표면 특성 조절로 성능 향상된 체내 이식형 전극
표면 특성 조절로 성능 향상된 체내 이식형 전극
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.04.28 12:00
  • 조회수 3229
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국내 연구진이 이식형 전극의 표면 특성을 조절하여 의료용 전자기기의 체내 이식 시 발생할 수 있는 염증성 반응을 효과적으로 완화시키는 방법을 구현했습니다. 한국연구재단은 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 밝혔는데요.

   ※ 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 부분입니다. 하지만, 인체 면역체계의 방어 작용으로 인해 생체전극을 포함한 체내 이식 소재들은 이물반응을 필연적으로 겪게 됩니다. 이물반응(Foreign body reaction)이란 인체 면역체계의 자체적 방어반응으로써, 이식된 외부물질을 이물로 인식하여 주변 세포조직으로부터 분리하려는 일련의 면역반응입니다.

 

이식 후 소재 주변에 염증이 발생할 수 있고 과도하게 지속될 경우 두꺼운 상처 조직이 형성되어 소재의 성능 또한 크게 저해되는데요. ㅍ이물반응에 의한 생체전극의 성능 감소를 예방하기 위해서는 염증반응을 총괄하는 대식세포* 반응 조절을 통한 비염증성 분극 조절 유도가 중요합니다.

※ 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.

대식세포의 모집, 염증성 분극, 상처조직 형성의 완화 능력이 있어 신호측정용 전극으로써 장기 안정성을 가지는 표면 미세구조를 가지는 폴리피롤/헤파린 전극최적의 표면 미세구조를 나타내는 폴리피롤/헤파린 생체전극은 체내 이식 직후 시작되는 면역세포의 모집, 대식세포의 염증성 분극 감소, 상처조직의 형성을 효과적으로 완화시킴으로써 생체전기신호 전달의 안정성을 장기간 유지할 수 있는 면역친화성 고성능 생체전극임을 표현그림설명 및 그림제공 : 광주과학기술원 이재영 교수
대식세포의 모집, 염증성 분극, 상처조직 형성의 완화 능력이 있어 신호측정용 전극으로써 장기 안정성을 가지는 표면 미세구조를 가지는 폴리피롤/헤파린 전극최적의 표면 미세구조를 나타내는 폴리피롤/헤파린 생체전극은 체내 이식 직후 시작되는 면역세포의 모집, 대식세포의 염증성 분극 감소, 상처조직의 형성을 효과적으로 완화시킴으로써 생체전기신호 전달의 안정성을 장기간 유지할 수 있는 면역친화성 고성능 생체전극임을 표현그림설명 및 그림제공 : 광주과학기술원 이재영 교수

이에 연구팀은 생체 조직과 직접 맞닿는 전극의 표면 특성과 면역 대식세포의 상호작용 연구에 기반하여 대식세포의 염증성 반응을 완화시키는 방법을 고안했습니다. 인체 내 존재하는 헤파린을 폴리피롤과 함께 금 전극에 코팅하여 생체모방형 폴리피롤/헤파린 생체전극을 제작했습니다. 폴리피롤/헤파린 박막의 전기화학적 합성 과정에서 전하 밀도를 조절하여 전극의 표면 거칠기를 정밀하게 조절하고, 염증을 완화할 수 있는 최적의 생체전극 표면 구조를 확보한 것입니다.

 

제작된 생체전극을 실제 쥐 피하에 이식한 결과, 대식세포의 염증성 표현형으로의 분극이 크게 감소했습니다. 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 가능했습니다.

 

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 설명했습니다.

 

이번 연구의 성과는 재료분야 국제학술지‘에이씨에스 나노(ACS nano)’에 4월 20일(한국시간) 온라인 게재됐습니다.

논문명 : High-performance Implantable Bioelectrodes with Immunocompatible Topography for Modulation of Macrophage Responses


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