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Research

수술 부위에 자체 봉합이 가능한 봉합사형 체내삽입 센서 소자 개발

  • 조회. 1150
  • 등록일. 2021.04.05
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 이재홍 교수팀, 수술 부위에 직접 봉합되어 안정적인 고정과 동작이 가능한 체내삽입 섬유형 유연 센서 개발
기존 체내삽입형 전자소자의 한계를 획기적으로 개선, 체내삽입형 전자소자의 임상 적용을 앞당길 것으로 기대

DGIST 로봇공학전공 이재홍 교수

 

 DGIST는 로봇공학전공 이재홍 교수 연구팀이 체내 삽입이 가능하며 수술 부위에 직접 봉합되어 고정 및 사용이 가능한 봉합사형 유연 변형 센서를 개발했다. 이번 연구 성과는 체내 삽입형 전자소자를 직접 봉합이 가능한 형태로 개발한 첫 사례로, 기존 관련 기술의 고정 방식을 획기적으로 개선해 체내 삽입형 전자소자의 임상 적용을 앞당길 것으로 기대된다.

 급속한 고령화와 다양한 질병 및 전염병의 증가로 인해 첨단의료 및 헬스케어 관련 기술 개발에 대한 수요는 전세계적으로 증가하고 있는 추세다. 특히, 고령화 및 범세계적인 스포츠 인구의 증가와 함께 인대, 힘줄 등 결합 조직 관련 질환이 급속하게 증가함에 따라, 이와 관련된 치료 및 재활에 대한 중요성이 대두되고 있다.

 이러한 결합 조직은 개인에 따라 조직의 특성 및 재생 능력이 크게 다르기 때문에, 관련 치료 및 재활 시 환자 맞춤형 케어가 필수적이다. 이를 위해서는 재활 과정 중 조직의 움직임을 실시간으로 모니터링하는 과정이 필요하지만, MRI, 초음파 등 현재 임상 기술은 장기간으로 조직을 실시간 측정하기에 많은 어려움이 있다. 이러한 임상 기술의 한계를 극복하기 위해 최근 들어 다양한 형태의 체내삽입형 유연전자소자가 개발되고 있지만, 전자소자를 인체 내 목표 조직에 장기간 고정하기 어려워 임상 적용에 어려움을 겪어왔다.

 이에 DGIST 이재홍 교수 연구팀은 봉합사형 체내 삽입 무선 스트레인 센서를 개발하였다. 제작된 무선 스트레인 센서는 소자 자체가 섬유형으로 구성되어, 전자소자이면서도 동시에 봉합사로 활용되어 수술 과정에서 조직에 효과적으로 고정될 수 있는 장점을 지니고 있다. 이는 기존 체내삽입형 전자소자를 임상에 적용하기 어려운 기술적 한계 중 하나로, 본 연구는 해당 한계를 극복하고 전자소자를 직접 봉합하는 개념으로 발전시킨 첫 사례다.

 개발된 체내삽입형 스트레인 센서는 직접 봉합이 가능할 뿐만 아니라, 배터리가 필요 없는 수동형 무선 통신 시스템을 통해 무선으로 실시간 데이터 전송이 가능하다. 또한 센서 내부의 특수 구조를 기반으로, 같은 방식의 기존 센서 기술과 비교했을 때 월등히 높은 민감도를 보유하고 있음이 확인됐다. 추가적으로, 연구팀은 기존 유연전자소자의 기술적 문제 중 하나인 ‘요소간 전기적 연결 부위(납땜)’를 모두 제거하고, 전기적 연결이 추가적으로 필요 없는 무선 센서 시스템을 개발함으로써 유연 전자 소자의 상용화 측면에서 큰 장점을 확보했다.

 개발된 봉합사형 체내삽입 스트레인 센서는 미니피그를 이용한 동물 실험을 통해 목표 조직(아킬레스건)에 효과적으로 봉합·고정됐고, 조직의 움직임을 실시간으로 측정할 수 있음이 증명됐다. 체내에 삽입 후 3주가 지난 이후에도 삽입된 무선 센서는 여전히 잘 동작하며 체내에서 장기간 동작하는데 높은 안정성을 보유하고 있음도 실험적으로 증명됐다.

