국내 연구진이 생체조직 접촉 시 손상을 최소화하고 3D 마이크로니들 구조로 조직 표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재 개발에 성공했다.

KAIST는 스티브 박(왼쪽) 신소재공학과 교수, 박성준 바이오및뇌공학과 교수 공동 연구팀이 3D 프린팅을 통해 다양한 형태의 생체전자소자를 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 전도성 고분자 기반 전극 물질을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 연구를 통해 기존 2D 전극 패터닝 기술로 접근하기 어려웠던 한계점을 극복, 원하는 위치와 심부 영역의 뇌 신경세포를 자극·측정할 수 있어, 뇌의 심부 영역에서 뇌의 활성화 원리를 정확하게 해석할 수 있을 것으로 기대된다. 또 3D 프린팅을 통해 이 기술은 피부에 부착하는 헬스케어 모니터링 소자부터 생체 삽입형 소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

기존 생체전자소자에 사용됐던 금속 물질은 단단한 물성으로 인해 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제점이 있었다.

이 문제를 보완하기 위해 개발됐던 전도성 하이드로젤 소재는 낮은 전기전도성을 가지고, 생체적합성을 개선하기 위해 소자 제작 후 24시간 이상의 독성 제거 공정을 진행해야 한다는 문제점이 있었다. 2D 구조의 전극 패터닝만 가능하다는 한계 때문에 다양한 형태의 소자를 제작하기 어려웠다.

연구팀은 전도성 고분자를 나노미터 크기의 콜로이드 형태로 가공해 유화 작용을 유도함으로써 잉크의 유변학적 특징을 개선하고, 생체적합성에 악영향을 미치는 독성 물질을 원심분리 공정을 통해 제거함으로써 3D 프린팅이 가능하면서 후처리 공정이 필요 없는 고전도성 하이드로젤 잉크를 개발했다.

이 재료는 선행연구 대비 약 1.5배 전기전도도를 가지며, 고해상도 패터닝, 전방위 3D 전극 패터닝이 가능하다는 장점을 가진다. 또 생체조직과 비슷한 물성를 가져, 생체조직과 접촉 시 손상을 최소화할 수 있다.

연구팀은 개발한 신소재 전극을 기반으로 심전도·근전도 측정, 타투, 뇌 피질전도도 측정소자, 3D 뇌 탐침 측정 소자를 개발해 기능성을 검증했다. 또 높은 전하 저장 능력을 활용, 낮은 전압(60㎷)으로 쥐의 좌골 신경을 자극하는 소자를 개발해 생체 자극 소자로서 성능을 확인했다.

스티브 박 교수는 “기존 3D 프린팅 기술을 이용해 제작되는 전자소자의 경우 전도성과 생체적합성을 개선하기 위해 장시간에 걸쳐 복잡한 형태의 후처리가 필요했다”면서 “이번 연구에서는 이러한 단점을 해결해 향후 환자 맞춤형 바이오 전자소자와 다양한 3D 회로 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’7월 11일자에 게재됐다.

구본혁 기자