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몸속에 삽입하거나 피부에 붙이는 의료기기는 신소재 개발이 핵심인데요.
고무처럼 쭉쭉 늘어나는 데다 전기도 잘 통해야 하고, 여기에다 인체에 독성도 없어야 합니다.
이런 조건을 갖춘 신소재를 국내 연구진이 개발했습니다.
이정훈 기자가 보도합니다.
[리포트] 손등 위 얇은 패치가 심장 박동을 확인해 LED로 건강 상태를 알려줍니다.
피부를 따라 구부러져도 동작이 멈추지 않습니다.
심장질환자에게 도움을 주는 체내 삽입형 의료기기는 오랜 기간 사용해도 인체에 해가 없어야 합니다.
국내 연구진이 신축성과 전도성을 동시에 만족하면서 독성은 없앤 신소재 고무를 개발했습니다.
기존의 은나노선을 활용한 소재는 전기는 잘 통하지만, 은이 몸속에 녹아 독성을 띠는 것이 문제였습니다.
기초과학연구원 나노입자연구단 연구진은 은이 산화하는 것을 막기 위해 은나노선을 금으로 균일하게 감쌌습니다.
여기에 고무 성분과 그물 형태로 잘 섞어 고무의 신축성과 금속의 전도성을 동시에 확보했습니다.
그 결과 최대 8배 넘게 늘려도 안정적으로 전기 신호를 전달할 수 있을 만큼 신축성과 전도성이 우수한 것으로 나타났습니다.
연구진은 전도성 고무 소재를 그물망으로 만들어 심장을 감싸는 의료 장비로 개발할 계획입니다.
[김대형/서울대 화학생물공학부 교수/연구단 부단장 : \”심장 근육이 괴사하고 죽은 부분을 먼저 찾아내게 됩니다. 그리고 괴사한 부분과 그렇지 않은 부분을 구분해서 최적화된 전기 자극을 통해서 심장 기능을 극대화하는 기능을 수행하게 됩니다.\”] 또 피부에 직접 붙여 관절염 등을 치료하는 온열 전자 패치 등으로도 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.
KBS 뉴스 이정훈입니다.
전도성 고무 주제에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하세요.
840% 늘어나고 전기도 잘 통하는 팔방미인 전도성 고무 개발
말 그대로 다방면의 다기능을 보유한 전도체가 핵심인 것이다. IBS 나노입자 연구단 연구진은 최근 최고 840% 늘어나면서도 높은 전도도를 가진 전도성 고무를 개발했다.
Source: www.ibs.re.kr
Date Published: 12/26/2022
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IBS 연구진, 팔방미인 전도성 고무 개발 성공 – 한국보건산업진흥원
이번에 개발한 전도성 고무는 최대 840%까지 늘어나는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있어서 다양한 웨어러블 디바이스와 신체 삽입형 …
Source: www.khidi.or.kr
Date Published: 7/8/2021
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840%까지 늘어나는 전도성 고무 – 이웃집과학자
이번에 개발한 금-은나노복합체는 기존에 연구된 전도성 고무와 비슷한 전도도 영역에서 최고 840%의 신장력을 기록하고, 기존 은나노와이어 복합체의 …
Source: www.astronomer.rocks
Date Published: 4/20/2022
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전기 잘 통하는 고무로 환자 맞춤형 치료…임플란트-웨어러블 …
IBS 나노입자연구단, 고성능 전도성 고무 개발 전기 잘 통하면서도 원래 길이 8배 이상 늘어나 전도성 고무로 만든 심장 페이스메이커로 심근경색 …
Source: www.dongascience.com
Date Published: 9/8/2022
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그물 모양의 ‘고무 심장 충격기’ 개발될까…IBS, 전도성 고무 개발
국내 연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도, 인체에 독성이 없는 ‘전도성 고무’를 개발했다. 전기가 흐르는 고무, 즉 ‘고무 전선’은 자기 몸집 …
Source: www.joongang.co.kr
Date Published: 8/7/2022
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신축성과 전도성이 뛰어나면서 독성 없는 고무 개발 – 한겨레
전도성 고무는 다양한 웨어러블 디바이스나 심장박동 보조기 등 신체 삽입형 의료기기 개발에 다양하게 쓰일 수 있어 관심이 높은 재료이다.
