심장의 재동기화 치료를 위한 그물망 전극 및 이의 제조 방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 심부전은 높은 사망률과 이환률을 보이는 주요 질병이지만, 기존 약물이나 재생 치료법은 질병의 진행을 늦추는 데 한계가 있습니다.

• 현재 가장 효과적인 치료법으로 알려진 양심실 조율(CRT)은, 두 개의 전극만으로는 심장 전체의 동기 수축을 완벽하게 복원하기 어렵습니다.

• 특히 심부전으로 인한 심근 손상은 심장의 전기 전도 시스템까지 손상시켜 펌프 기능 부전을 악화시킵니다.

기술의 필요성

• 따라서 손상된 심근을 보상하고, 질병에 걸린 기존의 전기 전도 시스템(히스-퍼킨지 시스템)의 기능을 대체할 수 있는 새로운 치료법이 필요합니다.

• 심장 전체에 걸쳐 완벽하게 동기화된 전기적 탈분극과 기계적 수축을 유도하여 심장 기능을 극대화할 수 있는 혁신적인 접근법이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 전기 전도성과 탄성을 동시에 갖춘 소재로 제작된 심장 그물망 전극을 이용한 전반적 재동기화 치료법에 관한 것입니다.

• 심외막(심장 바깥층)과 유사한 기판이 심장과 통합되어 부하를 분담하고, 내부 심근벽의 스트레스를 감소시킵니다.

• 그물망 장치에 전반적인 조율 기능을 부여하여, 손상된 심장의 히스-퍼킨지 섬유 네트워크 기능을 효과적으로 대체합니다.

• 전극은 은 나노와이어가 분산된 제1 생체적합성 고무층과 이를 덮는 제2 생체적합성 고무층으로 구성됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 은 나노와이어가 분산된 제1 생체적합성 고무 용액을 그물망 모양이 음각으로 새겨진 몰드에 주입하고 건조하여 전도성 고무층을 형성합니다.

2. 형성된 제1 생체적합성 고무층 위에 절연 및 보호 역할을 하는 제2 생체적합성 고무층을 덮어 최종 그물망 전극을 완성합니다.

3. 전도성을 부여하는 은 나노와이어는 길이 5-50µm, 직경 50-150nm이며, 고무 용액 내 균일한 분산을 위해 리간드 교환된 것을 사용합니다.

4. 생체적합성 고무는 SBS, TPU, PDMS 등 유연하고 인체에 무해한 소재 중에서 선택하여 사용하며, 각 층의 두께는 1-500µm로 조절됩니다.

기술의 장점

• 낮은 탄성계수: 심장 표면에 부드럽게 고정되어 움직임에 방해 없이 안정적으로 신호를 얻거나 자극을 줄 수 있습니다.

• 넓은 전극 면적: 심장과의 접촉 면적을 늘려 임피던스를 낮춤으로써, 전기 신호를 선명하게 읽고 낮은 에너지로도 효과적인 자극이 가능합니다.

• 심근벽 스트레스 감소: 심장 외벽에 위치하여 박동에 따른 물리적 부하를 분담해 줌으로써 심근을 보호하고 스트레스를 줄여줍니다.

• 우수한 기계-전기적 특성: 심장의 반복적인 수축과 이완에도 저항 변화가 거의 없어 장기간 안정적인 성능을 유지하며 임상 적용에 매우 적합합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구는 개발된 구불구불한 형태의 심장 그물망 전극이 정상 심장 및 심근경색이 유발된 실험용 쥐의 심장에서 어떠한 전기적, 기계적 효과를 나타내는지 검증하는 것을 목표로 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 동물 모델 준비: 실험용 쥐(Sprague-Dawley rat)의 좌전 하행 동맥을 결찰하여 심근경색(MI)을 유도하고, 8주 후 맞춤 설계된 그물망 전극을 이식하였습니다.

