근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기) 신미경 교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 손동희 교수(성균관대 전자전기컴퓨터공학과 부교수) 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상되어 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다.

심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고, 이로 인한 장애가 유발될 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다.

손상된 신경‧근육 회복에 있어 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’이 각광 받는다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 즉, 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 우선 연구진은 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또한, 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다.

연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때, 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용하여 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다.

이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 우선, 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측하여 보행 보조 로봇을 작동, 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다. 더 나아가, 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인했다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 단 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능하게 되었다.

신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다.

손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다.

연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 11월 2일 01시(한국시간) 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’ 온라인판에 실렸다.

그림 설명

[그림1] 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단이 제시한 주사 주입형 조직 보철용 전도성 하이드로젤 소재를 통한 보행 재활 훈련

[그림2] 하이드로젤 조직 보철물 설계 및 작동원리
IBS 뇌과학 이미징 연구단은 주사 주입 시 응력을 이겨낼 수 있도록 조직 보철물 (IT-IC 하이드로젤)을 설계했다. 또한 금 나노입자와 이온 덕분에 우수한 전기 전달 특성을 보인다. 개발한 하이드로젤 보철물은 부상 초기 단계에 즉각적인 재활을 위해 근육 조직 손실을 채워 근섬유 재생을 가속화하고, 조직 간 전도를 토대로 조직-생체전자공학 연결이 가능하다. 연구진은 말초신경 자극 및 근전도(EMG) 모니터링이 가능한 폐쇄 루프 시스템을 구현하여 심각한 조직 손상을 입은 쥐의 빠른 재활을 확인했다.

[그림3] 주사 가능한 조직 보철물 기반 보행 보조 실험
주사 가능한 조직 보철물의 조직-조직 연결 성능과 조직-전극 인터페이싱 성능을 통해 폐-루프 로봇 지원 재활 시스템을 구현했다. 신축성 있는 전극으로 IT-IC 하이드로젤로 인터페이싱하여 신경 자극을 하였고, 근육이 손상된 부위에 IT-IC 하이드로젤로 손실 부위를 보철해주었다. 신경 자극을 통해 유발된 근전도를 실시간 신호 처리하여 다리의 움직임이 있을 때 로봇이 구동하여 쥐의 보행을 보조해주었다. 이러한 시스템이 적용되지 않은 쥐는 다리를 끌며 비정상적인 다리 각도와 짧은 보폭을 보여준 반면, 시스템이 적용된 쥐는 정상화된 다리 각도와 긴 보폭을 보여주며 손상 초기에 즉각적인 보행 보조가 되는 것을 보여주었다.

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IBS 홍보팀
권예슬