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피부 모니터링부터 뇌심부 해석까지 쉽게 가능
실시간으로 심박수를 측정할 수 있는 스마트 워치, 심장 박동수를 조절하는 페이스메이커 등 생체신호를 지속적으로 측정해 다양한 병을 진단하거나 치료할 수 있는 전자소자인 생체전자소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. KAIST 연구진이 생체조직 접촉 시 손상을 최소화하고 3D 마이크로니들 구조로 조직표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재를 개발해 화제다.
우리 대학 신소재공학과 스티브 박 교수, 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동연구팀이 3D 프린팅을 통해 다양한 형태의 생체전자소자를 쉽고 빠르게 제작할 수 있는 전도성 고분자 기반 전극 물질을 개발했다고 7일 밝혔다.
이번 연구를 통해 기존 2D 전극 패터닝 기술로 접근하기 어려웠던 한계점을 극복해, 원하는 위치 및 심부 영역의 뇌 신경세포를 자극 및 측정할 수 있어, 뇌의 심부 영역에서 뇌의 활성화 원리를 정확하게 해석할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 3D 프린팅을 통해 이 기술은 피부에 부착하는 헬스케어 모니터링 소자부터 생체 삽입형 소자에 이르기까지 광범위하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
기존 생체전자소자에 사용됐던 금속 물질은 단단한 물성으로 인해 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제점이 있었다. 또한, 이 문제를 보완하기 위해 개발됐던 전도성 하이드로젤 소재는 낮은 전기전도성을 가지고, 생체적합성을 개선하기 위해 소자 제작 후 24시간 이상의 독성 제거 공정을 진행해야 한다는 문제점이 있었다. 또한, 2D 구조의 전극 패터닝만 가능하다는 한계점 때문에 다양한 형태의 소자를 제작하기 어려웠다.
박 교수 연구팀은 전도성 고분자를 나노미터 크기의 콜로이드 형태로 가공해 유화 작용을 유도함으로써 잉크의 유변학적 특징*을 개선하고, 생체적합성에 악영향을 미치는 독성 물질을 원심분리 공정을 통해 제거함으로써 3D 프린팅이 가능하면서 후처리 공정이 필요 없는 고전도성 하이드로젤 잉크를 개발했다.
*유변학적 특성: 잉크의 유동성과 그에 따른 변형, 그 응답인 응력 등의 특성을 말하며 특성이 높을수록 잉크의 압출 직후 인쇄된 형태를 유지할 수 있으며, 낮으면 압출 직후 인쇄된 형태를 유지하기 어렵다.
이 재료는 선행연구 대비 약 1.5배(286 S/cm)의 전기전도도를 가지며, 고해상도 패터닝(~50μm), 전방위 3D 전극 패터닝이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 생체조직과 비슷한 물성(영 계수 750kPa)를 가져, 생체조직과의 접촉 시 손상을 최소화할 수 있다.
연구팀은 개발한 신소재 전극을 기반으로 심전도 측정(ECG) 및 근전도 측정(EMG) 측정 타투, 뇌 피질전도도(ECoG) 측정소자, 3D 뇌 탐침 측정 소자를 개발해 기능성을 검증했다. 또한 높은 전하 저장 능력을 활용, 낮은 전압(60mV)으로 쥐의 좌골 신경을 자극하는 소자를 개발해 생체 자극 소자로서의 성능을 확인했다. 더불어 복잡한 3D 회로를 필요한 적용 분야에 맞추어 제작할 수 있고 3D 마이크로니들 구조로 전극을 패터닝해 조직 표면에 있는 생체신호뿐만 아니라 조직 심부에 있는 뉴럴 인터페이스의 제작이 가능해졌다.
연구를 주도한 스티브 박 교수는 "기존 3D 프린팅 기술을 이용해 제작되는 전자소자의 경우 전도성 및 생체적합성을 개선하기 위해 장시간 및 복잡한 형태의 후처리가 필요해 래피드 프로토타이핑(Rapid prototyping)을 장점으로 가져갈 수 있는 3D 프린팅 기술의 모든 장점을 이용할 수 없었다”며, “이번 연구에서는 이러한 단점을 해결해 향후 환자 맞춤형 바이오 전자소자 및 다양한 3D 회로 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ라고 말했다.
