재료 과학
내부 전자공학 – 금으로 격차를 메우다
이식형 의료 기기 시장은 만성 질환의 증가와 소비자 인식 상승에 힘입어 꾸준히 성장하고 있습니다. 그 속도는 기술 발전에 힘입어 이러한 장치를 보다 효율적이고 편리하며 저비용으로 만들고 있습니다.
숫자에 따르면 전 세계 이식형 의료기기 시장은 2023년 1,057억 달러에서 2033년 2,070억 달러로 10년 안에 거의 두 배가 될 것으로 예상됩니다. 오늘은 최근 이 분야에서 가장 중요한 혁신 중 하나를 살펴보며, 이는 의료 생리학과 효율적인 전자공학이 교차하는 활기찬 영역을 보여줍니다. 이식형 의료 기기 시장
금 나노와이어와 연성 전극이 신경계와 연결될 준비가 되었습니다
링셰핑 대학교의 연구팀 은 금 나노와이어를 만들고 연성 전극을 개발했으며, 이는 신체 내에서 인간 신경과 동일한 신축성, 전기 전도성 및 내구성을 가집니다.
연구자와 전문가들은 이 혁신에 엄청난 잠재성을 보고 있습니다. 우선, 이는 금을 연성 인터페이스에 사용하여 전자를 신경계와 연결하는 의료용 새로운 영역을 열어줍니다.
올바르게 적용된다면, 이 기술은 간질, 파킨슨병, 마비와 같은 복잡한 질환은 물론 만성 통증과 같은 흔한 문제를 완화할 수 있습니다.
오랫동안 전 세계 연구자들은 조직을 손상시키지 않는 연성 전극을 만드는 데 관심을 가져왔습니다. 링셰핑 대학교 연구진이 달성한 이번 성과는 머리카락보다 천 배 얇은 금 나노와이어를 탄성 소재에 삽입하여 연성 마이크로전극으로 작동하도록 함으로써 이를 실현했습니다.
Klas Tybrandt는 연구의 독창성과 결과에 대해 설명하면서 다음과 같이 말했습니다:
“우리는 매우 부드러운 실리콘 고무와 결합한 금 나노와이어로 새로운, 더 나은 나노 소재를 만드는 데 성공했습니다. 이를 함께 작동시키면서 높은 전기 전도성을 가진 전도체를 얻었으며, 매우 부드럽고 인체와 호환되는 재료로 구성되어 몸과 함께 기능합니다.”
금 나노와이어 제작: 극복된 도전 과제
연구자들이 직면한 주요 어려움 중 하나는 길고 가는 금 나노구조물의 생산이었습니다. 연구진은 이 도전을 극복하기 위해 은 나노와이어를 이용하는 독특한 방법을 고안했습니다. 이 독특한 성과를 어떻게 달성했는지 설명하면서 Klas Tybrant는 다음과 같이 말했습니다:
“은 나노와이어를 만들 수 있기 때문에 이를 활용해 은 나노와이어를 금이 성장하는 템플릿으로 사용합니다. 다음 단계는 은을 제거하는 것입니다. 이를 완료하면 99% 이상의 금을 함유한 물질이 얻어집니다..”
원래 연구자들은 은이 화학적으로 반응성이 높고 시간이 지나면 마모되며 분해 및 변색 위험이 있기 때문에 사용할 수 없었습니다. 또한 은의 고농도는 인체에 독성이 될 수 있어 금으로 코팅해야 했습니다.
그들이 고안한 소재와 내구성에 대해 연구자들은 이 솔루션이 최소 3년 이상 지속될 수 있으며, 이전에 개발된 많은 나노소재보다 뛰어나다고 믿고 있습니다.
곧 연구팀은 소재를 정제하고 더욱 작아 신경 세포와 더 가깝게 접촉할 수 있는 다양한 유형의 전극을 만드는 작업을 시작할 예정입니다.
다양한 이식형 기기의 세계
이 연구의 유용성이 이미 언급되었지만, 의료 기술 분야에는 다양한 다른 이식형 기기들이 존재합니다. 이들은 진단과 치료를 보다 일관되고, 저렴하며, 효율적으로 만드는 데 기여합니다.
예를 들어, 조지아 공대 연구원들은 뇌 혈관 내 동맥류 치유 과정을 모니터링하는 이식형 착용 센서를 개발했습니다. 배터리 없이 작동하기 때문에 혈류를 조절하기 위해 이식된 스텐트나 디버터에 감싸서 사용할 수 있습니다.
