(대전=도움뉴스) 김경숙 기자 = 실시간으로 심박수를 측정할 수 있는 스마트 워치, 심장 박동수를 조절하는 페이스메이커 등 생체신호를 지속적으로 측정해 다양한 병을 진단하거나 치료할 수 있는 전자소자인 생체전자소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. KAIST 연구진이 생체조직 접촉 시 손상을 최소화하고 3D 마이크로니들 구조로 조직표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재를 개발해 화제다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 스티브 박 교수, 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동연구팀이 3D 프린팅을 통해 다양한 형태의 생체전자소자를 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 전도성 고분자 기반 전극 물질을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 연구를 통해 기존 2D 전극 패터닝 기술로 접근하기 어려웠던 한계점을 극복해, 원하는 위치 및 심부 영역의 뇌 신경세포를 자극 및 측정할 수 있어, 뇌의 심부 영역에서 뇌의 활성화 원리를 정확하게 해석할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 3D 프린팅을 통해 이 기술은 피부에 부착하는 헬스케어 모니터링 소자부터 생체 삽입형 소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

기존 생체전자소자에 사용됐던 금속 물질은 단단한 물성으로 인해 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제점이 있었다. 또한, 이 문제를 보완하기 위해 개발됐던 전도성 하이드로젤 소재는 낮은 전기전도성을 가지고, 생체적합성을 개선하기 위해 소자 제작 후 24시간 이상의 독성 제거 공정을 진행해야 한다는 문제점이 있었다. 또한, 2D 구조의 전극 패터닝만 가능하다는 한계점 때문에 다양한 형태의 소자를 제작하기 어려웠다.

박 교수 연구팀은 전도성 고분자를 나노미터 크기의 콜로이드 형태로 가공해 유화 작용을 유도함으로써 잉크의 유변학적 특징*을 개선하고, 생체적합성에 악영향을 미치는 독성 물질을 원심분리 공정을 통해 제거함으로써 3D 프린팅이 가능하면서 후처리 공정이 필요 없는 고전도성 하이드로젤 잉크를 개발했다.

*유변학적 특성: 잉크의 유동성과 그에 따른 변형, 그 응답인 응력 등의 특성을 말하며 특성이 높을수록 잉크의 압출 직후 인쇄된 형태를 유지할 수 있으며, 낮으면 압출 직후 인쇄된 형태를 유지하기 어렵다.

이 재료는 선행연구 대비 약 1.5배(286 S/cm)의 전기전도도를 가지며, 고해상도 패터닝(~50μm), 전방위 3D 전극 패터닝이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 생체조직과 비슷한 물성(영 계수 750kPa)를 가져, 생체조직과의 접촉 시 손상을 최소화할 수 있다.

연구팀은 개발한 신소재 전극을 기반으로 심전도 측정(ECG) 및 근전도 측정(EMG) 측정 타투, 뇌 피질전도도(ECoG) 측정소자, 3D 뇌 탐침 측정 소자를 개발해 기능성을 검증했다. 또한 높은 전하 저장 능력을 활용, 낮은 전압(60mV)으로 쥐의 좌골 신경을 자극하는 소자를 개발해 생체 자극 소자로서의 성능을 확인했다. 더불어 복잡한 3D 회로를 필요한 적용 분야에 맞추어 제작할 수 있고 3D 마이크로니들 구조로 전극을 패터닝해 조직 표면에 있는 생체신호뿐만 아니라 조직 심부에 있는 뉴럴 인터페이스의 제작이 가능해졌다.

연구를 주도한 KAIST 스티브 박 교수는 "기존 3D 프린팅 기술을 이용해 제작되는 전자소자의 경우 전도성 및 생체적합성을 개선하기 위해 장시간 및 복잡한 형태의 후처리가 필요해 래피드 프로토타이핑(Rapid prototyping)을 장점으로 가져갈 수 있는 3D 프린팅 기술의 모든 장점을 이용할 수 없었다”며, “이번 연구에서는 이러한 단점을 해결해 향후 환자 맞춤형 바이오 전자소자 및 다양한 3D 회로 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ라고 말했다.

