주사로 주입해 분해 속도 조절

지스트 신소재공학 이재영 교수팀, 재료 분야 저명 학술지 ‘스몰(Small)’에 게재

지스트(광주과학기술원, 총장직무대행 박래길) 신소재공학부 이재영 교수 연구팀은 주사로 주입할 수 있고 수명을 조절할 수 있는 생체 이식형 전도성 수화젤을 제작했다.

왼쪽부터 박중건 연구원과 이재영 교수
왼쪽부터 박중건 연구원과 이재영 교수

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.

그림1-분해성 및 안정성 주사형 전도성 수화젤의 생체신호 전극 활용 모식도
그림1-분해성 및 안정성 주사형 전도성 수화젤의 생체신호 전극 활용 모식도

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 사용하여 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.

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. 

그림2-분해성 및 안정성 주사형 전도성 수화젤의 특성 분석 결과 (주입성, 전도성, 분해성 및 생체 신호 측정)
그림2-분해성 및 안정성 주사형 전도성 수화젤의 특성 분석 결과 (주입성, 전도성, 분해성 및 생체 신호 측정)

30 kPa의 기계적 특성과 20 mS/cm* 정도의 전도도를 보이며 생체조직과 유사한 부드러운 특성과 생체 신호를 효율적으로 측정할 수 있는 수준의 전기적 특성을 지닌다. 

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. 

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