실명 환자 시력 회복 돕는 볼록볼록한 점자 형태 3차원 망막 전극 개발
DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 김소희 교수 연구팀이 볼록볼록한 점자와 같은 3차원 망막 전극을 개발했다. 망막 내 남아 있는 정상 신경세포를 자극함으로써 실명 환자의 시력을 부분적으로나마 복원하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
실명의 주된 원인은 당뇨망막병증과 황반변성 등의 질환으로 인한 망막 내 광수용체 세포의 손상에 있다. 눈으로 들어온 빛 정보를 전기적 신호로 변환하는 역할을 하는 광수용체가 손상되면 시력 저하를 거쳐 실명까지도 발생할 수 있으며, 완치가 불가능하다.
망막 임플란트는 손상된 광수용체를 대체하여 망막 내 정상 신경세포들에 전기 신호를 전달함으로써, 이 신호가 시신경을 따라 뇌로 전달될 수 있도록 하여 시력을 복원하는 장치이다. 기존의 망막 임플란트는 많은 경우 단순한 2차원 형태의 전극을 채택하여 세포와의 밀착이 어려웠다. 또, 몇몇 연구그룹에서 개발한 3차원 형태의 전극은 뾰족한 침 형상 또는 각진 모서리를 가져 정상 세포의 손상을 유발할 수 있었다.
이에 김소희 교수 연구팀은 유연한 박막 위에 볼록볼록한 점자 형태의 3차원 전극을 형성하는 기술을 개발했다. 이러한 전극은 세포와의 거리를 최소화하여 자극에 필요한 전류를 줄이고, 불필요한 전류 누출을 방지하여 망막 임플란트의 효율성을 향상시킨다. 동시에, 둥근 전극 형상으로 인해 세포 손상을 유발하지 않는다.
김소희 교수 연구팀은 개발한 점자 형태 망막 전극을 사용하여 생쥐와 영장류의 망막을 자극하고 시각 반응을 유도했다. 특히, 이번 연구는 세계에 몇 없는 영장류 망막 연구 경험을 보유한 충북대의대 구용숙 교수팀과 함께 진행되었으며, 세계적으로 보고된 바가 거의 없는 영장류 변성 망막에서의 전기 자극 결과를 제시하였다는 점에서 더 큰 의미가 있다.
로봇및기계전자공학과 김소희 교수는 “망막 굴곡을 따라 완전히 밀착되며 넓은 시야각 확보가 가능한 기술을 개발했다.”며 “망막 자극 기술이 국내에서도 상용화되어 실명 환자들에게 도움이 되었으면 한다.”고 밝혔다.
본 연구에는 김소희 교수와 충북대의대 구용숙 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구 결과는 3월 24일 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼 테크놀로지 (Advanced Materials Technologies)’ 지에 발표되었으며, 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업 및 DGIST 기본사업의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
Double-Sided, Thin-Film Microelectrode Array with Hemispheric Electrodes for Subretinal Stimulation
Namju Kim, Yeji Hong, Seongkwang Cha, Yoo Na Kang, Hee Won Seo, Hyunmin Moon, Jungryul Ahn, Aseer Intisar, Minseok S. Kim, Seong-Woo Kim, Yong Sook Goo*, Sohee Kim*
(Advanced Materials Technologies, Published on March 24, 2024)
본 논문에서는 망막 자극을 위한 3차원적 점자 형태의 마이크로 전극을 개발하였다. 점자 형태 전극은 패럴린 C 박막을 기반으로 하여 제작되었으며, 박막의 윗면에 위치한 전극은 박막의 아래면에 위치한 본딩 패드와 수직으로 연결됨으로써, 많은 면적을 차지하는 연결선의 제거가 가능했다. 이를 통해 전극과 자극 신호 발생기 회로 칩을 면대면으로 통합할 수도 있어 공간을 최소한으로 차지하는 망막 임플란트의 구현이 가능하다. 3차원 점자 형태의 전극은 포토레지스트의 열변형을 통해 높이와 너비 등 형상을 쉽게 제어할 수 있다. 2차원적인 평평한 전극에 비해, 3차원적 형상의 전극은 자극하고자 하는 타겟 세포와 전극 간의 거리를 최소화하여 자극에 필요한 전류 크기를 줄이고, 또 타겟이 아닌 주변 세포로의 불필요한 전류 누출을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 개발된 전극의 장기적 안정성과 생체적합성을 8개월간의 가속노화실험 및 중동물 이식 실험을 통해 검증하였고, 개발된 전극으로 쥐와 원숭이의 망막 조직에 미세 전류 자극을 제공하여 망막 조직의 반응을 성공적으로 이끌어 내었다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
기존의 망막 자극 장치는 단단한 실리콘을 기반으로 만들어지거나, 유연한 재료 위에 구현되더라도 평면적인 형상을 띄는 경우가 대부분이었으나, 본 연구에서는 유연한 재료 위에 3차원적인 점자 형태의 전극을 개발하였다. 2차원적인 평평한 전극에 비해, 3차원적 형상의 전극은 자극하고자 하는 타겟 세포와 전극 간의 거리를 최소화하여 자극에 필요한 전류 크기를 줄이고, 또 타겟이 아닌 주변 세포로의 불필요한 전류 누출을 방지할 수 있다. 또한, 본 연구는 세계적으로 보고된 바가 거의 없는 영장류 망막의 전기 자극 결과를 제시하고 있다.
어디에 쓸 수 있나
실명 환자에서 시각을 복원하기 위한 망막 자극 장치로 사용 가능하다. 망막 자극 시 망막에 밀착하여 타겟으로 하는 세포와 전극 간 거리를 최소화함으로써 최소한의 전류로 망막 세포의 자극이 가능하다. 이는 곧 장치의 사용시간을 늘일 수 있다는 의미이다.
실용화까지 필요한 시간은
본 연구를 통해 개발된 망막 전극은 중동물 실험을 거쳐야 하며, 그 이후로는 식약처로부터 승인을 얻어 임상시험을 수행할 수 있다. 3~4년 내 실용화 가능할 것으로 예상한다.
실용화를 위한 과제는
실용화를 위해서는 식약처의 4등급 의료기기 허가 확보를 통한 임상시험이 필요하다.
연구를 시작한 계기는
뇌, 말초신경 등에 사용 가능한 생체 전극 연구를 진행해 오던 중에 망막 자극을 통한 실명 극복의 가능성이 고무적이었다. 이에 다 기관 컨소시엄을 구성하여 망막 자극 연구를 시작하게 되었다.
어떤 의미가 있는가
기존의 상용 망막 자극 장치는 망막의 위쪽에서 자극을 가하는 경우가 많은데, 망막과 전극 간 밀착이 어렵다는 문제가 존재했다. 이를 해결하기 위해 망막 아래쪽을 자극하는 방식이 제시되었고, 그 중에서도 타겟 세포와 전극 간 거리를 최소화할 수 있는 3차원적 형상이면서도 동시에 망막 조직을 거의 손상하지 않는 둥근 형태의 전극을 제시하였다는 데 본 연구의 의미가 있다.
꼭 이루고 싶은 목표는
망막 자극 기술이 국내에서도 상용화되어 실명 환자들에게 도움이 되었으면 한다.
[그림 1] 3차원 점자 형태의 망막 전극 [사진=DGIST]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(DGIST) 등록일2024.04.23