2. 전기생리학적 검사: 표면 심전도(ECG) 및 심장 내 전기기록도를 측정하여 QRS 지속시간, 부정맥 발생 유무 등을 분석하였습니다.

3. 혈류역학적 평가: 좌심실(LV)에 카테터를 삽입하여 실시간으로 LV 압력, 압력 변화율(dP/dtmax) 등을 측정하여 심장 펌프 기능을 평가하였습니다.

4. 기계적 기능 평가: 심장 초음파 검사와 스페클 추적 기법을 이용하여 구획 단축률(FS), 심근 스트레인 등 심장 벽의 기계적 움직임을 정량적으로 분석하였습니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명의 그물망 전극을 통한 전반적 재동기화 조율은 심근경색(후-MI) 쥐 모델에서 비정상적으로 길어졌던 QRS 지속시간을 정상 수준으로 현저히 감소시켰습니다. 이는 손상된 심장의 전기적 동기화 기능을 효과적으로 복원함을 의미합니다. 또한, 구획 단축률(FS)을 51%까지 증가시키고 심근 스트레인을 개선하여 저하되었던 혈류역학적 기능을 유의미하게 향상시키는 것으로 나타났습니다. 상세한 비교 데이터는 아래 표와 같습니다.

그물망 전극을 이용한 전반적 재동기화 치료의 효과

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 심부전 환자를 위한 차세대 심장 재동기화 치료(CRT) 장치로 활용될 수 있습니다.

• 심실 부정맥 및 심실 세동과 같은 치명적인 부정맥을 감지하고 치료하는 제세동 기능을 통합한 장치로 개발 가능합니다.

• 환자의 심장 CT 데이터를 기반으로 3D 프린팅 기술을 활용하여 개인별 맞춤형 전극을 제작하고 적용할 수 있습니다.

기대효과

• 전기적 동기화: 손상된 심장의 전기 전도 시스템을 효과적으로 대체하여 QRS 지속시간을 정상화하고, 이를 통해 효율적인 심장 수축을 유도합니다.

• 혈류역학적 개선: 심장 펌프 기능(구획 단축률 등)을 향상시키고 심근 스트레스를 감소시켜 궁극적으로 심부전 증상을 완화시킬 수 있습니다.

• 안정성 및 부작용 감소: 기존의 딱딱한 필름형 패치와 달리 심장의 자연스러운 이완 기능을 저해하지 않아 혈류역학적 안정성을 확보하고 부작용 위험을 줄일 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

관련 시장인 울혈성 심부전(CHF) 치료 기기 시장은 2024년 218억 4,000만 달러로 평가되었으며, 연평균 6.54% 성장하여 2029년에는 299억 8,000만 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처: Mordor Intelligence)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 심혈관 질환 치료 기기 및 관련 전자약 시장은 Abbott, Boston Scientific 등 소수의 글로벌 기업들이 혁신적인 기술을 바탕으로 시장을 주도하고 있습니다. 주요 기업 및 관련 기술은 다음과 같습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 심혈관 질환 및 심부전 사례 증가: 전 세계적인 고령화, 좌식 생활 습관, 식습관의 변화 등으로 인해 관련 질환 환자 수가 지속적으로 증가하며 효과적인 치료 기기에 대한 수요가 높아지고 있습니다.

2. 혁신 기술의 발전: 심장 펌프의 성능 개선, 무선 심박 조율기, 그리고 본 발명과 같은 차세대 전극 기술의 등장은 기존 치료의 한계를 극복하고 시장 성장을 견인하는 핵심 동력입니다.

3. 전자약(Electroceuticals) 시장의 부상: 약물을 대체하거나 보완하는 전자약 기술이 낮은 부작용과 높은 편의성을 바탕으로 빠르게 성장하고 있습니다. 본 기술은 이러한 전자약의 일종으로, 심혈관 질환 분야에서 새로운 시장 기회를 창출할 잠재력이 큽니다.