▲ 제작한 양극 전극 배열의 전자현미경(SEM) 사진과 적용 가능 분야 / 머리카락보다 얇은 마이크로 바늘(microneedle, 초미세 바늘) 구조체에 자극 전극과 접지 전극을 함께 형성함으로써, 전류가 주변으로 퍼지는 현상을 효과적으로 억제하였다. 이를 통해 뇌 및 망막 자극 장치에서 필요한 국소 부위 선택적 자극을 보다 정밀하게 구현할 수 있다.(그림 및 설명=한국과학기술연구원·고려대학교 김채성 학생연구원)  © 특허뉴스

시각장애 환자가 일상에서 활용할 수 있는 수준의 고해상도 인공시각 구현에 한 걸음 다가섰다. 

한국연구재단은 한국과학기술연구원(KIST) 임매순 박사 연구팀과 단국대학교 박재형 교수 연구팀이 국소 전기 자극을 정밀하게 구현할 수 있는 새로운 인공망막 전극 구조를 개발했다고 밝혔다.

고령화로 노인성 황반변성 등 시각장애 환자가 꾸준히 증가하고 있지만, 인공망막의 해상도를 좌우하는 ‘국소 자극’ 구현은 오랜 난제로 남아 있었다. 기존 인공망막은 마이크로 전극을 망막에 이식해 신경을 자극하는 방식이지만, 안구 내부가 전도성이 높은 액체로 채워져 있어 전류가 넓게 퍼지는 한계가 있었다. 국소 접지 전극을 활용한 방식도 제안됐으나, 추가 면적이 필요해 전극 밀도를 높이는 데 구조적 제약이 뒤따랐다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자극 전극과 국소 접지 전극을 하나의 3차원 구조체 안에 통합한 ‘양극 마이크로 바늘 전극 어레이’를 제시했다. 동일 평면에 전극을 분리 배치하던 기존 방식과 달리, 바늘 형태의 3차원 구조 내부에 두 전극을 집적해 공간 손실을 최소화하고 전극 밀도를 획기적으로 높였다.

해당 전극 어레이는 실리콘 웨이퍼 기반의 반도체 공정으로 제작돼 대량 생산에 적합하며, 머리카락보다 가는 뾰족한 형상을 유지해 망막과 같은 섬세한 신경 조직에 최소 손상으로 삽입·고정될 수 있다. 동물모델인 쥐의 망막 표면에 적용한 실험에서는 국소 접지 전극 활성화 시 신경신호가 약 65.4% 감소해 전류 확산이 효과적으로 억제됨을 확인했다.

공동 제1저자인 김채성 연구원은 “전류 확산과 전극 집적도라는 인공망막 기술의 핵심 한계를 구조적으로 동시에 해결한 연구”라며 “향후 뇌·말초신경 등 국소 자극이 필요한 난치성 신경질환 치료 연구에도 적용 가능성이 있다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 Microsystems & Nanoengineering에 11월 27일 게재됐다.

논문명은 A three-dimensional bipolar microneedle electrode array with local ground integrated at each sidewall for enhanced focal electric stimulation이다.