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‘인간의 뇌 신경 시스템’을 본떠 만든 초민감 전자피부용 압력 센서가 개발됐다. 이 센서는 투명한 데다가 물리적 유연성까지 갖추고 있어, AI 기반 디지털 헬스케어 기기와 같은 첨단 의료기기에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

압력 센서 활용한 ‘전자피부’ 기술

압력 센서(pressure sensor)는 글자 그대로 누르는 힘을 감지하는 장치다. 압력 변화에 따라 형태가 변하는 재료를 사용해 만든다. 압력이 가해지면서 센서 내부에서 발생하는 저항이나 전압의  변화를 전기 신호로 변환하는 원리다. 

압력 센서는 정밀하게 만들어질수록 작은 변화까지 감지해 신호로 변환할 수 있다. 일부 스마트폰의 경우 터치 스크린에 가해지는 압력의 강도에 따라 다른 기능을 수행할 수도 있다. 웨어러블 기기의 경우 피부에 밀착돼 심박수나 혈압을 측정할 수 있는 기능을 제공한다. 자동차에서도 사용된다. 차량 내 계기판을 통해 타이어 공기압 현황을 확인할 수 있는 것이 그 예다. 

압력 센서를 기반으로 만들어진 ‘전자피부’는 실제 인간의 피부가 그렇듯 미세한 수준의 압력을 감지할 수 있다. 이러한 민감성 덕분에 의료 모니터링 기기, 로봇의 감각 시스템 등에 다양하게 활용된다. 현재 전자피부는 ‘실용성’을 높이기 위한 연구가 계속되고 있다. 압력을 감지하는 정밀성에서 한 걸음 더 나아가, 더 민감한 반응성과 투명성, 유연성까지 갖추어야 한다.

인간의 뇌처럼 신속, 정확하게 반응

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이윤구 교수 연구팀은 전북대학교 기계공학과 임재혁 교수팀과 협력해, 인간의 뇌에서 신호가 전달되는 방식을 본뜬 압력 센서를 개발했다. 압력을 감지했을 때 더욱 정교하고 신속하게 반응하는 것이 포인트다.

인간의 뇌는 신경세포(뉴런)과 아교세포가 협력하면서, 복잡한 신호를 빠르게 전달하는 시스템을 갖고 있다. 연구팀은 뇌의 신호전달 체계를 참고하여 ‘나노입자로 이루어진 네트워크’를 제작, 미세한 압력에도 민감하게 반응하는 압력 센서를 설계했다.

이는 ‘높은 감도’를 필요로 하는 분야에서 유용할 것으로 기대된다. 의료 측정 및 모니터링, 로봇 개발 등이 대표적이다. 일상적인 영역에서는 웨어러블 기기의 정밀도를 높일 수 있는 기술로도 활용될 수 있다.

유연성, 안정성, 내구성 모두 탁월

공동연구팀이 개발한 압력 센서는 높은 민감성을 가진 데다가 투명하고 물리적으로도 유연하다. 심박수나 손가락 움직임과 같은 작은 변화부터 물방울 수준의 미세한 압력도 감지할 수 있다. 투명하고 유연하기 때문에 웨어러블 기기나 스마트 의류, 장신구 등에도 폭넓게 활용 가능하다.

내구성 및 안정성도 뛰어나다. 테스트 결과 1만 번 이상 반복적으로 사용해도 안정적으로 작동했으며, 뜨거운 환경 또는 습도 높은 환경에서도 변함없는 성능을 보였다. 의료 기기 및 산업용 장비의 경우, 유지보수와 관련된 경제성도 중요하므로 높은 내구성과 안정성이 필수다. 야외에서 사용하거나 극한의 환경에서도 정확한 데이터를 수집할 수 있을 것이다.

이윤구 교수는 “센서 구동에 대한 기초 메커니즘 연구를 지속해, 인간의 피부를 모사한 인공 촉각 센서 개발 및 투명 디스플레이 상용화 기술로 확장해갈 수 있기를 기대한다”라고 밝혔다.

카이스트 산업디자인학과 배상민 교수팀이 디자인한 ‘옥시나이저(Oxynizer)’ 프로토타입이 제임스 다이슨 어워드 2024(James Dyson Award 2024)에서 세계 상위 20 리스트에 선정됐다. 또한, ‘인류를 위한 프로토타입(Prototypes for Humanity)’ 2024에서 상위 100 리스트에 선정돼, 오는 11월 두바이에서 전시를 앞두고 있다.

