인체삽입을 위한 의료소자용 생흡수성 전자소재

구자현_고려대학교 바이오의공학과 교수

최근 전자소재의 발전은 사용자가 원하는 시간 동안 작동 후, 정해진 시간 안에 용해(dissolution), 분해(degradation)되어 흔적 없이 사라지는 “시한성(transient) 전자소자”를 가능하게 하였다. 이러한 시한성 소재와 공정은 전자폐기물을 최소화하는 친환경 전자제품(eco-friendly) 이나, 지적 재산권을 위해 물리적으로 사라지는 극도로 높은 보안 장치개발의 가능성을 보여주었으며, 그 관련 연구가 주목받고 있다.[1,2] "시한성“ 전자소자의 또 다른 관심 분야는 생체 내에 삽입되어 진단 및 치료 후, 인접 조직에 의해 무해하게 흡수되어 사라지는 생흡수성(bioresorbable) 의료기기 분야이다. 이 기술은 심부의 장기조직에도 개인맞춤형 진단 및 치료를 가능하게 하고, 이후 외과적 제거 수술이 필요 없이 스스로 사라지는 의료 전자기술이다(그림3).[3,4] 현재 이 기술은 초기 연구단계이며, 얼마나 빨리 분해되고 사라지는지 메커니즘을 이해하고, 목적에 맞는 적절한 소재를 발굴하는데 그 핵심이 있다.

그림 1. 물방울에 의해 사라지는 전기자극 디바이스
[출처: Nature Medicine 24, 2018, 1830-1836]

  일반적으로 유기물 기반의 폴리머 소재는 유연하다. 하지만, 합성과정 중에 중합과정을 제어하기 힘들며, 일관된 품질의 전기적 특성을 구현하기에는 명확한 한계를 보여준다. 이에 반해 세라믹, 금속 등 무기소재들은 기계적·화학적 구조가 안정하며, 고성능, 고온, 고압의 전자기기 구현이 가능하다. 하지만, 세라믹의 경우 충격에 약하며, 깨지기 쉬운 한계점이 있다.[5] 2000년대 초반의 유연소자(flexible electronics) 기술의 큰 관심은 다양한 웨어러블(wearable) 센서 및 기기의 발전으로 이어졌으며, 이때 소재분야에서는 딱딱하고 깨지기 쉬운 소재를 수 나노미터(nm) 수준으로 매우 얇게 제작하는 공정기술이 함께 발전하게 되었다. 나무가 종이가 되면 매우 유연해지는 것처럼 딱딱하고 깨지기 쉬운 소재들도 기계적으로 유연한 소재로 변신이 가능해졌다(그림2). 이러한 초박막(10~300nm) 제조공정 기술은 비슷한 금속·세라믹의 전자소자 성능을 유지하면서도 기계적으로 유연성을 가짐으로써 고성능 웨어러블 센서를 가능하게 하였다.[5]

그림 2. 유연성을 가진 초박막 실리콘(Si)의 예
[출처: Microsystem Technologies 2001, 9, 236-240]

  연구자들이 초박막 나노구조(10~300nm) 공정을 연구하던 중, 우연히 초박막 실리콘(Si) 시편을 물속에 담갔다가 물속에서 단일결정 실리콘(Si)이 용해 가능하며, 생흡수성 전자소자로의 구현이 가능하다는 결과를 발견하였다. 실리콘(Si)은 바이오유체의 물과 반응하여 가수분해되며, 아래와 같이 규산(silicic acid)을 만들고, 해로운 반응 없이 인체 내에서 소비되어 배출된다(그림3). 이에 2016년 강승균 교수(서울대)는 압전 저항(piezo resistive) 특성을 가지는 실리콘을 사용하여 생흡수성 저항방식 압력센서를 구현하였다. 개발한 실리콘 압력센서는 그 크기가 수 mm밖에 되지 않으며, 물과 반응하여 수일 내에 완전히 사라지는 의료소자이다(그림 4). 외상성 뇌 손상 환자의 경우, 원인을 알 수 없는 이유로 갑자기 뇌 심부의 압력이 상승하여 환자의 생명을 앗아가는 경우가 종종 발생한다. 하지만, 뇌 심부의 압력을 측정할 수 있는 실질적인 압력센서는 전무하다. 지금까지 뇌 조직 표면에 박막형 압력센서를 부착하는 방식으로 압력을 측정할 수 있었으나, 이러한 방법은 뇌 심부의 압력을 즉각적으로 측정하는 방식이 아니고, 뇌심부의 압력이 뇌 표면까지 도달하여 조직의 표면이 늘어나고 장력이 발생하여 간접적으로 얻어지는 표면장력 수치의 변환 값이다. 특히, 뇌 조직은 인체에 매우 중요한 조직이며, 압력센서를 임플란트 하였다가 제거하는 과정 중에 발생할 수 있는 미세한 2차 손상이 환자에게는 큰 후유증으로 남을 수도 있다. 그러므로, 초박막 실리콘 생흡수성 뇌압센서가 상용화된다면, 많은 뇌 질환 및 외상성 뇌 손상 환자들에게 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
  실리콘 이외에 생흡수성 반도체 소재로써 실리콘 게르마늄(SiGe)이 연구가 되고 있으며, 최근 2차원 물질로 관심을 받고 있는 MoS2(molybdenum disulfide)도 생흡수성 뇌압측정 센서로서 개발이 되었다.

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