▲ 청정부착이 가능한 생체친화성 전자 패치 개념도 / (a) 생체친화성 고점착 패치는 마이크로 채널 및 3차원 흡착구조를 가지는 탄성고분자와 채널구조에 삽입된 하이드로젤(하이브리드 접착소재)로 구성된다. (b) 탄성고분자의 미세 마이크로 채널 구조에 삽입된 하이드로젤은 생체 조직에 존재하는 유체를 흡수하는 방식으로 수분을 조절한다. (c) 모세관력 및 음압(기계적 상호작용) 및 수소 결합(정전기)의 시너지 메커니즘을 바탕으로, 가역적인 물리적 점착이 이루어진다. (그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수 Copyright 2022, Wiley-VCH.)   © 특허뉴스

개구리의 발바닥을 모사한 하이브리드 미세구조를 기반으로 점·탈착 시 화학적 잔류물이 없는 청정한 생체 삽입형 전자 패치가 제안됐다. 하이브리드 미세구조는 두 이종 물질이 합쳐진 소재를 기반으로 제작된 마이크로 사이즈의 미세 구조이다.

한국연구재단은 성균관대학교 방창현 교수팀, 손동희 교수팀(제1저자 성균관대 김다완 박사, 대구경북첨단의료산업진흥재단 송강일 박사)이 공동연구를 통해 화학점착제 없이 생체 내 역동적인 움직임 및 수분환경 등에서도 고접착 상태를 유지할 수 있는 생체친화성 전자 패치를 개발했다고 26일 밝혔다.

개구리 발바닥을 본뜬 생체접착 소재는 수소 결합(물리적 정전기), 모세관력 및 흡입 응력(기계적 상호작용)을 기반으로 접착을 유도, 체액이 항상 존재하는 생체조직에 안정적인 접착력과 탈착 시 화학적 잔류물이 없는 특성을 갖도록 설계 되었다.

기존 생체 삽입형 전자패치들은 주로 의료용 봉합사를 이용하거나, 생체접착 화학소재들을 이용하여 부착했다. 하지만, 의료용 봉합사를 이용한 경우 환자의 추가적인 장기손상의 부담이 있고 화학적 접착제를 사용한 경우, 점·탈착 시 발생하는 잔여물로 인해 생물학적 거부반응이나 유착의 부작용이 발생할 가능성이 높은 문제가 있었다.

▲ 신축성 전극과 결합한 청정 접착바이오소자 개념도 / (a) 설치류 좌골 신경, 근육, 뇌 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 전기 생리학적 신호 측정이 가능한 생체친화성 전자 패치를 개발하였다. (b) 생체친화성 전자 패치를 이용한 좌골 신경, 뇌, 근육에서 발생하는 전기생리학적 신호(심전도, 뇌전도, 근전도 등)의 장기간 안정적 측정 및 신뢰성을 입증 하였다. (그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수 Copyright 2022, Wiley-VCH.)   © 특허뉴스

최근에는 유연 고분자 소재 기반의 건식 접착제가 적용되고 있으나, 생체표면의 점막 및 주변 근육에 의한 역동적인 움직임, 탄성 특성 등에 대해 청정 접착 성능을 유지하기 어려운 기술적인 한계를 가지고 있다.

이에, 연구팀은 개구리 발바닥을 본뜬 미세구조기반 탄성고분자와 하이드로젤(하이브리드 접착소재)의 표면접착력 및 정전기력과의 열역학적 평형 메커니즘을 최초로 규명, 생체 표면에 화학적 잔류물이 없이 지속 가능한 생체 조직 접착력을 갖는 전자패치를 개발했다.

또한, 높은 조직 접착 능력을 갖는 생체친화성 청정 접착 바이오소자를 이용하여 설치류 좌골 신경, 뇌 근육 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 생성되는 전기 생리학적 신호들(심전도, 근전도, 뇌전도 등)에 대해 장기간 신뢰할 수 있는 측정이 가능함을 확인했다.

추후, 동물 실험 등을 통해 지속적인 안전성 검증을 거쳐 실제 응용이 가능할 것으로 보고 있다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2021년 11월 15일 온라인 게재(출간본 표지 논문 선정)되었다.