인체 이식용 전자의료기기 전자소재 개발

윤명한·이광희 교수팀, 고온·고압 멸균처리 해도 작동

▲ 고성능, 고안정성을 지닌 플라스틱 논리소자 및 결정화된 전도성고분자의 세부구조 및 미래 인체친화형 헬스케어 기기의 모식도.ⓒ한국연구재단

광주과학기술원 윤명한·이광희 교수 연구팀이 고온·고압의 멸균처리 후에도 체내에서 장시간 안정적으로 작동하는 고성능 플라스틱 전해질 전자소자를 개발해 인체 이식용 전자의료기기의 성능과 안정성을 높이는 데 성공했다.

전도성 고분자물질 기반의 생체전자인터페이스 소자로 체내 생체신호 및 이온·단백질 농도 측정, 신경세포와 심근세포의 전기·이온성 자극 등에 응용되고 있는 유기생체전자소자는 기존의 무기물 및 탄소 기반 소자보다 우수한 생체신호 감지능력, 기계적 유연성, 생체적합성과 낮은 공정비용 등의 특성에 따라 차세대 인체 이식용 전자의료기기의 핵심기술로 주목받고 있다.

그러나 인체 내 장시간 사용 시 필요한 체내 구동 안정성과 고온·고압 멸균처리 중 발생하는 변성이 약점으로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 계면활성제와 가교제 등 첨가제를 추가하는 기존의 개선방식 대신 근본적인 재료공학적 접근법을 통해 높은 성능과 안정성의 동시 확보를 시도했다.

연구팀은 유기생체전자소자 개발 분야에서 가장 대표적인 물질인 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 미세구조를 분석해 첨가제 없이 활성층 고분자 물질의 고결정성 분자 재배열 유도만으로도 전해질 트랜지스터의 소자 성능과 수용액상 안정성이 극대화한다는 사실을 규명했다.

또 이 같은 고결정성 고분자의 안정성에 따라 플라스틱 전자소재를 이용한 생체전자소자가 생체 이식형 의료기기의 미생물 멸균 과정에서 주로 쓰이는 고온·고압의 오토클레이브(Autoclave) 처리 이후에도 고성능·고안정성을 유지할 수 있다는 점을 확인했다.

▲윤명한 교수 ⓒ한국연구재단

윤명한 교수는 “생체전자소자 개발을 위해 필수적인 전도성 고분자 물질의 성능 향상과 용액 안정성을 비교적 간단한 용역매개 결정화법을 통해 확보한 것”이라며 “향후 생체전자소자 상용화와 사물인터넷(IoT) 기반의 유연 광센서나 수계 유기전극 기반 촉매 개발에도 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이 연구를 통해 개발한 고성능, 고안정성 생체전자소자는 높은 신호증폭률과 구동안정성, 생체적합성으로 인해 가깝게는 인체 내 생체 분자의 실시간 탐지에 사용할 수 있을 것으로 예상되며, 나아가서는 신경 및 심장의 전기신호의 측정을 위한 기기로 폭넓게 활용이 가능할 것으로 보인다.

또한 재료적 측면에서 PEDOT:PSS의 소재 접근성 및 이 연구를 통해 확인한 결정화된 EDOT:PSS의 수용액 안정성을 고려하면 결정화된 PEDOT:PSS는 연료전지 등의 수계 구동 전기화학장비의 활성 전극으로도 활발히 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 21일 자 논문으로 게재됐다.