발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 심장 질환의 정확한 진단을 위해서는 심장의 전기 활동을 다수의 지점에서 공간적으로 모니터링해야 합니다.

• 기존의 카테터 전극은 혈관을 통해 접근해야 하므로 원하는 심장 부위에 정확히 위치시키기 어렵습니다.

• 이러한 문제를 해결하기 위해 연구되던 그물망 형태의 전극은 인체에 독성이 강한 금속 성분을 방출할 수 있는 잠재적 위험이 있었습니다.

기술의 필요성

• 따라서, 인체에 무해하면서도 우수한 전기적 특성을 가지는 새로운 형태의 전극 개발이 필요합니다.

• 본 발명은 생체 적합성이 뛰어나고 높은 전도성을 유지하는 코어-쉘 나노와이어와 이를 활용한 신축성 복합체를 제공하여 기존 기술의 한계를 극복하고자 합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술의 핵심은 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 나노와이어입니다. 전도성이 높은 은(Ag) 나노와이어를 '코어'로 사용하고, 생체 적합성이 뛰어난 금(Au)으로 '쉘'을 감싸는 구조입니다.

• 특히, 아황산 금 복합체(Na3Au(SO3)2)를 사용하여 은 코어와 금 쉘 사이의 갈바닉 반응을 억제하면서 금 나노쉘을 균일하게 성장(에피택시얼 성장)시키는 것이 핵심 공정입니다. 이를 통해 전기적 특성 저하 없이 생체 적합성을 극대화할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. 은 나노와이어(Ag NW) 합성: 질산은(AgNO3) 용액 등을 이용해 은 나노와이어를 먼저 합성합니다.

2. 금 쉘(Au Shell) 형성: 합성된 은 나노와이어 표면에 아황산 금 복합체를 사용하여 금 쉘을 캡슐화하여 코어-쉘 나노와이어(Ag@Au NW)를 완성합니다.

3. 복합체 형성: 완성된 코어-쉘 나노와이어를 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무와 같은 고분자와 혼합하여 신축성 있는 복합체(Ag@Au NW/SBS)를 제조합니다.

4. 전극 제작: 이 복합체를 이용하여 심장 표면을 감쌀 수 있는 그물망(메시) 형태의 유연한 전극을 제작합니다.

기술의 장점

• 우수한 생체 적합성: 금(Au) 쉘이 인체에 유해할 수 있는 은(Ag) 이온의 용출을 효과적으로 차단합니다.

• 높은 전도성 및 신축성: Ag@Au NW 함량이 45wt%일 때 최대 180%의 신축성과 19,783 S/cm의 높은 전도성을 동시에 달성합니다.

• 기계적 안정성: 반복적인 변형에도 안정적인 전기적 특성을 유지하여, 끊임없이 움직이는 심장과 같은 장기에 적용하기에 적합합니다.

• 맞춤형 제작 가능: MRI 이미지 기반으로 3D 프린팅된 심장 모형을 활용하여, 실제 환자의 심장 모양과 크기에 꼭 맞는 맞춤형 전극 제작이 가능합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 개발된 코어-쉘 나노와이어 복합체의 구조적 특성, 생체 적합성, 기계적-전기적 성능을 종합적으로 검증하고, 최종적으로 동물 모델(쥐, 돼지)에 적용하여 실제 생체 환경에서의 작동 성능과 심장 질환 진단 및 치료 도구로서의 유효성을 평가하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 구조 분석: SEM(주사전자현미경) 및 EDS(에너지 분산형 X선 분광법)를 통해 나노와이어의 코어-쉘 구조를 확인했습니다.

2. 생체 적합성 평가: ICP-MS 분석을 통해 소재별 은(Ag) 이온 침출량을 측정하여 금 쉘의 차폐 효과를 검증했습니다.

3. 성능 평가: 복합체의 신축성과 전도도를 측정하고, 기계적 변형에 따른 저항 변화 및 사이클 테스트를 통해 내구성을 평가했습니다.

4. 동물 실험(In-vivo): 쥐와 돼지 심장에 제작된 메시 전극을 이식하여 심장내 신호(electrogram) 기록, 인공 심박 조율(pacing), 심근경색 진단 등 실제 적용 가능성을 확인했습니다.

