발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 심장 질환의 정확한 진단을 위해 심장의 전기 활동을 모니터링하는 것이 매우 중요합니다.

• 특히 손상된 심근의 위치를 파악하기 위해서는 여러 위치에서 동시에 전기 신호를 측정하는 국소 활성화 맵이 필수적입니다.

• 기존의 카테터 전극은 혈관을 통해 접근하기 때문에 심장의 특정 부위에 도달하기 어렵다는 한계가 있었습니다.

• 이를 해결하기 위해 연구되던 그물망 형태의 전극은 인체에 독성이 있는 금속 성분을 방출할 수 있는 심각한 문제점을 가지고 있었습니다.

기술의 필요성

• 인체에 무해한 생체 적합성이 뛰어난 심장 전극 소재 개발이 시급합니다.

• 심장의 역동적인 움직임에 맞춰 변형되어도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 높은 전도성과 신축성을 동시에 갖춘 새로운 소재가 필요합니다.

• 심장 전체를 감싸 정밀한 진단과 치료를 가능하게 하는 새로운 형태의 맞춤형 전극 플랫폼이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 전도성이 뛰어난 은 나노와이어를 '코어(Core)'로, 생체 적합성이 우수한 금 나노입자를 '쉘(Shell)'로 사용하는 독창적인 코어-쉘 구조를 통해 기존 기술의 한계를 극복합니다.

• 코어 (은 나노와이어, Ag NW): 높은 전기 전도성을 담당하여 미세한 심장 신호도 놓치지 않고 측정할 수 있게 합니다.

• 쉘 (금 나노쉘, Au nanoshell): 은 코어를 완벽하게 감싸 인체에 유해할 수 있는 은 이온의 용출을 원천적으로 차단하고, 뛰어난 생체 적합성을 확보합니다.

• 아황산염 리간드 활용: 은(Ag)과 금(Au) 사이의 불필요한 갈바닉 반응을 억제하여, 균일하고 안정적인 코어-쉘 구조를 대량으로 합성할 수 있는 핵심 기술입니다.

구체적인 구현 방법

1. 은 나노와이어(Ag NW) 합성: 에틸렌 글리콜 용매에 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 질산은(AgNO3) 등을 넣고 특정 조건에서 반응시켜 가늘고 긴 형태의 은 나노와이어를 합성합니다.

2. 코어-쉘 나노와이어(Ag@Au NW) 형성: 합성된 은 나노와이어 표면에 아황산염(Na2Au(SO3)2)을 포함한 금 용액을 사용하여 금 나노쉘을 균일하게 에피택시얼 성장시킵니다. 이 과정을 통해 은 코어가 금 쉘로 완벽하게 캡슐화됩니다.

3. 신축성 복합체(Ag@Au NW/SBS) 제작: 제조된 코어-쉘 나노와이어를 톨루엔에 분산시킨 후, 신축성이 뛰어난 고분자 고무인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 용액과 혼합합니다. 이 혼합 용액을 건조시켜 높은 전도성과 신축성을 동시에 갖는 복합체를 완성합니다.

기술의 장점

• 혁신적인 생체 적합성: 금(Au) 쉘이 은(Ag) 코어를 완벽히 감싸, 인체에 해로운 은 이온의 용출을 기존 은 나노와이어 대비 약 99% 가까이 억제합니다 (복합체 기준 1.2%로 감소).

• 우수한 전도성 및 신축성: 최적화된 45wt%의 Ag@Au NW 함량에서 최대 180%의 놀라운 신축성과 19,783 S/cm의 높은 전도성을 동시에 구현합니다.

• 뛰어난 기계적 안정성: 반복적인 수축과 이완에도 SBS 고무 브릿지 구조가 변형을 흡수하여 안정적인 전기적 특성을 유지하며, 이는 심장 박동과 같은 역동적인 환경에 최적화되었음을 의미합니다.

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

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 개발된 코어-쉘 나노와이어 기반 신축성 복합체의 우수한 물리적, 전기적 특성을 입증하고, 실제 생체 환경에서의 적용 가능성을 검증하기 위해 다양한 실험을 수행하였습니다. 실험은 생체 적합성, 기계적-전기적 특성, 전기화학적 성능 및 최종적으로 동물 모델을 이용한 생체 내 기능 검증에 초점을 맞추었습니다.

실험 방법 및 과정

1. 생체 적합성 평가: 순수 은 나노와이어(Ag NW), 코어-쉘 나노와이어(Ag@Au NW), 그리고 최종 복합체(Ag@Au NW/SBS)를 세포 배양액에 3일간 노출시킨 후, ICP-MS 장비를 이용하여 용출된 은 이온의 양을 정밀하게 측정하여 비교 분석했습니다.

