표면 특성 조절로 성능 향상된 체내 이식형 전극
생체모방형 전극의 표면 거칠기 조절로 체내 염증 반응 완화 실마리
□ 국내 연구진이 이식형 전극의 표면 특성을 조절하여 의료용 전자기기의 체내 이식 시 발생할 수 있는 염증성 반응을 효과적으로 완화시키는 방법을 구현하였다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이재영 교수(광주과학기술원) 연구팀이 생체모방형 폴리피롤/헤파린(Polypyrrole/Heparin) 생체전극의 표면 거칠기를 조절하여 염증 반응 완화와 장기 안정성 유지에 탁월한 효과를 갖는 고성능 생체전극을 개발했다고 밝혔다.
※ 폴리피롤(Polypyrrole, PPy) : 단량체인 피롤의 중합체로, 전기전도성 고분자의 한 종류
※ 헤파린(Heparin) : 인체 내에 존재하며 항응고, 항염증 효과를 가지는 생체고분자
□ 체내 이식용 생체전극은 심전도, 뇌전도 등의 각종 생체 신호를 기록하거나, 생체를 전기적으로 자극하여 건강상태 진단 및 질병치료 등에 사용되는 의료용 전자소자의 핵심 부분이다.
○ 하지만, 인체 면역체계의 방어 작용으로 인해 생체전극을 포함한 체내 이식 소재들은 이물반응*을 필연적으로 겪게 된다.
※ 이물반응(Foreign body reaction) : 인체 면역체계의 자체적 방어반응으로써, 이식된 외부물질을 이물로 인식하여 주변 세포조직으로부터 분리하려는 일련의 면역반응
○ 이식 후 소재 주변에 염증이 발생할 수 있고 과도하게 지속될 경우 두꺼운 상처 조직이 형성되어 소재의 성능 또한 크게 저해된다.
○ 이물반응에 의한 생체전극의 성능 감소를 예방하기 위해서는 염증반응을 총괄하는 대식세포* 반응 조절을 통한 비염증성 분극 조절 유도가 중요하다.
※ 대식세포(Macrophage) : 선천성 면역을 담당하는 주요 면역 세포로, 생물학적 환경에 따라 염증을 촉진하는 염증성(M1)과 염증을 해소하는 항염증(M2)성의 서로 상반되는 특성을 나타내며, 이들의 표현형이 바뀌는 것을 대식세포의 분극(polarization)이라고 함.
□ 이에 연구팀은 생체 조직과 직접 맞닿는 전극의 표면 특성과 면역 대식세포의 상호작용 연구에 기반하여 대식세포의 염증성 반응을 완화시키는 방법을 고안하였다.
○ 인체 내 존재하는 헤파린을 폴리피롤과 함께 금 전극에 코팅하여 생체모방형 폴리피롤/헤파린 생체전극을 제작하였다.
○ 폴리피롤/헤파린 박막의 전기화학적 합성 과정에서 전하 밀도를 조절하여 전극의 표면 거칠기를 정밀하게 조절하고, 염증을 완화할 수 있는 최적의 생체전극 표면 구조를 확보한 것이다.
□ 제작된 생체전극을 실제 쥐 피하에 이식한 결과, 대식세포의 염증성 표현형으로의 분극이 크게 감소하였다.
○ 생체 전극에 대한 염증성 반응이 효과적으로 완화됨에 따라 전극 주변의 상처조직 형성이 줄어들었고, 실시간 심전도 측정 신호를 높은 민감도로 기록할 수 있었으며, 장기간 안정적으로 측정이 가능했다.
□ 이재영 교수는 “개발한 생체 전극 기술을 통해 다양한 이식형 생체의료용 소재에서 발생하는 이물반응을 해결 할 수 있는 실마리를 제공할 것으로 기대된다.”고 전하며, “다만, 실용화를 위해서는 지속적 연구를 통해 체내 안전성 및 안정성 등의 확보가 필요하다.”고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지‘에이씨에스 나노(ACS nano)’에 4월 20일(한국시간) 온라인 게재되었다.
