생체모사 바이오 인공피부와 촉각 신경전달 시스템 개발
센서와 생체재료가 복합화된 바이오닉 인공피부의 동물 모델 이식 성공
화상, 피부질환, 외상 등 피부 결손으로 인한 신경조직의 손상은 생명 유지 활동에 필수적인 감각인지 기능 상실을 유발하고 정신적, 신체적 고통 또한 안겨준다. 자연치유가 불가능할 정도로 손상 정도가 심각할 경우 해당 부위에 인공피부를 이식하는 수술적 치료가 필요한데, 현재까지 개발된 인공피부는 피부조직과 유사한 구조와 환경을 제공하면서 피부재생에 초점을 맞추었을 뿐 환자들의 감각을 회복시키지는 못했다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 생체재료연구센터 정영미 박사, 스핀융합연구단 이현정 박사 연구팀이 연세대학교 유기준 교수, 성균관대학교 김태일 교수와 공동으로 인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부를 개발했다고 밝혔다. 스마트 바이오닉 인공피부는 피부재생에 초점을 두고 있었던 기존의 인공피부와 달리 생체적합성이 높은 소재와 전자소자로 구현된 촉각 기능 전달 시스템이 융합돼 영구적으로 손상된 촉각까지도 복원할 수 있다.
연구팀이 개발한 인공피부는 피부의 주요성분인 콜라겐과 피브린(fibrin)으로 구성된 하이드로겔로 유연 압력 센서를 삽입해 외부의 미세한 압력변화도 감지할 수 있다. 감지된 압력변화는 전자 촉각 리셉터를 통해 전기 신호로 변환되고, 촉각 신경 인터페이싱 전극이 이를 신경에 전달해 피부와 동일한 촉각 기능을 수행할 수 있게 한다. 그뿐만 아니라 피부의 탄력과 조직의 결합을 담당하는 콜라겐과 피브린이 상처 주변에 있는 피부세포의 증식과 분화를 유발해 피부재생을 촉진하는 것 또한 확인했다.
스마트 바이오닉 인공피부를 심각한 피부의 손상을 입은 쥐에 이식해 피부재생 촉진 효과와 촉각 기능의 재건 효과를 실험한 결과, 이식 후 14일 경과 시점에 대조군 대비 120% 이상 상처 치료 효과를 보였다. 또한, 사람의 손끝에서 느끼는 압력 범위와 유사한 10~40kPa에서의 외부 변화를 감지하고 이에 맞는 전기 신호 조절을 통해 쥐의 반응이 달라지는 것을 확인했다.
무엇보다 연구팀이 개발한 인공피부는 손상된 피부의 피하 지방층을 따라 직접 신경에 이식하는 방식이어서 감각 전달 및 피부재생에 효과적이다. 신경이 손상된 환자의 피부재생 후에는 촉각센서가 피하 층에서 작동해 일상생활에서의 자립성을 크게 향상할 수 있다. 감각기능이 퇴화한 노년층의 경우에도 고밀도 집적 기술로 제작한 촉각 기능 전자소자를 피하에 직접 삽입하면 퇴화한 감각기능을 회복할 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 정영미 박사는 “이번 연구 성과는 생체재료와 전자소자 기술을 효과적으로 결합한 소자, 소재, 재생의학 융합연구의 결과”라며, “상용화를 위해 의료기관, 기업 등과의 협업을 통해 추가 임상실험을 진행할 예정이며, 온도, 진동, 통증 등 피부조직의 다양한 기능을 재건하는 연구로도 확장할 계획”이라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 나노·소재원천기술개발사업(2018M3A7B4071106)을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 Nature 자매지이자 국제 융합연구의 세계적 권위인 국제학술지인 ‘Nature Communications’ (IF 16.6, JCR 분야 상위 7.5%) 최신 호에 게재됐다.
□ 논문
○ 제목: Bionic artificial skin with a fully implantable wireless tactile sensory system for wound healing and restoring skin tactile function
○ 학술지: Nature Communications
○ 게재일: 2024.01.02.
○ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44064-7
□ 저자
○ 강교원 박사 후 연구원 (제1저자/연세대), 예성렬 석박통합과정 연구원 (제1저자/한국과학기술연구원), 정찬호 박사 후 연구원 (제1저자/성균관대), 정진모 박사 후 연구원(제1저자/한국과학기술연구원), 유기준 교수 (교신/연세대), 김태일 교수 (교신/성균관대), 이현정 책임연구원 (교신/한국과학기술연구원), 정영미 책임연구원 (교신/한국과학기술연구원)
○ 연구배경
신경은 인체를 제어하는 가장 기본적인 경로로써, 신경이 손상되면 생명 유지 활동에 필수적인 감각인지, 그에 따란 판단 능력을 상실하는 것이므로 인체를 제어하기 위한 수단 자체를 잃게 되는 것이기 때문에 신경전달은 단순한 생물학적 작용을 넘어 굉장히 중요한 메커니즘이다. 그러나 이러한 중요성에 비해, 인공소자를 통한 신경으로의 자극 전달 연구나, 신경 재생 촉진 기능성 소자에 관한 연구는 아직 많이 개발되지 않았다. 특히, 피부의 경우 외부 환경에 직접적으로 노출되어있는 부위이기 때문에, 구체적이며 확실한 감각 대체 및 재생 치료에 관한 연구가 필요한 상황이다.
화상 및 부상에 의해 손상된 신경조직들이 회복되는 데에는 굉장히 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 영구적인 손상으로 이어질 수 있다. 더욱 중요한 것은, 이러한 기능 저하 현상이 연접을 이루는 다른 조직의 기능까지 차차 저하시켜, 결과적으로 생명 활동에 지장을 초래할 것으로 예상된다. 본 연구에 의한 바이오닉 인공피부는 앞서 언급한 대로 신경에 직접적인 적정 전기 신호를 가함으로써, 피부신경 손상 환자들이 정상적으로 외부 자극에 의한 신경전달이 가능하게 함과 동시에, 생체모사 바이오 인공피부를 통해 피부 재생을 촉진할 수 있는 플랫폼을 제시한다.
- 즉, 손상된 피부와 촉감 감각을 재건하기 위하여, 손상된 부위에 이식하여 기능적, 생물학적으로 완전한 피부가 재생되게 하는 인체 이식형 저전력 촉각 기능 스마트 바이오닉 피부를 개발하였다.
○ 연구내용
3도이상의 화상 및 사고로 인해 발생하는 심각한 신경손상을 포함하는 피부 손상을 해결하기 위하여, 촉각 신경 인터페이싱이 가능한 인체이식형 저전력 촉각기능 스마트 바이오닉 피부를 개발하였다.
인체 피부와 유사한 성분의 인공피부 소재와, 촉각 신경을 감지하는 리셉터, 압력센서에서 받은 압력 신호를 전기적 신호로 변환하는 회로, 전기 신호를 신경으로 전달하는 신경 인터페이싱 전극을 하나로 통합한 통합 바이오닉 피부를 제작하고, 이를 동물 모델에서 10일간 기능이 유지됨을 확인하였다.
○ 기대효과
'인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부'의 개발은 다양한 측면에서 혁신적인 기술로 평가된다. 이 기술의 상용화는 먼저, 피부 및 신경 손상을 겪은 환자들에게 기능적인 촉각을 복원하고 피부 손상을 치료함으로써 일상 생활에서의 자립성을 크게 향상시킬 것으로 예상된다. 특히 화상, 외상 등으로 피부 손상이 심각한 환자들에게 큰 도움이 될 것으로 기대되며, 고령화 사회에서는 감각기능의 저하로 인한 삶의 질 저하를 개선하여 노년층의 건강한 삶을 지원할 것으로 예상된다.
