고전도성·생체 조직 물성 지닌 하이드로겔 이용 고성능 의료기기 구현 성공
"급속도 성장 전자약 시장 게임체인저 기대"…'네이처 커뮤니케이션스' 발표
생체전자 의료기기는 체내에서 발생하는 신호를 읽어 생물학적 활동을 감지하거나, 조직을 자극해 질병을 치료하는 데 사용된다. 하지만 의료기기에 사용되는 전극 물질은 딱딱한 물성을 때문에 체내 염증반응을 일으키고 조직의 다량 손상을 일으키기도 한다. 이런 이유로 체내 조직과 같이 부드러운 성질을 가지면서도 전도성을 띠는 하이드로겔과 같은 연성 물질을 체내 전극으로 사용하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
강지형 한국과학기술원(KAIST) 교수(신소재공학과)와 박성준 교수(바이오및뇌공학과) 공동 연구팀이 기존에 없었던 신소재인 고전도성, 유사 조직 접착성 하이드로겔을 개발해 고성능 생체전자 기기를 구현했다.
대부분 전기 전도도가 높을수록 전도성 도메인들의 결정성은 높아지기 때문에 전도성이 높은 하이드로겔은 딱딱해지고, 부드러운 하이드로겔은 전도성이 낮을 수밖에 없다.
전도성 고분자를 사용하는 하이드로겔 중 전기 전도도가 높으면서도(10 S/cm 이상) 부드러운 물성(100 kPa 이하)을 가진 하이드로겔은 지금까지 보고되지 않았다.
강지형 교수팀이 개발한 하이드로겔은 지금까지 알려진 전도성 고분자 하이드로겔 중 가장 높은 전기 전도도(247 S/cm)를 띄며, 조직과 비슷한 물성(탄성율 = 60 kPa, 파괴변형률 = 410%)을 갖는다. 또 지속적인 움직임과 팽창, 수축이 있는 심장, 위와 같은 조직에서 안정적으로 기기가 작동하기 위한 필수조건인 조직에 쉽게 접착된다.
연구팀은 원하는 생체 조직에 맞게 조정하고 그 형태에 맞추는 주형의 그물 구조에 따라 높은 질서도를 갖는 고분자 주형 네트워크를 도입했다.
주형에 맞춰 형성된 그물 네트워크는 기존 네트워크 대비 100배 이상 높은 전기 전도도를 보이며, 동시에 주형 고분자의 부드러운 특성 때문에 조직과 비슷한 물성을 지닌다. 변형에도 저항이 바뀌지 않아 생체전극으로서 최적의 성능을 갖는다.
연구팀은 이 하이드로겔을 이용해 전극 기반의 높은 전기 전도도를 가진 다양한 고성능 생체전자 기기를 제작, 기능성을 검증했다. 높은 전기 전도도를 가진 특성 때문에 좌골신경 자극을 대상으로 하는 디바이스의 경우, 매우 낮은 전압(40 mV)에서 다리 근육의 움직임을 성공적으로 유도했다. 또 심전도 측정(ECG)을 위한 디바이스의 경우에도 매우 높은 신호 대 잡음 비(61dB)로 신호를 측정하는 데 성공함으로써 초고품질 생체 신호 측정을 위한 연성 기기 개발 가능성을 입증했다.
강지형 교수는 "이번 연구는 고전도성을 갖고 생체조직과 유사한 기계적 물성을 갖는 하이드로겔 개발을 위한 합성 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 의미가 있다"라며 "이번에 개발된 전도성 하이드로겔은 급속도로 성장하고 있는 전자약 시장에서 게임 체인저가 될 것으로 기대된다"고 말했다.
정주은 박사과정(신소재공학과)·성창훈 박사과정(바이오및뇌공학과)이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션스>(Nature Communications) 4월 18일자에 게재됐다(논문명: Highly conductive tissue-like hydrogel interface through template-directed assembly).