 DGIST 로봇공학전공 이재홍 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존 체내삽입형 전자소자가 지닌 기술적 한계를 획기적으로 극복하고 관련 기술을 실제 임상에 적용하는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

 한편, 이번 연구는 DGIST 로봇공학전공 이재홍 교수가 주저자 및 교신저자로, 스위스 취리히연방공과대학(ETH Zurich)의 야노스 보로스(Janos Vörös)교수팀과의 국제 협력 연구를 통해 진행됐다. 연구 결과는 4월 1일(목) 전자 분야 국제 최상위 학술지인 ‘Nature Electronics’에 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 DGIST의 지원으로 수행됐다.


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 연구결과개요 

Stretchable and suturable fibre sensors for wireless monitoring of connective tissue strain
Jaehong Lee*, Stephan J. Ihle, Guglielmo Salvatore Pellegrino, Hwajoong Kim, Junwoo Yea, Chang-Yeop Jeon, Hee-Chang Son, Chaewon Jin, Daniel Eberli, Florian Schmid, Byron Llerena Zambrano, Aline F. Renz, Csaba Forró, Hongsoo Choi, Kyung-In Jang, Roland Küng, and Janos Vörös*
(Nature Electronics, on-line published on April 1st, 2021) 

 전 세계 인구의 급속한 고령화로 인해 헬스케어 및 바이오메디컬 분야의 기술 개발이 활발해지고 있으며, 그 중에서도 체내 삽입 전자소자에 대한 연구는 바이오메디컬 분야에서 넓은 영역을 차지하고 있음. 본 연구는 체내에 삽입 가능한 섬유 형태의 무선 스트레인 센싱 시스템을 개발하고 검증한 연구로, 섬유형 유연 전자소자를 직접 봉합시킬 수 있는 형태로 바이오 메디컬 분야에 최초 적용한 연구임. 
 기존 체내 삽입 유연 전자소자는 모두 필름 구조를 기반으로 제작되어 체내의 다양한 구조(1D 또는 2D)에 적용되기 어려웠음. 목표 조직에서의 안정적인 고정을 위해 추가적인 봉합을 진행해 왔지만, 추가적인 봉합은 매우 비효율적일 뿐만 아니라 유연 재료 기반의 체내삽입형 전자 소자를 쉽게 망가뜨려 안정성이 매우 떨어지는 기술적 한계가 존재해왔음. 
 본 연구에서는 섬유형 유연 변형 센서의 구조적 장점을 이용하여 전자소자를 다양한 구조의 체내 조직 또는 장기에 효율적으로 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 섬유형 전자소자 자체를 봉합사로 활용하여 직접 봉합하는 방식으로 기존 기술의 한계를 획기적으로 극복함. 
 또한, 기존 보고된 바 없는 중공 이중 나선 구조를 사용하여 정전식 변형 센서를 제작함으로써 초고민감도의 센서를 개발하고 정확한 수학 모델을 확립하여 성능을 분석함.
 마지막으로, 배터리가 필요 없는 수동형 무선 센싱 기능의 결합을 통해 체외 평가 및 체내 평가를 실시하여 본 기술의 실효성을 검증하였음. 본 개발 기술은 기존 체내삽입형 전자소자를 임상에 적용하는데 난관으로 작용한 기술적 문제들을 극복함으로써, 센서 뿐만 아니라 다양한 형태의 체내삽입형 전자소자를 임상 적용 수준으로 발전시키는데 기여할 것으로 예상됨. DOI : 10.1038/s41928-021-00557-1


