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뉴스 생명과학
개구리 발바닥 모사한 생체 삽입형 전자패치 개발
Bio통신원(한국연구재단)
개구리의 발바닥을 모사한 하이브리드 미세구조를 기반으로 점·탈착 시 화학적 잔류물이 없는 청정한 생체 삽입형 전자 패치가 제안됐다.
※ 하이브리드 미세구조 : 두 이종 물질이 합쳐진 소재를 기반으로 제작된 마이크로 사이즈의 미세 구조
한국연구재단은 성균관대학교 방창현 교수팀, 손동희 교수팀(제1저자 성균관대 김다완 박사, 대구경북첨단의료산업진흥재단 송강일 박사)이 공동연구를 통해 화학점착제 없이 생체 내 역동적인 움직임 및 수분환경 등에서도 고접착 상태를 유지할 수 있는 생체친화성 전자 패치를 개발했다고 밝혔다.
개구리 발바닥을 본뜬 생체접착 소재는 수소 결합(물리적 정전기), 모세관력 및 흡입 응력(기계적 상호작용)을 기반으로 접착을 유도하여, 체액이 항상 존재하는 생체조직에 안정적인 접착력과 탈착 시 화학적 잔류물이 없는 특성을 갖도록 설계 되었다.
※ 수소 결합(물리적 정전기) : 전기 음성도가 강하고 크기가 작은 원소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 정전기적 인력
※ 모세관력 및 흡입 응력(기계적 상호작용) : 서로 끌어당기려는 액체 분자들 사이의 응집력과 부피 변화로 발생하는 압력차에 의한 응력
기존 생체 삽입형 전자패치들은 주로 의료용 봉합사를 이용하거나, 생체접착 화학소재들을 이용하여 부착하였다.
하지만, 의료용 봉합사를 이용한 경우 환자의 추가적인 장기손상의 부담이 있고 화학적 접착제를 사용한 경우, 점·탈착 시 발생하는 잔여물로 인해 생물학적 거부반응이나 유착의 부작용이 발생할 가능성이 높은 문제가 있었다.
※ 화학적 접착제(Chemical adhesive): 두 물체를 공유결합 형태의 화학적인 방식으로 서로를 붙이는 데 쓰이는 물질
최근에는 유연 고분자 소재 기반의 건식 접착제가 적용되고 있으나, 생체표면의 점막 및 주변 근육에 의한 역동적인 움직임, 탄성 특성 등에 대해 청정 접착 성능을 유지하기 어려운 기술적인 한계를 가지고 있다.
※ 건식 접착제(Dry adhesive): 물리적인 방법으로 두 물체를 붙이는 데 쓰이는 물질. 화학적 접착제와 다르게, 탈착 시 표면에 잔류물이 남지 않음
이에, 연구팀은 개구리 발바닥을 본뜬 미세구조기반 탄성고분자와 하이드로젤(하이브리드 접착소재)의 표면접착력 및 정전기력과의 열역학적 평형 메커니즘을 최초로 규명, 생체 표면에 화학적 잔류물이 없이 지속 가능한 생체 조직 접착력을 갖는 전자패치를 개발하였다.
※ 하이브리드 접착소재 : 두 이종 물질이 합쳐진 접착용 소재
※ 열역학적 평형 : 에너지의 자발성에 의한 열적, 정적, 화학적으로 평형인 상태
또한, 높은 조직 접착 능력을 갖는 생체친화성 청정 접착 바이오소자를 이용하여 설치류 좌골 신경, 뇌 근육 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 생성되는 전기 생리학적 신호들(심전도, 근전도, 뇌전도 등)에 대해 장기간 신뢰할 수 있는 측정이 가능함을 확인했다.
추후, 동물 실험 등을 통해 지속적인 안전성 검증을 거쳐 실제 응용이 가능할 것으로 보고 있다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업 등의 지원으로 진행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2021년 11월 15일 온라인 게재(출간본 표지 논문 선정)되었다.
주요내용 설명
<작성 : 성균관대학교 방창현 교수>
논문명
Electrostatic-mechanical synergistic in situ multiscale tissue adhesion for sustainable residue-free bioelectronics interface
저널명
Advanced Materials
키워드
Bio-adhesive (바이오 접착제), Hydrogel (하이드로젤), Multiscale structures (멀티스케일 구조물), Bioelectronics (바이오전자소자), Biomimetics (생체모방)
DOI
10.1002/adma.202105338
저 자
방창현 교수(교신저자/성균관대학교), 손동희 교수(교신저자/성균관대학교),
김다완 박사(제1저자/성균관대학교), 송강일 박사(제1저자/대구경북첨단의료산업진흥재단), 성두환 학생(공동저자/성균관대학교)
1. 연구의 필요성
○ 최근 새로운 생체삽입형 전자 패치는 다양한 치료 및 생체 정보 진단에 필수 기술이며, 무엇보다 급성 또는 만성 질환 환자들에게는 생체 내부에 청정하고 높은 접착력을 갖기 위해 많은 연구를 진행하고 있다.