2. 기계적/전기적 특성 평가: 복합체 내 코어-쉘 나노와이어의 함량을 조절하며 각 샘플의 인장 강도와 신축성을 측정하고, 동시에 전기 전도도의 변화를 분석하여 최적의 함량 비율을 도출했습니다.

3. 전기화학적 성능 개선: 전극의 신호 측정 효율을 높이기 위해 전도성 고분자인 PEDOT을 전극 표면에 증착시킨 후, 임피던스, 사이클릭 볼타메트리(CV), 전하 주입량 등을 측정하여 성능 개선 효과를 정량적으로 평가했습니다.

4. 생체 내(In-vivo) 기능 검증: 실험용 쥐와 돼지의 심장에 개발된 메시 전극을 직접 이식하여 심장내 신호(electrogram) 측정, 인공 심박 조율(pacing), 그리고 심근경색 모델에서의 진단 능력까지 실제 생체 환경에서의 성능을 종합적으로 검증했습니다.

실험 결과

실험 결과, 코어-쉘 구조가 은 이온 용출을 획기적으로 억제하여 생체 적합성을 크게 향상시켰음을 확인했습니다. 또한, 특정 함량에서 신축성과 전도도의 최적 조합을 달성했으며, PEDOT 코팅을 통해 전극 성능이 월등히 개선됨을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 환자 맞춤형 심장 메시 전극: MRI, CT 등 의료 영상 데이터를 기반으로 환자 개개인의 심장 크기와 형태에 완벽하게 맞는 전극을 3D 프린팅 기술과 결합하여 제작할 수 있습니다.

• 차세대 심장 재동기화 치료(CRT): 심장 전체를 감싸는 다채널 전극을 통해 심장의 수축 비동기를 정밀하게 교정하여 심부전 환자의 심장 기능을 효과적으로 회복시킬 수 있습니다.

• 부정맥 진단 및 치료 플랫폼: 심근경색 등으로 손상된 부위에서 발생하는 비정상적인 전기 신호를 정밀하게 매핑하여 부정맥의 원인을 찾아내고, 목표 지점에 정확한 전기 자극을 가하여 치료할 수 있습니다.

• 신축성 웨어러블 의료기기: 피부, 근육 등 다양한 생체 조직에 부착하여 전기생리학적 신호를 측정하거나 자극을 주는 차세대 웨어러블 헬스케어 기기의 핵심 소재로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 안전성 증대: 기존 전극의 금속 이온 용출로 인한 독성 문제를 원천적으로 해결하여 장기 이식에도 안전한 치료를 제공합니다.

• 치료 효과 극대화: 환자 맞춤형 설계와 정밀한 다채널 자극을 통해 기존 치료법으로 효과를 보지 못했던 환자들에게 새로운 치료 옵션을 제공하고 치료 성공률을 높일 수 있습니다.

• 삶의 질 향상: 심장의 움직임을 방해하지 않는 부드럽고 유연한 소재로 이물감을 최소화하고, 최소 침습 시술을 통해 환자의 회복 기간을 단축시킬 수 있습니다.

• 미래 의료 시장 선도: 본 기술은 심장 질환 치료뿐만 아니라 다양한 전자약 및 웨어러블 의료기기 시장을 선도할 수 있는 핵심 플랫폼 기술로의 확장이 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 직접적으로 적용될 수 있는 글로벌 심혈관 기기 시장은 매우 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 2024년 75억 달러 규모로 평가되었으며, 연평균 13.5%의 성장률(CAGR)을 기록하며 2034년에는 263억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 이는 본 기술의 상용화 시 높은 시장 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다.

• 주요 시장: 미국 시장은 2023년 25억 달러에서 2034년 97억 달러 규모로 크게 성장할 것으로 예상됩니다.

• 기술 분야: 특히 심장 절제술 장치 부문은 연평균 13.7%의 높은 성장률을 보일 것으로 기대됩니다.

• 신규 시장 형성: 피부 부착형 웨어러블 제품 시장은 아직 초기 형성 단계에 있어, 본 기술과 같은 원천 기술의 시장 선점 가능성이 높습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 인구 구조 변화: 전 세계적인 고령 인구 증가와 함께 심혈관 질환 유병률이 높아지면서 관련 진단 및 치료 기기에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있습니다.

2. 기술 발전 및 트렌드 변화: AI가 통합된 스마트 의료 기기, 실시간 환자 모니터링을 위한 웨어러블 기기 개발이 활발하며, 환자의 부담을 줄이는 최소 침습 시술에 대한 선호도가 높아지고 있습니다.

3. 인식 개선 및 정책 지원: 심장 질환의 조기 진단 및 예방에 대한 인식이 높아지고 있으며, 각국 정부의 관련 산업 지원 및 육성 정책이 시장 성장을 더욱 가속화하고 있습니다.

출처: kibme.org, gminsights.com, fortunebusinessinsights.com