발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 심장은 전기 전도 시스템에 의해 활성화되는 핵심 장기로, 심장의 전기 활동 모니터링은 심장 질환 진단에 매우 중요합니다.

• 특히 손상된 심근의 위치 정보를 제공하는 국소 활성화 맵은 종합적인 심장 질환 해석에 필수적이지만, 이를 위해서는 다수의 공간적으로 분포된 기록이 필요합니다.

• 하지만 기존의 혈관을 통한 카테터 전극 방식은 심장의 특정 부위에 정확히 접근하여 전기 신호를 보내는 데 해부학적 한계가 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 한계를 극복하고, 심장 질환을 더 정확하게 진단하고 치료하기 위해 성능과 생체 적합성이 뛰어난 새로운 형태의 바이오 전극 개발이 시급합니다.

• 특히 심장의 역동적인 움직임에도 안정적으로 작동할 수 있도록 높은 전도성, 우수한 생체 적합성, 그리고 뛰어난 신축성을 동시에 만족시키는 혁신적인 소재와 구조가 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 높은 전도성을 가진 은(Ag) 나노와이어를 코어로 사용하고, 생체에 적합한 금(Au)으로 얇은 막을 씌운 '코어-쉘(Core-Shell)' 구조의 나노와이어를 핵심 소재로 활용합니다. 이 나노와이어를 신축성이 뛰어난 고분자(SBS 고무)와 혼합하여, 심장처럼 계속 움직이는 환경에서도 안정적으로 작동하는 신축성 바이오 전극을 구현합니다.

• 코어-쉘 나노와이어 구조: 높은 전도성의 은(Ag) 코어와 생체적합성이 뛰어난 금(Au) 쉘을 결합하여 전도성과 안정성을 모두 확보합니다.

• 갈바닉 반응 억제: '아황산 금 복합체'를 사용하여 제조 과정에서 은 코어가 부식되는 갈바닉 반응 없이 균일한 금 쉘을 형성합니다. 이를 통해 은 이온이 체내로 유출되는 것을 막아 생체 적합성을 극대화합니다.

• 나노 복합체 형성: 제작된 코어-쉘 나노와이어를 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 고무와 같은 신축성 고분자와 혼합하여, 기계적 변형에도 전기적 특성을 잃지 않는 유연한 복합체를 만듭니다.

구체적인 구현 방법

1. 코어-쉘 나노와이어 합성: 은 나노와이어(Ag NW) 표면에 아황산 금 복합체(Na3Au(SO3)2)를 사용하여 금(Au) 쉘을 에피택시얼 방식으로 성장시켜 Ag@Au 코어-쉘 나노와이어를 형성합니다.

2. 나노 복합체 제작: 합성된 Ag@Au 나노와이어를 SBS 고분자와 혼합하여 신축성 전도체인 Ag@Au NW/SBS 복합체를 제조합니다.

3. 심장 메시 전극 성형: 제작된 복합체를 구불구불한 패턴의 몰드를 사용하여 메시(그물) 형태로 성형하고, 절연층과 전극층을 번갈아 쌓아 다층 구조의 전극을 만듭니다. 이 단위 메시 전극들을 용접하여 심장 전체를 감쌀 수 있는 팬(부채) 모양의 전극을 완성합니다.

4. 성능 강화 코팅: 전극의 전기화학적 성능을 높이기 위해, 전극 표면에 전도성 고분자인 PEDOT을 전착하여 임피던스를 낮추고 신호 측정 감도와 자극 효율을 향상시킵니다.

기술의 장점

• 우수한 생체 적합성: 금(Au) 나노쉘이 은(Ag) 이온의 체내 유출을 기준 대비 1.2% 수준까지 억제하여 세포 독성을 최소화하고 장기적인 안정성을 확보합니다.

• 높은 전도성 및 신축성: Ag@Au NW 함량이 45wt%일 때, 최대 180%까지 늘어나는 뛰어난 신축성을 가지면서도 19,783 S/cm라는 높은 전도도를 유지합니다.

• 기계적 안정성: 심장의 수축과 이완 같은 반복적인 기계적 변형에도 전극의 저항 변화가 거의 없어, 안정적인 심장 신호 측정과 전기 자극이 가능합니다.

• 환자 맞춤형 제작: MRI 이미지로 얻은 3D 심장 모델을 기반으로, 환자 개개인의 심장 모양과 크기에 완벽하게 맞는 맞춤형 메시 전극 제작이 가능하여 치료 효과를 극대화할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 개발된 Ag@Au NW/SBS 복합체 기반 바이오 전극의 ▲생체 적합성 ▲기계적·전기적 특성 ▲전기화학적 성능 ▲실제 생체 내(in-vivo) 환경에서의 기능성을 종합적으로 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 생체 적합성 평가: ICP-MS(유도 결합 플라즈마 질량 분석법)를 이용하여 순수 은 나노와이어(Ag NW), 코어-쉘 나노와이어(Ag@Au NW), 그리고 최종 복합체(Ag@Au NW/SBS)에서 각각 침출되는 은 이온의 양을 정량적으로 비교 분석했습니다.

2. 기계적·전기적 특성 평가: 복합체 내 Ag@Au NW의 함량(wt%)을 조절하며 신축도(stretchability)와 전도도(conductivity)의 변화를 측정하여 최적의 배합 비율을 도출했습니다. 또한, 전극을 인위적으로 신장시키면서 저항 변화를 측정하여 기계적 변형에 대한 안정성을 평가했습니다.