○ 현재까지 개발된 생체삽입형 전자패치는 주로 의료용 봉합사를 이용하거나, 화학적 접착제를 사용하여 생체 표면에 부착되였다. 그러나 의료용 봉합사의 경우 환자의 추가적인 장기손상 가능성이 있다. 또한, 화학적 접착제의 경우 탈착 시 발생하는 잔여물로 인해 생물학적 거부반응이나 부작용이 발생할 가능성이 높은 단점이 있다.
※ 화학적 접착제(Chemical adhesive): 두 물체를 공유결합 형태의 화학적인 방식으로 서로를 붙이는 데 쓰이는 물질.
○ 이를 극복하기 위해 의료용 전자패치에 유연 고분자 소재 기반의 건식 접착제가 적용되고 있으나, 가혹한 생체환경(생체표면의 점막, 및 주변 근육에 의한 역동적인 움직임과 탄성 특성 등)에서 청정 접착 성능을 유지하기 어려운 기술적인 한계를 가지고 있다.
※ 건식 접착제(Dry adhesive): 물리적인 방법으로 두 물체를 붙이는 데 쓰이는 물질. 화학적 접착제와 다르게, 탈착 시 표면에 잔류물이 남지 않음.
2. 연구내용
○ 본 연구에서는 하이브리드 멀티스케일 미세구조 기반 생체 내 역동적인 움직임 및 수분환경에서도 고접착 상태를 유지하면서, 탈착 시 화학적 잔류물이 없이 청정 점착이 가능한 생체친화성 전자 패치 소재를 개발하였다.
○ 개발된 전자패치는 생체접착 소재를 통해 가역적인 물리적 힘인 정전기(수소 결합) 및 기계적 상호작용(모세관력 및 음압)을 기반으로 접착을 유도하여 조직에 대한 장기간의 불안정한 결합과 관련된 문제를 극복하는 데 돌파구를 제시하였다.
※ 모세관력 : 액체의 응집력과 표면-액체 사이의 부착력에 의해 발생하는 힘.
※ 음압(negative pressure) : 물체 내부가 외부와 단절되어 있을 때, 물체 내부의 기압을 감소될 때 나타나는 외부기압과 압력 차이로 흡인력이라고도 함.
○ 건식 접착 소재를 기반으로 제작된 전자패치는 체액이 항상 존재하는 생체조직에 안정적인 접착력을 가지면서도 탈착 시 화학적 잔류물 없이 청정 부착이 가능하다는 장점을 가진다.
○ 또한, 연구팀은 생체표면의 점막과 근육 및 신경 표면에서 발생하는 역동적인 움직임과 탄성 특성 등의 가혹한 생체환경에도 개발된 전자패치가 장기간의 안정적인 접착 능력을 가지는 것을 확인하였다.
○ 인체의 전기 생리학적 신호들(심전도, 근전도, 뇌전도 등)을 안정적으로 측정하기 위해, 자가치유 고분자 및 금 나노껍질로 코팅된 은 마이크로 입자 기반의 신축성 전극 소재를 사용하였다.
※ 자가치유 고분자 : 물리적 손상에 의해 소재가 손상되거나 망가져도 스스로 복구할 수 있는 고분자 소재
○ 나아가, 높은 조직 접착 능력을 기반으로 신축성 전극과 결합한 청정 접착 바이오소자는 설치류 좌골 신경, 근육, 뇌 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 생성되는 전기 생리학적 신호들(심전도, 근전도, 뇌전도 등)에 대해 장기간 신뢰할 수 있는 측정이 가능한 것을 확인하였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 개발된 청정 고성능 접착 전자패치 계면 소재는 체내 장기뿐만 아니라 피부 등의 인체 내외 조직의 상처봉합, 지혈을 위한 바이오 접착제로 활용할 수 있을 것으로 밝혔다.
○ 또한, 신축성 바이오소자와 결합한 청정 접착 전자패치는 다양한 장기 표면에서의 안정적으로 생체 신호를 측정할 수 있음을 검증하였다. 뿐만 아니라, 신경과 소자 간 기계적 물성 격차를 극복하며 안정적, 그리고 장기간 모니터링이 가능한 신경-기계 인터페이스 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
○ 청정 접착 기반 전자패치 소재는 피부, 근육 및 심장 표면에 적용되는 다양한 생체부착 또는 삽입형 진단/치료용 소자의 장시간 사용을 위해 긴밀하고 청정한 접착을 위한 돌파구가 될 것으로 기대된다.
