부정맥 실시간 감시하는 전자패치
부정맥 실시간 감시하는 전자패치
  • 한다영
  • 승인 2022.09.17 03:42
  • 조회수 1770
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심장 부착형 패치형 디바이스 플랫폼 설계. 출처: IBS
심장 부착형 패치형 디바이스 플랫폼 설계. 출처: IBS

몸속 심장 표면에 부착해 돌연사의 주범인 부정맥을 실시간으로 진단하는 전자패치가 개발됐습니다.

과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원 나노의학연구단 박장웅 연구위원 연구팀(연세대 신소재공학과 교수)은 부정맥 환자의 심장 기능을 실시간 감지하면서, 동시에 부정맥이 발생하면 심장에 미세 전기 자극을 주어 심장 박동의 이상을 정상화시키는 심장 부착형 전자패치 기술을 개발했다고 밝혔습니다. 이 연구에는 나노의학연구단 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수), 연세대 세브란스 병원 심장혈관외과 이삭 교수 연구팀이 공동으로 참여했습니다.

정상적인 심장은 전기 자극 생성 조직에서 만들어내는 1분에 60~100회의 자극에 따라 규칙적으로 수축과 이완을 반복합니다. 신체 각 조직으로 혈액을 공급하는 작동 원리입니다. 부정맥은 심장에서 전기신호의 생성이나 전달에 이상이 생기거나 비정상적인 전기신호가 발생하는 경우 심장이 규칙적으로 수축하지 못하게 되는데요. 이때 맥박이 비정상적으로 빨라지거나 느려지거나 혹은 불규칙해지는 증상을 가리킵니다.

부정맥의 유발 요인은 심장의 선천적 이상이나 질환, 흡연·음주 같은 생활습관 등 다양하지만 돌연사의 주범이라고 일컬어질 만큼 생명을 위협하는 심각한 심혈관질환입니다. 따라서 돌연사의 위험이 높은 심장질환 환자의 경우, 몸속에 이식형 제세동기를 삽입하여 부정맥 발생 시 자동으로 심장에 전기 충격을 가해 사망위험을 감소시키기도 합니다. 

기존의 이식형 전자장치는 크기가 커 이식 시 가슴 피부를 절개하는 부담이 있고, 정맥을 통해 전극을 심장에 넣는 방식으로 작동하기 때문에 감염이나 정맥 천공, 허혈성 염증 등 합병증의 위험이 컸습니다. 또한, 이식형 전자장치는 심장의 전기 활동을 감지하고 부정맥을 감지하면 전기 충격을 주는 방식이기 때문에 외부 전기 자극에 민감할 수 있어 시술 받은 환자의 외부 활동에 각별한 주의가 필요합니다.

 

디바이스 플랫폼 부착 과정. 출처: IBS

연구팀은 대표적인 심장 진단 방식인 심전도가 아닌, 심장이 수축과 이완하는 물리적 운동을 직접 감지할 수 있는 반도체 기반의 압력센서를 개발했습니다. 이 센서는 심장 표면에 부착될 정도의 얇은 패치 형태로, 고해상도의 압력센서가 분포되어 있어 심장 표면의 압력 분포를 실시간 감지할 수 있습니다. 또한, 부정맥을 감지하면 심장에 효과적으로 전기 자극을 가하기 위해 표면적이 넓은 나노구조의 전극이 결합됩니다. 즉, 하나의 패치 장치로 심장의 압력 감지와 미세 전기 자극을 동시 수행 가능하게 한 것입니다. 특히 반도체 기반의 압력센서는 몸속 내부 또는 외부에서 가해지는 전기적 신호에 간섭을 받지 않아서, 압력 감지 기능과 전기 자극 기능을 동시에 수행할 수 있습니다. 

연구팀은 부정맥을 유발한 실험 토끼의 심장 표면에 전자패치를 부착하여 측정한 압력 분포 데이터로 부정맥 발현으로 심장의 수축과 이완이 불규칙해진 것을 확인했습니다. 동시에 심장에 자동으로 미세 전기 자극을 가해 심장 박동을 정상화하는 데 성공하여 전자패치의 임상 효과를 증명했습니다. 또한 전자패치를 심장 표면에 장기간 안정적으로 고정하기 위해 홍합의 접착 능력을 모방하여 생체 접합성이 우수한 하이드로젤 접착제를 개발했습니다. 연구팀은 접착제가 코팅된 전자패치가 실험 토끼의 심장 표면에 부착 후 10주가 지나도 안정적으로 유지되며 토끼의 정상적인 활동이 가능함을 확인했습니다.

 

 전 세계 심장 모니터링 장치 시장. 출처: 스태티스타

이 같은 심장 모니터링 장치 시장은 올해 60억 달러를 돌파한 것으로 집계됐으며, 2026년이면 80억 달러, 우리 돈 11조 원 규모로 전망됩니다. 

박장웅 연구위원은 "이번 연구로 개발된 심장 부착형 전자패치 기술은 기존 이식형 제세동기 기술의 한계를 극복하고 새로운 심장 질환 진단 및 치료 전자장치에 활용될 수 있을 것"이라며, "향후 임상실험을 통해 상용화하여 실제 부정맥 환자들에게 적용할 것을 기대한다"고 밝혔습니다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 9월 15일 온라인 게재됐습니다.


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