[한국대학신문 이정환 기자] 성균관대학교(총장 유지범) 전자전기공학부 손동희 교수와 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 공동연구팀은 추가적인 봉합술이 필요없는 부드러운 신축성 심장 접착 전자 패치 기술을 개발하고, 이를 기반으로 움직이는 동물로부터 장기간 안정적으로 심전도(ECG)를 계측해 내 심혈관계 질환을 진단함과 동시에 전기자극으로 치료했다.

심장의 반복적인 수축-이완 운동에도 안정적으로 구동할 수 있는 체내 이식형 전자소자를 만들기 위해 신축성이 우수하고, 부드러운 기계적 특성을 갖는 고분자 소재를 이용한 다양한 전자소자들이 개발되어왔다.

그러나, 신축성과 전도성을 동시에 지니기 위해 고체 상태의 전도성 첨가제를 넣은 고분자 복합소재(composite)는 고분자 본연의 기계적 특성을 잃어버리고 딱딱하게 변성되어, 굴곡지고 부드러운 심장 조직 표면을 압박 없이 감싸기에 어려움이 있다. 이에 따라 장기간 안정적으로 심전도를 기록하는 데에 한계가 있었다. 그뿐만 아니라, 반복적인 심장의 움직임에도 소자를 고정하기 위해 바느질에 기반한 봉합술이 필수적이다.

이에 성균관대 연구팀은 부드러우면서도 신축성을 갖는 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판층, 뛰어난 심장 접착성을 가지는 하이드로젤층, 내구성이 뛰어난 액체 금속 필러-자가치유 고분자 복합체 전극층으로 구성된 심장 전자 패치를 개발했다

해당 심장 접착 전자 패치는 반복적인 심장 박동 상황에서도, 바느질을 전혀 하지 않고 심외막에 신속하고 안정적으로 부착이 가능했다. 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판층과 조직 접착성 하이드로젤층의 3차원 결합 구조를 통해 접착성능을 향상했으며, 고분자층의 응력 완화 효과와 더불어 반복된 심장박동에도 접착성능을 유지할 수 있었다. 또한, 패치의 빠르고 균일한 접착능력을 통해 움직이는 심장 표면에서도 패치의 고른 부착이 가능했다

아울러 연구팀은 심근 경색 유발 소동물 모델에서 심근경색 유도 전후의 심장 신호를 획득하고, 변화를 관찰하는데 성공했으며, 심근경색 진단이 가능할 정도의 정확한 심장 신호를 획득할 수 있는 패치의 성능을 검증했다.

이후 움직이는 동물로부터 한 달 동안 신호의 유실 없이 심전도 계측에 성공했다. 또한, 부정맥 및 급성심근경색을 나타내는 심전도 진단에 성공했으며 전기자극을 통해 효과적으로 심박조율이 가능함을 증명했다. 이를 통해 해당 패치가 양방향성 심장 패치임을 확인할 수 있었다.

구체적으로, 개발된 심장 패치를 이용하여 부정맥 유발 소동물 모델에서 심장 신호를 획득해 부정맥의 단계를 진단하고, 전기자극을 통해 치료할 수 있었다.

또한, 액체 상태를 갖는 금속 입자들의 부드러운 물성을 갖는 전극과 전기방사 방식으로 만든 네트워크 구조 자가치유 고분자 기판층은 심장박동으로 인해 축적된 응력을 완화시킬 수 있는 최적의 솔루션을 제공했으며, 어떠한 조직 손상도 유발하지 않았다.

한편, 본 연구팀은 이러한 양방향성 심장 패치의 우수한 성능이 액체금속 기반 복합체 전극층과 조직접착 하이드로젤 층의 화학적 상호작용으로부터 구현됨을 밝혔다. 기존의 액체 금속 기반 입자들의 표면에 불가피하게 형성되는 산화막은 우수한 전도성을 나타내는데 걸림돌이 돼 왔으나 연구팀이 개발한 패치에서는 접착성 하이드로젤의 작용기와 액체금속 입자의 배위결합에 의해 산화막이 깨질 수 있었으며, 이는 안정적인 전기자극 및 신호 계측에 있어 핵심적인 역할을 하고 있었다.

기존의 전자 패치는 심장에 고정이 되지 않아 추가적인 봉합술이 필요하고, 물성이 딱딱하여 반복적인 심장의 움직임에 의해 쉽게 손상되어 오랫동안 사용하기에 어려웠으나 본 연구에서 개발된 심장 접착 전자 패치는 뛰어난 심전도 계측 및 자극성능을 보유하고 있어 새로운 형태의 바이오 전자소자 플랫폼을 제시할 뿐만 아니라 관련 응용 분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다.

손동희 교수는 “본 연구에서 개발된 바이오 전자 스티커 패치 기술은 심혈관계 중증 질환의 정밀 진단 및 치료 효과를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대되며, 더 나아가 인체 내 다양한 장기에 차세대 전자약으로써 응용될 수 있다”고 말했다.

신미경 교수는“이번 연구는 우리 몸에 혈액을 공급하기 위해 매우 중요한 역할을 하는 심장에 바느질 필요 없이 적용할 수 있는 의료전자소재 및 소자를 구현한 것으로, 인체 조직과 매우 유사한 기계적 물성을 갖도록 구성된 고분자, 액체금속 등의 조합을 통해 얻어낸 것이 의미가 크다. 이는 심장 뿐만 아니라 뇌, 신경, 근육 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 바이오 전자 플랫폼으로 활용 가능할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 

연구팀은 심장 패치의 면적과 채널 수를 증가시켜, 더욱 세밀한 부위별 심장 신호 획득을 통해 심장질환 치료 약물의 작용 기전을 밝혀내려는 후속 연구를 진행하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업, 기초과학연구원, 과학기술정보통신부‧한국연구재단 전자약기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 전자공학 분야에서 최고의 권위를 갖는 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 34.3, JCR 0.2%)에 9월 1일 게재됐다.