무전력 의료용 산소 발생기

배상민 교수팀이 개발한 ‘옥시나이저’는 전력 없이 산소를 발생시킬 수 있도록 디자인됐다. 산업디자인학과 대학원에서 ‘디자인 프로젝트’ 수업을 통해 개발된 연구 결과물이다. 주변에서 쉽게 구할 수 있는 자전거 공기 펌프를 활용, 산소를 만들어 환자에게 공급할 수 있는 장치다.

개발도상국 또는 긴급한 현장에서는 다양한 이유로 산소 공급이 필요한 일이 종종 발생한다. 전염성 호흡기 질환, 사고 및 재해 현장 등이 대표적이다. 하지만 산소 탱크나 전력 기반 산소 발생기와 같은 기존 산소 공급 장치는 높은 설치 및 유지 비용이 필요하기 때문에 사용하기 어려운 경우가 많다. 그 결과 종종 휴대용 산소통이나 소모성 산소 발생기 같은 대체 장비에 의존해야 한다. 

옥시나이저의 경우, 자전거 공기 펌프에 연결해 펌프질만 하면 즉각 산소를 생성할 수 있으므로 설치 및 유지 비용이 거의 없다. 옥시나이저에 연결할 수만 있다면 다른 공기 펌프로도 대체가 가능하므로 범용성도 높다. 가볍게 설계된 옥시나이저 본체와 공기 펌프, 연결을 위한 산소호스만 있으면 되기 때문에 휴대성도 뛰어나다.

반영구적으로 사용 가능

옥시나이저는 실리카겔과 제올라이트를 주 재료로 한 필터를 사용한다. 두 물질은 모두 ‘다공성 구조’를 가지고 있어, 특정 분자를 선택적으로 흡착할 수 있다. 흔히 제습제로 사용되는 실리카겔은 수분을 흡수하는 데 효과적이며, 사용 후 가열하여 재사용할 수 있다. 제올라이트는 기체에서 질소와 산소를 선택적으로 분리하는 데 효과가 있다. 이 때문에 주로 천연 가습기, 여과제 등으로 활용된다.

배상민 교수의 설명에 따르면, 펌프로 공기를 불어넣으면 필터에 의해 수증기와 질소가 분리되고, 최대 50% 농도의 산소를 즉각적으로 공급할 수 있다. 필터를 거치며 실리카겔이 수증기를 흡수하고, 제올라이트가 질소 분자를 선택적으로 흡착함으로써 산소 농도가 높은 기체를 남기는 원리다.

또한, 반영구적으로 사용할 수 있다는 점에서 경제성도 갖춰져 있다. 배상민 교수는 “120시간 사용 가능하며, 사용 후 필터를 가열하면 재사용이 가능하므로 반영구적으로 사용할 수 있다”라고 설명했다. 소모성 장비로 인해 발생할 수 있는 유지비용을 절감할 수 있는 것이다.

전 세계 우승후보 Top 20 선정

‘제임스 다이슨 어워드’는 다이슨(Dyson) 사의 창립자인 제임스 다이슨 경이 주관하는 디자인 어워드다. 전 세계 엔지니어와 디자이너들로부터 ‘일상적인 문제들을 해결하기 위한 아이디어’를 응모하도록 하고, 이 가운데 혁신적이고 우수한 디자인을 해마다 선정해 상을 수여한다.

옥시나이저는 국내 122개 팀과 경쟁, 올해 9월 국내전 우승작으로 선정됐다. 아이디어 고도화, 제품 개발 및 상용화를 위한 5천 파운드(한화 약 9백만 원)가 주어졌다. 또한, 금일(16일) 전 세계 우승 후보작 Top 20에 선정됐다. 약 29개국 1,911개 출품작 사이에서 약 95:1의 경쟁률을 뚫은 것이다. 

최종 우승작은 제임스 다이슨 경이 직접 선정하게 되며, 오는 11월 13일 발표 예정이다. 최종 우승작으로 선정될 경우 3만 파운드(한화 약 5천4백만 원)의 상금이 추가로 주어져, 아이디어를 상업화할 수 있는 기회를 얻게 된다.

‘인류를 위한 프로토타입’ 선정

아트 두바이 그룹(Art Dubai Group)에서 주최하는 ‘인류를 위한 프로토타입’은 글로벌 차원의 문제와 그 해결책에 대해 논의하는 국제 협력 프로젝트다. 두바이 미래재단, 두바이 문화예술청, 두바이 국제금융센터를 비롯해, 하버드 대학, 매사추세츠 공과대학 등 세계적으로 이름난 대학들이 참여하고 있다.