이 센서는 에어로졸 제트 3D 프린팅을 사용해 탄성 기판 위에 전도성 은 트레이스를 형성하여 제작됩니다. 카테터를 통해 삽입되며, 신호의 유도 결합을 이용해 무선으로 생체 모방 뇌동맥류 혈역학을 감지합니다.
이 과정은 세 개의 코일을 포함합니다. 하나의 코일은 몸 밖 코일에서 전송된 전자기 에너지를 포착합니다. 혈액이 스텐트를 통과하면서 이식된 센서는 정전용량을 변화시켜 세 번째 외부 코일에 전달되는 신호를 변경합니다.
유사한 연구의 또 다른 사례로, 텍사스 A&M 대학 엔지니어 그룹은 그래핀을 사용하고 피부에 교류를 주입하여 혈압을 모니터링하는 장치를 개발했습니다.
그래핀 전자 타투라고 불리는 이 부착형 그래핀 센서는 지속적인 모니터링을 통해 심혈관 건강을 추적할 수 있습니다. 환자가 수면 중이거나 운동 중이거나 고스트레스 상황에서도 작동 및 데이터를 수집합니다.
이러한 이식형 장치가 에너지를 활용하고 이용하는 방법에 대한 연구도 진행 중입니다. 예를 들어, 매사추세츠 공대 연구팀은 포도당으로부터 전력을 얻는 배터리를 개발했습니다. 이 새로운 배터리는 두께가 400나노미터에 불과해 인간 머리카락 직경의 1/100 정도이며, 제곱센티미터당 약 43마이크로와트를 발생시키고 온도 600°C까지 견딜 수 있습니다.
연구진은 초박막 세라믹 기판과 포도당 용액을 사용해 배터리에 유연성을 부여하고 체내에 배치하기 편리하도록 만들었습니다.
연구자들이 가능한 한 많은 새로운 기술 솔루션을 고안하려는 동안, 일부 기업은 효율적인 이식형 장치를 대량 채택할 수 있도록 만들고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 상업적 솔루션 몇 가지를 살펴보겠습니다.
#1. CorTec
지속적으로 획기적인 솔루션을 제공해 온 기업 중 하나가 CorTec입니다. ISO 13485 인증을 받은 CorTec는 자체 실험실 및 클린룸 인프라에서 신경조절 및 활성 이식 기술을 위한 제품과 부품을 개발·제조합니다.
CorTec의 특허받은 AirRay 전극 라인은 신경 조직의 자극 및 기록에 유용하며, 의료 기기를 위한 신경계와의 이상적인 인터페이스 역할을 합니다.
예를 들어, AirRay 커프 전극은 말초 신경계에 전기 인터페이스를 제공하고, 그리드 및 스트립 전극은 중추 신경계와 연결하도록 설계되었습니다. AirRay 경피 전극은 피하 사용 및 척수 기록·자극을 위해 고안되었습니다. 마지막으로, AirRay 패들 전극은 중추 신경계, 특히 척수에 전기 인터페이스를 제공합니다.
이 라인 외에도 CorTec의 특허 솔루션 중 하나는 코르티컬 전극입니다. 이는 침습적 신경 모니터링을 위한 CorTec의 ECoG 전극으로, 전기 뇌 신호를 모니터링할 수 있어 간질 초점 위치 파악이나 뇌 지도 작성 요구에 부합합니다. 전극은 최대 29일 동안 사용할 수 있으며, 두 개의 케이블만으로 총 64개의 전극을 연결할 수 있습니다. 전극 접점은 거의 감지되지 않을 정도로 얇으며, 실리콘으로부터 분리되지 않도록 재료와 안전하게 고정됩니다.
CorTec 코르티컬 전극의 가장 중요한 측면 중 하나는 FDA가 중추 신경계 침습적 신경 모니터링에 대한 승인 및 시장 허가에 적합하다고 판단했다는 점입니다. 제품 포트폴리오는 1×4부터 8×8까지 모든 가능한 전극 배열을 포함합니다.
중대한 공공 자금 지원 외에도, CorTec는 공식 발표에 따르면 네 차례의 자금을 조달했으며, 현재 투자자 명단에는 Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, 그리고 K & S W Invest가 포함됩니다.
공공 자금은 독일 연방 교육 및 연구부(BMBF)와 유럽 연합의 보조금을 포함합니다.
#2. Atrotech
수십 년 동안 이 분야에서 다소 틈새이지만 혁신적인 작업을 수행해 온 또 다른 기업은 Atrotech입니다. 1984년에 설립되어 핀란드 탐페레의 테크노폴리스 헤르미아에 위치한 Atrotech는 의료와 생체공학을 결합한 학제간 제품 아이디어의 결과로 탄생했으며, 주요 활동 분야는 기능성 전기 자극(FES)입니다.
