 생체 이식형 헬스케어 전자기기 개발
안정적으로 생체신호 탐지 및 모니터링
우리나라는 2025년에 초고령화 사회에 진입할 것으로 보이며, 국민 개개인의 건강에 대한 관심이 급증하면서 헬스케어 분야가 폭발적으로 성장하고 있다. 특히 4차 산업혁명 시대에 성장잠재력이 높은 생체 이식형 헬스케어 센서도 주목받고 있다. 이에 실시간으로 생체신호를 체크하도록 돕는 이 헬스케어 기기의 연구개발에 대해 다루고자 한다.
정리 김경한 기자│자료 한국연구재단, 성균관대학교, 세종대학교, GIST
생체이식 헬스케어 기기는 실시간으로 건강 정보를 신체 내에서 얻을 수 있는 반면, 신체 내 거부반응과 같은 부작용을 최소화하는 방향으로 개발해야 하는 숙제를 안고 있다.
광주과학기술원(GIST) 윤명한·이광희 교수 연구팀은 이를 해결하고자 체내에서 장시간 안정적으로 작동하는 고성능 전자소자를 개발해 화제가 되고 있다.
한편, 성균관대학교 김태일 교수와 세종대학교 최영진 교수 공동 연구팀은 체내에 삽입해 스트레스 호르몬 분비를 실시간으로 모니터링할 수 있는 센서 시스템을 구현했다.
플라스틱 전해질 전자소자 개발
체내에서 고성능 및 고안정성 유지
GIST 신소재공학부 윤명한·이광희 교수 연구팀이 고온·고압의 멸균처리 후에도 체내에서 장시간 안정적으로 작동하는 고성능 플라스틱 전해질 전자소자를 개발했다.
유기생체 전자소자는 기존의 무기물 및 탄소 기반 소자보다 우수한 생체신호 감지능력, 기계적 유연성, 생체 적합성과 낮은 공정비용 등의 특성에 따라 차세대 인체 이식용 전자의료기기의 핵심기술로 각광받고 있다. 하지만 이러한 친수성 물질은 장기간 용액구동 시 재료의 팽윤현상을 유발해 소자 성능의 저하를 야기하며, 특히나 인체 삽입형 소자 제작을 위한 필수 요소인 고온-고압의 멸균처리를 견디기 힘들게 한다는 점이 한계로 지적돼 왔다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 계면활성제와 가교제 등 첨가제를 추가하는 기존의 개선방식 대신 근본적인 재료공학적 접근법을 통해 높은 성능과 안정성을 동시에 확보하고자 했다.
 [그림 1] 고성능·고안정성을 지닌 플라스틱 논리소자(왼쪽), 결정화된 전도성고분자의 세부구조(중앙), 미래 인체친화형 헬스케어 기기의 모식도(오른쪽)결정화된 PEDOT : PSS는 높은 결정성과 다공성 미세구조로 인해, 높은 소자성능 및 기기안정성을 갖는다. 미래 인체 친화형 헬스케어 기기의 개발 측면에서 볼 때 이 연구결과는 플라스틱 생체전자기기의 성능 및 안정성 향상 측면에서 근본적인 접근법을 제시한다는 점에서 주목할 만하다.
연구팀은 유기생체전자소자 개발 분야에서 가장 대표적인 물질인 전도성 고분자(PEDOT : PSS)의 미세구조를 분석했다. 이를 위해 용매매개결정화법을 적용해 고결정성 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly (styrenesulfonate) (PEDOT : PSS) 필름을 도입하고, 물질의 구조적, 조성 특징에 따른 전기적/전기화학적 특성 및 전기화학트랜지스터로서의 성능과 구동안정성을 평가했다. 그 결과 첨가제 없이 활성층 고분자 물질의 고결정성 분자 재배열 유도만으로도 전해질 트랜지스터의 소자 성능과 수용액상 안정성이 극대화한다는 사실을 규명한 것이다.
또한 연구팀은 이 같은 고결정성 고분자의 안정성에 따라 플라스틱 전자소재를 이용한 생체전자소자가 생체 이식형 의료기기의 미생물 멸균 과정에서 주로 쓰이는 고온·고압의 오토클레이브(Autoclave) 처리 이후에도 고성능·고안정성을 유지할 수 있다는 점을 확인했다.
유기생체전자 분야는 고분자화학, 반도체물리, 생물학 등의 여러 배경지식이 융합돼야 하는 다학제 간 연구가 필요한 분야로 그 유망성에 비해 연구적 접근이 힘들어, 미국 및 유럽의 몇몇 연구그룹들이 대부분의 연구를 수행하는 실정이었다. 하지만 이번 연구를 통해 얻을 핵심기술을 통해 우리나라에서도 이 분야로의 연구가 활발히 이루어질 수 있을 것으로 기대된다고 연구진은 밝혔다.
생체전자기기는 실시간 생분자 탐지, 부정맥탐지 등의 의료용기기 등 여러 분야에 활용이 가능해 그 유망성이 높으므로, 이 연구에서 제시한 접근법은 향후 고성능 및 고안정성 생체전자소자 상용화에 큰 진전을 가져올 것으로 여겨진다.
윤명한 교수는 “생체전자소자 개발을 위해 필수적인 전도성 고분자 물질의 성능 향상과 용액 안정성을 비교적 간단한 용역매개 결정화법을 통해 확보한 것”이라며 “향후 생체전자소자 상용화와 사물인터넷(IoT) 기반의 유연 광센서나 수계 유기전극 기반 촉매 개발에도 기여할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 미래소재디스커버리사업, 나노·소재원천기술개발사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 21일자 논문으로 게재됐다.
