[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

생체 삽입형 전기자극 기기는 전통적인 약물 치료의 대안으로서 전기자극 요법을 활용한 치료 분야에 큰 가능성을 보여왔다. 이러한 기기들은 말초신경이나 뼈 같은 조직의 재생, 심장 박동 조절, 파킨슨병이나 알츠하이머 등 신경퇴행성 질환의 치료에 있어 효과를 가지고 있다. 그러나 현재 삽입형 전기자극 기기는 대부분 부드럽고 섬세한 신경과 기계적으로 호환되지 않는 단단한 전자 장치를 필요로 하며, 이는 조직 손상과 이물 반응을 유발할 수 있다. 또한 전선 연결, 배터리 교체, 치료 후 제거 수술이 필요하여 치료과정을 복잡하게 만들고 2차 감염 위험을 높인다.

이러한 한계를 극복하기 위해 기존에는 무선 전기자극이 가능한 유연한 기기의 활용을 연구해왔다. 이러한 기기는 일정 기간동안 배터리 없이 작동하며, 치료 후 몸 안에서 자연스럽게 분해되는 생분해성 재료를 사용해왔다. 하지만 이러한 기기들은 전극, 안테나, 커패시터 등의 구성 요소들 간의 긴밀한 연결이 필수적이기 때문에, 하나의 구성 요소에 손상이 발생하면 전체 장치가 오작동할 수 있으며, 기기의 소형화에 더불어 미시적이거나 거시적인 구조를 재디자인하는 것이 비용이 많이 들거나 기술적으로 어려웠다.

2. 연구내용

본 연구팀은 유연하고 생분해성을 지닌 종이형 무선 전기자극 기기를 개발하였다. 이 전기자극 기기는 종이처럼 가볍고 얇을 뿐만 아니라, 자르거나 접는 과정에서도 기능이 온전하게 유지되기 때문에 다양한 크기, 형태의 디자인을 실시간으로 간단하고 신속하게 구현할 수 있다. 이렇게 기기 전체에 걸쳐 분산된 전기자극 기능을 구현하기 위하여 연구팀은 기능성 나노 재료를 활용하였다. 연구팀은 우선 외부 자기장에 반응해 전기자극을 생성할 수 있는 자기전기 나노입자(Magnetoelectric Nanoparticle)를 합성하였다. 이는 나노 두께의 코어(core)@쉘(Shell) 형태의 나노결정으로서, 외부 자기장에 반응해 변형(Strain)을 일으키는 자왜(Magnetostrictive)코어와 이 변형을 전기 자극으로 변환하는 압전(Piezoelectric)쉘로 이루어져 있다. 이어서 연구팀은 개발한 나노입자를 생분해성 나노섬유(Biodegradable Nanofiber) 내부에 결합하여 종이형태의 다공성 무선 전기자극 기기를 개발하였다.

연구진은 개발된 기기의 무선 전기 자극 효과를 확인하고 나아가 신경세포의 활동을 촉진하는 효과를 시험관 내 실험(In-vitro) 모델을 통해 검증했다. 이 기기는 나노섬유의 미시적 구조를 무정렬 (Random) 또는 정렬형 (Aligned)으로 섬유 방향성을 조절하여 주변 신경 세포들이 재생되는 방향을 효과적으로 조절할 수 있었다. 또한, 생분해 속도를 조절하여 전기자극이 필요한 기간 동안만 기능을 활성화시키고 이 후에는 자연스럽게 생분해되는것도 가능했다. 이렇게 개발된 종이형 기기는 부드럽고 유연하여 울퉁불퉁하게 굴곡진 뇌 모형에 표면을 따라 밀접하게 부착이 가능함 뿐만 아니라, 원통 모양의 신경 유도 도관 (nerve guide Conduit)을 400 마이크로미터로 제작할 수 있을 만큼 뛰어난 가공성을 보였다. 뿐만 아니라 이 기기를 원하는 크기로 자르고 가공하여 미우라 오리 (Miura-ori)나 팝업북(pop-up book)등의 복잡한 거시적 구조를 실시간으로 제작하는것도 가능했다. 하나의 완성된 종이형 재료는 대략 225제곱센티미터의 면적으로 원하는 크기로 자르고 활용하여 대량 제작이 가능했다. 가령 하나의 완성된 재료는 단순하게 오려내어 2제곱센티미터의 기기를 백 개 이상 제작이 가능했다.

3. 기대효과

개발된 종이형 무선 전기자극 기기는 기능성 재료의 내장 특성을 활용해 나노미터 단위 스케일에서 무선 전기자극을 가능하게 한다. 따라서 기기를 자르거나 오려내도 기능이 유지되며, 이는 신체내 복잡하거나 한정된 공간에 삽입해야 하는 전기자극 치료에 특히 유용할 것으로 기대된다. 또한, 다양한 의료분야에 신속한 프로토타입 제작뿐만 아니라 맞춤형 전기자극 치료 기기를 개발하는데 있어서도 중요한 역할을 할것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 자기전기 나노입자(Magnetoelectric Nanoparticle)

자기장을 전기장으로 변환할 수 있는 나노크기의 입자를 뜻한다

2. 코어@쉘(Core@Shell)

중심부(코어)를 다른 물질(쉘)로 감싼 복합 구조를 뜻한다.

3. 자왜(Magnetostrictive)

자기장에 반응하여 물질의 길이나 부피가 변하는 특성을 의미한다.

4. 압전(Piezoelectric)

물질이 압력이나 기계적 힘을 받았을 때 전기장을 생성하는 특성을 의미한다.

5. 생분해성 나노섬유(Biodegradable Nanofiber)

생체 내에서 분해 가능한 재료로 만들어진 수백 나노크기의 지름을 가진 매우 가는 섬유를 뜻한다.

6. 신경 유도 도관(Nerve Guide Conduit)

손상된 신경을 재생시키고 연결하기 위해 설계된 인공적인 통로를 뜻한다. 이는 신경 섬유가 올바른 방향으로 자라도록 유도하는 역할을 한다.

7. 미우라 오리(Miura Ori)

종이를 특정 패턴으로 접어 공간을 효율적으로 절약할 수 있도록 설계된 구조이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 종이형 무선 전기자극 기기 전체 개요

개발된 무선 전기자극 기기 (좌단). 전기자기 나노입자는 생분해성 나노섬유에 결합되어있고, 나노섬유의 미시적 구조 방향성은 조절될 수 있다 (우상단). 기기를 접거나 잘라 다양한 거시적 구조를 신속하게 얻을 수 있다 (우중단). 완성된 기기는 치료 후 생분해될 수 있다 (우하단).

그림2. 종이형 무선 전기자극 기기의 구성요소

전기자기 나노입자는 외부 자기장에 반응해 변형을 일으키는 자왜 코어와 이 변형을 전기 자극으로 변환하는 압전 쉘로 이루어져 있다 (좌단). 개발된 나노입자는 생분해성 나노섬유 내부에 결합되어있고, 나노섬유는 다공성이며 미시적 구조 방향이 조절 가능하다 (우단).

그림3. 접기 자르기 등을 활용한 거시적 구조 디자인 예시

개발된 종이형 무선 전기자극 기기는 다양한 종이공예 기술들을 활용하여 여러 형태로 신속하게 재구성 될 수 있다

그림4. 종이형 무선 전기자극 기기를 활용한 시험관 내 실험

개발된 기기는 전기자극을 통해 인근 유사 뉴런 세포의 재생을 촉진하고, 세포 정렬을 제어하는 동시에 3차원 형태의 구조를 유지할 수 있다.