서울대 공대 재료공학부 강승균 교수 연구팀, 주사 바늘로 수술없이 뇌질환 진단하는 ‘생분해성 전자 텐트’ 개발

서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수 연구팀이 주사 바늘로 뇌질환 진단이 가능한 ‘생분해성 전자 텐트’ 기술을 개발했다고 밝혔다.

강승균 교수 연구팀(배재영 박사, 김영서 박사과정, 강승균 교수)이 UNIST 연구팀(황경석 박사, 김주영 교수), 단국대학교 병원 연구팀(현정근 교수)과 이번 연구에서 개발한 기술은 지난 8월 5일 전자소자 분야 국제 저명학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재됐다.

연구팀의 문제의식은 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 설립한 뇌신경과학 스타트업 뉴럴링크(Neuralink)의 최근 임상 시험에서처럼 브레인 칩을 뇌에 삽입하기 위해 수술까지 감수하는 사람들은 그리 많지 않으리라는 전망에서 비롯됐다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI, Brain Computer Interface) 장치를 뇌에 이식하려면 두개골을 제거한 후 전자칩을 삽입하는 위험한 수술을 받아야 하기 때문이다.

또한 사용이 종료된 전자칩은 면역 반응을 가져올 위험성이 있으므로 이를 제거하는 추가 수술이 필요한 실정이다. 따라서 연구팀은 바이오 및 뇌공학 기술이 대중화되려면 수술이 동반돼 매우 침습적일 수밖에 없는 기존 측정 방식을 극복할 대안이 절대적으로 필요하다는 점에 주목했다.

현재 임상에서 사용되는 기술의 관점에 따르면 기존의 뇌전증(간질) 및 파킨슨병 진단 방식에서는 손바닥 크기에 가까운 대면적의 뇌 전극 사용이 필수적이었기에 전극 면적 이상의 두개골을 제거하는 위험한 수술이 불가피했다. 이 경우 뇌출혈, 뇌감염, 뇌척수액 누출과 같은 심각한 부작용이나 수술 후 신경성 고혈압 등 합병증의 가능성이 수반됐다. 이러한 수술 부담을 덜기 위해 연구진이 개발한 ‘생분해성 전자 텐트’는 비침습적으로 뇌질환을 진단할 수 있는 혁신적 방법을 제안했다는 점에서 의미가 깊다.

생체 삽입형 전자소자를 이용해 무선 형태로 뇌압을 측정하는 ‘생분해성 뇌압 센서’ 개발 성과를 지난 2016년 국제 저명학술지 ‘네이처(Nature)’에 발표했던 서울대 강승균 교수 연구팀은 이번에 전자소자를 활용한 뇌진단 기술을 개발함으로써 전세계 생분해성 전자소자 분야에서 선도적인 역할을 맡게 됐다는 평가다. 특히 배재영 박사, 김영서 박사과정, 황경석 박사 등 연구 논문의 공동 제1저자들은 국내 연구기관 소속으로 연구 활동을 펼치고 있는 만큼 이번 연구성과 발표가 한국이 의학적 치료·연구 융합의 기술 주도권을 크게 강화할 계기가 될 것으로 기대된다.

연구팀이 ‘생분해성 전자 텐트’ 기술 개발 과정에서 염두에 둔 부분은 생분해성 형상기억 고분자와 초박막형 생분해성 무기질 전자 소자를 사용함으로써 전자 텐트가 두개골과 뇌 사이의 수 mm 이내 좁은 공간에서도 파손되지 않고 고르게 펼쳐질 수 있도록 설계하는 과정이었다. 두개골의 작은 구멍을 통해 주사 바늘로 주입된 전자 텐트는 두개골과 뇌 사이 공간에서 손바닥 크기의 대면적으로 스스로 펼쳐져 뇌 전체를 덮는다. 이 소자는 진단이 끝난 후에 자연스럽게 체내에서 분해돼 사라지므로 수술 후 의료기기 잔여물이 장기간 신체에 남아 부작용을 일으키던 기존 뇌전증 및 파킨슨병 진단 방식의 문제점을 최소화할 수 있다.

연구팀은 ‘생분해성 전자 텐트’를 활용해 동물 모델의 뇌에 전극을 삽입한 후 2주 간 뇌파 신호를 측정하는 데에도 성공했다. 또한 전자 텐트가 생분해되는 과정을 실시간으로 장기간 모니터링함으로써 체내에서의 활용 가능성도 확인했다.

‘생분해성 전자 텐트’는 향후 의료계 현장에서 다양한 방식으로 활용되리라 기대된다. 특히 ‘생분해성 전자 텐트’는 난치성 뇌전증 및 파킨슨병 진단 방식에 큰 변화를 가져올 전망이다. 위험이 상존하는 기존의 침습적 수술 방법과 달리 이 기술은 주사 바늘을 통해 최소침습적 방식으로 전자 소자를 삽입할 수 있어 환자들에게 더 나은 진단 환경을 제공할 수 있기 때문이다. 그리고 진단 후 전자 소자가 역할을 다하면 몸 속에서 자연스럽게 분해되므로 추가적인 의료기기 잔여물 제거 수술을 생략할 수 있다는 점에서 환자들에게 더 안전한 선택이 될 것으로 기대된다.

이 기술은 뇌전증 및 파킨슨병 외에도 뇌졸중, 뇌수두증과 같은 뇌질환을 진단하는 데에도 활용될 수 있을 전망이다. 이처럼 진단 및 치료 분야에서의 응용은 물론이고 특히 뉴럴링크의 뇌 이식 실험에 사용된 BCI 기술의 구현에 있어서도 기존의 전극 삽입 방식에 대한 일반인들의 거부감을 줄이고, 기술의 실현 가능성을 높이는데 기여할 것으로 보인다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업(전략형)의 지원을 받아 수행됐다.

※ 참고자료

Bae, JY., Hwang, GS., Kim, YS. et al. A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01216-x

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출처:서울대학교 공과대학

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