KAIST, 뇌심부까지 측정해주는 전극 신소재 개발

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 생체조직 접촉 시 손상을 줄이고, 조직표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재를 선보였다.

KAIST는 스티브 박 신소재공학과 교수, 박성준 바이오뇌공학과 교수 공동연구팀이 3D 프린팅을 통해 다양한 형태의 생체전자소자를 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 전도성 고분자 기반 전극 물질을 개발했다고 7일 밝혔다.

박성준 교수(왼쪽)와 스티브박 교수(오른쪽).(사진=KAIST)

기존 생체전자소자에 사용됐던 금속 물질은 단단한 물성으로 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제점이 있었다. 이 문제를 보완하기 위해 개발됐던 전도성 하이드로젤 소재는 전기전도성이 낮고, 생체적합성을 개선하기 위해 소자 제작 후 24시간 이상의 독성 제거 공정을 해야 한다는 문제점이 있었다. 2D 구조의 전극 패터닝만 가능하다는 한계점 때문에 다양한 형태의 소자를 제작하기도 어려웠다.

연구팀은 전도성 고분자를 나노미터 크기의 콜로이드 형태로 가공해 유화 작용을 유도해 잉크의 유변학적 특징(잉크의 유동성과 그에 따른 변형)을 개선하고, 생체적합성에 악영향을 미치는 독성 물질을 원심분리 공정을 통해 제거해 3D 프린팅이 가능하면서 후처리 공정이 필요 없는 고전도성 하이드로젤 잉크를 개발했다.

연구팀은 개발한 전극을 기반으로 심전도 측정(ECG) 및 근전도 측정(EMG) 측정 타투, 뇌 피질전도도(ECoG) 측정소자, 3D 뇌 탐침 측정 소자를 개발해 기능성을 검증했다.

높은 전하 저장 능력을 활용해 낮은 전압(60mV)으로 쥐의 좌골 신경을 자극하는 소자를 개발해 생체 자극 소자로서의 성능도 확인했다.

스티브 박 KAIST 교수는 “기존 3D 프린팅 기술을 이용해 제작하는 전자소자는 전도성, 생체적합성을 개선하기 위해 복잡한 형태의 후처리가 필요해 3D 프린팅 기술의 모든 장점을 이용할 수 없었다”며 “이번 연구에서는 이러한 단점을 해결해 환자 맞춤형 바이오 전자소자와 다양한 3D 회로 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 달 11일자로 게재됐다.

3D 프린팅 기술을 이용한 전도성 고분자 물질 기반 전극 패터닝.(자료=한국과학기술원)