체내 삽입형 호르몬 센서 구현
스트레스 호르몬 실시간 모니터링 가능
성균관대학교 화학공학과 김태일 교수와 세종대학교 나노신소재공학부 최영진 교수 공동 연구팀은 동물 체내에 삽입 가능한 유연한 전자소자로 부신의 전기생리학적 신호를 검지해 스트레스 호르몬인 코티졸을 간접 측정했다고 밝혔다.
코티졸은 스트레스 상황에서 분비되는 호르몬으로, 지속적으로 과도하게 분비되면 만성질환과 우울증을 유발한다. 그 중요성에도 불구하고 코티졸 분비량을 검지하는 것은 쉽지 않다. 기존의 타액이나 혈액을 이용한 측정 방법은 실시간 모니터링이 불가능하고 검지 해상도가 낮은 한계가 있다.
 [그림 2] 스트레스 질환에 대한 코티졸의 역할스트레스를 감지하면 인간의 두뇌는 부신 피질에서 스트레스 반응 호르몬인 코티졸을 분비하도록 지시한다. 신체 내부에 과도하게 분비된 코티졸은 만성 스트레스 반응을 유발해 전신에서 다양한 질환을 직접적으로 혹은 간접적으로 유발한다.
연구팀은 반도체공정을 이용해 수 마이크로미터 두께의 유연한 전기생리 센서를 제작했으며, 이 센서를 살아있는 쥐의 부신에 삽입해 전기생리학적 반응신호를 기록하는 작업에 성공했다. 연구진이 만성스트레스 상태에서 발생하는 부신피질자극호르몬(ACTH)을 외부에서 투여해 코티졸 분비를 유도한 결과, 전기생리학적 신호의 빈도가 크게 증가한 것을 확인했다. 이를 통해 신호의 빈도와 스트레스호르몬인 코티졸 호르몬 분비거동과의 상관관계를 밝혔다.
공동 연구팀은 만성스트레스뿐만 아니라 동물에게 실제 스트레스 환경을 조성해 실험하는 것에도 성공했다. 동물의 강제수영실험(forced swimming test)을 통한 일시적 스트레스 인가 후 신호 변화를 측정한 결과, 부신피질 및 부신수질에서 동시에 신호가 증가하는 것을 확인해 만성 스트레스와 일시적 스트레스의 상관관계를 밝혀냈다.
개발된 센서는 재료적으로 생체 친화적이고 매우 얇기 때문에, 이 센서를 삽입한 후에도 실험동물은 생존율이 높았다. 유연한 물리적 특성 덕분에 기존의 딱딱한 생체집적소자에 비해 오랜 시간 동안 체내에서 안정적으로 작동했을 뿐 아니라 조직 자체의 손상도 적음을 확인했다. 이 센서는 체내에서 9주 이상 측정이 가능했다.
이 전기생리센서는 체내에서 스트레스 호르몬의 실시간 모니터링이 가능하게 했다는 데 연구 성과가 있다. 향후 스트레스호르몬의 과다 분비로 고통 받는 환자들에게 적용하면, 이상분비를 실시간으로 검지하고 적절한 약물을 투여해 이상분비로 인한 부작용을 방지할 수 있는 임상적 응용이 가능할 것으로 기대된다고 한다.
더불어 호르몬의 분비 과정에서 전기생리신호가 발생하고, 이 신호가 호르몬 생성에 결정적인 방아쇠가 되기 때문에 반대로 전기 자극을 통해 인체 내 다양한 호르몬의 분비를 제어할 수도 있을 것으로 보인다. 이를 우리의 전기생리센서에 적용한다면 스트레스 호르몬의 이상분비를 검지하고 즉시 전기자극을 통해 제어를 할 수 있을 것이라고 연구 관계자는 설명했다.
뿐만 아니라 스트레스 호르몬 이외에 뇌하수체, 이자도세포, 생식세포 등의 호르몬조직 역시 호르몬을 분비할 때 전기생리신호를 발하는 것으로 알려져 있다. 전기생리신호를 통해 생성되는 많은 호르몬들은 항상성 유지를 위해 핵심적 역할을 수행하고 있으며, 이 호르몬들의 이상은 많은 내분비계 질환의 주요 원인이 된다. 상기했던 바와 같이 개발된 전기생리적 호르몬 센서는 시계열적, 공간적으로 높은 해상도에서 정밀한 신호를 검지할 수 있으므로 각종 호르몬 기관에서 임상적 적용과 연구에 이용할 수 있을 것으로 여겨진다. 이는 내분비 기관 연구에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이다.
 [그림 3] 삽입가능한 실시간 스트레스 호르몬 분비센서
김태일 교수는 “그동안 잘 알려지지 않은 부신의 호르몬 분비를 파악하는 기본 연구이며, 여타 다른 생체기관의 호르몬 조절 연구까지 파급효과를 얻을 수 있을 것이다”라고 밝혔다.
이어 최영진 교수는 “향후 의학적으로 환자 모니터링에 적용할 수 있을 뿐 아니라 검지 과정을 역이용하면 간단한 전기 자극을 통해 스트레스가 질병화하는 것을 막을 수 있을 것으로 기대된다”라고 강조했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원으로 수행되었다. 권위있는 국제학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 1월 7일자 논문으로 게재됐다.
<Energy News>
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