Source: www.hani.co.kr
Date Published: 4/7/2021
View: 1950
IBS, 팔방미인 전도성 고무 개발 성공 – 전자신문
우리나라 연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무를 개발했다. 심부전증, 부정맥 등 심장질환 치료에 새 전기를 …
Source: www.etnews.com
Date Published: 1/25/2022
View: 6502
전도성 고무: 내구성, 색상, 탄력성을 위한 ESD 첨가제
0.15%의 그래핀 나노튜브를 대전방지 첨가제로 사용하여 전도성고무를 구현함. SWCNT를 사용하면 ESD, 내구성 강화, 색상 구현 및 탄성 유지가 가능함.
Source: tuball.com
Date Published: 9/15/2021
View: 3737
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주제에 대한 기사 평가 전도성 고무
- Author: KBS News
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- Date Published: 2018. 8. 13.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=FwXrYK1teZk
840% 늘어나고 전기도 잘 통하는 팔방미인 전도성 고무 개발
몸에 붙이고만 있어도 건강상태를 알려주고, 필요한 때 적절한 약을 투약하는 반창고가 있다면 얼마나 편할까? 머지않은 미래에 구현될 것으로 기대되는 웨어러블 생체 기기는 매해 세계의 기업들이 탐내는 영역이다. 차세대 소재를 만들기 위해선 자유자재로 늘어나고 유연한 전도체를 개발해야 한다. 휘어지거나 늘어나는 변형에도 전도체가 안정적으로 전류를 공급해야하기 때문이다. 에너지 손실은 최소화로, 전도성은 높이고, 저항에도 안정적으로 구동해야 한다. 생체 기기이기 때문에 생체 친화성도 높아야 한다. 말 그대로 다방면의 다기능을 보유한 전도체가 핵심인 것이다.
IBS 나노입자 연구단 연구진은 최근 최고 840% 늘어나면서도 높은 전도도를 가진 전도성 고무를 개발했다. 독성도 없이 생체 친화성도 높다. 팔방미인이라는 별칭이 어울리는 이 전도성 고무는 금-은 나노복합체로 만들어졌다. 연구진은 전도성 고무를 그물 형태로 제작해 심부전 증상이 나타나는 돼지의 심장 리듬을 되살리는 동물 실험에도 성공했다. 이번 연구성과는 재료과학 및 공학분야 세계 최고 권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.490, DOI:)에 8월 14일 게재되었다.
이번에 개발된 금-은 나노복합체는 기존의 물성적 한계를 극복함과 동시에 의료용 기기나 신체 삽입형 기기로의 응용성을 크게 키웠다. 이를 위해 두 가지 과정을 거쳤다. 그 결과 연구진은 높은 신장력을 지니면서 높은 전도성을 유지하는 전도성 고무에 내구성 강화, 생체 적합성 기능을 더할 수 있었다.
▲ IBS 나노입자 연구단 연구진이 개발한 전도성 고무는 금으로 입힌 나노와이어에 고무 성분인 SBS 엘라스토머를 합성한 복합체다. 기존에 연구된 전도성고무 중 비슷한 전도도 영역에서의 최고의 산장력인 840%까지 늘릴 수 있었다. 이러한 고무 복합체는 다양한 웨어러블 또는 인체 삽입형 디바이스로 모두 활용이 가능 할 것으로 기대된다.
