[쿠키과학] 개인 맞춤형 생체전자소자, 3D프린팅으로 쉽게 만든다

KAIST, 인체 손상 없는 생체전자소자용 전도성 고분자기반 전극물질 개발
피부 부착 헬스케어 모니터링, 생체 삽입형 소자 등 광범위 활용 기대

기사승인 2024-08-07 18:57:32

심박수를 실시간 측정하는 스마트워치나 심박수를 조절하는 페이스메이커 등 생체신호를 지속 측정해 다양한 질환을 진단하는 생체전자소자 관련 연구가 활발하다.

그러나 기존 생체전자소자용 금속물질은 단단한 물성 때문에 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제가 있었다.

또 이를 극복하기 위해 개발된 전도성 하이드로젤 소재는 낮은 전기전도도와 더불어 24시간 이상의 독성 제거공정, 2D 구조의 전극 패터닝만 가능한 점이 걸림돌이 됐다.

KAIST 연구진이 생체조직 접촉 시 손상을 최소화하고 3D 마이크로니들 구조로 조직표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재를 개발했다.

개인 맞춤형 생체전자소자 만드는 3D 프린팅

KAIST는 신소재공학과 스티브박 교수와 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동연구팀이 3D 프린팅으로 인체조직 손상을 최소화하고 다양한 형태의 생체전자소자를 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 '전도성 고분자기반 전극물질'을 개발했다고 7일 밝혔다.

이번 연구성과는 3D 프린팅으로 피부에 부착하는 헬스케어 모니터링 소자에서 생체삽입형에 이르기까지 환자 맞춤형 생태전자소자를 정밀하게 제작할 수 있어 향후 높은 활용성이 기대된다.

3D 프린팅을 이용한 전도성 고분자물질 기반 전극 패터닝 기술 모식도. KAIST

공동연구팀은 전도성 고분자를 나노미터 크기의 콜로이드 형태로 가공해 유화작용을 유도해 잉크의 유변학적 특징을 개선했다. 잉크는 유동성과 응력 등 유변학적 특징이 높을수록 압출 직후 인쇄 형태를 유지할 수 있다.

아울러 공동연구팀은 생체적합성에 악영향을 미치는 독성 물질을 원심분리공정으로 제거해 3D 프린팅이 가능하면서도 후처리 공정이 필요 없는 고전도성 하이드로젤 잉크를 완성했다.

3D 프린팅을 이용한 전도성 고분자물질 기반 3D 전극 패터닝. KAIST

이렇게 개발한 재료는 선행연구 대비 전기전도도가 1.5배(286s/㎝) 높으면서 50㎛ 이하 고해상도 패터닝과 전방위 3D 패터닝이 가능한 특징을 갖는다.

특히 생체조직과 비슷한 물성으로 인체와 접촉 시 손상을 최소화할 수 있는 것도 장점으로 꼽힌다.

이를 토대로 공동연구팀은 심전도, 근전도, 뇌피질전도도, 3D 뇌탐침 등에 적용할 측정소자를 개발했다. 아울러 우수한 전하 저장능력을 활용해 60㎷의 낮은 전압으로 쥐 좌골신경을 자극하는 소자를 개발, 생체자극소자로서의 성능도 확인했다.

이를 활용하면 복잡한 3D 회로를 필요 분야에 맞춤형으로 제작할 수 있고, 3D 마이크로니들 구조로 전극을 패터닝해 조직 표면의 생체신호는 물론 심부의 뉴럴 인터페이스 제작도 가능하다.

이는 기존 2D 전극 패터닝기술로 접근하기 어려웠던 한계점을 극복한 것으로, 원하는 위치 및 심부영역의 뇌 신경세포를 자극 및 측정할 수 있고, 특히 뇌 심부영역의 활성화 원리를 정확하게 해석할 수 있어 주목받고 있다.

이와 함께 피부에 부착하는 헬스케어 모니터링 소자부터 생체 삽입형 소자에 이르기까지 광범위하게 활용될 전망이다.

스티브박 교수는 “기존 3D 프린팅 기술로 만든 전자소자는 전도성과 생체적합성을 개선하기 위해 장시간 복잡한 후처리가 필요했다”며 “이번 연구는 기존 단점을 해결함으로써 환자 맞춤형 바이오 전자소자와 다양한 3D 회로 응용분야에 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 오병국 박사과정과 백승혁 석사, 바이오및뇌공학과 남금석 석박사통합과정이 공동 제1저자로 참여했고, 한국연구재단과 한국전자통신연구원(ETRI) 지원을 받아 수행됐다.

연구결과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈' 7월 11일자에 게재됐다. (논문명 : 3D printable and biocompatible PEDOT:PSS-ionic liquid colloids with high conductivity for rapid on-demand fabrication of 3D bioelectronics)

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com