인체 삽입형 의료기기 코팅기술 개발
인체 삽입형 의료기기 코팅기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.09 18:30
  • 조회수 2021
  • 댓글 0
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최근 뇌에 브레인칩을 삽입하여 생각만으로 기계를 움직이는 뇌-기계 인터페이스 기술을 비롯해 파킨슨 병 등 뇌질환 치료를 위한 뇌심부 자극기 등 다양한 인체 삽입형 의료기기들이 개발되어 의료 현장에서 활용되고 있죠. 하지만, 인체에 삽입되는 기기는 주위 생체조직에 면역반응을 유도하고, 이로 인한 기기의 성능 저하로 장기간 사용이 어렵습니다. 뇌심부 자극기나 브레인칩 역시 뇌에 삽입되면 미세아교세포 등 뇌면역세포의 작용으로 안정적인 동작이 저해되고, 기기 수명이 단축되어 교체를 위한 추가적인 수술이 필요합니다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀이 연세대학교 (연세대, 총장 서승환) 서정목 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 뇌를 포함, 인체에 삽입되는 의료기기 코팅기술을 개발했습니다. 이를 통해 삽입과정의 조직손상을 최소화하고 염증반응을 억제해 기기의 수명을 기존 기기 대비 4배 이상 향상시키는 성과를 거두었다고 밝혔는데요. 

코팅이 적용되지 않은 신경 탐침(위)과 적용된 신경 탐침(아래)간에 뇌조직과의 마찰 특성 및 생물 부착 특성 비교에 관한 개략도 (코팅이 적용된 신경탐침(아래)의 경우 대조군(위) 대비 미세아교세포 등 뇌면역세포의 활성과 세포부착이 현저히 적음을 확인)
코팅이 적용되지 않은 신경 탐침(위)과 적용된 신경 탐침(아래)간에 뇌조직과의 마찰 특성 및 생물 부착 특성 비교에 관한 개략도 (코팅이 적용된 신경탐침(아래)의 경우 대조군(위) 대비 미세아교세포 등 뇌면역세포의 활성과 세포부착이 현저히 적음을 확인)

개발한 기술은 인체에 삽입되는 기기 표면에 단분자막과 윤활유를 얇고 균일하게 코팅하는 방법입니다. 이는 기기가 인체에 삽입되는 동안 발생하는 기기-조직간의 마찰을 감소시켜 조직 손상을 최소화합니다. 더불어 면역거부반응에 의해 활성화 된 면역세포들이 기기 표면에 붙는 것을 막는 면역세포 부착 방지 특성을 나타냅니다. 

코팅이 적용된 신경 탐침의 분해도 및 코팅 적용 과정에 관한 모식도
코팅이 적용된 신경 탐침의 분해도 및 코팅 적용 과정에 관한 모식도

연구팀은 실험을 통해 생쥐 뇌에 개발한 코팅 기술이 적용된 신경 탐침을 삽입해 관찰한 결과 삽입직후 신경 탐침 내 32개의 뇌신호 측정 전극 중 90% 이상의 전극에서 뇌신호가 성공적으로 관찰할 수 있었습니다. 이는 코팅기술이 적용되지 않은 신경탐침에서 관찰되는 신호의 2배이며, 뇌조직의 관찰을 통해서도 삽입 과정에서 발생하는 조직손상을 최소화했음을 확인했습니다. 안정성 면에서도 코팅막 처리가 되지않은 탐침의 경우 면역세포들이 기기표면에 붙어 시간이 지남에 따라 신호측정 기능이 떨어졌으나 코팅기술이 적용된 탐침은 생물부착방지 특성으로 기존 전극에 비해 4배가 긴 4개월 간 안정적으로 뇌신호 측정이 가능했습니다. 

코팅이 적용되지 않은 신경 탐침과 적용된 신경 탐침간의 뇌조직 손상 비교 및 탐침 주변 뇌면역세포 활성도 비교 (코팅이 적용된 탐침의 경우 조직손상과 뇌면역세포의 활성이 적음)
코팅이 적용되지 않은 신경 탐침과 적용된 신경 탐침간의 뇌조직 손상 비교 및 탐침 주변 뇌면역세포 활성도 비교 (코팅이 적용된 탐침의 경우 조직손상과 뇌면역세포의 활성이 적음)

조일주 단장과 서정목 교수는 “개발한 코팅 기술은 뇌 뿐아니라 다른 인체 부위 삽입 기기에도 활용이 가능하며, 관련 기기의 수명을 획기적으로 연장할 수 있을 것”이라며, “인체 삽입형 의료기기의 교체 주기를 획기적으로 늘려 빠른 상용화에도 기여 할 것으로 기대한다”라고 말했습니다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단의 신진연구자 지원사업과 뇌과학원천기술개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘Advanced Science’ (IF: 16.80 JCR 분야 상위 5.255%) 에 표지논문으로 선정되었습니다.

 

#용어설명

1. 뇌-기계 인터페이스 (Brain-Machine Interface)

뇌로부터 측정된 신경 신호를 통해 외부 기계 장치를 제어하는 기술로써, 사용자의 사고만으로 기기를 마음대로 움직이는 인터페이스를 만드는 것이다. 최근 일론 머스크의 뉴럴링크(Neuralink)에서 공개한 원숭이의 뇌신호를 신경 탐침으로 측정하여, 조이스틱과 같은 다른 외부 장치 없이 측정한 뇌신호만으로 컴퓨터(연결된 외부 기계 장치)에서 테니스 게임을 수행하는 영상이 뇌-기계 인터페이스를 보여준 대표적인 예라고 할 수 있다.

2. 신경 탐침 (Neural probe)

뇌 내 신경세포들로부터 신경 신호를 측정하거나 전기 자극을 통해 신경세포를 자극하는 침습형 구조체로서, 뇌신경 신호 측정 및 자극을 위한 미세 전극이 집적되어 있다. 일반적으로, 금속 또는 실리콘과 같은 단단한 재질로 제작되어, 삽입에 의한 급성 뇌손상을 유발하고, 삽입 이후에는 뇌 내 미세움직임에 의해 만성 뇌 손상을 유발한다.

3. 뇌면역세포 (Brain immune cell)

외부 병원균 또는 외부 물질로부터 뇌를 보호하는 면역기능을 담당하는 세포이다. 대표적인 뇌면역세포로 미세아교세포 (microglia)가 있으며, 외부 병원균을 감시하고, 세포 손상에 반응한다. 

4. 생물 부착 방지 (Anti-biofouling)

혈액 및 단백질을 비롯한 세포, 미생물들이 표면에 달라붙는 것을 방지하는 기술로서, 초발수성 코팅이 대표적인 예이다.


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