먼저, 은(Ag) 나노와이어에 금(Au)을 균일하게 입혔다. 기존의 은나노와이어 기반의 전도성 고무는 높은 전도성과 안정적인 전기적 특성으로 각광받았다. 하지만 은의 독성은 생체 적용에 적합하지 않았고 고무성질과 섞일 경우 신축성이 줄어드는 문제가 동반되었다. 연구진은 은나노와이어에 금을 입힘으로써 은 이온의 유출을 막고 물이나 산소에 산화되기 쉬운 은의 표면을 보호해 생체 내에서도 내구성을 지니도록 만들었다. 여기서 연구진은 은과 금 사이의 갈바닉 교환반응으로 인해 은이 녹는데 손상 없이 금을 입히는 방법을 개발했다.
▲ IBS 연구진은 길이가 긴 은나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단하고 생체 친화성을 높였다. 금과 은의 갈바닉 교환 반응을 억제하는 핵심 기술을 구현해 내구성도 높였다.
다음으로 금-은 나노와이어와 고무 성분인 SBS 엘라스토머1)를 섞어 전도성 금-은 나노복합체를 만들었다. 연구진은 금-은 나노와이어와 SBS 엘라스토머를 합성할 때, 상분리가 유도되는 원리를 이용하자 부드러운 기계적 성능을 지니면서도 전도성이 잘 유지되는 복합체를 합성하는데 성공했다. 각 성분이 미세한 연결구조를 형성해 힘의 분산이 효율적으로 이뤄지는 것이다. 외부의 기계적인 힘이 가해질 때, 그 힘이 SBS 엘라스토머 고무 부분으로 분산되면서 신축성을 가지게 되는 원리다. 상온 건조 공정을 거쳐 나노와이어 간 전기적 연결도 최대로 끌어 올려 고전도성을 구현했다.
▲ 연구진은 금-은 나노복합체 용액에 핵실아민을 첨가하고 상온에서 건조시켜 용액 내 상분리를 유도했다. 그 결과 SBS 엘라스토머와 금-은 나노와이어가 분리된 구조를 갖게 되었고 신장력이 가해질 때 힘이 고무 부분으로 효율적으로 분산되어 신축성을 획득할 수 있었다.
연구진은 금-은나노복합체를 넓은 면적을 가질 수 있는 그물 형태로 가공해 심장을 감쌀 수 있는 기기를 개발했다. 하버드 의과대학과 공동 협업을 통해 동물 실험도 성공했다. 여러 층으로 구성된 그물 형태는 실험 동물인 돼지의 심장을 전체적으로 감싸고 심장의 신호를 읽는 데 매우 유용하다. 다채널 전극 층을 지니고 있기에 어느 부위에 병변이 있는 지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에 전기 자극을 가해 심장 기능을 회복하고 리듬을 맞추는 데도 활용할 수 있다. 현재 상용화된 심장 자극기는 채널이 2곳으로 심장 전체의 전기 신호를 읽고 자극을 주는데 한계가 있다. 소재 역시 심장 근육에 상처를 주거나 손상을 가할 수 있다. IBS 연구진이 개발한 금-은나노복합체는 부드럽기 때문에 심장의 움직임에 영향을 주지 않으면서 모니터링 기능을 수행할 수 있다. 생체 친화성을 높여 삽입형 기기 활용에도 문제가 없다.
▲ 생체친화성을 높인 전도성 복합체는 생체에 삽입하는 기기로 활용하는데에도 문제가 없다. 연구진은 높은 가공성을 지닌 금-은나노복합체를 그물 모양으로 제작해 동물실험에 나섰다. 그 결과 심장 전체를 감쌀 수 있는 신축성을 가지면서도 전기 자극을 읽어낼 수 있어 모니터링과 치료 효과를 확인할 수 있었다.
이번 연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “금-은나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다”며 “금-은나노복합체에 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능하다. 이때, 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점이다”고 밝혔다.
현택환 단장은 “이번에 개발한 금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것”이라며 “피부에서나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용이 가능할 것”이라고 전망했다.
▲ 연구진이 개발한 금-은 나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다. 땀과 수분에도 강하다는 장점을 보유하고 있을 뿐만 아니라 전도도가 높으면서도 신축성이 크기 때문에 물리치료를 받을 때에도 무리 없이 활용할 수 있다. 전극과 히터를 이용해 열자극과 전기자극도 동시에 구현할 수 있다.
