1분 이내의 간단한 시술로 심혈관계 질환을 진단‧치료하는 장치 부착 기술이 나왔다. 손동희‧신미경 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단 참여교수 연구팀은 추가 봉합이 필요 없는 신축성 심장 접착 전자 패치 기술을 개발하고, 움직이는 동물에서 심혈관계 질환을 진단‧치료하는 데 성공했다. 기존 10분가량 걸리던 심장 패치 삽입 수술 과정을 1분 이내로 대폭 줄일 수 있게 됐다.

▲ IBS 뇌과학 이미징 연구단은 새로운 심장 접착 패치를 개발하여 패치 삽입 수술 과정의 번거로움을 줄였다.

심장 패치는 끊임없는 심장의 수축‧이완 운동에도 안정적으로 부착되어 구동해야 한다. 그간 개발된 체내 이식형 전자소자는 신축성과 전도성을 동시에 지니게 하기 위해 고분자 물질에 고체 상태의 전도성 첨가제를 넣는 식으로 제작됐다. 이 과정에서 고분자 본연의 특성을 잃고 딱딱하게 변하여 굴곡지고 부드러운 심장 표면을 압박 없이 감싸기에는 어려움이 있었다. 또한, 심장에 소자를 단단히 고정하기 위해 바느질하듯 봉합하는 수술도 필수적이었다.

연구팀은 인체 조직과 매우 유사한 기계적 물성을 가진 소재들로 조합해 패치를 만들어 이 한계를 극복했다. 연구진이 개발한 전자 패치는 심장에 접착하는 하이드로겔층, 전도성을 주는 전극층 그리고 자가치유 기판층으로 구성된다. 자가치유 기판층 위에 코팅되어 있는 홍합모사 조직접착 하이드로겔 층이 심장 표면에 강하게 부착하기에 바느질을 하지 않고도 심외막에 안정적으로 부착할 수 있다.

▲연구진이 개발한 심장 패치는 하이드로겔 조직접착층, 고분자 복합체 전극층, 고분자 기판층으로 이뤄진 구조다.

이어 연구진은 동물실험을 통해 움직이는 동물에서 심전도 진단 및 전기자극을 통한 심박조율이 가능함을 확인했다. 부정맥을 유발한 쥐 모델에서 심장 신호를 획득하여 부정맥 단계를 진단하고, 더 나아가 치료에도 성공했다. 심근경색 모델 쥐에서도 심근경색 유도 전후의 심장 신호를 획득하고 관찰해냈다. 개발된 패치가 정확한 신호를 획득하고, 양방향성 심장 패치임을 확인한 것이다.

▲ 연구진은 부정맥을 유발한 쥐에게 개발한 패치를 부착하여 부정맥을 진행 단계별로 진단하고, 전기 자극을 통해 치료까지 성공했다.

손동희 참여교수는 “복합체 전극층과 하이드로겔 층의 화학적 상호작용 덕분에 개발한 패치의 양방향성이 나타난다는 메커니즘도 확인했다”며 “향후 심혈관계 중증 질환 정밀 진단 및 치료 효과를 크게 개선하고, 더 나아가 인체 내 다양한 장기에 ‘차세대 전자약’으로서 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

신미경 참여교수는 “우리 몸에 혈액을 공급하기 위해 매우 중요한 역할을 하는 심장에 바느질 필요 없이 삽입할 수 있는 의료전자 소자를 구현했다”며 “심장뿐만 아니라 뇌, 신경, 근육 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 바이어 전자 플랫폼으로 활용 가능할 것”이라고 말했다.

연구결과는 9월 2일 전자공학 분야 권위지인 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’ 온라인판에 실렸다.

IBS 홍보팀
이승언