신소재공학과 오병국 박사과정과 백승혁 석사, 바이오및뇌공학과 남금석 석박사통합과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 7월 11일 게재됐다. (논문명 : 3D printable and biocompatible PEDOT:PSS-ionic liquid colloids with high conductivity for rapid on-demand fabrication of 3D bioelectronics)
이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업, 중견 사업 및 ETRI의 지원을 받아 수행됐다.
2024.08.07 조회수 2417 -
150% 쭉쭉 늘어나는 전자 섬유 개발
전자 섬유는 최근 각광받고 있는 사용자 친화 웨어러블 소자, 헬스케어 소자, 최소 침습형 임플란터블 전자소자에 핵심 요소로 여겨져 활발하게 연구가 진행되고 있다. 하지만 고체 금속 전도체 필러(Conductive filler)를 사용한 전자 섬유를 늘려서 사용하려 할 경우, 전기전도성이 급격하게 감소해 전기적 성질이 망가진다는 단점이 있다.
우리 대학 신소재공학과 스티브 박, 전기및전자공학부 정재웅, 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동 연구팀이 높은 전도도와 내구성을 가지는 액체금속 복합체를 이용해 신축성이 우수한 전자 섬유를 개발했다고 25일 밝혔다.
전자 섬유의 늘어나지 않는 단점을 해결하기 위해 연구팀은 고체처럼 형상이 고정된 것이 아닌 기계적 변형에 맞춰 형태가 변형될 수 있는 액체금속 입자 기반의 전도체 필러를 제시했다. 액체금속 마이크로 입자는 인장이 가해질 경우에 그 형태가 타원형으로 늘어나면서 전기 저항 변화를 최소화할 수 있다. 하지만 그 크기가 수 마이크로미터이기 때문에, 기존에 이용된 딥-코팅(dip-coating)과 같은 단순한 방법으로 실에 코팅하는 것이 불가능하다. 연구진은 액체금속 입자가 높은 밀도로 실 위에 전달될 수 있고, 블레이드와 기판 사이에서 현탁액의 조성을 실시간으로 바꾸면서 화학적 변성을 통해 액체금속 입자를 실과 접착시킬 수 있는 새로운 방법인 현탁액 전단(suspension shearing) 방법을 통해 이를 해결했다. 추가로 기계적 안정성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)가 포함된 액체금속 입자를 한층 더 코팅하는 방식으로, 액체금속 복합체의 기계적 안정성도 확보할 수 있었다.
제작된 신축성 전자 섬유는 추가적인 공정이 필요 없이 우수한 초기전도성을 보였고(2.2x10^6 S/m), 기존의 고체 금속 전도체 기반 섬유들과는 다르게 150% 늘려도 전기저항 변화가 거의 없다. 기계적 안정성도 우수해 반복되는 변형 실험에도 전기적 성질을 유지할 수 있었고, 다양한 전자 부품들과 쉽게 통합될 수 있다. 연구팀은 이를 이용해 실제 상용화된 옷에 다양한 전자회로를 구현했다.
나아가서 연구팀은 액체금속 복합체를 코팅하는 방법이 다양한 실에 호환 가능하고, 재료의 생친화성이 우수하기 때문에, 이를 이용해 신경과학 연구에 사용할 수 있는 섬유형 바이오 전자 섬유를 구현했다. 연구팀은 제안된 코팅 방법을 이용해 기계적 변형에 영향을 받지 않는 뇌 활동 전극, 신경 자극 전극, 다기능성 옵토지네틱 프로브를 제작해 넓은 범용성과 높은 공정 신뢰성을 갖는다는 것을 보였다.
우리 대학 이건희 박사, 이도훈 박사과정, 전우진 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인 판에 7월 13일자 출판됐다. (논문명: Conductance stable and mechanically durable bi-layer EGaIn composite-coated stretchable fiber for 1D bioelectronics)
스티브박 교수는 "옷에 다양한 전자 공학적인 기능을 웨어러블 형태로 구현하는 가능성을 보여준 연구로 최근에 각광받고 있는 환자 편의성을 높인 웨어러블 헬스케어 소자나 최소침습형 임플란터블 전자소자 개발의 새로운 방향성을 제시한 의미있는 결과ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단, KAIST의 지원을 받아 수행됐다. 이건희 박사는 포스코청압재단의 지원을 받고 있다.
