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“내 상처 얼마나 나았나..”의료용 실과 바늘이 실시간으로 체크한다!
Bio통신원(DGIST)
- 등록2024.07.30
- 조회1223
DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 이재홍 교수 연구팀이 성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 이정승 교수팀과의 공동연구를 통해 상처 부위의 염증 수준 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 전자봉합사를 개발했다고 30일(화) 밝혔다. 이 전자봉합사는 다양한 의료 분야에서 상처 관리와 맞춤형 치료에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
상처의 치유 과정은 매우 복잡하며 주변 환경에 큰 영향을 받는다. 부적절한 관리로 인해 치유가 지연되면 상처는 만성화될 수 있으며, 이로 인해 절단, 장애, 심지어 사망에 이를 수도 있다. 특히, 만성 상처의 경우 상태를 지속적으로 정확히 모니터링하고 조기에 감염을 진단하는 것이 매우 중요하다.
이를 위해 지금까지 다양한 상처 관리 소자가 개발되었지만, 대부분 밴드나 패치 형태였다. 이러한 소자들은 피부 표면의 상처만 진단할 수 있어서, 피부 표층보다 깊은 곳에 위치한 상처의 치유 상태나 염증 상태를 정확하게 평가하는데 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해 이재홍 교수 연구팀은 성균관대학교 이정승 교수팀과 공동으로, 인체 내부와 외부 상처의 염증 상태를 장기간 모니터링 할 수 있는 봉합사형 상처 모니터링 시스템을 개발했다. 이 시스템은 일반 의료봉합사처럼 상처를 닫는 역할을 하면서도 동시에 봉합사가 적용된 상처 부위의 염증 상태 변화를 실시간으로 감지할 수 있다.
기존의 의료봉합사는 상처를 닫는 역할만 수행했다. 반면, 이번에 개발된 전자봉합사는 상처의 염증 상태를 지속적으로 모니터링 할 수 있는 기능을 추가하여, 의료 현장에서 더 효과적인 상처 관리를 가능하게 한다. 이 전자봉합사는 상처 부위의 염증 상태를 실시간으로 감지하여 적절한 치료를 받을 수 있도록 돕는다. 또한, 감염 상태를 조기에 감지하여 치료 시기를 놓치지 않도록 하여 상처 회복을 촉진할 수 있다.
이재홍 교수는 “이번 연구를 통해 봉합사형 체내삽입 전자소자 기술이 실제 의료 현장에서 활용될 가능성이 높아졌다.” 며 “향후 전자봉합사 개발 뿐만 아니라 다양한 형태의 생체 신호를 측정할 수 있는 인체 삽입형 헬스케어 기기 분야 연구를 적극적으로 진행할 것이다.” 라고 밝혔다.
한편, 본 연구에는 DGIST 로봇및기계전자공학과 이재홍 교수의 주도로, 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 이정승 교수가 교신저자로 함께 참여하였다. 연구 결과는 7월 17일(수) 재료 과학 분야 저명 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 18.5)에 게재되었다. 본 연구는 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 범부처전주기의료기기 개발사업, 과학기술정보통신부의 우수신진연구자사업, 기초연구실 사업, 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
Hwajoong Kim, Jung Hyun Kim, Minji Jeong, Dongwook Lee, Jinho Kim, Mugeun Lee, Gain Kim, Jayoung Kim, Jung Seung Lee*, and Jaehong Lee*
(Advanced Functional Materials, on-line published, 2402501, 2024)