(그림1) 청정부착이 가능한 생체친화성 전자 패치 개념도
(a) 생체친화성 고점착 패치는 마이크로 채널 및 3차원 흡착구조를 가지는 탄성고분자와 채널구조에 삽입된 하이드로젤(하이브리드 접착소재)로 구성된다.
(b) 탄성고분자의 미세 마이크로 채널 구조에 삽입된 하이드로젤은 생체 조직에 존재하는 유체를 흡수하는 방식으로 수분을 조절한다.
(c) 모세관력 및 음압(기계적 상호작용) 및 수소 결합(정전기)의 시너지 메커니즘을 바탕으로, 가역적인 물리적 점착이 이루어진다.
그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수 Copyright 2022, Wiley-VCH.
(그림2) 생체친화성 전자 패치의 점착 성능 분석 및 열역학적 평형 메커니즘
(a) 생체친화성 고점착 패치는 다양한 생체 조직 표면(피부, 근육, 소장, 간 등)에서 높은 수직 점착력을 가진다.
(b) 화학적 접착제와 다르게 생체친화성 고점착 패치는 탈착 후에도 잔여물이 남지 않는 청정 점착 특성을 가진다.
(c-d) 생체친화성 고점착 패치는 근육과 굴곡진 방광 표면에서도 지속적인 점착을 유지한다.
(e) 열역학적 평형 메커니즘 분석을 통해, 안정적인 접착이 가능한 조건을 제시하였다.
그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수 Copyright 2022, Wiley-VCH.
(그림3) 신축성 전극과 결합한 청정 접착바이오소자 개념도
(a) 설치류 좌골 신경, 근육, 뇌 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 전기 생리학적 신호 측정이 가능한 생체친화성 전자 패치를 개발하였다.
(b) 생체친화성 전자 패치를 이용한 좌골 신경, 뇌, 근육에서 발생하는 전기생리학적 신호(심전도, 뇌전도, 근전도 등)의 장기간 안정적 측정 및 신뢰성을 입증 하였다.
그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수 Copyright 2022, Wiley-VCH.
연구 이야기
<작성 : 성균관대학교 방창현 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
최근 새로운 생체 접착제는 다양한 치료 및 진단 소자에 필수 기술 특히, 무엇보다 급성 또는 만성 질환 환자들에게는 생체 내부에 청정하고 높은 접착력은 갖기 위해 많은 연구를 진행하고 있습니다. 따라서 청정 점착 구현을 위해, 화학적 결합이 아닌 가역적인 물리적 힘을 들인 정전기(수소 결합) 및 기계적 상호작용 통해 고점착이 가능한 생체친화성 전자 패치를 개발하게 되었습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존 개발된 생체 접착제들은 화학적 접착제를 사용하여 높은 접착력을 가졌으나, 탈착 시 발생하는 잔여물로 인해 생물학적 거부반응이나 부작용이 발생한 가능성이 높은 단점이 있습니다. 이를 극복하기 위해 최근 유연 고분자 소재 기반의 건식 접착제가 개발되고 있으나, 가혹한 생체환경(생체표면의 점막, 및 주변 근육에 의한 역동적인 움직임과 탄성 특성 등)에서 청정 접착 성능을 유지하기 어렵습니다. 본 연구는 화학적 결합이 아닌 가역적인 물리적 힘을 들인 정전기(수소 결합) 및 기계적 상호작용(모세관 보조 흡입 응력)을 기반으로 접착을 유도하여, 체액이 항상 존재하는 생체조직에 안정적인 접착력과 탈착 시 화학적 잔류물이 없는 특성을 갖는 생체친화성 패치를 제안하였습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
뇌, 신경, 근육 및 심장 등 다양한 장기 표면에 적용되는 다양한 생체부착 또는 삽입형 진단/치료용 소자의 장시간 사용을 위한 긴밀하고 청정한 접착을 위한 돌파구가 될 것으로 기대됩니다. 향후 지속적인 동물 실험과 안정성 실험을 통해 사람에게도 적용하기 위한 안정성 검증이 필요합니다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
환경에 적응하고 살아남기 위한 생물들의 지혜로운 방식을 관찰하고 분석하여, 우리가 가진 다양한 문제들을 해결하고 또 여러 의료 및 산업분야에 적용할 수 있는 연구들을 하고자 합니다.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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