옥시나이저는 100개국 이상의 대학에서 출품한 3천여 개 경쟁작 중 ‘우수 사례작 100개’ 중 하나로 선정됐다. 전력 인프라 및 경제적 여건이 좋지 않은 지역에서 널리 활용할 수 있다는 점이 주요 포인트가 된 것으로 보인다.

지난 9월 11일 선정 공지됐으며, 오는 11월 17일부터 22일까지 개최 예정인 두바이 미래재단의 전시회에 공개될 예정이다. 전시회는 두바이 랜드마크 중 하나인 주메이라 에미레이트 타워(Jumeirah Emirates Tower)에서 열린다.

아트 두바이 그룹은 이번 전시 기간을 통해 100개 중 상위 5개를 선정한다. 상위 5개에 선정될 경우 총 상금 10만 달러(한화 약 1억3천만 원)가 주어진다.

‘오가노이드(Organoid)’는 인체 내 장기의 구조와 기능을 모사한 세포 집합체를 말한다. 즉, 3차원으로 구현된 ‘미니 장기’인 셈이다. 의학 및 제약 분야 연구에 있어 다양한 용도로 사용되며, 다양한 질병 연구와 신약 개발에 많은 기여를 하고 있다.

카이스트 연구팀이 기존 이미징 기술의 한계를 극복한 새로운 기술을 발표했다. 연구팀은 이를 통해 ‘살아있는 오가노이드’의 실시간 동적인 변화를 고해상도로 관찰하는 데 성공했다.

인위적으로 만든 미니 장기

오가노이드는 줄기세포 또는 전분화세포로부터 유도해낸 ‘모사 장기’다. 장기 유사체, 또는 미니 장기로도 불린다. 체내 장기의 자연적인 생리 구조 및 기능을 재현할 수 있다. 특정 장기에 생기는 질병의 발생 메커니즘을 이해하고 약물 테스트를 하는 데 사용되기도 하고, 장기 또는 조직이 손상됐을 때 이를 대체할 방법이 있는지를 연구하는 데 활용되기도 한다.

또한, ‘개인 맞춤형 의료’가 트렌드로 자리잡고 있는 요즘, 환자 본인의 세포로 만든 오가노이드를 바탕으로 맞춤형 치료법을 개발하는 데도 유용할 것으로도 여겨지고 있다. 구조 및 기능 면에서 실제 장기와 유사하기 때문에, 생물학과 의학, 약학 등 연구에서 중요한 역할을 차지한다.

홀로토모그래피, 비파괴적 이미징 기술 

카이스트 물리학과 박용근 교수 연구팀은 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단 연구팀 및 (주)토모큐브의 협력으로 오가노이드를 관찰할 수 있는 새로운 이미징 기술을 개발했다. ‘홀로토모그래피(holo-tomography)’ 기술을 활용, 살아있는 소장 오가노이드를 높은 해상도로 실시간 관찰할 수 있는 기술이다.

홀로토모그래피는 빛의 간섭 패턴을 이용하는 홀로그래피(holography) 기술과, 물체의 단면 이미지를 여러 각도에서 촬영한 다음 이를 바탕으로 3차원 구조를 재구성하는 토모그래피(tomography) 기술을 결합한 것이다. 두 기술의 특성을 활용해 대상의 3차원 정보를 획득하는 방식이다. 물질 비파괴 검사(NDT)와 유사한 원리를 사용하는 비파괴적 이미징 기술로, 생물학 샘플 또는 미세 구조를 분석하기 위해 사용한다.

홀로토모그래피는 미세한 구조까지 세밀하게 관찰할 수 있는 데다가, 샘플을 파괴하지 않는 특성이 있어 세포의 내부 구조 또는 조직의 특성을 분석하기에 알맞다. 게다가 샘플의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있기 때문에, 생물의 동적인 과정을 연구하는 데도 적합하다.

장기간에 걸친 실시간 고해상도 이미징

기존의 이미징 기술들은 살아있는 오가노이드를 장기간 고해상도로 관찰하는 데 한계가 있었다. 예를 들어, 형광 현미경을 사용하는 방법은 지속적인 관찰을 위해서는 형광 염색 등의 추가 처리를 필요로 한다. 이는 세포에 스트레스를 주거나 독성 반응을 일으킬 수 있어, 오랜 기간에 걸친 관찰에 한계가 있다. 