2023.07.25 조회수 6006 -
염증없이 체내·외 측정 가능한 전자 신소재 개발
생체전자 의료기기는 체내에서 발생하는 신호를 읽어 생물학적 활동을 감지하거나, 조직을 자극해 질병 등을 치료하는 데 사용된다. 하지만 의료기기에 사용되는 전극 물질은 딱딱한 물성을 가지고 있어 체내에 염증반응을 일으키고 조직에 다량의 손상으로 이어질 수 있다. 따라서 조직과 같이 부드러운 성질을 가지면서도 전도성을 띠는 하이드로겔과 같은 연성 물질에 생체적합성이 높은 전도성 고분자를 체내 전극으로 사용하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
우리 대학 신소재공학과 강지형 교수와 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동연구팀이 기존에 없었던 고전도성, 유사 조직 접착성 하이드로겔이란 신소재를 개발해 고성능 생체전자 기기를 구현했다고 4일 밝혔다.
대부분 전기 전도도가 높을수록 전도성 도메인들의 결정성이 높아지는 원리에 의해, 전도성이 높은 하이드로겔은 딱딱해지고, 부드러운 하이드로겔은 전도성이 낮을 수밖에 없다는 한계를 가진다. 이에 따라 전도성 고분자를 사용하는 하이드로겔 중, 전기 전도도가 높으면서도(10 S/cm 이상) 부드러운 물성(100 kPa 이하)을 가진 하이드로겔은 지금까지 보고된 바 없었다.
강지형 교수 연구팀은 기존에 없었던 고전도성, 유사 조직 물성 하이드로겔을 개발했다. 이 하이드로겔은 보고된 전도성 고분자 하이드로겔 중 가장 높은 전기 전도도(247 S/cm)를 띄며, 조직과 비슷한 물성(탄성율 = 60 kPa, 파괴변형률 = 410%)을 갖는다. 또한, 본 재료는 지속적인 움직임과 팽창, 수축이 있는 심장, 위와 같은 조직에서 안정적으로 기기가 작동하기 위해 필수조건인 조직에 쉽게 접착되는 장점을 가지고 있다.
공동연구팀은 원하는 생체 조직에 맞게 조정하고 그 형태에 맞추는 주형의 그물 구조에 따라 높은 질서도를 가지는 고분자 주형 네트워크를 도입했다.
따라서 주형에 맞추어 형성된 그물 네트워크는 기존 네트워크 대비 100배 이상 높은 전기 전도도를 보이며, 동시에 주형 고분자의 부드러운 특성 때문에 조직과 비슷한 물성을 지니게 된다. 변형에도 저항이 바뀌지 않아 생체전극으로서 최적의 성능을 갖는다.
또한 연구팀은 개발한 하이드로겔을 전극을 기반으로 한 높은 전기 전도도를 가진 다양한 고성능 생체전자 기기를 제작, 그 기능성을 검증했다. 높은 전기 전도도를 가진 특성으로 좌골신경 자극을 대상으로 하는 디바이스의 경우, 매우 낮은 전압(40 mV)에서 다리 근육의 움직임을 성공적으로 유도할 수 있었다. 또한 심전도 측정(ECG)을 위한 디바이스의 경우에도 매우 높은 신호 대 잡음 비(61 dB)로 신호를 측정하는 데 성공함으로써, 초고품질 생체 신호 측정을 위한 연성 기기 개발 가능성을 입증하였다.
이번 연구를 주도한 강지형 교수는 "이번 연구는 고전도성을 갖고 생체조직과 유사한 기계적 물성을 갖는 하이드로겔 개발을 위한 합성 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 의미가 있다고 하면서, "이번에 개발된 전도성 하이드로겔은 급속도로 성장하고 있는 전자약 시장에 게임 체인저가 될 것으로 기대된다고 말했다.
우리 대학 신소재공학과 정주은 박사과정과 바이오및뇌공학과 성창훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)’에 4월 18일 게재됐다. (논문명: Highly conductive tissue-like hydrogel interface through template-directed assembly)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발 미래기술연구실 사업을 받아 수행됐다.
2023.05.04 조회수 6287