이는 사회적 비용 절감 및 의료 부담 감소에도 기여할 것이다. 뿐만 아니라, 이 기술은 의료 분야뿐만 아니라 스포츠, 안전, 산업 등 다양한 분야에서 응용 가능하며, 혁신적인 의료 기술의 선도적 역할을 하게 될 것이다. 마지막으로, 생체재료와 전자 기술의 효과적인 결합은 융복합 조직공학 분야의 성장을 촉진하고, 미래에 더욱 발전된 기능을 갖는 생체 인터페이스 및 인공 조직의 개발을 이끌어낼 것으로 기대된다. 이로써 이 연구는 사회적, 의료적, 기술적 측면에서 다양한 분야에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망된다.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
본 연구는 인체의 신경 손상으로 인해 발생하는 감각 장애 및 피부 손상의 치료에 대한 혁신적인 접근을 제시하기 위해 시작되었습니다. 현재까지도 인체의 신경 손상은 생명 유지에 필수적인 감각과 판단 능력을 상실시킬 수 있으며, 이에 따른 기능 저하는 생활의 질을 현저하게 감소시키고 있습니다. 특히 피부는 외부 환경에 직접 노출되어있어 화상 및 외상으로 손상된 경우 회복이 오랜 기간 걸리고, 영구적인 손상이 남을 수 있습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번 연구의 주요 성과는 기존 단순 부착이나 착용형 인공피부와 차별화된 혁신적 특징을 가지고 있습니다. 현재까지는 주로 피부의 형태와 일부 간단한 기능을 복제하는 데 중점을 두었지만, 이번 연구에서는 인체 피부와 유사한 생체적합성이 높은 소재와 촉각 기능 전달 시스템을 복합화하여 피부의 감각 전달과 재생을 촉진하는 통합 디바이스를 개발했습니다. 이 통합 디바이스는 세계 최초로 인체 피부에 직접 이식이 가능하며, 자극 전달과 인공적 환경조성을 통한 신경 신호전달이 가능합니다. 기존 연구들과는 달리 이 연구는 감각 전달 및 피부 재생에 특화된 기능성을 제공하여, 인공피부 연구 분야에서 새로운 지평을 열어 세계적으로 독보적인 성과를 이루고 있습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부는 환자들에게 기능적인 촉각을 복원하고 피부 손상을 치료함으로써 일상생활에서의 자립성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대합니다. 특히 화상 및 외상으로 피부 손상이 심각한 환자들에게 큰 도움이 될 것으로 예상되며, 고령화 사회에서 감각기능의 저하로 인한 삶의 질 저하를 개선하여 노년층의 건강한 삶을 지원할 것으로 기대됩니다. 또한, 이 기술은 의료 분야뿐만 아니라 스포츠, 안전, 산업 등 다양한 분야에서도 응용될 수 있어 혁신적인 의료 기술의 선도적 역할을 할 것으로 기대되며, 융복합 조직공학 분야의 성장을 촉진하고 더 발전된 생체 인터페이스 및 인공조직의 개발을 이끌어낼 것으로 기대됩니다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
본 연구의 주요 기대효과는 인체 피부와 유사한 소재를 활용한 세계 최초의 통합 디바이스로, 피부의 감각 전달 및 재생을 촉진하는 혁신적인 기술을 제시함에 있습니다. 이러한 기술의 실용화는 환자들에게 피부 손상 및 감각 손실에 대한 효과적인 치료 옵션을 제공하며, 특히 화상 및 외상으로 심각한 피부 손상을 입은 환자들에게 도움이 될 것으로 기대됩니다. 그러나 실용화를 위해서는 장기적인 안정성과 윤리적인 측면에서의 과제를 극복해야 할 필요가 있습니다. 또한 광범위한 응용을 위해 효과적인 생체재료와 전자 기술의 결합에 관한 연구와 향후 산업적 생산화 등이 고려되어야 합니다.
[그림 1] 인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부 구성 요소 [사진=KIST]
위 그림은 본 연구진의 공동연구를 통해 개발한 ‘인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부’의 구성 요소인 바이오 인공피부, 유연 압력 센서, 전자 촉각 리셉터, 신경 인터페이싱 전극을 나타낸다.
[그림 2] 통합 디바이스를 통한 외부 자극의 신경 전달 메커니즘 [사진=KIST]
위 그림은 본 연구진이 개발한 통합 디바이스를 통해 외부 자극이 신경으로 전달되는 경로를 나타내는 모식도이다. ①.인공피부에 삽입되어 있는 유연 압력 센서를 통해 외부 압력이 전달되고, ②.전자 촉각 리셉터를 통해 외부 압력이 전기 신호로 변환된다. ③,④.전기 신호가 신경 인터페이싱 전극을 따라 신경에 전달된다.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(한국과학기술연구원) 등록일2024.02.19