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BioLab 이은열 교수
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개구리 발바닥 모사한 생체 삽입형 전자패치 개발
김다완
김다완 (성균관대학교)
2022 BRIC 세미나 상반기  |  2022.04.13
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. 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.
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. 건식 접착 소재를 기반으로 제작된 전자패치는 체액이 항상 존재하는 생체조직에 안정적인 접착력을 가지면서도 탈착 시 화학적 잔류물 없이 청정 부착이 가능하다는 장점을 가진다. 또한, 연구는 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. 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.
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. 한, 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. 정 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.

Bio-adhesive (바이오 접착제), Hydrogel (하이드로젤), Multiscale structures (멀티스케일 구조물), Bioelectronics (바이오전자소자), Biomimetics (생체모방)
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