인체 삽입형 의료기기 코팅기술 개발, 의료기기 수명연장과 안정성을 동시에 확보
최근 뇌에 브레인칩을 삽입하여 생각만으로 기계를 움직이는 뇌-기계 인터페이스 기술을 비롯해 파킨슨 병 등 뇌질환 치료를 위한 뇌심부 자극기 등 다양한 인체 삽입형 의료기기들이 개발되어 의료 현장에서 활용되고 있다. 하지만, 인체에 삽입되는 기기는 주위 생체조직에 면역반응을 유도하고, 이로 인한 기기의 성능 저하로 장기간 사용이 어렵다. 뇌심부 자극기나 브레인칩 역시 뇌에 삽입되면 미세아교세포 등 뇌면역세포의 작용으로 안정적인 동작이 저해되고, 기기 수명이 단축되어 교체를 위한 추가적인 수술이 필요하다.
한국과학기술연구원(KIST)은 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀이 연세대학교 (연세대) 서정목 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 뇌를 포함, 인체에 삽입되는 의료기기 코팅기술을 개발했으며 이를 통해 삽입과정의 조직손상을 최소화하고 염증반응을 억제해 기기의 수명을 기존 기기 대비 4배 이상 향상시키는 성과를 거두었다고 밝혔다.
개발한 기술은 인체에 삽입되는 기기 표면에 단분자막과 윤활유를 얇고 균일하게 코팅하는 방법이다. 이는 기기가 인체에 삽입되는 동안 발생하는 기기-조직간의 마찰을 감소시켜 조직 손상을 최소화한다. 더불어 면역거부반응에 의해 활성화 된 면역세포들이 기기 표면에 붙는 것을 막는 면역세포 부착 방지 특성을 나타낸다.
연구팀은 실험을 통해 생쥐 뇌에 개발한 코팅 기술이 적용된 신경 탐침을 삽입해 관찰한 결과 삽입직후 신경 탐침 내 32개의 뇌신호 측정 전극 중 90% 이상의 전극에서 뇌신호가 성공적으로 관찰할 수 있었다. 이는 코팅기술이 적용되지 않은 신경탐침에서 관찰되는 신호의 2배이며, 뇌조직의 관찰을 통해서도 삽입 과정에서 발생하는 조직손상을 최소화했음을 확인했다. 안정성 면에서도 코팅막 처리가 되지않은 탐침의 경우 면역세포들이 기기표면에 붙어 시간이 지남에 따라 신호측정 기능이 떨어졌으나 코팅기술이 적용된 탐침은 생물부착방지 특성으로 기존 전극에 비해 4배가 긴 4개월 간 안정적으로 뇌신호 측정이 가능했다.
조일주 단장과 서정목 교수는 “개발한 코팅 기술은 뇌 뿐아니라 다른 인체 부위 삽입 기기에도 활용이 가능하며, 관련 기기의 수명을 획기적으로 연장할 수 있을 것”이라며, “인체 삽입형 의료기기의 교체 주기를 획기적으로 늘려 빠른 상용화에도 기여 할 것으로 기대한다”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단의 신진연구자 지원사업과 뇌과학원천기술개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘Advanced Science’ (IF: 16.80 JCR 분야 상위 5.255%) 에 표지논문으로 선정되었다.
* (논문명) A Lubricated Nonimmunogenic Neural Probe for Acute Insertion Trauma Minimization and Long-Term Signal Recording, (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202100231)
- (제 1저자) 연세대학교 이연택 학생연구원
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 신효근 박사후연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 조일주 책임연구원
- (교신저자) 연세대학교 서정목 교수
연구 결과 개요
1. 연구 배경
파킨슨병 치료를 위한 뇌심부 자극기, 심박 이상 환자를 위한 페이스메이커 등을 포함하여, 다양한 목적의 입체 삽입형 의료기기들이 개발되고 있으며, 임상에 활용되고 있다. 최근에는, 뇌에 삽입된 브레인칩을 통해 뇌신경 신호를 실시간으로 읽어, 생각만으로 기계를 마음대로 움직이는 뇌-기계 인터페이스 기술이 보조 로봇과 결합하여 고령자와 장애인의 사회 참여를 확대가 기대되고 있다. 하지만, 인체에 외부기기를 삽입해야 한다는 점 때문에 파킨슨병, 사지마비 환자와 같은 중증 환자 이외의 사람들에게 적용하기에는 많은 제약이 따른다. 특히, 인체 삽입 시에 발생하는 면역거부반응은 장치의 장기간 사용을 어렵게 만든다. 예를 들어, 뇌신호 측정 및 자극을 위한 브레인칩을 뇌 안에 삽입하는 경우, 삽입에 따른 뇌 손상 및 뇌 내 면역거부반응으로 인해 브레인칩 표면 주변에 뇌면역세포들이 급속히 증식된다. 급속히 증식된 뇌면역세포들은 전극으로부터 신경 신호 측정을 방해하여, 장치의 수명을 단축시키고, 교체를 위한 재수술이 요구된다.
