황석원 교수팀, 생체 내에서 분해 가능한 브레인 센서 개발

세계 권위적 과학저널 Nature에 논문 게재

▲ KU-KIST융합대학원 황석원 교수

고려대학교(총장 염재호)는 26일 KU-KIST 융합대학원 황석원 교수가 미국 일리노이대 (University of Illinois at Urbana-Champaign) 강승균 박사와 공동 연구를 통해 인체에 무해하며 생체 내에서 분해 및 흡수 가능한 물질로 이루어진 생체 삽입형 전자 소자 (implantable electronic device)를 이용, 무선 형태의 뇌압/뇌온도 측정 센서를 개발했다고 밝혔다. (공동 제1저자: 워싱턴대 R. Murphy, 일리노이대 이승민 박사)
 * 뇌압 : 뇌 안의 뇌척수액의 압력

이번 연구결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘네이쳐 (Nature)’ 1월 19일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain)

연구팀은 생체내에서 용해가능하며 인체에 해롭지 않은 초박막 형태의 실리콘 및 다양한 생분해성 전자 소재로 이루어진 전자 시스템을 이용하여, 일정기간동안 뇌압 및 뇌온도를 무선 (wireless) 형태로 측정하였고, 전체 전자 시스템이 뇌 안의 뇌척수액에 의해 용해/분해 가능하도록 생체 삽입형 전자 소자를 제작했다고 밝혔다.
 * 생분해성 : 물질이 생체 내에 있는 혈액을 비롯하여 다양한 영양분 및 조직과 기관 내에서 분해될 수 있는 성질. 
 * 뇌척수액 : 뇌실 (두뇌 내부) 및 척추의 중심관을 채우고 있는 액체

생체 삽입가능한 전자 시스템은 체내에서 완전히 분해 후 재흡수가 되는 물질로 구성/설계되어 있으며, 초박막 형태의 반도체인 실리콘 (Si), 절연체인 실리콘 옥사이드 (SiO2), 금속물질인 마그네슘 (Mg), 몰리브덴 (Mo), 그리고 생분해성 폴리머 (PLGA; poly(lactic-co-glycolic acid)) 등으로 구성되어 있다.

기존의 기술은 일정 기간 동안의 뇌압/뇌온도 측정 후에 삽입되어진 전자 소자를 제거하기 위한 부가적인 수술을 진행해야만 했으며, 추가 수술에 따른 감염 및 부작용의 문제점이 있었다. 하지만 본 연구팀에서 개발한 생분해성 뇌압 센서는 환자의 뇌압을 수일동안 측정 후 체내에서 용해되는 큰 장점으로 인해, 센서 제거를 목적으로 하는 2차 수술이 필요 없을 뿐만 아니라 수술에 의한 위험 부담을 낮출 수 있다.

이번 연구에서는 무선 기술 (wireless technology) 과의 통합 시스템을 구축, 뇌압 및 뇌온도를 관찰하는 동안에도 일상생활에 지장이 없도록 했고, 이는 기존의 유선 형태 (wire type) 로 인한 환자의 제한적인 움직임/활동을 극복할 수 있는 계기를 마련했다.

현 기술은 외상성 뇌손상 (traumatic barin injury) 과 같이 사고 직후에 징후가 바로 나타하지 않고 잠복기를 갖는 부상의 정확한 진단을 위해서 뇌압을 모니터링하는데 활용이 예상된다. 대부분의 경우 환자의 수술에 대한 부담으로 인해 수술을 거부하는 사례가 많으며 이로 인한 잠복기간 중 출혈이 진행되어 사망에 이르는 경우가 많다.

강승균 박사는 “다양한 형태의 전자장치를 생체 흡수가 가능하도록 구현하는 연구를 수행하고 있어 앞으로 의료기기 개발의 패러다임에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다” 라고 밝혔다.

황석원 교수는 “이번 연구결과는 생분해성 전자 소자를 바탕으로 하는 공학 기술과 의학적 치료/연구의 융합을 통하여 다양한 급성 및 만성질환을 치료할 수 있는 기술이 될 것으로 기대한다” 라고 말했다.

[논문에 게재된 대표그림 설명]

▲ 그림1. 개발된 뇌안에서 분해 가능한 센서의 구조 및 실물 사진. a. 개발된 센서의 전개도. 센서는 생체에서 분해가 가능한 물질로만 구성되어 있음. 실리콘 박막, 실리콘 산화막 박막 및 바이오 폴리머 (PLGA; poly(lactic-co-glycolic acid)) 및 다공성 실리콘 구조체를 통해 3차원 구조의 센서를 구현하였음. 실리기신호로 측정할 수 있음. b. 실리콘 압전 저항 센서 부분에 대한 확대사진 c. 수술용 바늘과 비교하여 개발된 센서의 크기를 비교하였음. 개발된 소자의 크기는 1 mm X 2 mm X 0.1 mm 수준으로 매??는 과정을 시간에 따라 측정한 사진.

▲ 그림2. a. 압력과 온도를 동시에 측정할 수 있는 센서.  b. 쥐 모델에서 센서 삽입을 시도한 모식도와 무선동작을 위한 모식도. c-e. 압력센서는 뇌에 삽입되며 생체분해가 가능한 금속선을 통해 머리 위에 놓이는 무선센서와 연결됨. 궁극적으로 뇌 안에 삽입된 모든 물질 (압력 센서와 금속선)은 분해되어 사라지게 됨.

▲ 그림3. c. 뇌심부 (deep brain)로 압력센서를 삽입하고 있는 수술장면. 개발된 센서는 다양한 형태와 크기로 제작이 가능하며 첨단을 날카롭게 제작하면 심부뇌까지 삽입이 가능함.  뇌 표면에서 측정이 불가능한 심부뇌에서 발생하는 국부적 출혈 등을 진단할 수 있는 기술임.  d. 실시간으로 측정된 뇌압을 의료용 상용 센서의 결과와 비교한 데이터. 빨강색이 생체분해형 압력센서로 측정된 결과이며 파랑색이 의료용 센서로 측정된 결과임. e. 뇌온도 측정 결과. 상동.

커뮤니케이션팀 남상헌(kize@korea.ac.kr)