“미래에는 수술이 필요하지 않아질 수도 있습니다. 몸 속 나노로봇이 실시간으로 몸 상태를 감시하고, 질환이 발생하기 전에 선제적인 치료를 취할 테니까요. 이를 위해서는 우선 모든 전자기기를 신축성 있게 만드는 것이 핵심입니다.”

박장웅 나노의학 연구단 연구위원(연세대 신소재공학과 교수)은 나노디바이스로 사람의 질병을 감지하고 치료할 수 있는 기술을 연구하고 있다. 그는 “반도체의 성능 향상과 함께 소형화되고, 자유롭게 구부러지는 등 형태 또한 자유로워지며 디바이스(전자기기)의 의학적 활용이 본격적으로 시작됐다”며 “나노의학은 전통적인 생명의학 분야와 어우러져 인간을 이롭게 하는 방향으로 발전해나가고 있다”고 말했다.

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나노기술과 의학의 만남

박 연구위원이 속한 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단은 관점에 따라 서로 멀게도, 가깝게도 느껴지는 나노기술과 의학을 융합하는 연구를 한다. 나노의학은 1970년대에 등장한 ‘패치 클램프’ 기술이 시초로 꼽힌다. 1991년에 노벨상이 수여된 패치 클램프 기술은, 미세한 유리관을 통하여 세포막을 통과하는 이온의 흐름을 연구하는 기법을 개발했다. 살아있는 세포에서 나오는 생체신호를 읽어낸 기술로, 생체신호를 토대로 질병을 감지할 수 있는 길이 열린 것이다. 국제학술지 네이처(Nature)는 2019년 패치 클램프 기술을 지난 150년 역사상 가장 중요한 과학논문 중 하나로 선정하기도 했다.

박 연구위원은 “패치 클램프를 필두로 생체전자학(바이오일렉트로닉스) 분야가 시작됐지만, 당시에는 소자 제작 기술의 한계로 실제 의학적 적용까지 이어지지 않았다”며 “크기가 커서 신체 내부에 심기 어렵고, 딱딱한 소재들이 신체의 움직임을 방해했기 때문”이라고 설명했다.

생체전자학이 다시 전성기를 맞이한 것은 자유롭게 구부러질 수 있는 소자들이 등장하면서부터다. 현재 생체전자학 분야에서는 존 로저스 미국 노스웨스턴대 교수와 찰스 리버 미국 하버드대 교수가 세계적인 대가로 꼽힌다. 박 연구위원는 로저스 교수 연구실에서 박사학위를 취득하고, 리버 교수 연구실에서 박사후연구원 시절을 보냈다. 이후 울산과학기술원(UNIST)에서 교수생활을 시작한 그가 나노의학 연구단으로 적을 옮긴 것은 ‘정밀의학 실현’이라는 공통의 목표 하에 다양한 분야 전문가들과 융합연구를 할 수 있다는 장점 때문이다.

실시간으로 스트레스 측정하는 스마트 콘택트렌즈

최근 박장웅 연구위원 연구팀은 흥미로운 연구결과를 발표했다. 바로 스트레스 정도를 정확히 측정할 수 있는 스마트 콘택트렌즈다. 스트레스는 주변 환경에 쉽게 영향을 받기 때문에 정량화하기 어렵다. 연구진은 병원, 연구실 등 전문 시설을 방문하지 않고도, 눈물 속 스트레스 호르몬(코티졸) 수치를 실시간으로 측정하는 콘택트렌즈 형태의 헬스케어 기기를 개발했다. 스마트 콘택트렌즈를 착용한 뒤 스마트폰을 눈 가까이 가져가면 어플리케이션(앱) 등을 통해 간단히 스트레스 수치를 확인할 수 있다.

앞선 2014년, 구글은 혈당 수치를 측정할 수 있는 스마트 콘택트렌즈 개발 프로젝트 계획을 발표한 바 있다. 하지만 당시 구글 연구진이 개발한 스마트 콘택트렌즈는 플라스틱처럼 딱딱한 렌즈에 회로를 구현했기 때문에 사람이 일상적으로 착용하긴 어려웠다. 이 때문에 구글 연구진은 죽거나 마취한 토끼의 눈에 렌즈를 삽입해 실험을 진행했다.

박 연구위원은 “우리 연구진은 실제 착용 가능한 소프트렌즈에 무선 회로를 구현했고, 그 결과 실제 사람이 착용한 상태에서 스트레스 정도를 측정하는데 성공했다”며 “렌즈를 구성하는 다양한 디바이스를 신축성 있고, 투명하게 구현한 덕분에 임상실험까지 성공할 수 있었다”고 설명했다.

▲ 스트레스 호르몬 측정용 스마트 콘택트렌즈를 착용한 모습.

몸 상태 읽고 곧바로 치료하는 시대

전 세계적으로 웨어러블 헬스케어 기기 산업은 빠르게 성장하고 있다. 반도체 기술의 성장과 함께 스마트워치, VR 헤드셋 등 웨어러블 전자기기들은 편안한 착용감을 위해 신체의 곡선과 유사한 형태로 발전했다. 하지만 사람마다, 또 자세에 따라 달라지는 신체 구조에 맞춰 자유롭게 변형되는 기술은 아직까지 개발되지 않았다. 전자기기를 구성하는 모든 소자들을 신축성 있게 만드는 기술은 아직 개발되지 않았기 때문이다.

▲ 박장웅 연구위원 팀은 지난 해 6월 3D 프린팅을 통해 전극을 신축성 있게 만드는 방법을 개발했다.

박 연구위원 팀은 지난 해 6월 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 에 게재한 연구를 통해 이 한계를 돌파할 최소한의 해법을 제시하기도 했다. 모든 소자를 신축성 있게 만들지 못하더라도, 소자와 소자를 잇는 배선들을 신축성 있게 만드는 것이다. 연구진은 높은 신축성을 가진 금속에 구조를 탄탄하게 보존해주는 특성을 가진 탄소나노튜브를 더한 복합체를 제조했다. 이후 상온에서 3D 프린터를 통해 전극을 배선했다. 단단한 표면뿐만 아니라 피부처럼 변형이 쉽고 유연한 표면에서 회로를 그려낼 수 있게 된 것이다.

박 연구위원은 “일련의 연구들을 토대로 머지않은 미래에는 자유자재로 잡아당겨 피부에 붙일 수 있는 웨어러블 전자기기나 체내에 삽입할 수 있는 유연한 바이오 전자기기를 구현할 수 있을 것”이라고 설명했다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