발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 심장 질환 진단 및 치료를 위해 심장의 전기 활동을 정밀하게 모니터링하고 조절하는 기술이 매우 중요합니다.

• 기존에 사용되던 혈관을 통한 카테터 전극은 심장의 원하는 부위에 정확히 접근하기 어려운 해부학적 한계가 있습니다.

• 이러한 문제를 해결하기 위해 연구된 그물망(메시) 형태의 전극은 독성이 있는 금속 성분(예: 은 이온)을 방출시켜 생체 내 적용에 심각한 문제를 야기했습니다.

기술의 필요성

• 기존 전극의 독성 문제를 해결하고, 심장 전체를 감싸 정밀한 전기 신호를 측정할 수 있는 새로운 형태의 전극 개발이 시급했습니다.

• 본 발명은 높은 전도성을 유지하면서도 인체에 무해한, 즉 생체 적합성이 뛰어난 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 나노와이어를 제공하여 이 문제를 해결하고자 합니다.

• 또한, 이 나노와이어를 신축성 있는 고분자와 결합하여 심장의 움직임에 맞춰 유연하게 변형되면서도 안정적인 성능을 발휘하는 신축성 복합체(심장 메시 전극)를 제공하는 것을 목표로 합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술의 핵심은 코어-쉘(Core-Shell) 나노 구조에 있습니다. 전도성이 높은 금속(예: 은)을 '코어'로 사용하고, 그 표면을 생체 적합성이 뛰어난 금속(예: 금)으로 얇게 감싸 '쉘'을 형성합니다.

• 금(Au) 쉘이 은(Ag) 코어를 완벽하게 감싸, 내부의 은 이온이 체내로 용출되는 것을 막아 독성 문제를 원천적으로 차단합니다.

• 갈바닉 반응(이종 금속 간 부식)을 억제하는 특수 공법(아황산 금 복합체 사용)을 통해 균일하고 안정적인 코어-쉘 구조를 구현하여 높은 전도도와 생체 안정성을 동시에 확보합니다.

구체적인 구현 방법

1. 은 나노와이어(Ag NW) 합성: 폴리올 공법을 통해 가늘고 긴 형태의 은 나노와이어를 대량으로 합성합니다.

2. 금 쉘(Au Shell) 형성: 합성된 은 나노와이어 표면에 '아황산 금 복합체'를 사용하여 금 나노쉘을 에피택시얼(epitaxial) 방식으로 성장시킵니다. 이 방식은 갈바닉 반응 없이 균일한 두께의 금 쉘을 형성하는 핵심 공정입니다.

3. 신축성 복합체 제작: 완성된 코어-쉘 나노와이어(Ag@Au NW)를 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무와 같은 신축성 고분자와 혼합하여 용액을 만듭니다.

4. 심장 메시 전극 성형: 이 복합체 용액을 원하는 메시 형태로 만든 몰드에 부어 건조시키고, 여러 층을 쌓고 용접하여 최종적으로 입체적인 심장 메시 전극을 완성합니다.

기술의 장점

• 우수한 생체 적합성: 금 쉘이 은 이온의 용출을 효과적으로 차단하여(순수 은 나노와이어 대비 1.2% 수준), 인체에 무해합니다.

• 높은 전도성 및 신축성: 45wt%의 나노와이어 함량에서 최대 180%까지 늘어나면서도 19,783 S/cm의 높은 전도도를 유지하여, 심장의 역동적인 움직임에도 안정적인 성능을 보입니다.

• 기계적 안정성: 건조 과정에서 형성되는 나노와이어 클러스터와 고분자 브리지 구조 덕분에, 반복적인 변형에도 전기적 특성이 안정적으로 유지됩니다.

• 맞춤형 제작 가능: MRI 이미지 기반 3D 모델을 활용하여 환자 개개인의 심장 모양과 크기에 꼭 맞는 맞춤형 전극 제작이 가능합니다.

• 심장 기능 비간섭: 개발된 전극은 실제 심근 조직보다 훨씬 낮은 모듈러스(더 유연함)를 가져, 심장의 고유한 펌핑 활동을 전혀 방해하지 않습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 개발된 코어-쉘 나노와이어 기반 신축성 복합체의 ①생체 적합성, ②전기적/기계적 성능, ③전기화학적 특성을 정량적으로 평가하고, 최종적으로 ④실제 동물 모델(쥐, 돼지)에 적용하여 심장 질환 진단 및 치료 장치로서의 유효성과 안정성을 검증하는 것을 목적으로 수행되었습니다.

실험 방법 및 과정

1. 생체 적합성 평가: 세포 배양액에 나노와이어를 담근 후, ICP-MS 분석을 통해 은 이온 용출량을 측정하여 독성 수준을 평가했습니다.

