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세상을 바꿉시다.
Let's Change the World
유연한 인쇄 무금속 전극 MIT 공대 공학자 엔지니어, 전극 개발(2023.06.15 기사)? 자연을 모방하여 과학적 개가를 올린다. 그중 젤로(Jell-O) 소재는 심박 조율기, 인공 와우 및 기타 인체 기관의 이식용 금속 전기 인터페이스 대체할 수 있다. 과학적인 설명은 딱딱하고 어렵지만, 인류를 위한 획기적인 발견은 금방 상상할 수 있다. 말랑말랑한 젤로 같은 갈퀴 모양의 폴리머 하이드로겔 내부에 전극 연결 회로가 있다. MIT 공학 팀은 생체 조직만큼 부드럽고 질긴 비금속 물질을 개발했다. 금속성 전극을 몸에 이식하면 시간이 지나며 신체 조직을 악화시켜 흉터와 염증을 일으키고 성능도 저하된다. 우리 몸과 유사한 고성능 전도성 고분자 하이드로겔 일종으로 수분 함량도 인체와 비슷하여 인공 조직이나 신경과 같다. 체내에 이식하면 기존의 심박 조율기, 인공 와우에서부터 시력 강화, 우울증 치료, 기동성 회복, 뇌 및 망막 마이크로칩 등에 이르기까지 다양한 장치에 활용할 수 있다.
따개비, 거미줄 등 자연 모방 기술로 차세대 생체접착제를 연구 개발하고 있는 의료기기 스타트업 사나힐(SanaHeal, https://sanaheal.com/)도 관여했다. 신경 자극과 심장, 뇌 등 기관과 연결하기 위해 금속을 대체할 수 있는 견고하고 젤로 같은 전극을 최초로 개발했다. MIT Xuanhe Zhao 교수 겸 사나힐 공동 창업자와 카이스트/MIT 출신 한국인 육현우 박사 등이 팀이다. 따개비 모방해 15초 만에 굳는 생체 지혈제도 개발한 바 있다. 작년 의사들이 충격을 금치 못했다. 붙이면 몸속을 보여주는 미친 스티커도 개발했다. 우표 크기의 스티커를 만들었는데 그냥 피부에 붙이기만 해도 몸속의 장기를 48시간 동안 실시간 이미지로 관찰이 가능하다. 2022년 7월 Science에 발표되었다.
진정한 도전
대부분 폴리머는 본질적으로 절연체로 전기가 쉽게 통과하지 못한다. 1970년대에 처음으로 고전도 폴리머가 등장한 후 노벨 화학상 수상도 했다. 최근 Zhao 교수팀은 주로 전도성 고분자 입자를 부드럽고 수분이 풍부한 해면질 폴리머 일종인 하이드로겔과 혼합하여 부드럽지만, 질긴 전도성 필름 및 패치를 만드는 것을 목표로 했다. 그러나 번번이 깨지기 쉬웠거나 전기적 성능이 좋지 않았다. 겔 재료에서 전기적 특성과 기계적 특성은 항상 상치된다. 그러나 두 가지가 모두 필요하다. 전도성 신축성 견고성 모두를 충족하는 전도성 폴리머가 진정한 도전 과제다.
전기 스파게티
각 성분의 전기적/기계적 특성을 모두 충족하는 하이드로겔과 전도성 고분자를 혼합하기 위한 새로운 레시피가 필요했다. 이전에는 무작위적인 혼합 노력했지만, 무작위로 분산된 폴리머 입자로 만든 겔을 생성해 냈다. 분리된 상태에서 각 성분을 각각의 폴리머에 연결하여 길고 미세한 가닥을 형성하는 동시에 전체적으로 혼합되는 소재를 개발했다. 전기 및 기계 스파게티를 만든다? 전기 스파게티는 전도성 고분자로, 연속적이기 때문에 재료 전체에 전기를 전달할 수 있다. 그리고 기계식 스파게티는 기계적 힘을 전달할 수 있고 연속적이기 때문에 질기고 신축성이 있는 하이드로겔이다. 육현우 박사와 연구원들은 조리법을 수정하여 스파게티화된 젤을 잉크로 조리하여 3D 프린터를 통해 공급하여 금속 전극과 유사한 패턴으로 순수한 하이드로겔 필름에 인쇄해냈다. 기하학과 모양을 사용자가 정의할 수 있어 모든 종류의 인체 장기에 대한 전기 인터페이스를 쉽게 제작할 수 있다고 Zhou 교수는 말한다.
향후 목표
인쇄된 젤로 형태의 전극을 쥐의 심장, 좌골 신경, 척수에 이식했다. 최대 2개월 동안 전극의 전기적 및 기계적 성능을 테스트했다. 그 결과 주변 조직에 염증이나 흉터가 거의 없이 안정적으로 유지된다는 것을 발견했다. 전극은 또한 외부 모니터로 심장의 전기 맥박을 중계하고 좌골 신경과 척수에 작은 펄스를 전달할 수 있어 관련 근육과 팔다리의 운동 활동을 자극했다. 심장 수술에서 회복 중인 환자에게 즉시 적용할 수 있을 것으로 판단한다. 수술 부작용으로 인한 심장 마비를 피하려면 몇 주간의 전기 지원이 필요하다. 그래서 의사들은 심장 표면에 금속 전극을 꿰매지만, 젤로 대체하면 합병증과 부작용을 최소화하게 될 것이다. 현재 연구팀은 소재의 수명과 성능을 향상하기 위해 노력하고 있다. 앞으로 심장 박동기 및 심뇌 자극기 등 장기와 장기 이식 사이의 부드러운 전기 인터페이스로 사용될 수 있을 것이다. 신체 내부의 유리, 세라믹, 금속 등 소재를 젤로(Jell-O) 전극으로 교체하여 유연하면서 오래 가고 성능이 좋은 인터페이스를 만드는 것이다. 연구에는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 지원도 일부 있었다. 연구팀은 "세상을 바꿉시다" (MIT 기계공학과).
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