학반응이자 생리학적 조건에서 높은 수율을 보여 주입성 생체재료에 적절한 Michael addition 반응을 사용했다.
이 수화젤은 기존 금속 기반 생체 전극과 비교해 절개 없이 주입할 수 있을 뿐만 아니라, 고성능 및 생체 적합성 측면에서 생체 신호 측정에 더 유리하여 3배 이상 높은 감도로 근전도 신호를 측정할 수 있다.
30 kPa의 기계적 특성과 20 mS/cm* 정도의 전도도를 보이며 생체조직과 유사한 부드러운 특성과 생체 신호를 효율적으로 측정할 수 있는 수준의 전기적 특성을 지닌다.
지멘스(기호 S)는 전기 전도도(electrical conductance)의 국제 단위로, 옴의 역수와 같다. 1 지멘스(S)는 1 볼트(V)의 전압이 걸렸을 때 1 암페어(A)의 전류를 통과시키는 전도도이다. (1 S/cm = 1,000mS/cm)
연구팀이 개발한 수화젤은 분해 속도를 조정할 수 있다. 1) 분해성 수화젤의 경우, 주입 직후에는 고감도로 근전도를 실시간으로 측정할 수 있었고 체내에서 분해된 후에는 신호가 측정되지 않았다. 또한 7일 이내에 완전히 분해되는 것으로 확인됐다. 2) 비분해성 수화젤은 구조적 안정성을 유지하고 체내에서 오랫동안 변하지 않고 남아있었으며, 최대 3주 동안 생체 전극으로 기능했다.
근전도(electromyography, EMG)는 신경과 근육에서 발생하는 전기적 신호로 질병 및 근육질환과 말초 신경 질환에 대한 검사가 가능하다.
이재영 교수는 “기존 이식형 생체 전극의 한계를 뛰어넘는 제어 가능한 분해성, 안정성 및 주입성을 가진 전도성 수화젤을 제작했다”며 “향후 금속 기반의 전극을 대체해 인체에 활용될 수 있는 더욱 효율적인 생체 이식형 전극이나 조직 재생의 스마트 전극으로의 활용이 기대된다”고 말했다.
지스트 이재영 교수팀이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단-나노 및 소재기술개발사업과 한국연구재단 기초연구실사업의 지원을 받아 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 2023년 2월 24일 온라인 게재됐다.