IBS 커뮤니케이션팀
고은경
IBS 연구진, 팔방미인 전도성 고무 개발 성공
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– 840%까지 늘어나면서 전도성 높은 생체 친화적 다기능 고무 개발 –
– 미래형 웨어러블 디바이스 및 신체삽입형 의료 디바이스 응용성 커 –
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대학교 석좌교수) 공동연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무(금-은나노복합체, Ag-Au nanocomposite)를 만드는데 성공하였다.
이번에 개발한 전도성 고무는 최대 840%까지 늘어나는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있어서 다양한 웨어러블 디바이스와 신체 삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.490)誌 온라인 판에 8월 14일 0시(한국시간)에 게재되었다고 밝혔다.
연구진은 금(Au)이 입혀진 길이가 긴 은(Ag) 나노 와이어(금-은나노와이어)와 고무 성분인 SBS 엘라스토머1)를 섞어 전도성 금-은나노복합체를 만들었다.
이번에 개발한 금-은나노복합체는 기존에 연구된 전도성 고무와 비슷한 전도도 영역에서 최고 840%의 신장력을 기록하고, 기존 은나노와이어 복합체의 문제였던 독성과 산화현상 문제도 해결하였다.
은 나노와이어는 높은 전도성과 안정적인 전기특성으로 각광받았으나 독성으로 인해 활용이 어려웠다. 이번 연구에서 길이가 긴 은나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단해 생체 친화성을 높였다. 또한, 물에 산화되기 쉬운 생체 환경 내에서도 오래 사용할 수 있는 내구성도 갖췄다.
연구진은 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 동물 실험을 진행했다. 그물 형태의 금-은나노복합체는 돼지의 심장을 감싸 심장 신호의 변화를 모니터링하고, 전기 자극을 주는데 성공했다. 넓은 면적이라 심장 움직임에 전혀 영향을 주지 않으면서도 부정맥 등 심장 이상이 있을 때 효과적으로 전기 자극을 가해 치료를 수행했다.
IBS 연구진이 이번에 개발한 금-은나노복합체는 움직임이 큰 피부 위에서도 안정적으로 전기를 전달할 수 있어 향후 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 획기적인 소재로 활용될 것으로 기대된다.
금-은나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다. 금-은나노복합체에 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능하다. 이때, 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점이다.
김대형 IBS 부연구단장은 “이번에 개발한 금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것”이라며 “피부에서나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용이 가능할 것”이라고 전망했다.
그림설명
▲ [그림 1] 금-은나노복합체 용액 준비 과정 및 나노복합체 제작 공정높은 전도성을 지니는 은나노와이어에 금을 입혀 금-은나노와이어를 합성하였다. 동시에 SBS (polyStyrene-Butadiene-Styrene) 고무, 헥실아민 (Hexylamine), 톨루엔과 섞어 금-은나노복합체 용액을 준비했다. 용액을 몰드에 넣어 상온에서 건조시키는 공정을 통해 상분리를 유도했고, 그물망 구조를 지닌 금-은나노복합체를 제작하였다.
▲ [그림 2] 금 코팅된 은나노와이어의 합성은나노와이어의 표면에 금을 균일하게 입혔다. 금을 표면에 입힐 경우 산화 반응 등이 일어나지 않아 안정적이다. 연구진은 강력한 산화제(H 2 O 2 )를 처리한 결과, 은나노와이어는 산화되었지만(그림 가장 오른쪽 위) 금을 입힌 은나노와이어(그림 가장 오른쪽 아래)는 산화되지 않았음을 실험으로 확인했다.
