[아이팜뉴스] 대구경북첨단의료산업진흥재단(이사장 이영호) 연구원이 생체 내 극심한 근육의 움직임에서도 신경신호를 안정적으로 수집·자극이 가능한 말초신경보철기기를 개발, 권위 있는 국제 학술지인 어드번스드 머테리얼스(Advanced materials, IF:27.398)의 표지논문(frontispiece)을 장식했다. 어드번스드 머테리얼스는 재료 분야에서는 상위 1%로 인용되는 최상위 권위지이다.

신경보철기기는 신경과 연결시켜 전기적 신호를 수집하고 자극을 전달하는 장치로, 신경계 질병 치료에 이용돼 왔다. 그러나 말초신경에 사용할 경우 주변 근육이 계속해서 수축-이완 운동을 하면서 보철기기에 반복적이고 극심한 움직임의 영향을 주고, 이로 인해 전기적 성능이 저하되는 한계를 갖고 있었다.

이번에 개발된 말초신경보철기기는 신축성 자가치유 고분자 및 금 나노껍질과 은 마이크로입자를 활용해 극심한 기계적 피로 상황에서도 안정적인 전기적 성능을 유지하고, 동시에 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network)를 적용해 움직임 상황의 보행상태를 예측하는데 성공했다.

재단 첨단의료기기개발지원센터 송강일 박사는 성균관대학교 손동희 교수, 서울대학교 현택환, 김대형 교수팀과 공동연구를 통해 ‘기계적 변형에 대한 높은 내구성을 지니는 신축성 전자 소재 기반의 피로 저항성 말초신경보철기기(Durable and Fatigue‐Resistant Soft Peripheral Neuroprosthetics for In Vivo Bidirectional Signaling)’를 개발하고, 그 결과를 권위 있는 국제 학술지인 어드번스드 머테리얼스에 3월 온라인 게재했고, 5월 20일 표지논문(frontispiece)으로 게재됐다. 또한 해당 논문은 BRICS의 한빛사(한국을 빛내는 사람들)에 등록됐다.

송강일 박사가 공동 개발한 말초신경보철은 신축성 자가치유 고분자 및 금 나노껍질로 코팅된 은 마이크로입자를 활용해 개발됐다. 우수한 생체적합성과 높은 기계적·전기적 내구성을 갖는 피로저항성 전자재료를 합성해 개발한 소재는 금 나노껍질과 은 마이크로 입자로 구성된 전도성 입자들이 기계적 응력 하에서 동적 재배열하는 특성이 있어 전도성을 자발적으로 회복할 수 있다.

또한 피로 저항성 전자재료 기반의 신경보철기기를 쥐의 좌골신경에 이식해 5주 동안 관찰한 결과, 외부로부터의 기계적 자극에 대한 감각신경신호를 안정적으로 획득했다. 또한 기기를 통해 전기 자극을 줘 다리의 움직임을 만들어냈다. 이러한 양방향 신경신호 수집 및 자극 기능은 쥐가 깨어있는 상태에서도 안정적으로 유지됐으며, 기계적 변형으로 인해 기능이 저하됐다가도 자발적으로 회복 가능한 것도 입증했다. 나아가 연구팀은 딥 뉴럴 네트워크(Deep Neural Network) 분석 기술을 도입, 신경보철기기를 통해 수집한 신경신호로부터 쥐의 보행상태를 예측해냈다.

이번 개발로 전자 신경보철기기가 이론적 영역을 벗어나 실제 인공팔이나 인공다리에 적용되는 기계-신경계 인터페이스가 현실화되는데 한 발 가까워졌다. 뇌에서 말초신경까지 전달되는 신경신호를 안정적으로 수집하고 신호를 전달하는 양쪽 모두의 안정적인 수행이 가능해졌기 때문이다.

송강일 박사는 “신경보철의 현실적 적용 한계를 개선하는 혁신적인 신경인터페이스를 개발한 것으로 신경계 질환의 치료 및 재활에 큰 기여를 할 것으로 기대한다”며 “지능형 의료기기 및 지능형 전자약 개발을 위한 초석이 될 것”이라고 연구 의의를 설명했다.