몸에 붙이고만 있어도 건강상태를 알려주고, 필요한 때 적절한 약을 투약하는 반창고가 있다면 얼마나 편할까? 머지않은 미래에 구현될 것으로 기대되는 웨어러블 생체 기기는 매해 세계의 기업들이 탐내는 영역이다. 차세대 소재를 만들기 위해선 자유자재로 늘어나고 유연한 전도체를 개발해야 한다. 휘어지거나 늘어나는 변형에도 전도체가 안정적으로 전류를 공급해야하기 때문이다. 에너지 손실은 최소화로, 전도성은 높이고, 저항에도 안정적으로 구동해야 한다. 생체 기기이기 때문에 생체 친화성도 높아야 한다. 말 그대로 다방면의 다기능을 보유한 전도체가 핵심인 것이다.

IBS 나노입자 연구단 연구진은 최근 최고 840% 늘어나면서도 높은 전도도를 가진 전도성 고무를 개발했다. 독성도 없이 생체 친화성도 높다. 팔방미인이라는 별칭이 어울리는 이 전도성 고무는 금-은 나노복합체로 만들어졌다. 연구진은 전도성 고무를 그물 형태로 제작해 심부전 증상이 나타나는 돼지의 심장 리듬을 되살리는 동물 실험에도 성공했다. 이번 연구성과는 재료과학 및 공학분야 세계 최고 권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.490, DOI:)에 8월 14일 게재되었다.

이번에 개발된 금-은 나노복합체는 기존의 물성적 한계를 극복함과 동시에 의료용 기기나 신체 삽입형 기기로의 응용성을 크게 키웠다. 이를 위해 두 가지 과정을 거쳤다. 그 결과 연구진은 높은 신장력을 지니면서 높은 전도성을 유지하는 전도성 고무에 내구성 강화, 생체 적합성 기능을 더할 수 있었다.

▲ IBS 나노입자 연구단 연구진이 개발한 전도성 고무는 금으로 입힌 나노와이어에 고무 성분인 SBS 엘라스토머를 합성한 복합체다. 기존에 연구된 전도성고무 중 비슷한 전도도 영역에서의 최고의 산장력인 840%까지 늘릴 수 있었다. 이러한 고무 복합체는 다양한 웨어러블 또는 인체 삽입형 디바이스로 모두 활용이 가능 할 것으로 기대된다.

먼저, 은(Ag) 나노와이어에 금(Au)을 균일하게 입혔다. 기존의 은나노와이어 기반의 전도성 고무는 높은 전도성과 안정적인 전기적 특성으로 각광받았다. 하지만 은의 독성은 생체 적용에 적합하지 않았고 고무성질과 섞일 경우 신축성이 줄어드는 문제가 동반되었다. 연구진은 은나노와이어에 금을 입힘으로써 은 이온의 유출을 막고 물이나 산소에 산화되기 쉬운 은의 표면을 보호해 생체 내에서도 내구성을 지니도록 만들었다. 여기서 연구진은 은과 금 사이의 갈바닉 교환반응으로 인해 은이 녹는데 손상 없이 금을 입히는 방법을 개발했다.

▲ IBS 연구진은 길이가 긴 은나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단하고 생체 친화성을 높였다. 금과 은의 갈바닉 교환 반응을 억제하는 핵심 기술을 구현해 내구성도 높였다.

다음으로 금-은 나노와이어와 고무 성분인 SBS 엘라스토머¹⁾를 섞어 전도성 금-은 나노복합체를 만들었다. 연구진은 금-은 나노와이어와 SBS 엘라스토머를 합성할 때, 상분리가 유도되는 원리를 이용하자 부드러운 기계적 성능을 지니면서도 전도성이 잘 유지되는 복합체를 합성하는데 성공했다. 각 성분이 미세한 연결구조를 형성해 힘의 분산이 효율적으로 이뤄지는 것이다. 외부의 기계적인 힘이 가해질 때, 그 힘이 SBS 엘라스토머 고무 부분으로 분산되면서 신축성을 가지게 되는 원리다. 상온 건조 공정을 거쳐 나노와이어 간 전기적 연결도 최대로 끌어 올려 고전도성을 구현했다.

▲ 연구진은 금-은 나노복합체 용액에 핵실아민을 첨가하고 상온에서 건조시켜 용액 내 상분리를 유도했다. 그 결과 SBS 엘라스토머와 금-은 나노와이어가 분리된 구조를 갖게 되었고 신장력이 가해질 때 힘이 고무 부분으로 효율적으로 분산되어 신축성을 획득할 수 있었다.

연구진은 금-은나노복합체를 넓은 면적을 가질 수 있는 그물 형태로 가공해 심장을 감쌀 수 있는 기기를 개발했다. 하버드 의과대학과 공동 협업을 통해 동물 실험도 성공했다. 여러 층으로 구성된 그물 형태는 실험 동물인 돼지의 심장을 전체적으로 감싸고 심장의 신호를 읽는 데 매우 유용하다. 다채널 전극 층을 지니고 있기에 어느 부위에 병변이 있는 지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에 전기 자극을 가해 심장 기능을 회복하고 리듬을 맞추는 데도 활용할 수 있다. 현재 상용화된 심장 자극기는 채널이 2곳으로 심장 전체의 전기 신호를 읽고 자극을 주는데 한계가 있다. 소재 역시 심장 근육에 상처를 주거나 손상을 가할 수 있다. IBS 연구진이 개발한 금-은나노복합체는 부드럽기 때문에 심장의 움직임에 영향을 주지 않으면서 모니터링 기능을 수행할 수 있다. 생체 친화성을 높여 삽입형 기기 활용에도 문제가 없다.

▲ 생체친화성을 높인 전도성 복합체는 생체에 삽입하는 기기로 활용하는데에도 문제가 없다. 연구진은 높은 가공성을 지닌 금-은나노복합체를 그물 모양으로 제작해 동물실험에 나섰다. 그 결과 심장 전체를 감쌀 수 있는 신축성을 가지면서도 전기 자극을 읽어낼 수 있어 모니터링과 치료 효과를 확인할 수 있었다.

이번 연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “금-은나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다”며 “금-은나노복합체에 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능하다. 이때, 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점이다”고 밝혔다.

현택환 단장은 “이번에 개발한 금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것”이라며 “피부에서나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용이 가능할 것”이라고 전망했다.

▲ 연구진이 개발한 금-은 나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다. 땀과 수분에도 강하다는 장점을 보유하고 있을 뿐만 아니라 전도도가 높으면서도 신축성이 크기 때문에 물리치료를 받을 때에도 무리 없이 활용할 수 있다. 전극과 히터를 이용해 열자극과 전기자극도 동시에 구현할 수 있다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경