가교형 이온전도체 기반 전자약 개발

신경을 전기적으로 자극하여 질병 치료가 가능한 체내 이식형 ‘전자약 플랫폼’이 국내 연구진에 의해 개발됐다고, 한양대가 7일 밝혔다.

김도환 한양대 화학공학과 교수와 박성민 포스텍(POSTECH) IT융합공학과 교수, 정재현 숭실대 화학공학과 교수 공동 연구팀은 ‘생체친화성 가교형 이온전도체 기반 유연 신경 인터페이스 소재’를 개발했다. 해당 소재는 체내에 장기간 부착해도 면역반응 등의 부작용이 없어 향후 난치성 배뇨장애에 획기적인 치료법이 될 것으로 기대된다.

과민성 방광과 같은 난치성 배뇨질환은 지속적인 신경자극 치료가 필요하여, 신경 인터페이스 소재의 장기적 구동 안정성 확보와 체내 면역반응 및 부작용을 최소화하는 것이 매우 중요하다.

하지만, 기존 금속 전극 및 전도성 고분자 기반 신경 인터페이스는 좁은 전기화학적 범위(electrochemical window)로 인해 전기자극 시 페러데이(faradaic) 전류가 발생한다. 패러데이 전류는 신경 표면에서 가스발생 및 전극 부식 등 다양한 부작용을 초래하여 소재 기반의 새로운 전극 기술이 절실한 상황이었다.

이에 연구팀은 생체친화성이 우수할 뿐만 아니라 체내 조직과 기계적 물성이 유사한 생체고분자와 산화그래핀으로 가교된 이온전도체 어셈블리를 신경 인터페이스로 적용함으로써 면역반응을 최소화하고 이온전도체의 넓은 전기화학범위 특성을 활용하여 지속적인 전기자극에도 산화·환원 등 전기화학 반응이 발생하지 않는 비 페러데이(non-faradaic) 고 안정성 신경자극기를 개발했다.

또한 연구팀은 개발된 신경자극기를 통해 전달된 전류가 신경세포에서 아세틸콜린의 분비 및 골격근의 수축을 유도하는 현상을 실시간으로 관찰하였다. 신경자극기를 쥐의 좌골신경(sciatic nerve)에 부착하여 지속적인 전기자극을 가했을 시 1회 배뇨량이 증가하고 배뇨 주기가 길어지는 것을 확인했으며, 이를 통해 과민성 방광이 효과적으로 치료될 수 있음을 입증하였다.

연구팀이 개발한 소재는 현재 개발된 이식형 신경자극기의 가장 큰 한계점인 장기적 구동 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 기술로써 체내적합성 및 임상적 효과성 검증에 유리하기 때문에 단기간 내 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

김도환 교수는 “특히 고령화로 인하여 노인인구와 만성질환의 발병률이 급증하는 가운데 체내 이식형 전자약 기술의 개발은 시간과 공간의 제약 없이 고령 환자가 치료받을 수 있는 차세대 치료 방법으로 활용될 것.”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재 기술개발사업, 선도연구센터사업, 그리고 교육부, 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소지원사업의 지원으로 수행되었다.

연구결과 (논문명 : Implantable multi-cross-linked membrane-ionogel assembly for reversible non-faradaic neurostimulation)는 저명한 국제학술지 「ACS Nano」에 7월 27일(한국시간) 온라인 게재되었으며, 관련 기술로 1건의 국내 특허를 등록한 상태다.

연구참여진

(a) 과민성 방광 치료를 위한 전자약 시스템 및 (좌골)신경 인터페이스 모식도(b) 기존 신경인터페이스와 생체친화성 이온전도체 기반 유연 신경 인터페이스 구조 비교 및 소재 구성 모식도(c) 기존 신경인터페이스와 이온전도체의 전기화학적 범위 비교

(a) 과민성 방광 치료를 위한 좌골신경에 부착된 신경 인터페이스 모식도 및 실제 사진(b) 전기자극 이전(빨간색)과 이후(파란색) 배뇨량 및 배뇨주기 변화