유기준‧차명훈 교수팀, MRI 사용 가능한 이식형 장치 개발

MRI 촬영 어려웠던 금속 소재 기반 기존 의료 장치 한계 극복

화합물 ‘에틸렌글리콜’ 특수 처리 통한 전도성 생체 전극 개발

[사진. (왼쪽부터) 유기준 교수, 차명훈 교수, 조영욱 제1저자]

공과대학 전기전자공학부 유기준 교수와 의과대학 생리학교실 차명훈 교수 연구팀은 높은 전기전도성으로 전기적 신경 조절이 가능하면서도 자기 공명 영상(MRI) 촬영 시 안전성을 높인 새로운 유기 반도체 물질 소재의 전도성 생체 전극을 개발했다. 이는 파킨슨병, 뇌졸중과 같은 다양한 신경 질환에 사용할 수 있는 높은 안전성과 정밀도를 가진 새로운 소재의 이식형 장치를 개발한 것으로, 기존 금속 소재 기반 의료 장치의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

대표적인 신경퇴행성 질환인 파킨슨병, 뇌졸중 등은 신경세포의 비정상적 활동으로 발생한다. 이들 질환은 약물로 치료가 가능할 수도 있지만, 많은 경우 진행을 늦출 뿐 근본적인 치료는 어렵다. 

최근에는 신경세포의 활동을 관찰하면서 정밀 조절이 가능한 전기 자극 장치를 질환 부위에 삽입해 손상된 신경 회로를 조절하는 외과적 수술 방법도 행해지고 있다. 하지만 현재 사용되는 삽입형 전기 자극 장치는 금속 소재로 이뤄져 있어 강한 자기장을 사용하는 MRI 촬영은 불가능하다는 단점이 있다. 

연구팀은 전기가 흐르는 생체친화적 고분자 소재 ‘PEDOT:PSS’를 이용해 전기적 신경 조절이 가능하면서 MRI에서도 안정적 촬영이 가능한 이식형 장치를 개발했다. PEDOT:PSS 소재가 가진 낮은 전기전도성 문제를 해결하기 위해 PEDOT:PSS에 화합물 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 특수 처리해 반도체 공정 수준의 미세한 전도성 생체 전극(MRI-compatible PEDOT)을 개발했다. 

연구팀은 MRI-compatible PEDOT의 안정성 검증을 위해 MRI 시험 테스트를 진행했다. 기존 전극의 경우 MRI와 같은 고자기장 의료 환경에서 불안정성으로 이미지 변성이 일어나 결과물 확인이 어려웠던 반면, MRI-compatible PEDOT은 선명한 결과물을 보이며 안정적 사용이 가능했다.

또한 연구팀은 동물 모델에서 MRI-compatible PEDOT이 뇌피질 전기 자극을 통해 즉각적이고 효과적인 신경 조절이 가능함은 물론 뇌의 미세한 활성 신호를 감지하는 데에도 뛰어난 적합성을 보이는 것을 확인했다.

[그림. (A) MRI-compatible PEDOT 공정 과정, (B) MRI-compatible PEDOT과 기존 전극의 MRI 촬영 결과. 기존 전극(위)은 이미지 변성으로 인해 결과물 확인이 어려웠던 반면, MRI-compatible PEDOT(아래)의 경우 이미지 변성 없이 안정적으로 결과물을 보였다.]

차명훈 교수는 “이번 연구를 통해 기존 신경 임플란트 환자의 의료 영상 촬영 시 발생할 수 있는 잠재적 위험을 제거함은 물론 신경 조절 치료의 가능성을 확인할 수 있었다.”면서 “해당 기술은 파킨슨과 뇌졸중 등 신경퇴행성 질환 치료에도 사용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19.924)’에 10월 27일 게재됐으며, 전기전자공학부 조영욱 박사가 제1저자로, 전기전자공학부 유기준 교수와 생리학교실 차명훈 교수가 교신저자로 참여했다.

논문정보

● 논문제목: MRI-Compatible, Transparent PEDOT:PSS Neural Implants for the Alleviation of Neuropathic Pain with Motor Cortex Stimulation

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202310908