유기준 교수팀, 세계 최초로 완전 생분해성 다기능 뇌신경 임플란트 시스템 개발

조직 손상 및 염증 반응 최소화해 난치성 뇌 질환 치료 기대

장치 흡수로 2차 수술 필요 없어 의료 비용 절감

[사진. (윗줄 왼쪽부터 시계방향으로) 조명기 연구원, 서정민 연구원, 고려대 한정규 연구원,
 부산대 이길주 교수, 고려대 조일주 교수, 유기준 교수]

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수(연세-KIST융합연구원)가 고려대 의과대학 조일주 교수, 부산대 전기전자공학부 이길주 교수와 공동연구를 통해 소재 및 전기 전자 분야에서 난제로 여겨졌던 다기능성 완전 생분해성 뇌신경 광전자 임플란트 시스템을 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 해당 시스템을 활용해 설치류 모델에서 대뇌 피질 상의 광 자극과 뇌파 모니터링 간 상호 간섭을 피하고, 실시간으로 동시에 수행하는데 성공했다. 더불어, 사용이 끝난 장치가 완전히 체내에서 분해되고 흡수되는 것을 성공적으로 검증했다.

이 기술의 특성 중 하나는 장치가 일시적으로 작동해 질병을 감지하고 치료한 후, 체내에서 흡수돼 2차 개두 수술이 필요하지 않다는 것이다. 이로써 2차 감염 위험성 및 의료 비용을 크게 줄일 수 있으며, 현대 뇌과학 및 신경 회로 연구 뿐만 아니라, 난치성 뇌 질환에 대한 치료에 크게 기여할 것으로 기대된다.

기존의 뇌신경 임플란트는 산업에서 사용되는 무기 물질을 기반으로 제조돼 뇌 조직에 조직 손상과 염증 반응을 일으켰다. 또한 수명이 끝나면 장치를 제거하기 위한 추가 수술이 필요해 환자에게 2차 감염으로 인한 합병증의 위험 및 비용을 증가시키는 문제를 가지고 있었다.

또한 최근에 연구된 다양한 생분해성 뇌신경 임플란트 장치는 높은 생체 적합성에도 불구하고, 대부분의 장치가 단일 기능에 중점을 두고 있어 여러 기능이 통합된 시스템을 구축하기에는 어려움이 있었다. 의료 응용 분야에서 완전히 생체 흡수성 신경 임플란트의 잠재적 이점을 실현하기 위해서는 기존의 제약을 극복한 완전 생분해성 다기능 신경 임플란트 시스템의 개발이 필요했다.

[그림 1. 완전 생분해성 다기능 광전자 시스템의 개요 및 매커니즘]

이에 연구진은 세계 최초로 완전 생분해성 다기능 뇌신경 임플란트 광전자 시스템을 개발했다. 새롭게 개발한 생분해성 다기능 광전자 장치는 생분해성 유·무기 물질로만 구성돼 유연하다. 때문에 대뇌 피질에 삽입돼 표적 영역 상에 광 유전학적으로 조작된 신경 세포의 활동을 선택적으로 자극함과 동시에 실시간으로 기록이 가능했다. 또한 장치의 수명이 다하면, 완전히 체내에서 분해돼 흡수됐다. 이 과정은 설치류 모델을 통해 성공적으로 검증했다.

[그림 2. 완전 생분해성 다기능 광전자 시스템 작동 사진 및 가속 용해 실험 결과]

[그림 3. 설치류의 체감각 영역 상에 완전 생분해성 시스템 만성 임플란트를 통한 광 자극 및 유발된 국부장 전위 기록 동물 실험 결과]

이번에 개발된 하이브리드 광전자 시스템의 전기적 인터페이스는 단결정 실리콘(Si)을 기반으로 한 고전도, 생분해성 Si/Mo 전극 배열로 구성된다. 광 인터페이스는 부드러운 생분해성 고분자 ‘폴리락틱-co-글리콜산(PLGA)’ 공중합체를 기반으로 한 광도파관으로 구성돼 있으며, 이는 주변 조직의 체액과의 계면에서 완전 전반사를 유도해 입사된 빛을 전달하게 된다. 개발된 생분해성 시스템은 임플란트 중에도 높은 생체 적합성으로 인해 조직 손상 및 염증 반응을 최소화하고, 최종적으로 가수분해를 통해 산출 또는 배설되는 비독성 생성물을 생성하며 체내에서 완전하게 사라지게 된다.

유기준 교수는 “향후 다양한 생분해성 재료와 공정 방법의 확장을 통해 소재, 전기, 전자 분야 어플리케이션에 대한 적용 가능성이 무한하다.”며, “기술의 학술적, 사회적 가치가 매우 커 바이오, 뇌과학, 임플란터블 시스템 등 관련 연구 및 산업 발전에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상된다.”고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기초연구사업, 집단연구지원사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 조명기 연구원, 서정민 연구원, 고려대 한정규 연구원이 제 1저자로, 유기준 교수, 고려대 조일주 교수, 부산대 이길주 교수가 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 네이처(Nature) 자매지이자 국제 융합연구 최고 권위지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.6)에 3월 6일(현지시간) 게재됐다.

논문정보

● 논문 제목: 

Fully Bioresorbable Hybrid Opto-Electronic Neural Implant System for Simultaneous Electrophysiological Recording and Optogenetic Stimulation

● 논문주소: https://www.nature.com/articles/s41467-024-45803-0