동아사이언스

2024. 8. 7.

이병구 기자

심장/뇌심부 생체 전자소자, 3D프린팅으로 자유롭게 만든다

국내 연구팀이 3차원(3D) 프린팅으로 쉽고 빠르게 생체 전자소자를 제작할 수 있는 전도성 고분자 소재를 개발했다. 생체 전자소자는 피부나 근육, 심장·뇌 등에서 생체신호를 모니터링해 병을 진단·치료할 수 있는 소자다. 기존 2차원(2D) 전극 기술의 한계를 극복하고 뇌심부 신호를 측정하는 등 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 스티브 박 신소재공학과 교수, 박성준 바이오및뇌공학과 교수 공동연구팀이 3D 프린팅으로 다양한 모양의 생체 전자소자를 제작할 수 있는 전도성 고분자 소재를 개발했다고 7일 밝혔다. 연구결과는 지난달 11일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.

기존 생체 전자소자에 사용된 단단한 금속은 약한 생체조직을 손상시킬 수 있다. 체내 조직과 비슷한 물성의 고분자 기반 전도성 하이드로젤 소재가 대안으로 제시됐지만 금속보다 전기전도성이 낮고 생체적합성을 높이기 위해 독성 제거 공정을 추가로 진행해야 하는 문제가 있었다. 또 2D 구조의 패터닝만 가능해 다양한 모양의 전자 회로 구조와 소자를 제작하기 어려웠다.

연구팀은 전도성 고분자를 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기의 콜로이드(혼합물) 형태로 만들어 3D 프린터 잉크로 사용될 수 있도록 유동성 등의 특성을 개선했다. 생체적합성에 문제가 되는 독성 물질은 원심분리 공정으로 미리 제거해 후처리 공정이 필요 없도록 했다.

연구팀이 개발한 소재는 이전 연구 대비 전기전도도가 약 1.5배 높고 고해상도 3D 패터닝이 가능했다. 에펠탑이나 다리 같은 복잡한 구조물까지 만들어 내는 수준이다. 물성도 생체조직과 비슷해 생체조직 접촉 시 손상을 최소화할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀이 개발한 소재로 전극을 만들어 심전도(ECG), 근전도(EMG), 뇌 피질전도도(ECoG) 측정소자와 3D 뇌 탐침소자를 개발해 성능을 검증했다. 낮은 전압으로도 쥐 신경을 자극하는 데 성공해 생체 자극 소자로서의 성능도 확인됐다.

스티브 박 교수는 "기존 3D 프린팅 기술로 만든 전자소자는 복잡한 후처리가 필요해 빠른 프로토타입 제작이 어려웠다"며 "향후 환자 맞춤형 바이오 전자소자 및 다양한 3D 회로 응용 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-024-50264-6