한편, 2차원 평면 이미징 기술로는 3D 구조를 정확하게 재현하기 어려우므로 오가노이드의 내부 구조를 명확하게 관찰하기 어렵다. 게다가 조직 샘플이 두꺼울 경우, 빛이 산란될 수 있어 이미지 해상도가 저하될 우려도 있다. 세포 분열 등의 동적 변화를 실시간 관찰하는 것도 어려웠다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 홀로토모그래피 기술을 도입했다. 염색 등의 처리가 필요하지 않으므로 샘플에 손상이 가해지지 않고, 3D 기반의 고해상도의 이미지를 생성할 수 있는 데다가 실시간 동적 변화를 오랫동안 관찰할 수 있다는 특징을 활용하고자 한 것이다.

연구팀은 실험용 쥐의 소장 오가노이드를 이용해 새로운 기술을 검증했다. 그 결과 오가노이드 내부의 다양한 세포 구조를  세밀하게 관찰할 수 있었다. 오가노이드의 성장 과정, 세포 분열,  세포 사멸 등의 동적 변화도 실시간으로 포착할 수 있었다. 또한, 약물 처리에 따른 오가노이드의 반응을 정밀하게 분석함으로써 세포의 생존 여부를 확인할 수 있었다.

개인 맞춤형 의료와 재생의학에도 기여할 것

연구팀은 이번 연구를 통해 신약 개발, 맞춤형 치료, 재생의학 등 다양한 분야에서 오가노이드의 활용을 극대화할 수 있을 것으로  기대하고 있다. 비파괴적으로 3D 이미지를 구현할 수 있으므로 오가노이드에 손상이 가해지지 않고 생체 내 환경을 더 정교하게 재현할 수 있다. 

오가노이드의 복잡한 구조와 기능을 세포 단위에서 실시간으로 관찰할 수 있기 때문에 더욱 정밀한 확인과 분석이 가능해진다. 이는 질병이 어떻게 발생하고 진행되는지 그 기전을 명확히 파악하는 데 도움이 될 것이며, 나아가 특정 약물을 사용했을 때 그 성분이 어떤 식으로 작용하는지를 더욱 깊이 있게 이해할 수 있게 할 것이다.

한편, 환자의 세포를 기반으로 제작한 오가노이드를 홀로토모그래피 기술로 관찰할 수 있게 되면, 개인의 생리적 특성 및 약물 반응 등을 반영한 맞춤형 치료법 개발에 기여할 수 있을 것이다. 이는 손상된 장기나 체내 조직을 대체하는 재생의학 연구에서도 중요한 기초 자료가 될 수 있다.

이번 연구는 생명과학의 다양한 분야에 적용할 수 있다는 가능성을 인정받고 있으며, 지난 1일(화) 국제 학술지 「Experimental & Molecular Medicine」에 온라인 게재됐다.

한국보건의료연구원(이하 NECA)은 9월 26일(목) ‘세계 피임의 날’을 맞아, 가임기 여성의 피임법 가운데 하나인 ‘레보노르게스트렐 방출 자궁내장치 삽입술’(이하 LNG-IUD)에 대한 의료기술 재평가 결과를 발표했다.

합성 호르몬 방출로 피임 효과 얻는 기술

LNG-IUD는 합성 호르몬인 ‘레보노르게스트렐(LevoNorGestrel)’을 방출하는 피임장치를 여성의 자궁 안에 삽입하여 피임을 유지하는 기술이다. 최초 시판된 제품명이 ‘미레나’였던 영향으로, 흔히 ‘미레나 시술’이라는 이름으로도 불린다.

레보노르게스트렐은 여성 호르몬의 일종인 ‘프로게스테론’과 유사한 작용을 하는 합성 호르몬이다. 자궁 내막을 얇게 유지해 수정란의 착상을 방해하고, 자궁경부 점막 변화 또는 배란 억제를 일으켜 피임을 유도하는 방식이다.

LNG-IUD는 본래 피임 목적으로 개발됐으나, 생리과다 및 심한 월경통, 완경 후 호르몬 치료 등을 위해서도 사용되고 있다. 치료 목적으로 시술할 경우 건강보험 급여가 적용되지만, 피임 목적으로 시술할 경우 비급여로 본인 전액 부담이다.

