몸속 심장 표면에 부착하여 돌연사의 주범인 부정맥을 실시간으로 진단하고, 동시에 부정맥을 치료할 수 있는 새로운 개념의 심장 부착형 전자패치가 개발됐다.

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학연구단(단장 천진우) 박장웅 연구위원 연구팀(연세대 신소재공학과 교수)은 부정맥 환자의 심장 기능을 실시간 감지하면서, 동시에 부정맥이 발생하면 심장에 미세 전기 자극을 주어 심장 박동의 이상을 정상화시키는 심장 부착형 전자패치 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 연구에는 나노의학연구단 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수), 연세대 세브란스 병원 심장혈관외과 이삭 교수 연구팀이 공동으로 참여했다.

정상적인 심장은 전기 자극 생성 조직에서 만들어내는 1분에 60~100회의 자극에 의해 규칙적으로 수축과 이완이 반복되면서 신체 각 조직으로 혈액을 공급한다. 부정맥은 심장에서 전기신호의 생성이나 전달에 이상이 생기거나 비정상적인 전기신호가 발생하는 경우, 심장이 규칙적으로 수축하지 못하여 맥박이 비정상적으로 빨라지거나 느려지거나 혹은 불규칙해지는 것을 말한다.

부정맥의 유발 요인은 심장의 선천적 이상이나 질환, 흡연·음주 같은 생활습관 등 다양하지만 돌연사의 주범이라고 일컬어질 만큼 생명을 위협하는 심각한 심혈관질환이다. 따라서 돌연사의 위험이 높은 심장질환 환자의 경우, 몸속에 이식형 제세동기를 삽입하여 부정맥 발생 시 자동으로 심장에 전기 충격을 가해 사망위험을 감소시키기도 한다.

하지만 기존의 이식형 전자장치는 크기가 커 이식 시 가슴 피부를 절개하는 부담이 있고, 정맥을 통해 전극을 심장에 넣는 방식으로 작동하기 때문에 감염이나 정맥 천공, 허혈성 염증 등 합병증의 위험이 있다. 또한, 이식형 전자장치는 심장의 전기 활동을 감지하고 부정맥을 감지하면 전기 충격을 주는 방식이기 때문에 외부 전기 자극에 민감할 수 있어 시술 받은 환자의 외부 활동에 각별한 주의가 요구된다.

연구팀은 대표적인 심장 진단 방식인 심전도가 아닌, 심장이 수축과 이완하는 물리적 운동을 직접 감지할 수 있는 반도체 기반의 압력센서를 개발했다. 이 센서는 심장 표면에 부착될 정도의 얇은 패치 형태로, 고해상도의 압력센서가 분포되어 있어 심장 표면의 압력 분포를 실시간 감지할 수 있다.

또한, 부정맥을 감지하면 심장에 효과적으로 전기 자극을 가하기 위해 표면적이 넓은 나노구조의 전극이 결합되어 있다. 즉, 하나의 패치 장치로 심장의 압력 감지와 미세 전기 자극을 동시 수행 가능하게 한 것이다. 특히 반도체 기반의 압력센서는 몸속 내부 또는 외부에서 가해지는 전기적 신호에 간섭을 받지 않아서, 압력 감지 기능과 전기 자극 기능을 동시에 수행하는 것이 가능하다.

연구팀은 부정맥을 유발한 실험 토끼의 심장 표면에 전자패치를 부착하여 측정한 압력 분포 데이터로 부정맥 발현으로 심장의 수축과 이완이 불규칙해진 것을 확인했다. 동시에 심장에 자동으로 미세 전기 자극을 가해 심장 박동을 정상화하는 데 성공하여 전자패치의 임상 효과를 증명했다.

또한 전자패치를 심장 표면에 장기간 안정적으로 고정하기 위해 홍합의 접착 능력을 모방하여 생체 접합성이 우수한 하이드로젤 접착제를 개발했다. 연구팀은 접착제가 코팅된 전자패치가 실험 토끼의 심장 표면에 부착 후 10주가 지나도 안정적으로 유지되며 토끼의 정상적인 활동이 가능함을 확인했다.

박장웅 연구위원은 “이번 연구로 개발된 심장 부착형 전자패치 기술은 기존 이식형 제세동기 기술의 한계를 극복하고 새로운 심장 질환 진단 및 치료 전자장치에 활용될 수 있을 것”이라며, “향후 임상실험을 통해 상용화하여 실제 부정맥 환자들에게 적용할 것을 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 9월 15일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 심장 부착형 패치형 디바이스 플랫폼 설계
Active-matrix 매트릭스 압력 감지 트랜지스터 어레이 및 생체 적합성 페이싱으로 구성된 장치 플랫폼의 도식 레이아웃.

[그림2] 디바이스 플랫폼 부착 과정을 표현한 토끼 in-vivo 사진
노란색 점선 상자는 이 패치형 장치의 감지 영역임.

[그림3] 심외막 압력 분포의 시공간 컬러 맵 데이터
압력 감지 트랜지스터를 사용한 심장 외압을 실시간 감지 추적함.

[그림4] 실시간 심실 세동 부정맥 진단 및 치료 데이터
전자 패치를 이용한 심실 세동을 진단하고 치료 기능을 수행함(빨간색 선)