절개 시술 없이 주사로 주입할 수 있는 이식형 생체전극이 개발됐다. 생체전극은 표적 약물 전달과 파킨슨병 치료를 위한 심부·뇌 자극과 만성 통증 완화에 사용된다.
광주과학기술원(GIST)은 이재영 신소재공학부 교수 연구팀이 주사기로 주입할 수 있고 수명을 조절할 수 있는 '생체 이식형 전도성 수화젤'을 제작했다고 20일 밝혔다. 전도성 수화젤은 수화젤 골격 고분자에 전도성 물질을 섞어 제작한 것으로, 전기적 특성을 가지면서 유연해 생체전극에 널리 응용된다.
이식형 생체전극은 생체 신호를 측정하고, 선별적 전기 자극으로 특정 조직에 표적 약물을 전달할 수 있는 기술이다. 하지만 기존 이식형 생체전극은 절개 시술을 이용한 이식·제거 수술이 필요했다. 이에 상처와 감염의 부작용이 있었고, 금·백금과 같은 전도성 재료로 조직 손상과 염증 반응으로 인한 통증이 발생했다.
연구팀은 수화젤 기반 이식형 생체전극으로 수술이 필요 없이 주사로 주입할 수 있도록 했다. 주사로 주입하기 때문에 감염 위험을 최소화할 수 있고, 분해 속도를 조절해 전극의 수명을 제어할 수 있다는 설명이다.
연구팀은 '클릭 화학 반응'을 사용해 수화젤 기반 이식형 생체전극을 주입할 수 있도록 설계했다. 클릭 화학 반응은 두 개의 서로 다른 화학 작용기가 마치 컴퓨터 마우스 '클릭'처럼 짧은 시간에 결합하는 반응을 의미한다.
클릭 반응으로 전도성 수화젤은 곡면이나 조밀한 조직 내부에서도 작동한다. 또 수화젤 고분자 골격에 따라 생분해성이 조절되고, 생체 내에서 가수분해(물에 의해 분자가 쪼개지는 현상)가 가능하도록 설계했다. 그 결과, 개발된 이식형 생체전극은 근전도(신경과 근육에서 발생하는 전기적 신호)와 같은 생체 신호를 기존보다 3배 이상 높은 감도로 측정할 수 있었다.
수화젤의 분해 속도를 조절할 수 있다는 것도 큰 특징이다. 분해성 수화젤은 주입 직후 고감도로 근전도를 측정하고, 체내에서 분해된 후에는 신호가 측정되지 않았다. 분해 기간은 7일 이내였다. 비분해성 수화젤은 구조적 안정성을 유지하면서 최대 3주 동안 체내에 남아있었다.
이재영 교수는 "기존 이식형 생체전극의 한계를 뛰어넘는 제어 가능한 전도성 수화젤을 제작했다"며 "향후 금속 기반 전극을 대체해 인체에 활용될 수 있는 요육적인 이식형 생체전극이나 조직 재생의 스마트 전극으로의 활용이 기대된다"고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단 '나노 및 소재기술개발사업'과 '기초연구실사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 재료 분야 국제학술지 '스몰(Small)'에 지난달 24일 게재됐다.
참고 자료
Small, DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202300250