▲ [그림 3] 금-은나노와이어의 생체 적합성실험에서 은나노와이어에 노출된 세포는 심각한 변형이 일어난데 반해 금-은나노와이어에 노출된 세포는 건강하다. 쥐의 심장에 은나노와이어, 금-은나노와이어, 금-은나노와이어복합체를 심고 관찰한 결과 은나노와이어를 심은 쥐에서는 상대적으로 많은 양의 은이온이 장기에서 검출되었지만 금-은나노와이어, 금-은나노와이어 고무복합체를 심은 쥐에서는 상대적으로 적은 양의 은이온이 검출되었다.
▲ [그림 4] 금-은나노와이어와 SBS 고무의 상분리와 그로 인한 신축성 향상금-은나노복합체 용액을 상온에서 건조시키면 용매인 톨루엔과 헥실아민의 상분리가 일어난다. 금-은나노와이어의 표면은 헥실아민과 친화력이 있어 헥실아민 쪽으로 이동하고, 톨루엔과 친화력이 있는 SBS 고무 분자들은 톨루엔 쪽으로 이동한다. 이후 헥실아민과 톨루엔이 증발하면 금-은나노와이어가 많은 부분과 SBS가 많은 부분으로 상분리가 일어나게 된다. 이렇게 상분리된 금-은나노복합체는 신장 에너지를 효율적으로 분산시켜 840 %의 매우 우수한 신축성을 지닌다.
▲ [그림 5] 금-은나노복합체를 이용한 웨어러블 바이오일렉트로닉스.연구진이 만든 금-은나노복합체는 피부에서의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기 자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의 움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용가능하다.
▲ [그림 6] 금-은나노복합체를 이용한 다채널 심장 메쉬 디바이스.여러 층으로 구성된 그물 형태로 금-은나노복합체를 설계해 실험 동물인 돼지의 심장에 감아 심장 전체의 신호를 읽는데 성공했다. 다채널 전극 층을 갖고 있어 어느 부위에 병변이 있는지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에 전기 자극을 가해 심장 기능의 회복에 도움을 줄 수도 있다.
840%까지 늘어나는 전도성 고무
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대학교 석좌교수) 공동연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무(금-은나노복합체, Ag-Au nanocomposite)를 만드는 데 성공했다는 소식입니다.
이번에 개발한 전도성 고무는 최대 840%까지 늘어나는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있다고 합니다. 이를 이용하면 다양한 웨어러블 디바이스와 신체 삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 이번 연구 성과는
8월 14일 온라인 판에 게재됐습니다. 쭉쭉 늘어나요. 출처: 기초과학연구원
연구진은 금(Au)이 입혀진 길이가 긴 은(Ag) 나노 와이어(금-은나노와이어)와 고무 성분인 SBS 엘라스토머를 섞어 전도성 금-은나노복합체를 만들었습니다. 엘라스토머는 플라스틱과 고무의 성질을 갖고 있는 합성수지를 말합니다. 스티렌-부타디엔-스티렌 엘라스토머(Styrene-Butadiene-Styrene elastomer, SBS)는 스티렌(C8H8)과 부타디엔(C4H6)로 만들어진 열가소성고분자로 열과 압력에 의한 가공이 쉽고 잘 늘어나는 성질이 있죠.
이번에 개발한 금-은나노복합체는 기존에 연구된 전도성 고무와 비슷한 전도도 영역에서 최고 840%의 신장력을 기록하고, 기존 은나노와이어 복합체의 문제였던 독성과 산화현상 문제도 해결했다고 합니다.
은나노와이어는 높은 전도성과 안정적인 전기특성으로 각광받았으나 독성으로 인해 활용이 어려웠습니다. 이번 연구에서 길이가 긴 은나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단해 생체 친화성을 높였다고 합니다. 또한, 물에 산화되기 쉬운 생체 환경 내에서도 오래 사용할 수 있는 내구성도 갖췄습니다.
연구진은 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 동물 실험을 진행했다. 그물 형태의 금-은나노복합체는 돼지의 심장을 감싸 심장 신호의 변화를 모니터링하고, 전기 자극을 주는데 성공했습니다. 넓은 면적이라 심장 움직임에 전혀 영향을 주지 않으면서도 부정맥 등 심장 이상이 있을 때 효과적으로 전기 자극을 가해 치료를 수행했습니다.
