연세대·홍콩이공대, 체내 상태 보이는 마찰전기 임플란트 개발

배터리 없이 몸속에서 분해·흡수되면서 체내 상태를 겉에서 읽을 수 있는 마찰전기 임플란트가 나왔다.

14일 국제 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.5)에 온라인 공개된 연구에 따르면 연세대학교 김상우 교수와 홍콩이공대학 황웨이양·타오펑 교수 공동 연구팀은 이 같은 생체흡수성 마찰전기 임플란트를 개발했다. 논문명은 'Bioresorbable and optically readable triboelectric implants enabled by nanoscale iridophosphors'다.

이식형 생체전자기기는 지속적인 생리 모니터링과 표적 치료에 쓰이는 플랫폼이다. 하지만 이식 뒤 조직 아래에 숨어 위치 이동, 균열, 조기 흡수, 기능 저하 등을 직접 확인하기 어렵다.

이 때문에 기기 고장이 합병증으로 나타나기 전까지 임상적으로 드러나지 않을 수 있다. 배터리는 누출 위험과 제한된 수명, 수술로 제거해야 하는 비흡수성 부품 문제까지 더한다.

특히 임시용 생체흡수성 소자의 가치는 영구 하드웨어나 2차 제거 수술 없이 제어된 기간만 작동하는 데 있다. 그런데 이식 후 관찰이 어려우면 국소 고장이 진단 지연과 추가 의료 부담으로 이어질 수 있다.

연구팀이 내놓은 소자는 배터리가 필요 없고 생체에 흡수되며 광학적으로 판독되는 마찰전기 에너지 수확(TEH) 임플란트다. 전기를 생산하면서 동시에 외부에서 기기 상태를 필요할 때마다 확인할 수 있게 했다.

재료 선별에는 데이터 기반 재료-소자 워크플로가 적용됐다. 머신러닝 보조 광물리 스크리닝과 분자 쌍극자모멘트 기반 선별을 결합해 광학 리포팅과 마찰전기 전하 생성에 모두 최적화된 나노 크기 이리듐(III) 인광체를 찾아냈다.

이 소자는 피부를 통한 인광 판독과 초음파 구동 에너지 수확을 결합했다. 휴대용 조명 아래에서 육안으로 확인되는 윤곽을 만들었고, 0.5W/㎠ 초음파 출력에서 최대 3.6Vpp의 전기를 생산했다.

쥐 실험에서 광학 판독은 임플란트의 위치와 형태, 손상을 추적하는 데 쓰였다. 연구팀은 구조 결함을 전기 출력 손실과 연관 짓고, 38주에 걸쳐 소자 무결성과 생체흡수 과정을 관찰했다.

연구팀은 이번 연구가 형태 자체로 구조적 무결성과 에너지 수확 기능을 보고하는 일시적 체내 전력 플랫폼을 구축했다고 설명했다. 이를 통해 관찰 가능한 생체전자 임플란트의 경로를 제시하고 적시 개입을 지원할 수 있다고 덧붙였다.