외부 전원 없이 생체신호 감지·무선 제어·약물 전달까지…차세대 스마트 의료기기 가능성 제시
인체 움직임만으로 전력을 생산해 생체 신호를 감지하고 상처 치료까지 수행하는 차세대 전자피부(E-Skin)가 개발되면서 스마트 헬스케어와 재생의료 기술 발전에 새로운 가능성을 열었다.
강원대학교는 춘천캠퍼스 농업생명과학대학 스마트팜융합바이오시스템공학과 임기택 교수 연구팀이 3D 프린팅 기반의 자가발전 무선 센싱 전자피부(E-Skin)를 개발했다고 23일 밝혔다.
이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 '3D-Printable, Biodegradable, and Conductive/Piezoionic Hydrogel E-Skin with Robust Antibacterial Properties for Wound Healing and Wireless Human-Machine Interface Sensing'이라는 제목으로 게재됐다.
기존 웨어러블 바이오 전자기기는 인체 피부에 안정적으로 부착된 상태에서 신호를 전달하는 데 한계가 있었으며 직접 잉크 쓰기(DIW) 방식의 3D 프린팅 바이오잉크 역시 출력 정밀도를 높일수록 피부 접착력이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 김종성 가천대 교수, 이용규 한국교통대 교수 연구팀과 공동으로 TEMPO-산화 셀룰로오스 나노크리스탈(TOCNC)과 2차원 천이금속 탄화물인 맥신(MXene) 나노시트를 결합한 복합 네트워크 구조의 GACM 하이드로젤을 설계해 이 같은 한계를 극복했다.
개발된 전자피부는 TOCNC를 활용해 중공 삼각형과 파형, 벌집 구조 등 복잡한 형태를 정밀하게 3D 프린팅할 수 있으며 MXene 나노시트는 피부 조직과의 다양한 계면 상호작용을 통해 건조하거나 젖은 피부에서도 안정적인 접착력을 구현했다.
특히 이 전자피부는 외부 전원 없이 압전·전도성(Piezoionic) 메커니즘으로 인체 움직임을 감지하는 자가발전 센서 기능을 갖췄다. 손목과 손가락, 무릎, 팔꿈치 등에 부착한 실험에서는 감도(Gauge Factor) 1.77로 미세한 움직임을 감지하고 최대 36.35mV의 전압 신호를 생성하는 것으로 확인됐다.
연구팀은 또 블루투스(BLE) 모듈을 연계해 손가락 움직임 신호를 약 9.97ms의 낮은 지연시간으로 무선 전송하고 로봇 핸드를 실시간으로 제어하는 무선 인간-기계 인터페이스(Wireless HMI) 성능도 입증했다.
상처 치료 기능도 구현했다. 전자피부는 상처 부위의 pH 변화와 감염 상태를 감지해 천연 항균물질인 커큐민(Curcumin)을 능동적으로 방출하는 지능형 약물 전달 기능을 갖췄으며 실험에서는 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)과 대장균(E. coli)에 대해 99% 이상의 박테리아 증식 억제 효과를 보였다. 당뇨병 유발 쥐의 피부 결손 모델에서는 14일 기준 약 88.67%의 상처 폐쇄율도 확인했다.
연구팀은 이번 기술이 상처 보호용 드레싱을 넘어 환자의 움직임에서 스스로 에너지를 생산하고 생체 전기신호를 전달하는 동시에 약물 치료까지 수행하는 지능형 의료 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 향후 무선통신과 AI 기반 스마트 헬스케어 시스템 개발에도 활용 가능성이 높다는 설명이다.
임기택 교수는 “이번 연구는 3D 프린팅 기반 생분해성 하이드로젤 전자피부가 자가발전 센싱과 무선 인간-기계 인터페이스, 상처 치유 기능을 동시에 구현할 수 있음을 보여준 성과”라며 “앞으로도 바이오소재와 첨단 제조기술을 융합해 스마트 헬스케어와 재생의료 분야에 활용할 수 있는 차세대 바이오 전자소자 개발을 이어가겠다”고 말했다.
이번 연구에는 전명준 강원대 박사과정생과 사얀뎁두타 박사, 모니 가천대 박사, 안정만 한국교통대 박사가 공동 제1저자로 참여했으며 한국연구재단 중견연구지원사업과 지역지능화혁신인재양성사업, 산림과학연구소 대학중점연구소지원사업 지원을 받아 수행됐다.
춘천=권상희 기자 shkwon@etnews.com