호르몬의 인위적 변화, 부작용은 없을까?

NECA는 LNG-IUD의 기술 재평가에 앞서 일반 국민 100명으로 구성된 ‘NECA 국민참여단’을 통해 설문조사를 진행했다. LNG-IUD가 피임 효과는 어느 정도인지, 통증이나 이상 반응은 없는지 등을 주로 궁금해하는 것으로 나타났다. 합성 호르몬을 인위적으로 발생시키는 원리인 만큼, 장치 제거 이후 불임 가능성에 대한 우려가 가장 많았다.

NECA는 가임기 여성이 피임 목적으로 LNG-IUD를 사용하는 것이 안전하고 효과적인지를 확인하기 위해, ‘체계적 문헌고찰’ 방법으로 총 30편의 연구결과를 검토했다. 체계적 문헌고찰이란, 전 세계에서 수행된 연구들을 한데 모아 종합적인 결론을 도출하는 방법이다.

피임효과는 확실, 출혈 등 문제 크지 않아

검토 결과, LNG-IUD 시술 후 피임 실패율은 1% 미만으로 나타났다. 불임수술과 비슷한 수준이다. 시술 후 효과는 3년~5년 가량 지속 가능하다. 

시술 후 발생한 이상반응으로는, 시술 후 초기 생리 양상의 변화가 있었다. 미량의 혈액이 묻어 나오는 ‘점상 출혈’, 불규칙한 출혈 감소, 무월경 증가 등이다. 그러나 시술 후 시간이 지나면서 출혈 관련 증상은 점차 줄어들었으며, 대부분 큰 이상이 없는 수준으로 확인됐다.

장치 제거 후 불임 우려 없어

시술한 LNG-IUD가 질 밖으로 빠져나오는 경우는 매우 드물게 나타나는 것으로 확인됐다. 또한, 장치를 제거한 뒤에도 불임을 비롯한 임신에 부정적인 영향은 없는 것으로 나타났다. LNG-IUD 시술을 받는다고 해서 체중이 증가한다거나 하는 문제는 나타나지 않았다.

일부 연구 결과에서는 LNG-IUD 시술로 인해 유방암 발생 위험, 우울증 증가 위험이 있다는 내용을 발표했다. 하지만 다른 연구결과들을 포함해 통합적으로 검토한 결과, 그러한 문제가 있다고 결론을 내리기에는 문헌상 근거가 부족했다.

보건의료평가연구본부 김민정 본부장은 “LNG-IUD가 명확한 피임 효과가 있음을 확인했으며, 시술 관련 이상반응도 수용가능한 수준으로 볼 수 있다”라며 “다만, 시술로 인해 유방암이나 우울증 발생 위험이 높아질 수 있다는 점을 확인하기 위해서는 추가 연구가 필요하다”라고 밝혔다.

LNG-IUD 시술에 대한 의료기술 재평가 보고서는 한국보건의료연구원 홈페이지에서 다운로드 받을 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단에서 대뇌 표면에 견고하게 밀착할 수 있는 ‘신축성 전자패치’를 개발했다. 이를 통해 뇌 질환을 앓고 있는 환자 개개인에 맞춘 ‘전자약(electronic drug)’ 기술을 최초 구현했다. 전자약이란, 질병 치료 및 생체활동 회복 기능을 가진 전자장치를 일컫는 말이다.

난치성 뇌 질환 치료의 원리

약물 치료가 통하지 않는 난치성 뇌 질환 환자는 전 세계적으로 수천만 명에 달한다. 이들 질환은 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환부터, 우울증과 같은 신경정신질환에서 약물 저항이 발생하는 경우, 그리고 그 외의 희귀성 질환까지 다양하다.

이를 치료하기 위해 병증이 발생한 조직을 자극해 증상을 완화하는 ‘경두개 집속초음파 신경자극술(Transcranial Focused Ultrasound, tFUS)’이 등장한 바 있다. 두피에 변환기를 장착하고, 초음파를 두개골에 투과시켜 뇌 조직의 특정 지점에 집중시키는 방식이다.

하지만 뇌 신경의 구조는 개인마다 다르다. 이 때문에 고정된 조건으로 신경자극을 가할 경우, 치료 효과가 일관되게 나타나지 않는 문제가 있었다. 개인에 따라서는 오히려 증상을 악화시키는 경우도 있었다.