2. 연구내용
본 연구에서는 장기간 안정적인 뇌신경 신호 측정을 위한 코팅 기술을 개발하였다. 신경 탐침 표면에 나노구조체 및 미끄러운 윤활유를 코팅하여 삽입시 발생하는 뇌조직과의 마찰을 줄여 신경 탐침 삽입에 의한 뇌손상을 최소화하였다. 뿐만 아니라, 나노구조체 및 미끄러운 윤활유의 생물 부착 방지 특성으로 인해 신경 탐침 표면에 뇌면역세포의 부착을 방지하여, 전극의 성능 저하를 방지하였다. 본 연구에서는 이러한 코팅 기술을 실리콘 기반 신경 탐침에 적용하여 코팅에 따른 성능 향상을 입증하는 다양한 실험 결과들을 보여주었다. 코팅에 따른 전극의 성능 변화를 비교하기 위해, 코팅하지 않은 신경 탐침과 코팅한 신경 탐침을 생쥐의 뇌에 삽입하여 뇌신경 신호를 측정하였다. 그 결과 윤활유 코팅에 의해 탐침 삽입시 발생하는 급성 뇌조직 손상이 감소했음을 뇌조직 관찰로 확인할 수 있었으며, 또한 약 2배 이상 많은 전극에서 뇌신경 신호가 측정됨을 확인하였다. 뿐만 아니라, 윤활유 코팅에 따른 생물 부착 방지 특성에 의해 코팅된 신경 탐침 표면에서 뇌면역세포들이 적게 달라붙는 것을 확인할 수 있었으며, 결과적으로 기존의 전극보다 4배가 긴, 4개월간 안정적으로 뇌신경 신호가 측정됨을 확인하였다.
3. 기대효과
뇌-기계 인터페이스용 탐침이나 뇌심부 자극기 이외에도, 대부분의 인체 삽입형 의료기기에 적용 가능한 기술로서, 삽입형 의료기기들의 수명을 증가시켜 교체 주기를 획기적으로 연장시킬 수 있다. 이를 통하여, 인체 삽입형 기기들의 안정성 및 효율성을 극대화할 것으로 기대된다.
연구 결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
◯ 최근 인체 삽입형 기기나 뇌-기계 인터페이스 기술이 주목을 받으면서, 삽입형 기기의 안정성 및 수명을 늘이기 위한 기술의 필요성이 증대되고 있음
◯ 본 논문의 공동 교신 저자인 서정목 교수는 생체조직에서 바이오센서의 보호 및 안정적인 동작을 위한 바이오계면 연구를 활발히 진행하고 있었음
◯ 이때, 공동 교신 저자인 조일주 박사 연구팀에서 개발한 신경 탐침의 뇌신호 측정 성능 향상에 대한 필요성에 대해 서로 공감하여 같이 연구 개발을 시작하였음
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
◯ 기존에는 장기간 안정적인 뇌신호 측정을 위해 유연한 신경 탐침들이 주로 개발되었음. 이러한 구조체들의 경우, 낮은 강성에 의해 뇌에 직접적인 삽입에 어려움이 있음. 이를 극복하기 위하여, 단단한 재질의 삽입 장치를 접합하거나 수용성 물질을 두껍게 코팅하였기에 뇌 삽입시 뇌손상이 크며, 삽입 직후 뇌신경 신호 측정에 어려움이 있음
◯ 본 연구에서 개발한 코팅 기술은 뇌조직과의 마찰 감소를 통해 삽입시 뇌손상을 최소화하여, 삽입 직후에도 안정적인 뇌신호 측정이 가능하며, 생물 부착 방지 특성을 통해 뇌면역세포 부착을 방지해, 장기간 안정적인 뇌신호 측정이 가능함.
◯ 따라서, 급성/만성 뇌 손상을 최소화해, 삽입 직후부터 안정적인 뇌신호 측정이 가능하다는 점에서 기술적 진보성이 있음. 또한, 기존에 사용되고 있는 대부분의 인체 삽입형 의료기기들에 적용 가능한 기술로서, 기기의 안정성 및 효율성을 극대화한다는 점에서 높은 범용성을 지님
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
◯ 기존의 뇌심부 자극기나 심장 페이스 메이커 등 입체삽입형 기기의 표면에 코팅하여 기기의 교체 주기를 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대됨
◯ 뇌-기계 인터페이스에 사용되는 브레인칩의 안전성을 높여, 삽입 대상을 전신마비 환자에서 뇌질환 환자로까지 확대할 수 있을 것으로 기대됨.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
◯ 탐침과 같은 작은 구조물뿐만 아니라, 뇌심부 자극기나 페이스메이커 등과 같은 큰 인체 삽입형 기기들에도 균일하게 코팅할 수 있는 기술 개발이 필요함
◯ 실용화를 위해서는 코팅에 사용되는 나노구조체 및 미끄러운 윤활유에 대한 식약처 승인이 필요함
의학약학 KIST (2021-07-12)
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