심장판막 움직임까지 구현…초정밀 시뮬레이터 개발

경희대 연구진, 심혈관 질환 연구에 도움

박윤석 경희대 교수 연구진은 인간의 대동맥 판막 구조를 모사한 생체모사형 소프트 심장 밸브와 정밀한 자기장 제어로 복잡한 맥압 파형을 구현할 수 있는 고정밀 심혈관 시뮬레이터를 개발했다./한국연구재단

국내 연구진이 빠르게 뛰는 신생아의 심장 박동과 심근경색으로 인한 급격한 혈압 변화를 재현할 수 있는 심혈관 시뮬레이터를 개발했다. 심장의 판막 구조를 정밀하게 재현해 심혈관 질환 연구에 도움이 될 전망이다.

한국연구재단은 박윤석 경희대 교수 연구진이 인간의 대동맥 판막 구조를 모사한 생체모사형 소프트 심장 밸브와 정밀한 자기장 제어로 복잡한 맥압 파형을 구현할 수 있는 고정밀 심혈관 시뮬레이터를 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

심혈관 질환은 전 세계 사망원인 1위 질환으로 조기 진단과 치료법 개발을 위한 생리학적 이해가 매우 중요하다. 특히 인체의 혈압 및 맥압 변화를 모사하는 심혈관 시뮬레이터는 이를 위한 핵심 연구 장치로 사용되고 있으나, 주로 기계식 밸브나 유압 펌프 방식으로 부피가 크고 정밀 제어가 어려웠다.

연구진은 사람의 대동맥 판막 구조에서 착안한 소프트 자성 밸브와 자성 심장판막을 핵심기술로 하는 심혈관 시뮬레이터를 개발했다.

박윤석 경희대 교수 연구진./한국연구재단

심장의 대동맥 판막은 3개의 판막엽으로 되어 있어 수축·이완기 심장 박동에 따라 혈액을 한 방향으로 흐르게 한다. 연구진은 3엽 구조를 닮은 자성 심장판막과 소프트 자성 밸브가 외부 자기장의 세기·방향에 따라 마치 대동맥 판막처럼 자연스럽게 개폐되도록 했다. 자성 심장판막과 소프트 자성 밸브는 유연성과 복원력이 우수한 탄성 고분자에 강한 자성을 가진 ‘네오디뮴 자기입자’를 균일하게 혼합한 복합체로 제작했다.

개발한 시스템은 인공혈관 실험에서 미세한 자기장 변화만으로도 개폐 동작을 수행하는 높은 반응성을 보였고, 밸브 응답 시간은 최대 150㎳(밀리초)로 기존 유연 밸브보다 매우 신속한 전환 성능을 달성했다. 이 같은 성능은 심박수 300bpm의 극단적 조건에서도 안정적으로 동작할 수 있는 수준으로, 유아부터 성인의 혈압 파형을 1mmHg 이내 오차로 정밀하게 재현할 수 있다.

박윤석 교수는 “자기장을 통해 실시간으로 유체의 흐름과 압력을 제어할 수 있는 이번 심혈관 시뮬레이터는 비정상적 맥압 파형까지도 세밀하게 모사할 수 있다”며 “생체모사 시스템과 의료용 시뮬레이터, 휴머노이드 로봇 심장 개발 등의 확장을 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 4월 23일 게재됐고, 저널의 속 뒷표지(Inside Back Cover) 논문으로도 선정됐다.

참고 자료

Advanced Materials(2025), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202419504

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