높은 생체적합성 가진 차세대 생체전극 개발

의과대학 정현호·고진수 공동연구팀

의과대학 정현호·고진수(신경외과학), 부산대학교 홍석원·정준수 교수 연구팀이 액정 폴리머(LCP) 필름을 이용해 생체적합성이 높고, 우수한 전기화학적 성능을 가진 레이저 유도 그래핀(LIG) 기반의 생체전극을 개발했다.

생체전극은 생체 신호를 선택적으로 기록하거나 생체 분자들을 감지하고, 원하는 신경을 자극해 손상된 감각·운동 신경을 대체하거나 회복시킬 수 있어 의생명 분야에서 활용된다.

생체전극 연구에서 탄소 물질 중 하나인 그래핀은 높은 전기 전도성, 기계적 강도, 생체적합성 등이 높아 많이 사용된다. 하지만 그래핀을 얻기 위해서는 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 제작 방법이 복잡해 대량 생산에 어려움이 있었다. 

최근, 폴리이미드에 레이저를 가해 그래핀을 얻는 레이저 유도 그래핀이 많은 관심을 받았다. LIG 기반의 생체전극은 유연한 폴리머를 기판으로 원하는 패턴을 손쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.

연구팀은 LCP 상에 LIG를 패터닝해 피부 부착을 위한 웨어러블 형태의 뇌 인터페이스 ‘LIG/LCP 생체전극’을 제작했다. 해당 전극은 LCP 필름에 PET 필름을 부착한 형태로 기존 생체전극과 비교해 안정성을 높였으며, 3차원 구조로 제작해 유연성이 최대 57% 향상했다. 개발한 생체전극의 성능은 동물 실험 모델에서도 확인했다.

먼저 동물 실험 전 주기적 전압 사이클을 인가하는 활성화 과정을 통해 그래핀의 다공성 구조 내에 전도성 이온을 부착시켜 신경 인터페이스에서 전기신호의 전달효율을 향상시켰다. 이를 통해 전극의 저항이 1kHz에서 2.8배 감소했으며 전하 용량이 약 5.6배 증가함을 확인했다. 

이후, 활성화된 LIG/LCP 생체전극의 뇌 인터페이스로의 사용을 검증하기 위해 마취한 동물 실험 모델에서 전류 자극과 피질 신호를 측정했다.

전류 자극 확인 결과, 동물 실험 모델 뒷다리에 가해진 전류에 따라 움직임이 발생했으며 자극 세기에 따라 움직임이 비례해 나타났다.

또한, 동물 실험 모델의 몸통 피질에 전극을 위치시키고 피질 신호를 측정한 결과, 동물 실험 모델의 수염에 촉각 자극을 통해 정상적으로 피질 신호를 유발하는 것을 확인했다.

정현호 교수는 “이번 연구는 LCP 필름을 이용해 유연하고 신축성 있는 LIG를 형성한 첫 연구이자 LIG를 생체전극으로 활용한 첫 연구”라며 “특히 뇌 인터페이스로서 기존의 생체전극보다 우수한 전기화학적 성능을 가져 다양한 의생명 분야에서 활용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 헬스케어 머티리얼스’(Advanced Healthcare Materials, IF 10)에 게재됐다.