화상이나 외상으로 자연치유가 불가능한 손상을 입으면 인공피부를 이식하지만, 이는 조직적 유사기능을 갖고 있을 뿐 감각 회복기능이 없어 해결책이 요구됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 생체재료연구센터 정영미 박사와 스핀융합연구단 이현정 박사팀이 연세대 유기준 교수, 성균관대 김태일 교수와 공동연구로 인체 이식형 촉각기능 스마트 바이오닉 인공피부를 개발했다고 18일 밝혔다.
①인공피부에 삽입된 유연 압력센서로 외부압력 전달 ②전자촉각 리셉터로 외부 압력이 전기 신호로 변환 ③④전기 신호가 신경 인터페이싱 전극을 따라 신경에 전달. KIST 스마트 바이오닉 인공피부는 피부재생에 초점을 두던 기존 인공피부와 달리 생체적합성이 높은 소재에 전자소자로 구현한 촉각 전달시스템을 융합, 영구 손상된 촉각을 복원할 수 있는 신기술이다.
공동연구팀은 피부 주요성분인 콜라겐과 피브린)으로 구성된 하이드로겔로 유연 압력센서를 삽입, 외부의 미세한 압력변화도 감지할 수 있는 기능을 구현했다.
이를 통해 감지된 압력변화는 전자촉각 리셉터를 통해 전기신호로 변환되고, 이를 촉각신경 인터페이싱 전극에서 신경으로 전달해 피부와 동일한 촉각기능을 수행할 수 있다.
압력(왼쪽부터 초기, 30.2, 45.5, 64.7, 75.0, 84.5, 96.4)에서 다른 압력이 가할 때 다리 운동 각도(파란색) 및 전기근전도 신호(빨간색)를 모니터링한 결과 차이. KIST 뿐만 아니라 피부탄력과 조직결합을 담당하는 콜라겐과 피브린이 상처 주변 피부세포의 증식과 분화를 유발, 피부재생을 촉진한다.
공동연구팀은 개발한 스마트 바이오닉 인공피부를 심각한 피부 손상을 입은 쥐에 이식해 피부재생과 촉각기능 재건 효과를 실험한 결과 이식 후 14일 경과 시점에서 대조군 대비 120% 이상 향상된 것을 확인했다.
또 사람 손끝에서 느끼는 압력범위와 유사한 10~40㎪에서 외부변화를 감지하고, 이에 맞는 전기신호를 조절해 쥐 반응이 달라지는 것도 관찰했다.
인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부 구성 요소. KIST 특히 연구팀이 개발한 스마트 인공피부는 피하지방층을 따라 직접 신경에 이식하는 방식이어서 감각전달 및 피부재생에 효과적이다.
신경이 손상된 환자의 피부재생 후 촉각센서가 피하층에서 작동해 일상생활에서 자립성을 크게 향상할 수 있다.
이에 더해 감각기능이 퇴화한 노년층도 고밀도 집적기술로 제작한 촉각 기능 전자소자를 피하에 직접 삽입하면 퇴화한 감각기능을 회복할 수 있을 것으로 기대된다.
정 박사는 “이번 연구성과는 생체재료와 전자소자기술을 효과적으로 결합한 재생의학 융합연구 결과”라며 “상용화를 위해 의료기관, 기업 등과 협업해 추가 임상실험을 진행하고, 온도, 진동, 통증 등 피부조직의 다양한 기능을 재건하는 연구로 확장할 계획”이라고 밝혔다.