이러한 문제를 극복하기 위해, ‘폐 루프 신경자극술(Peripheral Nerve Stimulation, PNS)’이 제안됐다. 초음파로 말초 신경을 자극하고 그에 따른 전기적 뇌파 변화를 감지해, 개인에게 맞는 자극 조건을 맞춤 제공하는 방식이다. 

이는 초음파 기반의 신경치료체계를 확립하기 위해 무엇이 필요한지를 보여준다. 대뇌 표면에서 발생하는 전기신호(대뇌피질전도)를 실시간으로 감지해 활용할 수 있는 ‘뇌파 계측 기술(EEG)’이 필수적이라는 의미다.

기존 소재의 한계를 극복한 형상변환 전자패치

대뇌피질전도를 계측하는 데 사용하던 기존의 전극 소자는 강성이 높고 형태 적응성이 낮았다. 쉽게 말해 ‘딱딱한 성질을 갖고 있고, 고정된 형태를 유연하게 바꾸기 어렵다’라는 뜻이다. 이런 소재는 복잡한 굴곡이 있는 뇌 조직의 표면에 적용할 수 없다. 또한, 뇌의 미세한 움직임으로 인해 견고하게 고정되기도 어렵다. 장시간에 걸친 뇌파 계측에 한계가 있다는 것이다.

또한, 초음파 자극을 가할 경우 접촉면에서 음압 진동이 발생한다. 이때 음압 진동에 의해 극심한 잡음이 발생하기 때문에, 신경자극술을 수행하는 동안 전기적 뇌파를 측정할 수가 없다. 피드백 정보로 활용할 수 없다는 의미다.

연구진은 이러한 한계들을 해결하는 데 집중했다. 대뇌피질의 표면을 따라 정교하게 밀착되면서도, 조직 표면에 견고하게 부착될 수 있는 소재로 측정용 패치를 개발했다. ‘접착 하이드로 젤’과 ‘형상변형 기판’을 사용해 이중으로 구성한 패치와, 신축성이 있는 다중채널 미세전극소자를 결합해 제작한 ‘형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치(이하 형상변형 전자패치)’다. 

형상변형 전자패치는 접착 하이드로 젤이 대뇌 접촉면에서 체액과 상호작용해 표면에 부착된다. 형상변형 기판의 소재는 형태 변화가 용이한 데다가 주변 온도가 높으면 물성이 부드러워지는 성질(열 가소성)을 갖고 있다. 

대뇌피질은 불규칙한 단차를 띠고 있고, 신체 온도에 따라 온도가 변한다. 형상변형 전자패치에 사용된 소재들은 이러한 환경에서도 견고한 밀착이 가능하다. 초음파 자극에 의한 음압 진동에도 잡음을 발생시키지 않을 정도로 정밀하게 고정될 수 있기 때문에, 대뇌피질전도를 높은 품질로 측정할 수 있다.

실시간 뇌파 진단 및 치료 자극 가능

이를 통해 연구진은 초음파 자극이 연속으로 가해지는 환경에서 뇌파 변화를 실시간으로 진단할 수 있는 방법을 개발했다. 이는 실시간으로 뇌파를 모니터링하면서, 적절한 조건으로 조정된 신경 자극을 제공할 수 있다는 뜻이다. 즉, 환자 개인의 뇌파 패턴에 따라 최적화된 자극을 가할 수 있다는 의미다. ‘전자약’이라는 표현이 딱 알맞는 대목이다.

그렇다면 이러한 뇌파 모니터링은 대상이 자유롭게 움직이는 상태에서도 가능할까? 이를 검토하기 위해, 연구진은 뇌전증이 유발된 쥐에게 형상변형 전자패치를 적용해 뇌파 모니터링 안정성을 검토했다. 그 결과 활발하게 움직이는 동안에도 모니터링 안정성이 유지된다는 것을 확인했다.

한편, 뇌전증 발작이 나타나기 전 발생하는 고주파 신호를 포착해, 발작 증상이 나타나기 전 이를 예측하고 초음파 자극을 가동해 발작을 억제하는 결과를 보였다. 초음파 자극이 가해지는 동안, 치료 효과가 충분치 않으면 자극 조건을 조정해 발작을 억제하는 것도 확인할 수 있었다.

성균관대학교 전자전기공학부 교수인 손동희 연구위원은 “초음파 자극에 반응하는 개별 환자의 뇌 신경 활동을 실시간 계측할 수 있게 한 최초 사례”라며 “난치성 신경질환의 정밀 진단 및 개인맞춤형 치료를 가능하게 하는 ‘차세대 전자약 핵심기술’로 자리할 것으로 기대된다”라고 이야기했다.

