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전기 잘 통하는 고무로 환자 맞춤형 치료…임플란트-웨어러블 의료기기 활용 기대

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2018년 08월 14일 00:00 프린트하기

IBS 나노입자연구단, 고성능 전도성 고무 개발
전기 잘 통하면서도 원래 길이 8배 이상 늘어나

 

전도성 고무로 만든 심장 페이스메이커로
심근경색 돼지 심장 전기자극해 기능 회복시켜
열-전기 치료 웨어러블 기기로도 활용 기대

 

국내 연구진이 인체 독성이 없고, 유연하게 늘어나면서 전기도 잘 통하는 전도성 고무를 개발했다. 이 고무를 박막 형태로 만들면 심근경색, 심부전 등 심장질환 환자의 심장을 감싸 전기 자극으로 심장을 뛰게 하거나 피부에 잘 붙는 웨어러블 의료 기기를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
 
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대 교수)과 현택환 단장(서울대 석좌교수) 공동 연구팀은 금-은 나노와이어를 유연하게 잘 늘어나는 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 합성수지에 섞어, 원래 길이의 8.4배까지 늘어나는 신축성과 금속에 준하는 높은 전기전도도를 동시에 갖춘 고성능 전도성 고무 ‘금-은 나노복합체’를 개발했다고 13일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 14일자 온라인판에 게재됐으며, 최수지 IBS 연구위원과 한상인, 정동준 연구원이 공동 1저자로 참여했다.

 

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단이 개발한 전도성 고무 ‘금-은 나노복합체’. - IBS 제공
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단이 개발한 전도성 고무 ‘금-은 나노복합체’. - IBS 제공

기존 전도성 고무는 금속 성분을 늘려 전기가 잘 통하게 만들면 신축성이 떨어지고, 반대로 고무 성분을 늘려 신축성을 늘리면 전도성이 떨어지는 문제가 있었다. 또 은 나노와이어로 전도성 고무를 만들면 전기전도도가 더 높고, 보다 안정적으로 전기가 통하긴 했지만 물에 쉽게 산화되는 은의 특성 때문에 실용화가 어려웠다. 시간이 지날수록 전도성이 떨어지고 은 나노와이어에서 발생하는 은 이온 때문에 생체 독성이 있었기 때문이다. 
 
연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 은 나노와이어 표면에 생체에 무해한 금을 균일하게 입혔다. 김 부연구단장은 “은 나노와이어의 높은 전도성은 그대로 활용하면서도 은 표면이 생체에 닿지 않도록 차단한 것”이라고 설명했다. 연구진은 계면활성제를 활용해 이렇게 만든 금-은 나노와이어를 SBS 합성수지를 섞은 뒤 건조시켜 굳혔다. 그 결과, 고무 안에 금-은 나노와이어가 그물망 구조로 얽힌 금-은 나노복합체 전도성 고무가 됐다.
 
이번에 개발된 전도성 고무는 8.4배까지 늘린 상태에서도 ㎝당 3만 S(전도율 단위·1S는 전압이 1V 걸렸을 때 1A의 전류를 통과시키는 전도율) 수준으로 전기 신호가 전달됐다. 최대 전기전도율은 ㎝당 7만2600S를 기록했다. 기존에 개발된 전도성 고무의 전기전도도(㎝당 10~100S)보다 수천 배 높은 수치다. 김 부연구단장은 “기기의 사용 목적에 따라 전도성과 신축성을 조절해 활용할 수 있다”고 말했다.
  

연구진은 전도성 고무로 만든 얇은 주머니 형태의 심장 페이스메이커를 사람의 심장과 가장 유사한 돼지 심장에 적용해 기술을 실증했다. - IBS 제공
연구진은 전도성 고무로 만든 얇은 주머니 형태의 심장 페이스메이커를 사람의 심장과 가장 유사한 돼지 심장에 적용해 기술을 실증했다. - IBS 제공

연구진은 이 전도성 고무를 이용해 주머니 형태의 심장 페이스메이커를 만든 뒤, 살아 있는 돼지의 심장에 적용해 기술을 실증했다. 심근경색을 앓도록 한 돼지의 심장에 전도성 고무로 만든 페이스메이커를 씌운 뒤, 전기 자극을 가하자 심장의 기능이 회복된 것이다. 현 연구단장은 “돼지 심장은 사람의 심장과 가장 유사하기 때문에 인체 적용 가능성을 확인한 것과 마찬가지”라며 “이번 기초 실험 결과를 바탕으로 전임상시험을 추진할 계획”이라고 설명했다.

 

김 부연구단장은 “기존 페이스메이커는 심장의 단 두 지점에만 전기 자극을 주는 방식이었다. 반면 비슷한 전기전도도를 가진 전도성 고무로 만든 페이스메이커는 심장 표면 전체를 감싸 주기 때문에 재활 효과를 극대화 할 수 있다”며 “상대적으로 전력 소모가 적어 배터리 교체로 인한 환자들의 불편함을 줄일 수 있을 것”이라고 설명했다. 이어 “부위별로 전기자극을 조절할 수 있다는 점도 큰 장점”이라며 “병변이 심한 곳의 자극을 높여 주는 환자 맞춤형 페이스메이커 같은 정밀 의료 기기 개발에 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.
   
전도성 고무는 피부에 붙이는 웨어러블 의료 기기 소재로 즉시 상용화 할 수도 있다. 연구진은 혈액 순환이 잘 안 되는 손목에 얇게 전도성 고무를 붙인 뒤 전기 자극이나 열 자극을 가하면서 열감지카메라로 손 부위를 촬영했다. 그 결과, 혈액순환이 좋아지면서 차가웠던 손이 따뜻해지는 것을 확인할 수 있었다. 김 부연구단장은 “반복적으로 늘려도 성능이 떨어지지 않았다. 높은 신축성을 필요로 하는 부위까지 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

 

금-은 나노복합체 전도성 고무를 활용한 웨어러블 의료 기기. 혈액순환을 도와 손이 전체적으로 따뜻해졌다(오른쪽). - IBS 제공
금-은 나노복합체 전도성 고무를 활용한 웨어러블 의료 기기. 혈액순환을 도와 손이 전체적으로 따뜻해졌다(오른쪽). - IBS 제공
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