Atrotech가 이 분야에 기여한 주요 두 가지는 이식형 신경자극기와 이식형 전극의 설계 및 제조입니다.
전극을 설계할 때, 회사는 30년 이상의 고품질 플래티넘 접점 전극, 리드 와이어 및 다극 리드 커넥터 제조 경험을 활용합니다. 제공하는 서비스 영역에는 연구 프로젝트, 임상 시험 및 상업적으로 배포되는 의료 기기가 포함됩니다.
회사는 유연한 생산 프로세스를 보유하고 있어 소량부터 대량까지 빠르고 비용 효율적으로 제조할 수 있습니다. 또한, 새로운 의료 기기의 개발 및 프로토타이핑 초기 단계에서 다수의 의사와 대학과 협력하고 있습니다.
최근 회사가 자금을 지원한 연구 중 하나는 횡격막 신경의 원위부를 이용한 새로운, 제거 가능한, 외과적 이식형, 일시적 신경 자극 접근법의 실현 가능성과 안전성을 평가하는 것이었습니다. 이를 위해 회사는 특수 설계된 일시적 횡격막 신경 자극기(tPNS) 전극을 개발했습니다.
전문가와 산업 중심 기업, 그리고 전 세계에 걸친 연구자와 의사들의 이러한 협업은 내부 전자공학의 미래를 밝고 번영할 준비가 된 것으로 보이게 합니다.
내부 전자공학의 미래 궤적
2024년 7월 저널 ‘Nature’에 발표된 최근 연구에 따르면, 연구자들은 차세대 고주파(RF) 조직 용접에 적합한 생분해성 Mg-Nd-Zn-Zr 합금 기반 이식형 전극을 개발했습니다.
이 전극은 열 손상을 감소시키고 문합 강도를 높일 것으로 기대됩니다. 용접 영역에 원통형 표면(CS) 및 연속 긴 링(LR) 등 다양한 구조적 특징을 설계했으며, 전극의 전열 시뮬레이션은 유한 요소 해석(FEA)으로 연구되었습니다.
결과에 따르면, LR 전극에 110V 교류를 10초 적용했을 때 용접 영역의 평균 온도와 괴사 조직 비율이 크게 감소했습니다. LR 전극으로 용접된 조직의 최대 및 평균 온도도 크게 낮아졌으며, 용접 조직의 문합 강도는 향상되었습니다.
1984년에 설립되어 반도체 산업의 기능적 확장을 지원하는 Imec 연구소는 나노 규모 이식형 기술에서도 선구적인 돌파구를 마련했습니다. 차세대 촉각 보철에 적합한 최소 침습형 이식물을 개발하는 데 기여했으며, Imec이 플로리다 대학과 공동 개발한 프로토타입 이식형 칩은 환자에게 팔 보철에 대한 보다 직관적인 제어를 제공합니다. 주요 구성 요소 중 하나인 얇은 실리콘 칩은 전극 밀도에 있어 세계 최초이며, DARPA의 HAPTIX 프로그램이 자금을 지원한 IMPRESS 프로젝트의 일환으로 차세대 촉각 보철 기술을 위한 폐쇄 루프 시스템을 만들기 위해 개발되었습니다.
탄소 기반 이식형 바이오전자공학의 중요성에 관한 과학 논문 중 하나는 내부 전자공학의 유용성에 대한 중요한 관찰을 제시했습니다. 원문을 인용하면 다음과 같습니다:
“이식형 바이오전자공학은 몸 밖의 부위에서 신체 정보를 감지하거나 반응을 유도할 수 있기 때문에 다양한 질환에 대한 유용하고 유망한 치료법이 되고 있습니다.”
앞으로 탄소 소재는 이식형 의료 전자기기 제조에 핵심적인 역할을 할 것입니다. 탄소 소재는 높은 생체 적합성, 피로 저항성, 낮은 비중 등의 장점을 가지고 있으며, 약물 전달 장치, 바이오센서, 치료용 자극기, 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용됩니다. 이러한 특성은 신경계, 심혈관계, 위장관계 및 운동계 분야에서도 중요한 역할을 합니다.
이식형 액추에이터, 바이오센서, 약물 전달 시스템 및 전원 공급 장치는 모두 내부 또는 이식형 전자공학 분야의 발전으로 혜택을 받고 있습니다. 이 분야의 추가적인 진전은 전 세계 바이오과학 연구자, 재료 과학자 및 물리학자들의 교차적인 접근이 필요합니다.