본 연구결과는 「네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)」(IF=33.7)에 지난 11일(수) 온라인 게재됐다.

‘빛(레이저)을 이용한 친환경 조직병리 진단법’을 개발한 연구 결과가 국제 학술지 「빛: 과학과 응용(Light: Science and Application)」(IF=20.6)에 게재됐다. 이 학술지는 세계 3대 학술지로 꼽히는 「네이처(Nature)」의 자매 학술지다.

조직병리, 기존 진단법의 한계

조직병리는 조직의 세포와 구조를 분석해, 질병의 원인과 기전을 알아내는 것을 말한다. 일반적으로 조직 생검 등의 방법으로 생체 조직 샘플을 채취한 다음, 이를 현미경으로 관찰하는 방법을 사용한다. 

기존까지의 조직병리 진단법에서는 먼저 생검 등의 방식으로 조직을 떼어낸 다음, 이를 현미경으로 관찰하기 위해 염색 슬라이드를 준비해야 했다. 통상 슬라이드를 준비하는 데만 1~2일 정도가 걸렸으며, 이때마다 조직이 소모된다는 문제가 있었다. 또한, 조직 구조의 시각화를 명확하게 하기 위한 슬라이드 염색에서, 화학약품을 사용하기 때문에 환경오염을 유발한다는 것 또한 단점으로 꼽혔다. 

레이저 기술과 인공지능의 결합

가톨릭대학교 서울성모병원 병리과 정찬권 교수와 포스텍 김철홍 교수 연구팀은 ‘광음향 조직 영상(Photoacoustic Histology, PAH)’ 기술을 활용해 보다 빠르고 친환경적인 조직검사 시스템을 개발했다. PAH는 빛(레이저)을 쏘아 생체분자가 만들어내는 초음파 신호를 감지함으로써 이미지를 생성하는 기술이다. 연구팀은 이 기술을 활용해 간암 조직 진단에 접목시켰다. 

PAH는 ‘가상 염색’을 통해 실제와 동일한 병리 이미지를 생성할 수 있다. 화학약품을 통한 염색, 조직 검체 식별을 위한 라벨링 작업이 필요치 않다는 장점이 있었지만, 이제까지는 병리 의사가 진단을 할 수 있을 만큼의 명확한 이미지를 생성하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 PAH에 인공지능 기술을 결합한 딥 러닝 모델을 개발해 이러한 한계를 극복해냈다. 인공지능을 통해 △가상 염색 △분할 △분류 단계를 수행함으로써 조직 영상을 분석하는 방식이다. 

전문의 진단 결과와도 일치

연구팀은 실제 간암 조직에서 얻은 PAH에 연구팀이 개발한 딥 러닝 모델을 적용해보았다. 그 결과 딥 러닝 모델은 간암세포 및 정상 간 세포를 98% 정확도로 분석해냈다. 병리과 전문의 3명이 진단한 결과와 비교한 결과에서도, 딥 러닝 모델이 식별한 결과는 100% 일치했다. 이는 실제 현장 적용도 가능하다는 것을 의미한다.

진단 정확성 및 환경오염 문제 해결

조직검사는 질환의 정확한 진단부터 그에 맞는 적절한 치료 계획을 세우는 데 매우 중요하다. 간암의 경우, 정확한 진단을 위해 영상 검사, 혈액 검사를 선행한다. 이 결과로 확진이 어려울 경우, 초음파를 보며 가느다란 바늘을 이용해 간 조직을 채취(바늘 생검)한다.

생검으로 채취한 조직을 현미경으로 관찰하기 위해서는, 유리 슬라이드에 조직을 얇게 잘라낸 다음 염색을 하는 과정이 필요했다. 이 과정에서 추가 인력 및 비용이 들어가며, 염색을 위해 화학물질이 사용되므로 환경에도 악영향을 끼쳤다.

만약 슬라이드 제작 과정에서 기구 오염 또는 조직 오염이 발생할 경우, 진단 자체가 잘못될 가능성도 있었다. 진단 목적에 따라 염색법이 달라질 수 있기 때문에, 여러 검사가 필요할 경우 그때마다 슬라이드를 추가 제작해야 한다는 문제도 있었다.