상처 부위의 생리학적 pH 레벨은 임상 실습에서 상처 상태를 모니터링하는 데 사용할 수 있는 기본 요소 중 하나이다. 상처의 상태를 장기간 지속적으로 평가하기 위해 다양한 생체전자 pH 센서가 개발되어 왔지만, 주로 붕대나 패치형태로 설계되었기 때문에 체내에 발생한 상처의 pH 레벨을 모니터링하는 데에는 부적절하다. 이를 위해, 본 연구팀은 체내 상처의 pH 레벨을 측정할 수 있는 섬유 형태의 생체 전자봉합사 시스템을 개발하였다. 개발된 전자봉합사는 기존 의료용 봉합사로써의 역할을 수행할 뿐만이 아니라 치유 과정 모니터링을 위한 정밀 pH 센서의 역할 역시 수행하게 된다. 전기화학적 원리로 pH level을 감지하는 전자봉합사는 작업 전극용 폴리아닐린과 기준 전극용 Ag/AgCl로 기능화된 Au 나노입자 기반의 유연한 전극으로 구성된다. 이러한 이중 기능 전자봉합사는 58.9 mV/pH의 안정적이고 높은 감도, 무시할 수 있는 히스테리시스 및 높은 안정성을 특징으로 한다. 또한 의료용 봉합사로써의 적합성을 판단하기 위해, 전자봉합사의 표면 마찰 특성을 실험적으로 조사함과 동시에 이론 검증을 실시하였으며, 전자봉합사의 생체 적합성이 체계적으로 검증되었다. 최종적으로, 개발된 pH 감지 봉합사의 기능을 입증하기 위해 전자봉합사를 마우스의 절개 및 만성 상처 모델에 적용함으로써, 치유 기간 동안 상처의 염증 및 치유 진행 과정을 지속적이고 정확하게 모니터링 할 수 있음을 성공적으로 입증하였다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
이번 연구에서는 의료봉합사임과 동시에 인체삽입형 전자소자(pH 센서)로써의 역할도 수행하는 상처 관리용 전자봉합사를 개발했다는 점에서 기존관련 기술들과 차별성이 있다. 봉합사형 구조를 기반으로, 기존 기술이 실제 의료 현장에 적용되기 위해 해결해야 할 실용적 한계점들(구조, 고정, 적용편의성 등)을 효과적으로 극복하였다. 또한 동물 모델 평가를 통해, 개발된 센싱 시스템이 상처 회복 과정에 성공적으로 적용될 수 있음을 검증하였다.
어디에 쓸 수 있나
본 연구는 체내 및 체외에 발생한 상처 부위의 pH 레벨을 모니터링하는 모든 의료 분야에 적용 가능하다. 특히 체내 상처 모니터링을 함에 있어서 상처의 치유 상태를 정밀하게 모니터링하는 것에 효과적으로 사용될 수 있다. 이를 통해 전반적인 의료 분야의 치료 모니터링 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
개발된 소자가 체내삽입형 전자 소자이기 때문에 체내에서의 장기(long-term) 안정성을 확실하게 확보하는 것이 중요하다. 이를 위해 생체 전자봉합사의 직경, 물성, 재질, 제작 공정, 가격 등을 더욱 최적화 시키는 과정이 필요하다. 이를 위해, 해당 연구들를 지속적으로 이어나가 관련된 과제들을 하나씩 해결해나가고자 한다.
연구를 시작한 계기는
건강/헬스케어 분야에 대한 중요성이 대두됨에 따라 인체삽입형 헬스케어 전자소자에 대한 연구가 활발해지고 있다. 다양한 형태의 인체삽입형 소자의 개발에도 불구하고, 기존 기술이 실제 의료 현장에 적용되기에는 여러 가지 실용적 문제들의 해결이 필요하다고 판단되어 연구를 시작하게 되었다.
어떤 의미가 있는가
이번 연구로 새로운 형태의 전자봉합사를 제안하였을 뿐만 아니라, 개발된 시스템을 조직의 상처의 회복 프로세스와 관련된 동물 모델 평가에 성공적으로 적용하여 실질적인 실용 가능성을 보여준 것에 큰 의미가 있다.
꼭 이루고 싶은 목표는
지속적연 연구를 통해 개발된 전자봉합사 시스템을 더욱 고도화시켜 실제 의료 현장에 적용될 수 있는 수준으로 끌어올리는 것을 목표로 하고 있다.
[그림 1] 의료용 생체 전자봉합사 시스템
(상용 의료봉합사와 결합된 형태의 의료용 생체 전자봉합사 시스템. 일반 의료 봉합 절차를 통해 원하는 부위에 섬유형 센서를 쉽고 안정적으로 고정시킬 수 있음.)
[그림 2] 생체 전자봉합사의 효용성을 입증하기 위한 Ex-vivo 평가
(인공 피부 및 다양한 pH level을 가지는 돼지고기에 봉합된 생체 전자봉합사)
[그림 3] 생체 전자봉합사의 동물 모델 평가를 통한 상처 부위의 회복 과정 정량 평가
(생체 전자 봉합사를 마우스의 절개 및 만성 상처 모델에 적용하여, 치유 기간 동안 상처의 염증 및 치유 진행 과정을 지속적이고 정확하게 모니터링 할 수 있음을 성공적으로 입증함.)
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