2. 성능 최적화: 나노와이어 함량을 변화시키며 복합체를 제작하고, 각 조건에서의 신축도와 전도도를 측정하여 최적의 배합 비율을 찾았습니다.

3. 전기화학적 성능 개선: 전극 표면에 전도성 고분자(PEDOT)를 전착한 후, 임피던스 및 사이클릭 볼타메트리(CV) 측정을 통해 전하 주입 및 저장 능력이 얼마나 향상되는지 분석했습니다.

4. 동물실험 (In-vivo): 쥐의 심장에 전극을 부착하여 심전도(ECG)를 기록하고 심박 조율(Pacing) 기능을 테스트했으며, 돼지 모델에서는 급성 심근경색을 유도한 뒤, 개발된 메시 전극을 이용해 손상된 부위의 정밀한 전기생리학적 맵핑과 심장 재동기화 치료 효과를 검증했습니다.

실험 결과

다양한 실험을 통해 코어-쉘 나노와이어 복합체의 우수한 성능이 입증되었습니다. 주요 정량적 결과는 아래 표와 같습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고해상도 심장 맵핑 장치: 심근경색, 부정맥 등 심장 질환의 원인이 되는 부위를 정밀하게 찾아내는 진단 장비로 활용될 수 있습니다.

• 차세대 심장 재동기화 치료(CRT): 기존 방식이 효과 없는 난치성 심부전 환자들을 위해, 심장 전체를 감싸 최적의 위치에서 전기 자극을 가하는 맞춤형 치료에 적용될 수 있습니다.

• 신축성 생체 전극 플랫폼: 심장뿐만 아니라 뇌, 신경, 근육 등 다양한 생체 신호를 측정하거나 자극이 필요한 웨어러블 의료기기 및 이식형 장치에 핵심 소재로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 의료 기술 혁신: 진단과 치료가 동시에 가능한 '테라노스틱스(Theranostics)' 개념을 심장 질환 분야에서 구현하여, 환자 맞춤형 정밀 의료 시대를 앞당길 수 있습니다.

• 환자 삶의 질 향상: 심장의 움직임을 방해하지 않는 유연한 전극을 통해 이물감을 최소화하고, 난치성 심장 질환 환자에게 새로운 치료 옵션을 제공할 수 있습니다.

• 첨단 소재 산업 성장 견인: 높은 부가가치를 지닌 생체 이식형 의료기기 시장에서 핵심 원천 기술을 확보하여, 관련 소재 및 부품 산업의 성장을 이끌 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 속한 생체 이식형 전극 및 심혈관 장치 시장은 인구 고령화, 만성 질환 증가, 기술 발전 등에 힘입어 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 관련 시장은 높은 성장 잠재력을 가지고 있습니다.

• 생체 이식형 전극 시장: 2023년 224억 달러에서 연평균 9% 이상의 성장률을 보이며 2033년에는 551억 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다. (출처: koreamednews.com)

• 심혈관 장치 시장: 2023년 613억 9천만 달러에서 연평균 7.6% 성장하여 2032년에는 1,176억 달러에 달할 것으로 예상됩니다. (출처: fortunebusinessinsights.com)

• 스마트 의류 및 웨어러블 시장: 본 기술의 기반이 되는 유연・신축성 전자소재 기술은 웨어러블 기기 시장의 급성장과 함께 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, 특히 스마트 의류 분야는 연평균 50% 이상의 높은 성장률이 기대됩니다. (출처: koreascience.kr)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 웨어러블 기기 시장은 삼성, LG, 구글과 같은 글로벌 IT 기업들이 주도하고 있으나, 본 기술과 직접적으로 연관된 생체 이식형 고기능성 전극 시장은 고도의 기술 장벽으로 인해 전문화된 의료기기 기업 및 연구 기관들이 핵심 플레이어로 활동하고 있습니다. 본 기술은 기존에 없던 새로운 방식의 소재 기술을 제안함으로써, 이 시장에서 독보적인 경쟁 우위를 확보할 수 있는 잠재력을 가집니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 만성 질환 유병률 증가: 심혈관계 및 신경계 질환과 같은 만성 질환 환자가 전 세계적으로 증가함에 따라, 장기적이고 정밀한 모니터링 및 치료가 가능한 이식형 의료기기에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

2. 기술 발전과 융합: 나노 기술, 재료 공학, 전자 공학의 발전이 융합되면서 과거에는 불가능했던 고성능, 고기능성 생체 전극의 개발이 가능해지고 있습니다.

3. 맞춤형 정밀 의료 트렌드: 환자 개개인의 특성에 맞는 최적의 치료를 제공하려는 정밀 의료 패러다임이 확산되면서, 본 기술처럼 맞춤 제작이 가능한 의료기기에 대한 시장의 요구가 커지고 있습니다.