한국뇌연구원(KBRI·원장 이승복)은 다기능 뇌·신경 인터페이스 분야 전문가인 추남선 박사 연구팀이 체온에 반응해 봉합 없이도 스스로 말초신경을 부드럽게 감싸 고정되는 '열반응성 소프트 자가고정(TSSA) 커프 전극'을 개발했다고 31일 밝혔다.
말초신경 인터페이스는 인체 신경 신호를 외부 기기와 연결해 마비된 운동·감각 기능을 회복하거나 전자약 치료를 가능하게 하는 핵심 기술이다. 기존 커프 전극은 신경에 고정하기 위해 의료용 실로 꿰매거나 단단한 잠금장치를 써야 해 수술이 매우 까다로웠다. 또, 장기간 체내에 둘 경우 신경을 강하게 압박해 조직 손상과 신호 품질 저하를 유발하는 한계가 있었다. 커프 전극(cuff electrode)은 말초신경 주위를 감싸 신경의 전기적 활동을 측정하거나 전기 자극을 전달하는 신경용 전극을 말한다.
연구팀은 온도에 따라 유연성이 달라지는 형사기억고분자(SMP·온도 등 외부 자극에 따라 기계적 성질이나 형태가 변하도록 설계된 기능성 고분자 소재)를 이중층 구조로 정밀 설계해 이 문제를 해결했다. 개발된 전극은 상온(20°C) 수술대 위에서는 평평하고 단단해 다루기 쉽지만, 체내(35~38°C)에 닿으면 부드러워지면서 2~3분 만에 신경 둘레를 자연스럽게 감싼다. 실이나 접착제를 쓰지 않아도 체내 수분 환경에서 기존 실리콘 전극 대비 최대 7배 높은 고정력으로 안정적인 밀착을 유지한다.
연구팀이 실험쥐의 좌골신경에 전극을 적용한 결과, 16주(약 4개월) 동안의 장기 체내 삽입 실험에서도 주변 신경 조직 손상 없이 일반 전극보다 높은 약 10배 수준의 신호대잡음비(SNR 10)을 유지하며 정밀한 신경 신호를 포착했다. 마이크로 CT 및 조직학 분석에서도 신경 압박이나 보행 기능 저하 없이 뛰어난 생체적합성을 입증했다. 특히 이번 전극은 반도체 미세공정(MEMS)을 적용해 직경 0.5~2.0㎜의 다양한 말초신경 크기에 맞춤 제작이 가능하며, 다양한 센서 및 자극 소자와 결합할 수 있는 확장성도 갖췄다.
추남선 박사는 “체온 변화만으로 스스로 감겨 고정되는 유연 신경 전극을 구현해 신경 손상 위험을 획기적으로 낮췄다”며 “16주 이상 장기간 안정성이 검증된 만큼 정밀 전자약, 인공 의수 제어, 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 실용화의 핵심 플랫폼이 될 것”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부에서 지원하는 한국연구재단 세종과학펠로우십, 바이오의료기술개발사업 및 한국뇌연구원 기관고유사업으로 수행된 이번 연구성과는 최근 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인판에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