KAIST 신소재공학과 오병국 박사과정과 백승혁 석사, 바이오및뇌공학과 남금석 석박사통합과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 7월 11일 게재됐다. (논문명 : 3D printable and biocompatible PEDOT:PSS-ionic liquid colloids with high conductivity for rapid on-demand fabrication of 3D bioelectronics)

이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업, 중견 사업 및 ETRI의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

1. 연구 배경

생체전자소자는 생물학적 활용을 위해 사용하는 전자소자로서 최근 건강에 대한 관심이 증가함에 따라 활발하게 연구되고 있습니다. 주변에서 흔하게 볼 수 있는 생체전자소자로는 실시간으로 심박수를 측정할 수 있는 스마트 워치, 심장 박동수를 조절하는 페이스메이커 등이 있으며 생체신호를 지속적으로 측정하거나, 생체를 자극함으로서, 다양한 병을 진단하거나 치료할 수 있도록 발전하고 있습니다.

기존에는 생체전자소자를 제작하기 위해 전극으로 단단한 형태의 금속 물질을 사용하였으나, 연약한 생체조직에 상처를 입혀 염증반응을 유발하거나 신호를 왜곡시킬 수 있다는 문제점이 존재했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 체내 조직과 비슷한 물성을 가지는 하이드로젤 기반 전극 소재가 활발하게 연구되고 있는데요. 하지만 기존에 개발되었던 소재는 상대적으로 전기전도성이 낮으며, 물질의 독성을 제거하기 위해 24시간 이상의 후처리 공정이 필요하다는 단점이 있었습니다. 또한 3차원 전극 구조 패터닝이 어려워 다양한 형태의 전자 회로 구조 및 생체전자소자를 제작하기에는 어렵다는 문제점이 있었습니다.

2. 연구 내용

저희는 원심분리 공정을 통해 물질의 독성을 제거하고, 3D 프린팅이 가능하면서 높은 전기전도성을 지니며 생체적합성을 갖춘 하이드로젤 잉크를 개발했습니다. 개발한 잉크는 선행논문 대비 1.5배 높은 전기전도도(286 S/cm)를 가지며, 전도성 고분자를 콜로이드 형태로 가공하여 유화 작용을 유도함으로써 우수한 유변학적 특성을 지니게 하였습니다. 이러한 우수한 유변학적 특성은 전도성 잉크의 3D 마이크로니들 및 전방위 3D 배선 전극 패터닝 기술 등 다양한 형태의 3차원 전극 구조의 패터닝을 가능하게 합니다. 특히, 독성을 제거하는 후처리 공정이 필요 없고, 3D 프린팅을 통해 소자를 쉽고 빠르게 제작할 수 있어 환자 맞춤형 의료 소자 제작에 큰 도움이 될 것입니다.

우리는 이 물질을 활용하여 심전도(ECG) 및 근전도(EMG) 측정 타투, 뇌피질전도도(ECoG) 측정 소자, 쥐의 좌골 신경 전기자극 소자 및 뇌심부 자극 및 측정&분석을 위한 3D PILC 마이크로니들 array 소자를 개발하여 생체전자소자에서의 활용 가능성을 확인했습니다. 또한, 우수한 유변학적 특성을 활용하여 에펠탑, 다리, 피라미드와 같은 복잡한 구조물뿐만 아니라, 3D 형태의 전극구조로 패터닝할 수 있음을 확인했습니다. 다양한 형태의 소자를 빠르게 제작할 수 있어 향후 생체전자소자 분야에서 활발하게 활용될 것으로 기대됩니다.

3. 기대 효과

저희가 개발한 물질은 3D 프린팅을 통해 다양한 형태로 쉽고 빠르게 전극을 패터닝 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 환자 맞춤형 소자를 매우 빠르고 정밀하게 제작할 수 있기에, 이 기술은 피부에 부착하는 헬스케어 모니터링 소자부터 생체삽입형 소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

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