돼지 심장에 적용한 전도성 고무. 출처: 기초과학연구원
기초과학연구원 연구진이 이번에 개발한 금-은나노복합체는 움직임이 큰 피부 위에서도 안정적으로 전기를 전달할 수 있어 향후 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 획기적인 소재로 활용될 것으로 기대됩니다.
금-은나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있습니다. 금-은나노복합체에 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능합니다. 이때, 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점입니다.
김대형 IBS 부연구단장은 “이번에 개발한 금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것”이라며 “피부에서나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용이 가능할 것”이라고 전망했습니다.
##참고자료##
Suji Choi, et al. “Highly conductive, stretchable and biocompatible Ag–Au core–sheath nanowire composite for wearable and implantable bioelectronics” Nature Nanotechnology(2018)
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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”
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 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.
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.
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.
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 [email protected]
신축성과 전도성이 뛰어나면서 독성 없는 고무 개발
기초과학연 논문
은 나노 와이어와 고무성질 합성수지 이용
8배 이상 늘어나면서 금속처럼 전기 전달
돼지실험 통해 심장 이상 치료 가능성 확인
기초과학연구원 연구팀이 만든 금-은나노복합체는 피부에서의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기 자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의 움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용할 수 있다. 기초과학연구원 제공
국내 연구진이 전기를 잘 통하면서 잘 늘어나는 ‘팔방미인’의 전도성 고무를 개발했다.
기초과학연구원(IBS)은 13일 “나노입자연구단의 현택환 단장(서울대 석좌교수)과 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 공동연구팀이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무를 만드는 데 성공했다”고 밝혔다. 연구팀의 논문은 과학저널 이날(현지시각)치에 실렸다.
전도성 고무는 다양한 웨어러블 디바이스나 심장박동 보조기 등 신체 삽입형 의료기기 개발에 다양하게 쓰일 수 있어 관심이 높은 재료이다. 연구팀은 전기 전도성이 높은 은 나노 와이어와 잘 늘어나는 고무 성질의 합성수지인 ‘에스비에스(SBS) 엘라스토머’를 섞는 방법을 연구했다. 에스비에스 엘라스토머는 플라스틱과 고무의 성질을 가지고 있는 합성수지로, 스티렌과 부타디엔으로 만들어진 열가소성고분자여서 열과 압력에 의한 가공이 쉽고 잘 늘어난다.
문제는 은 나노 입자가 독성이 있고 쉽게 부식돼 전도도가 떨어질 수 있고 생체 밖에서는 땀에 의해, 생체 안에서는 피 등 액체에 의해 쉽게 부식한다는 점이다. 또 전도도를 높이려 은 나노 와이어를 많이 넣으면 고무 특성을 잃어 딱딱하게 되거나 쉽게 끊어진다.
연구팀은 이런 문제들을 하나씩 해결해갔다. 우선 은 나노 입자 표면을 금으로 싸서 독성을 차단하고 산화를 방지했다. 다음 계면활성제를 활용해 벌집구조를 만들어 3차원의 그물망(메시) 구조를 만들었다. 이렇게 함으로써 재질이 부드러워져 신축성이 늘어나고 나노 와이어 접촉 면적이 늘어나 전도도가 높아졌다. 연구팀의 전도성 고무의 신장력은 840%에 이르고, 전도도는 금속 전극(1㎝ 당 10만S·지멘스)에 버금가는 최대 7만2천S/㎝까지 측정됐다.
