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그물 모양의 '고무 심장 충격기' 개발될까...IBS, 전도성 고무 개발

“전극 두 개를 심장 양쪽에 삽입해 자극하면 심장의 펌핑 기능이 10% 정도 올라간다. 상용화된 미국 제품의 경우다. 그러나 그물형으로 만든 '전도성 고무'로 심장 전체에 자극을 주면 기능이 50% 올라간다. 심장질환 치료에 있어 획기적인 진보가 될 수 있다”

 
기초과학연구원(IBS)가 개발한 그물형 전도성 고무. 돼지의 심장에 부착해서 실험을 진행한 결과 심장의 펌핑기능이 50% 향상된 것을 관찰할 수 있었다. 기존 두 개의 전극을 가진 심장 관련 디바이스와 비교해 심장 전체에 전기자극을 줄 수 있다는 장점이 있다. [기초과학연구원]

기초과학연구원(IBS)가 개발한 그물형 전도성 고무. 돼지의 심장에 부착해서 실험을 진행한 결과 심장의 펌핑기능이 50% 향상된 것을 관찰할 수 있었다. 기존 두 개의 전극을 가진 심장 관련 디바이스와 비교해 심장 전체에 전기자극을 줄 수 있다는 장점이 있다. [기초과학연구원]

국내 연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도, 인체에 독성이 없는 '전도성 고무'를 개발했다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장과 현택환 단장 공동 연구진의 성과다. 
 
전기가 흐르는 고무, 즉 '고무 전선'은 자기 몸집보다 최대 840%까지 늘어나 신축성이 높으면서도, 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있어 특히 '삽입형 의료기기' 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
 
금으로 은의 독성 잡고, 고무로 신축성 확보...개성 살린 팀플레이
 
연구진이 이번 개발한 전도성 고무는 ‘금-은 나노복합체’로도 불린다. 금ㆍ은 그리고 고무 성분인 ‘SBS 엘라스토머’ 세 가지 소재의 장점만을 살려 만들어졌고 각각이 제 기능을 하고 있기 때문이다.
 
우선 가장 중요한 기능인 전기 전달은 ‘은 나노 와이어’가 담당한다. 은 나노와이어는 높은 전도성과 안정적인 전기특성으로 기존에도 전도성 소재로 각광을 받아왔다. 실험과정에서 고무 전선을 늘리거나 그물형태로 제작하는 등 기계적 변화를 가했음에도 전도성은 기존의 소재에 비해 7000배 이상 높았다.
금은 기존 은 나노와이어의 독성과 내구성을 해결하기 위해 코팅됐다. [한국기초과학연구원]

금은 기존 은 나노와이어의 독성과 내구성을 해결하기 위해 코팅됐다. [한국기초과학연구원]

 
금은 은의 단점을 보완하기 위해 사용됐다. 은 이온은 인체를 구성하는 세포를 죽이고 독성을 유발하는 등 유해한 특성이 있고, 시간이 지나면서 쉽게 산화돼 내구성이 떨어지는 단점이 있었기 때문이다. 연구진은 은 나노와이어 표면에 금을 균일하게 입히고 둘 사이에 화학반응을 억제해 내구성을 높였다. 은 이온도 새어나오지 않게 막았다.
 
전도성 '금-은 나노 복합체'는 금ㆍ은ㆍSBS 엘라스토머의 장점 만을 살린 것이다. 금과 은이 화학반응(갈바닉 교환반응)을 일으키지 않도록 했고 엘라스토머가 이와 공존해 힘을 분산시킬 수 있도록 설계됐다. [한국기초과학연구원]

전도성 '금-은 나노 복합체'는 금ㆍ은ㆍSBS 엘라스토머의 장점 만을 살린 것이다. 금과 은이 화학반응(갈바닉 교환반응)을 일으키지 않도록 했고 엘라스토머가 이와 공존해 힘을 분산시킬 수 있도록 설계됐다. [한국기초과학연구원]

신축성은 고무 성분인 SBS 엘라스토머의 몫이다. 고무는 '금-은 나노와이어'와 섞이지 않으면서도 공존할 수 있어 전선에 힘이 가해질 경우 고무 부분으로 힘이 효율적으로 분산된다. 기능을 유지하면서도 형태 변화가 자유롭다. 금ㆍ은ㆍ고무의 개성을 살린 팀 플레이다.
 
심장에서 인체 전기신호 읽게 돼...맞춤형 의료기기 생산 가능 
 
독성 문제를 해결한 전도성 고무는 신체에 삽입될 수 있다. 신체 삽입형 의료 디바이스 응용이 가능하다는 의미다. 실제로 연구진은 이를 이용해 실험을 수행했다. 가장 눈에 띄는 것은 돼지의 심장에 그물 형태의 전선을 고무 전선을 감아 전기 신호를 읽어 낸 것이다.
 
연구진이 만든 금-은 나노 복합체는 피부에서의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의 움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용가능하다. [한국기초과학연구원]

연구진이 만든 금-은 나노 복합체는 피부에서의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의 움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용가능하다. [한국기초과학연구원]

현 연구단장은 “일반적으로 상용화된 심장 자극기는 전극이 두 군데만 연결 돼 있다”며 “그러나 그물형태의 심장 자극기는 심장 전체를 감싸고 전기 자극을 줄 수 있기 때문에 기존 제품과 비교하기 힘들다”고 밝혔다.
 
김 부연구단장은 “이번 실험에는 42개 채널을 통해 심장 전기신호를 읽어낼 수 있었다”며 “이 경우 환자 개개인의 심박 페이스에 맞춰 최적화된 전기 자극을 줄 수 있어 치료효과를 극대화할 수 있다”고 기대감을 드러냈다.
 
은나노와이어의 표면에 금이 균일하게 입혀진 모습. 금을 표면에 입힐 경우 산화 반응 등이 일어나지 않아 안정적이다. [한국기초과학연구원]

은나노와이어의 표면에 금이 균일하게 입혀진 모습. 금을 표면에 입힐 경우 산화 반응 등이 일어나지 않아 안정적이다. [한국기초과학연구원]

이번 연구 성과는 14일 자정, 국제 과학학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 게재됐다. 연구진은 이번 개발한 복합 소재가 고전도성ㆍ고신축성ㆍ생체친화적인 특징을 갖고 있는 만큼 향후 바이오메디컬 디바이스 발전에 기여할 것으로 내다봤다.
 
허정원 기자 heo.jeongwon@joongang.co.kr 
 
 
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