기존의 커프(Cuff)형 인공전자신경외피는 말초신경에 부착돼 신경 신호 수집 및 전기자극 기능을 발휘하는 신경보철용 전자소자로 응용돼 왔습니다. 하지만 장기간 신경에 부착될 때 소재와 신경간의 물성 차이로 인해 염증에 의한 섬유화가 급속히 진행됐는데요. 결국 신경압박을 일으키게 되고 신경괴사까지 초래했습니다. 또한 말초신경에 부착 시 수술 시간이 길고 기계적 안정성이 낮아서 장기간 임상에 적용되기 어려웠습니다.
이러한 문제점을 해결하고자 성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 바이오메디컬융합연구본부 이효진 박사, 윤인찬 본부장, 송강일 박사, 서현선 연구원과의 공동 연구를 통해 자가결합 가능한 신축성 소재 기반의 적응형 인공전자신경외피(Adaptive Self-healing Electronic Epineurium)를 개발했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.
스티커처럼 쉽고 빠르게 고정된다
성균관대-KIST 공동연구진은 생체적합성이 우수한 자가치유 소재 기반의 신축성 기판 및 전극을 이용해 인공전자신경외피가 말초신경에 스티커처럼 매우 쉽고 빠르게 고정될 수 있도록 했고 이로 인해 수술 시간이 대폭 감소 될 뿐 아니라 후유증도 줄어들게 했습니다. 또한, 인공전자신경외피의 동적응력완화(Dynamic Stress Relaxation) 특성은 장기간의 말초신경 압박 없이 안전하게 감각 신경 신호 측정과 운동 신경 유발이 가능합니다.
적응형 인공전자신경외피를 쥐의 좌골신경에 이식한 후, 6주 동안 외부의 기계적 자극을 달리해 기계적 자극의 수용기를 통해 감각신호의 세기를 성공적으로 구분할 수 있었습니다. 또한, 말초신경에 이식한 7주 후에 전기자극을 하여 안정적으로 운동 신경 유발을 했습니다. 이러한 감각신호 수집 및 자극은 14주까지 가능했고 전기자극은 최대 32주까지 가능했습니다.
특히 양방향 신경 신호 수집 및 전기자극 기능은 쥐가 마취가 깬 이후에도 안정적으로 유지됐습니다. 성균관대-KIST 공동 연구진에서 개발한 이번 적응형 인공전자신경외피는 절단된 신경계를 인공적으로 연결하는 신경-대-신경 인터페이스로도 활용될 수 있음을 입증했습니다. 이러한 연구 결과는 차세대 인공 신경보철 장치 개발 및 신경계 질환 재활 연구에 큰 혁신이 될 전망입니다.
손동희 교수는 "이번 연구 성과는 기존의 신경 보철 분야의 한계를 극복 할 수 있는 새로운 패러다임의 신경인터페이스를 개발한 것으로 사람의 신경계의 재활을 위한 스마트 전자약 구현 가능성을 열었다"면서 "향후 로봇이나 보철용 인공 신경계 네트위킹 기술의 초석이 될 것으로 기대된다"고 연구 의의를 설명했습니다.
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