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 연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 체내삽입형 센서 소자는 체내 삽입 시 원하는 부위에 안정적으로 고정하는 것에 기술적 한계가 존재해왔다. 인체 내 많은 조직/장기는 유연한 성질을 지녔을 뿐만 아니라 환자의 움직임에 큰 영향을 받기 때문에, 체내삽입형 소자를 타겟 조직/장기에 장시간 안정적으로 고정하는 것은 센서의 안정적 동작을 위해 필수적이다. 기존의 관련 기술은 추가적인 의료 봉합을 통해 전자 소자를 고정시켜왔으나, 이는 매우 비효율적이고 고정 안정성이 크게 떨어져 임상에 적용하기에는 한계가 존재해왔다. 본 연구에서 개발된 봉합사형 무선 스트레인 센서는 유연 센서를 전자 소자이면서 동시에 봉합사로 활용하여 원하는 부위에 직접 봉합하였으며, 이를 통해 체내삽입형 소자의 고정 안정성과 성능을 동시에 비약적으로 개선하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
본 연구팀이 개발한 체내삽입형 무선 스트레인 센서는 인대나 힘줄 등과 같은 결합 조직과 관련된 정형외과 치료 및 재활의 효율을 증대시키기 위해 활용될 수 있다. 결합 조직의 재활 과정에서 조직에 가해진 힘과 변형을 실시간으로 모니터링함으로써 재활의 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 결합조직 이외의 다양한 정형외과 치료에 활용이 가능하며, 더 나아가 봉합사형 전자소자의 개념은 스트레인 센서 이외에 다양한 종류의 체내삽입형 전자소자로 확대 적용될 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
본 개발이 실용화되기 위해서는 염증 억제 코팅 개발, 무선 통신 성능 최적화, 생체분해 기능 부여 등 추가적인 연구 개발 및 적용이 필요하다. 또한, 최종적으로 개발된 기술에 대해서는 다양한 동물의 체내 환경에서의 성능 평가 및 임상 적용을 위한 사전 평가 등이 진행되어야 한다. 이를 위해서 관련 전문 그룹 및 임상 의사와 지속적으로 공동 연구를 진행중이며, 해당 연구 결과에 따라 실용화 시기가 결정될 것으로 판단된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
헬스케어 및 의료기술의 발전이 가속화되고 있는 시점에서, 학계에서 활발하게 연구되고 있는 다양한 체내삽입형 전자소자가 소자 자체의 성능에 연구가 치중되어 있으며 실제 적용을 위한 실용적인 문제들은 외면하고 있다는 사실을 깨닫게 되었다. 기존 체내삽입형 전자소자를 실제로 체내에 적용할 때에는 안정적인 고정이 필수적임을 실제 실험을 통해 깨달았지만, 기존 관련 연구들은 이에 대한 해결책을 제시하지 않아 본 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
기존 관련 기술 (체내삽입형 전자소자)의 경우, 안정적인 고정의 기술적 한계로 인해 개발된 기술이 실제 임상에 적용되기 어려운 문제를 지니고 있었다. 본 연구는 전자소자 자체를 봉합사 형태로 만드는 새로운 시도를 통해 고성능의 무선 센서 소자를 봉합사로도 활용하여 직접 봉합 고정하는 기술을 개발하였다. 이를 통해 기존 관련 기술이 가진 기술적 한계를 완벽하게 극복하였을 뿐만 아니라, 전자 소자 자체를 동시에 봉합사로도 활용한다는 새로운 개념을 최초로, 그리고 성공적으로 도입하였다. 이는 현재 활발하게 진행되고 있는 체내삽입 전자소자의 임상 적용을 앞당길 수 있다는 점에서 큰 의의를 지닌다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구팀은 섬유형 전자소자를 체내삽입 및 의공학 분야에 처음으로 도입하였으며, 이러한 성공적인 경험을 통해 다양한 체내삽입형 전자소자의 개발을 통해 관련 분야가 임상에 적용되어 의료기술의 발전에 기여하고자 한다.


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 그림설명 

[그림 1] 봉합사형(섬유형) 체내삽입 스트레인 센서

봉합사형(섬유형) 체내삽입 스트레인 센서

a) 제작된 섬유형 체내삽입 스트레인 센서 사진. 섬유형 센서가 당겨지면 (인장 변형이 가해지면) 센서가 지닌 전기적 특성이 변화하여 가해진 변형을 효율적으로 감지할 수 있음
b) 섬유형 센서에 가해지는 인장 변형(Strain)에 따른 센서의 전기적 특성(정전용량) 변화를 보여주는 그래프

 

[그림 2] 봉합사형 체내삽입 무선 스트레인 센서 및 동물실험을 통한 적용

 

봉합사형 체내삽입 무선 스트레인 센서 및 동물실험을 통한 적용

a) 일반 의료용 봉합사에 결합된 섬유형 체내삽입 무선 스트레인 센서. 해당 의료 봉합사를 일반적인 봉합 절차를 통해 원하는 부위에 봉합함으로써, 섬유형 센서를 특정 부위에 함께 봉합하여 고정할 수 있음. 함께 봉합된 의료 봉합사는 센서의 봉합 이후에 제거되어 결과적으로 섬유형 센서만 원하는 부위에 봉합하여 고정 가능함
b) 미니피그의 아킬레스건에 봉합사형 무선 스트레인 센서를 봉합하여 고정
c) 미니피그의 다리를 굽히고 펴는 동작을 반복함에 따라 아킬레스건에 가해지는 인장 변형(strain)을 무선으로 실시간 측정
d) 체내삽입 무선 스트레인 센서가 삽입되고 3주가 지난 후에도 센서의 무선 반응이 안정적으로 유지됨

 

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