종이형 무선 전기자극 기기 전체 개요. (자료제공: UNIST)

종이처럼 실시간으로 접고 자르며 개인맞춤형으로 제작할 수 있는 무선 전기자극 물질이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈)은 신소재공학과 김지윤, 차채녕, 송명훈 교수팀이 무선 전기자극 기능을 가진 유연하고 생분해 가능한 ‘종이형 전기자극 물질’을 세계 최초로 발견했다고 지난달 9일 밝혔다. 

나노 재료를 사용해 자르거나 접어도 기능을 잃지 않고 사용할 수 있다. 삽입형 전기자극 기기는 전기적 자극을 통해 신경세포 활동과 조직의 재생을 촉진한다. 파킨슨병, 알츠하이머, 신경 퇴행성 질환 등 다양한 질환의 치료에 유용하다.

하지만 기존 기기들은 복잡하게 연결된 단단한 전자 부품들에 의존하기 때문에 모양과 크기를 실시간으로 자유롭게 변경하기 어려웠다. 부드러운 신체 조직과의 이물 반응도 유발해 치료 후 제거 수술을 해야하는 등 복잡한 과정을 거쳐야 했다.

연구팀은 기능성 나노 재료를 실시간으로 다양한 형태로 모양을 바꿀 수 있는 ‘종이형 무선 전기자극 물질 개발’에 성공했다. 먼저 외부 자기장에 반응해 전기자극을 생성할 수 있는 자기전기 나노입자(Magnetoelectric Nanoparticle)를 합성했다. 서로 다른 물질로 이루어진 코어(알맹이)와 쉘(껍데기)이 맞붙은 형태로 합성된 ‘코어@쉘’ 형태의 나노결정이다.

합성된 나노입자는 외부 자기장에 반응해 변형(Strain)을 일으키는 자왜(Magnetostrictive)코어와 이 변형을 전기자극으로 변환하는 압전(Piezoelectric)쉘로 이뤄진다. 이 특성을 활용하면 배터리 없이 무선으로 신체내부에 전기자극을 줄 수 있다.

연구팀은 개발한 나노입자를 쉽게 분해되는 생분해성 나노섬유(Biodegradable Nanofiber) 내부에 결합했다. 종이 형태의 생분해 가능한 다공성 무선 전기자극 재료를 만든 것이다. 시험관 내 실험을 통해 무선 전기자극 효과와 신경세포 활동 촉진 효과를 동시에 검증했다.

김지윤 신소재공학과 교수는 “개발된 재료는 고유의 기능을 유지하며 장기크기인 수십 센티미터 단위부터 신경세포의 크기인 마이크로미터 단위까지 자유롭게 크기를 조절할 수 있다”며 “광범위한 의료분야에서 신속한 프로토타입 제작과 더불어 효과적인 맞춤형 전기자극 치료 솔루션의 개발을 앞당길 것”이라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Materials’에 5월 2일 정식출판됐으며 표지논문으로 선정됐다.