연구팀은 여러 층으로 구성된 그물 형태(메시)로 금-은나노복합체를 설계해 실험 동물인 돼지의 심장에 감아 심장 전체의 신호를 읽는 데 성공했다. 다채널 전극층을 갖고 있어 어느 부위에 병변이 있는지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에 전기 자극을 가해 심장 기능의 회복에 도움을 줄 수도 있다. 기초과학연구원 제공
연구팀은 심근경색이 걸리도록 한 모델 돼지의 심장에 모두 42개 채널(84개 전극)로 구성된 전도성 고무 망(메시)를 씌워 실험한 결과 모든 채널에 충분한 전기적 자극이 전달된다는 것을 확인했다. 채널망은 심장 움직임에 영향을 주지 않으면서도 부정맥 등 심장 이상이 있을 때 효과적으로 전기 자극을 가해 치료를 시도했다. 또 간과 신장, 비장, 폐 등에서 독성이 나타나지 않는 점도 확인했다. 기존 금속 심장박동 보조기는 전극이 2개뿐으로 자극에 한계가 있고 전력 공급 기간도 짧아 재수술을 해야 한다.
현택환 단장은 “채널이 많으면 심장에서 정확한 질병 위치를 파악해 맞춤형 치료를 할 수 있게 된다. 실험 대상 모델 돼지가 2마리 뿐이어서 좀더 많은 실험을 진행해 성능과 한계를 점검한 뒤 인체 적용을 위한 임상 단계에 나갈 수 있을 것”이라고 말했다.
김대형 부연구단장은 “피부나 관절 부위에 전도성 고무 밴드를 부착해 열과 전기 자극을 지속적으로 전달하는 실험을 통해 관절 질환을 치료하거나 심전도와 근전도 등을 측정해 진단하는 용도로도 쓰일 수 있음을 확인했다”고 말했다.
이근영 선임기자 [email protected]
IBS, 팔방미인 전도성 고무 개발 성공
우리나라 연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무를 개발했다. 심부전증, 부정맥 등 심장질환 치료에 새 전기를 마련했다는 평가다.
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대학교 석좌교수)은 금·은나노복합체 기반 전도성 고무를 개발했다고 14일 밝혔다.
연구진은 금(Au)이 입혀진 은(Ag) 나노 와이어와 고무 성분인 SBS 엘라스토머를 섞어 전도성 나노복합체를 만들었다. 라스토머는 플라스틱과 고무의 성질을 갖고 있는 합성수지다. 기존 금·은나노와이어 복합체 문제였던 독성과 산화현상 문제를 해결했다. 은 나노와이어는 높은 전도성과 전도 특성으로 각광받았으나 독성으로 인해 활용이 어려웠다. 연구진은 길이가 긴 은나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단해 생체 친화성을 높였다. 물에 산화되기 쉬운 생체 환경에서도 오래 사용할 수 있는 내구성도 갖췄다. 최대 840%까지 늘어날 수 있으며 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있다.
금·은나노와이어 복합체는 심장 자극기 소재로 적합하다. 연구진은 그물 형태 금·은나노복합체로 돼지의 심장을 감싸 심장 신호 변화를 모니터링하고, 전기 자극을 주는데 성공했다. 넓은 면적이라 심장 움직임에 영향을 주지 않으면서도 부정맥 등 심장 이상이 있을 때 효과적으로 전기 자극을 가해 치료를 수행했다.
기존 심장 자극기는 심장 두 부분에 전극을 붙여 전기 신호를 보낸다. 금·은나노와이어 복합체는 그물 형태로 만들 수 있어 심장 전체를 덮는다. 전기 저항을 줄여 전도도와 전력효율이 높다.
IBS 연구진은 금-은나노복합체가 움직임이 큰 피부 위에서도 안정적으로 전기를 전달한다고 설명했다. 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다. 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능하다. 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점이다. 향후 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 소재로 활용될 것으로 기대했다.
김대형 IBS 부연구단장은 “금·은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것”이라며 “돼지 심장 실험을 통한 데이터가 충분히 축적되면 효과적 치료 방법을 얻을 수 있어 심장 질환 치료에 전기를 마련할 수 있다”고 설명했다.
연구 성과는 네이처 나노테크놀로지 온라인 판에 14일 0시(한국시간)에 게재됐다.
최호 산업정책부기자 [email protected]
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