정찬권 교수는 “딥 러닝을 활용한 검사법은 슬라이드 제작에 소요되는 시간과 비용을 줄이고, 염색에 사용되는 헤마톡실린, 에오신, 자이렌, 알콜과 같은 화학물질을 사용하지 않는 친환경 진단법”이라며 “간암 진단 민감도 100%를 달성한 만큼, 다른 암 조직검사 진단에도 적용하기 위한 추가 연구를 지속해 진단 효율성을 향상시킬 것”이라고 설명했다.

스마트 워치 등 웨어러블 기기는 이제 스마트폰 못지 않게 널리 보급되며 일상에 깊숙하게 자리잡았다. 웨어러블 기기는 운동 추적, 걸음수 및 심박수 측정 등 개인 건강 관리 측면에서 널리 활용되고 있다. 이는 사람들로 하여금 기본적인 건강을 스스로 관리할 수 있도록 했다.

하지만 기존까지 웨어러블 기기는 측정 정확도가 들쭉날쭉한 경우도 있었다. 피부 표면에 닿는 센서에 노이즈가 발생하거나, 피부 수분 상태 또는 움직임에 따라 센서 접촉 상태가 달라지는 등의 문제로 측정 결과가 달라지는 경우가 있었다. 

이러한 문제점을 해결할 수 있는 가능성이 생겼다. 카이스트 신소재공학과 스티브 박 교수와 바이오및뇌공학과 박성준 교수의 공동 연구팀이 3D 프린팅이 가능하며 조직 표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재를 개발했다고 밝혔다.

독성 없는 고전도성 소재

웨어러블 기기에는 생체 신호를 감지하고 분석하는 ‘생체전자소자’가 활용된다. 기존 사용됐던 생체전자소자는 금속성 기반으로, 물성이 단단하기 때문에 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제점을 안고 있었다. 

이를 보완하기 위해 전도성 하이드로젤 소재를 개발했으나, 전기전도성이 낮아 생체 신호를 정확하게 감지하는데 한계가 있었다. 또한, 독성이 있어 약 24시간에 걸쳐 독성을 제거하는 공정이 필요했다.

카이스트 연구팀이 이번에 개발한 새로운 하이드로젤 소재는 전기전도성과 생체적합성에 관한 문제점을 모두 해결했다는 점에서 주목할 만하다. 전도성 고분자를 나노미터 크기로 가공해 높은 전도성을 갖도록 하고, 원심분리 공정을 통해 사전에 독성 물질을 제거함으로써 독성 제거를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있게 됐다.

이는 기존에 선행됐던 연구에 비해 전도성은 약 1.5배 향상된 결과이며, 고해상도 패터닝 및 전방위 3D 전극 패터닝이 가능하다는 장점을 가진다. 3D 마이크로니들 구조로 생체조직에 접촉했을 때 손상을 최소화한다는 장점도 있다.

의료 분야부터 웨어러블 기기까지 폭넓게 활용 가능

연구팀은 의료 분야에서 사용되는 측정 소자들로 새로운 소재의 기능성을 검증했다. 심전도와 근전도를 측정할 수 있는 타투, 뇌 피질 전도도를 측정할 수 있는 소자, 3D 뇌 탐침이 가능한 측정 소자 등을 만들어 기존 대비 어떤 성능을 갖는지를 확인했다.

그 결과, 기존 2D 전극 패터닝 기술로는 접근하기 어려웠던 표면 이하 심부 영역까지 측정할 수 있다는 점을 확인했다. 예를 들어 근육의 전기적 활동을 보다 정확하게 측정함으로써 운동 기능이나 재활 치료에도 활용할 수 있을 것이다. 

또한, 심부 영역의 뇌 신경세포를 측정할 수 있게 됨으로써 뇌가 어떤 식으로 활성화되는지를 보다 정확하게 해석할 수 있는 한편, 뇌의 특정 부위에서 발생하는 신경 신호를 정밀하게 측정할 수도 있다. 이는 신경계에 발생하는 질환을 조기에 진단하거나 치료하는데 기여할 수 있다.

일상적인 영역에서는, 지금보다 더욱 정확한 측정 성능을 가진 웨어러블 기기를 만나볼 수 있을 것이다. 피부 표면과의 접촉을 최적화할 수 있고, 입체적으로 설계된 3D 전극 패터닝 기술을 적용할 수 있으므로 보다 정확하게 심박수 등의 신호를 측정해낼 수 있다는 것이다. 유연하고 부드러운 소재 특성으로 피부 자극 없은 착용감도 기대할 수 있다.