생물 몸 속에 심어도 부식 걱정 없는 유연 신경전극 개발

ETRI 연구진, 고분자 필름 플라즈마 처리로 접착력 향상
생체삽입이나 웨어러블 센서 활용 기대
생물의 몸속에 전극을 넣어도 부식 등의 변화가 없고, 오랜 기간 신경신호를 측정하면서 세포에 효율적으로 전기 자극을 줄 수 있는 신경전극이 개발됐다.

ETRI는 금이나 불소계 고분자로만 구성되고, 생체친화적이면서 가벼운 전극 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

연구진이 개발한 신경전극은 화학적 부식요소가 없어 다양한 물질로 구성된 체액에서 오랜 기간 삽입해도 안정성이 있다. 이 전극을 활용하면 안정적으로 뇌 신경신호를 검출하고 신경조직 자극도 지속적으로 할 수 있다.

최근 미국에서 손상된 뇌신경에 전극을 심고, 1개월 동안의 전기자극을 통해 식물인간인 환자가 깨어나 전 세계를 놀라게 했다. 하지만 환자가 정상화되기 위해서는 대뇌 피질에 삽입한 전극이 내구성을 갖고 있고, 지속적인 전기신호를 보낼 수 있어야 한다. 

기존에 실리콘을 기판으로 하는 전극은 기계적 강도가 강한 대신 생물학적으로 거부반응이 심하다는 문제점이 있다.

반면 유연한 고분자를 기판으로 하는 전극은 생물학적 거부 반응은 적지만 고분자 기판과 금속 전극 간 접합하는데 어려움이 있었다. 접착층으로 크롬이나 티타늄이 일반적으로 사용되지만 생물의 몸속에서 부식된다는 문제점이 있었다. 

이에 연구진은 흡습성이 거의 없는 불소계 고분자 필름을 플라즈마로 처리해 금(Au)전극과의 접착률을 향상시켰다. 이 필름을 녹는점 이하에서 열압착해서 불소계 고분자 간 화학적 결합을 통해 접착력도 키웠다.  

연구진은 이를 통해 전극의 직경이 100㎛(마이크로 미터)인 16채널 금 신경전극을 제작했다. 이어 유연 신경전극을 섭씨 70℃의 진한 질산에 1시간 이상 담가도 부식되지 않는 화학적 안정성도 확인했다.

이후 연구진은 원광대학교 기초의학팀과 협력해 이를 실험용 쥐 머리에 삽입한 후 약물로 간질을 유도하고, 발작 신호를 감지해 신경전극으로서 성능도 확인했다.

연구진은 개발된 전극이 생체 삽입용 혈당 센서, 착복형 유연 센서, 사지절단 장애인을 위한 신경보철 보급, 뇌질환자의 기능 회복을 통한 고령화 대응, 웨어러블 센서, 극한환경에서 내구성이 요구되는 화학 센서 등 다양한 분야에서 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.  

정상돈 ETRI 시냅스소자창의연구실장은 "향후 전임상 시험을 통해 오랜 기간 생체적합성을 확인한 이후 임상에 적용할 계획"이라면서 "이번 연구와 관련된 기술 보급은 국내외 뇌 기능의 이해 증진 등 실용화에 기여할 것"이라고 말했다.

김민선 원광대 의대 교수는 "개발된 전극은 생체에 삽입해 근육이나 신경세포에 지속적인 전기자극을 줘서 뇌와 심장 기능 조절에 활용될 수 있다"면서 "오랜 시간 경두개나 경막에 부착해 뇌 활동성을 측정·조절할 수 있는 전극으로 다양한 뇌질환 전달과 치료를 위한 기초소자로 사용 가능하다"고 말했다.

이번 연구성과는 미국화학회가 발간하는 '응용 재료·인터페이스(ACSAMI)'에 게재됐다.

쥐를 대상으로 한 불소계 유연 신경전극 자극실험.<사진=ETRI 제공>쥐를 대상으로 한 불소계 유연 신경전극 자극실험.<사진=ETRI 제공>
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