실험 결과

금(Au) 쉘의 코팅은 은(Ag) 이온의 침출을 매우 효과적으로 억제했습니다. 순수 은 나노와이어(Ag NW) 대비, 코어-쉘 나노와이어(Ag@Au NW)는 은 이온 침출이 5.8% 수준으로 감소했으며, 이를 SBS 고분자 매트릭스와 결합한 복합체에서는 1.2% 수준까지 현저히 줄어들어 높은 생체 안정성을 보였습니다.

ICP-MS(유도 결합 플라즈마 질량 분광법)를 사용하여 3일간 분석한 결과

개발된 심장 메시 전극은 돼지 심근 조직보다 훨씬 낮은 모듈러스(기계적 강성)를 가져, 심장의 자연스러운 펌핑 활동을 전혀 방해하지 않으면서 안정적으로 부착될 수 있음을 확인했습니다.

또한, 돼지 심장 모델에서 심근경색으로 손상된 조직과 건강한 조직의 전기 신호를 명확히 구분하여 측정했으며, 정밀한 전기 자극을 통해 심장 기능을 회복시키는 효과를 보이는 등 실제 의료 환경에서의 높은 활용 가능성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 심장 질환 진단 및 치료: 부정맥, 심부전 등 다양한 심장 질환의 정밀 진단을 위한 고해상도 심장 맵핑(mapping) 장치로 활용됩니다.

• 차세대 심장 박동기: 환자 맞춤형 정위 페이싱(stereotactic pacing)을 통해 심장 재동기화 치료 효과를 극대화하는 차세대 심장 박동기로 사용될 수 있습니다.

• 신축성 생체 전극 플랫폼: 심장뿐만 아니라 뇌, 근육 등 다양한 생체 신호 측정 및 자극이 필요한 웨어러블 의료기기 및 이식형 장치에 핵심 소재로 적용될 수 있습니다.

기대효과

• 기존 치료법의 한계 극복: 전통적인 카테터 시술이나 약물 치료에 반응하지 않는 난치성 심장질환 환자들에게 새로운 치료 옵션을 제공할 수 있습니다.

• 환자 삶의 질 향상: 최소 침습적 시술과 환자 맞춤형 치료를 통해 부작용을 줄이고 회복 기간을 단축하여 환자의 삶의 질을 크게 개선할 수 있습니다.

• 의료 기술 발전 기여: 전자약(Electroceuticals) 및 디지털 헬스케어 분야의 핵심 원천 기술을 확보하여 미래 의료 시장을 선도하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

본 기술은 돼지 심장을 이용한 생체 내(in vivo) 동물 실험을 통해 안전성과 유효성 검증을 마친 상태로, 기술 완성도(TRL) 6~7단계에 해당합니다. 이는 실제 환경과 유사한 조건에서 시제품 성능 검증을 마친 단계로, 상용화를 위한 임상시험 진입을 앞두고 있습니다. (출처: 연세대학교 의료원)

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 적용될 수 있는 글로벌 웨어러블 의료기기 시장은 2023년 251억 4천만 달러 규모에서 연평균 20.28%의 높은 성장률을 보이며, 2029년에는 약 761억 1천만 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처: 한국보건산업진흥원)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

생체적합성 신축 전극 분야는 아직 지배적인 플레이어가 확립되지 않은 초기 시장 단계입니다. 현재는 서울대학교, 기초과학연구원(IBS) 등 본 기술의 개발 주체를 포함한 유수의 대학 및 국책 연구기관들이 기술 개발을 주도하고 있으며, 향후 글로벌 의료기기 기업과의 협력 또는 기술 이전을 통해 상용화가 본격화될 것으로 예상됩니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 만성 질환 및 고령 인구 증가: 지속적인 건강 모니터링 및 관리의 필요성이 증대되면서, 24시간 정확한 생체 신호 측정이 가능한 웨어러블/이식형 기기 수요가 급증하고 있습니다.

2. 원격의료 및 재활 시장 확대: 환자가 병원을 방문하지 않고도 가정에서 건강 상태를 관리하고 재활 치료를 받을 수 있는 기술의 중요성이 커지고 있습니다.

3. 전자약(Electroceuticals) 시장의 부상: 화학 약물의 부작용을 최소화하고 특정 신경이나 장기에 전기 자극을 가해 질병을 치료하는 전자약 기술이 차세대 치료법으로 주목받고 있으며, 본 기술은 전자약의 핵심 요소인 고성능 전극을 제공합니다. (출처: KIST)