3. 전기화학적 성능 평가: 전도성 고분자(PEDOT) 코팅 전후의 임피던스, 사이클릭 볼타메트리(CV), 전하 주입량 등을 측정하여 코팅에 따른 성능 향상 정도를 확인했습니다.

4. 생체 내(In-vivo) 기능 검증: 살아있는 쥐(rat)와 돼지(porcine) 심장에 개발된 메시 전극을 이식한 후, 심장내 일렉트로그램(electrogram) 기록 및 인공 심박 조율(pacing) 기능이 정상적으로 작동하는지 테스트했습니다. 특히 돼지 모델에서는 급성 심근 경색을 유도하여 손상된 조직의 전기 신호까지 측정했습니다.

실험 결과

실험 결과, 개발된 바이오 전극은 모든 평가 항목에서 우수한 성능을 입증했습니다. 특히 생체 적합성 평가에서 금 나노쉘 코팅의 효과가 명확하게 나타났습니다.

위 표에서 볼 수 있듯이, Ag@Au NW/SBS 복합체는 순수 은 나노와이어 대비 은 이온 침출을 98.8% 감소시켜 탁월한 생체 안정성을 보였습니다. 또한, 돼지 심장을 이용한 실험에서 전극의 기계적 모듈러스가 실제 심근 조직보다 훨씬 낮아 심장의 자연스러운 펌핑 활동을 전혀 방해하지 않는다는 점도 확인되었습니다. 생체 내 테스트에서는 심근 경색으로 손상된 심장 부위의 비정상적인 전기 신호(지연 전도, ST 상승)를 성공적으로 측정하고, 인공 페이싱을 통해 심박수를 조절하는 등 실제 의료 환경에서의 높은 활용 가능성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고해상도 심장 맵핑: 심장 표면에 직접 부착하여 부정맥과 같은 심장 질환의 원인이 되는 부위를 정밀하게 찾아내는 3D 전기 활동 지도를 제작하는 데 활용할 수 있습니다.

• 맞춤형 심장 재동기화 치료(CRT): 기존의 심장 박동기(pacemaker)나 카테터 시술로 효과를 보지 못한 환자들을 위해, 개인의 심장 구조에 맞춰 최적화된 위치에서 전기 자극을 가하는 차세대 치료법에 적용될 수 있습니다.

• 차세대 신축성 바이오 인터페이스: 심장뿐만 아니라 뇌, 신경, 근육 등 지속적으로 움직이고 변형되는 다양한 생체 조직의 신호를 측정하거나 자극하는 웨어러블 기기 및 체내 이식형 장치에 핵심 소재로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 정밀 의료 실현: 환자 맞춤형 진단 및 치료를 통해 심장 질환 치료의 성공률을 높이고 불필요한 시술을 줄여 환자의 삶의 질을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

• 의료 기술 혁신: 최소 침습적 방법으로 진단과 치료를 동시에 수행하는 '테라노시스(Theranosis)' 개념을 구현하여 심장 질환 치료의 새로운 패러다임을 제시할 수 있습니다.

• 국내 의료기기 산업 경쟁력 강화: 원천 기술 확보를 통해 수입에 의존하던 고성능 이식형 의료기기 시장에서 국산화 비중을 높이고, 글로벌 시장 진출의 교두보를 마련할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 속한 글로벌 전기 생리학 장치 시장은 2024년 72억 달러로 평가되었으며, 연평균 10.8%의 높은 성장률을 보이며 2032년에는 133억 3천만 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다. (출처: Fortune Business Insights) 이러한 성장은 심장 부정맥 유병률 증가와 기술적으로 진보된 장치에 대한 수요 증가에 기인합니다.

• 더 넓은 범위의 심혈관 기기 시장은 연평균 13.5%로 성장하여 2034년에는 263억 달러 규모로 확대될 것으로 예상됩니다. (출처: GM Insights)

• 특히 차세대 기술로 주목받는 펄스 필드 절제(PFA) 시장은 2028년까지 80억 달러 규모로 폭발적인 성장이 예측되어, 혁신 기술에 대한 시장의 높은 기대를 보여줍니다. (출처: Clarivate)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

바이오센서 및 관련 의료기기 시장은 높은 기술 장벽을 특징으로 하며, 다국적 대기업과 혁신적인 기술을 보유한 전문 기업들이 경쟁하는 구도를 보입니다. 관련 기술 분야별 주요 기업은 다음과 같습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 인구 고령화 및 만성 질환 증가: 전 세계적인 고령화 추세와 함께 심혈관 질환 환자가 증가하면서, 지속적인 모니터링과 효과적인 치료를 위한 첨단 의료기기 수요가 꾸준히 확대되고 있습니다.

2. 기술 발전과 융합: 나노기술, AI, 데이터 과학 등 첨단 기술이 의료기기와 융합되면서, 과거에는 불가능했던 정밀 진단과 맞춤형 치료가 가능해지고 있습니다. 이는 새로운 시장 기회를 창출하는 핵심 동력입니다.

3. 최소 침습 시술 선호 증가: 환자의 회복 시간을 단축하고 부작용을 줄일 수 있는 최소 침습 시술에 대한 선호도가 높아지면서, 카테터나 유연한 전극 기반의 진단 및 치료 기술 개발이 더욱 활발해지고 있습니다.

4. 정부의 지원 정책: 각국 정부는 국민 건강 증진과 미래 산업 육성을 위해 헬스케어 및 바이오 산업에 대한 연구개발 자금 지원과 규제 완화 등 우호적인 정책을 펼치고 있어 산업 성장을 가속화하고 있습니다.