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Research

약물 전달과 동시에 뇌 신호 측정이 가능한 3차원 유연 뇌-기계 인터페이스 기술 개발

  • 조회. 412
  • 등록일. 2021.09.08
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 로봇공학전공 김소희 교수 연구팀, 3차원 마이크로니들 어레이 전극에 약물 전달 기능 탑재
뇌-기계 인터페이스용 및 뇌질환 치료용 전극의 수명 향상에 기여 기대

 

[(왼쪽부터) DGIST 로봇공학전공 김소희 교수 강유나 박사]

 

 DGIST(총장 국양)는 로봇공학전공 김소희 교수 연구팀이 3차원 구조의 마이크로니들 어레이형 뇌 전극에 약물 전달 기능을 탑재한 유연성 다기능 뇌-기계 인터페이스 기술을 개발했다고 밝혔다. 향후 장기간(長期間) 이식이 필요한 뇌질환 치료용 전극으로 활용 가능할 것으로 기대된다. 

 마이크로니들은 마이크로미터(1마이크로미터는 1밀리미터의 1/1000) 단위의 직경을 갖는 바늘 형상의 구조물을 말한다. 기존의 마이크로니들이 포함된 어레이 형태의 전극은 단단한 실리콘과 유리를 기반으로 만들어져 유연성이 없었다. 또한, 마이크로니들 어레이의 재료적 특성과 3차원 구조물이라는 형태적 특징 때문에 약물 전달 기능이 함께 구현된 바가 없었다.

 이에 김소희 교수팀은 여러 개의 마이크로니들이 유연한 폴리머 플랫폼으로 지지되고 있는 3차원 전극 기술을 기반으로, 유연한 폴리머 케이블에 유체 채널을 집적했다. 이를 통해 전기적 신호 전달과 화학적 약물 전달의 두 가지 기능을 동시에 할 수 있는 다기능 케이블 및 연결기술을 개발했다. 다기능 케이블과 3차원 전극을 결합함으로써 약물 전달과 동시에 뇌 신호의 측정 또는 전기적 자극이 가능한 다기능 유연 뇌 인터페이스 구현이 가능해진 것이다.

 본 기술을 활용하면 약물 전달 채널을 통해 항염증 약물을 전극이 있는 곳에 정확하게 전달할 수 있게 된다. 이로 인해 뇌-기계 인터페이스 기술과 같이 장기간 뇌에 이식된 채로 사용해야 하는 전극의 수명 연장이 가능할 것으로 기대된다.

 DGIST 로봇공학전공 김소희 교수는 약물 전달 채널을 통해 화학적 방식으로 뇌를 자극함과 동시에 뇌 신호의 측정이 가능하다. 뿐만 아니라, 혈관-뇌 장벽(blood-brain barrier)을 거치지 않고 약물을 직접 뇌세포에 전달 가능하므로, 뇌질환 치료용 약물의 약효 검증도 가능하여 치료제 개발에도 활용 가능할 것이다라고 설명했다.

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 뇌과학원천기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 한국기계연구원 의료지원로봇연구실의 강유나 박사가 제1저자로, DGIST 로봇공학전공 김소희 교수가 교신저자로, DGIST 뇌인지과학전공 최한경 교수가 공저자로 참여했다. 또한 이번 연구 결과는 818일 국제학술지 마이크로시스템 앤 나노엔지니어링 (Microsystems & Nanoengineering)’ 지에 게재됐다.

 

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연구결과개요

A 3D flexible neural interface based on a microfluidic interconnection cable of chemical delivery

Yoo Na kang, Namsun chou, Jae-Won Jang, Han Kyoung Choe and Sohee Kim*

(Microsystems & Nanoengineering, Online published on August 18, 2021)

 

생체에 전극을 장기간 이식할 때 발생하는 면역반응을 효과적으로 억제하고 다양한 뇌질환 치료를 위해 뇌에 약물을 전달할 수 있는 3차원 구조의 유연 뇌 인터페이스를 개발하였다. 본 유연 뇌 인터페이스의 핵심 기술은 생체적합성이 뛰어나고 유연한 폴리머를 이용하여, 약물 전달용 미세유체채널과 전기적 신호 전달용 도선이 통합된 다기능 유연 케이블에 있다. 개발된 유연 케이블과 3차원 구조의 마이크로니들 어레이형 전극을 통합함으로써, 목표 부위에 직접적인 약물 전달과 동시에 신경신호 측정이 가능한 것이 특징이다. 개발된 뇌 인터페이스의 성능은 동물실험을 통해 검증하였다. 본 연구 결과는, 3차원 유연 뇌 인터페이스에 약물 전달 기능이 추가됨으로써, 현재 인체 삽입형 의료기기의 한계점 중 장기간 이식과 관련된 기술적 이슈를 해결할 수 있는 가능성 및 뇌질환 치료제 개발에의 사용 가능성을 제시하였다.

 

 

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연구결과문답

 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존에 뇌-기계 인터페이스(BMI) 기술에서 사용되어 왔던 뇌 전극은, 단단한 실리콘(silicon)과 유리를 기반으로 제작된 마이크로니들 어레이(microneedle array)였으며, 그 구조적 특성으로 인해 약물 전달 기능의 구현이 어려웠다. 본 연구에서는 유연성 재료를 플랫폼으로 하는 3차원 마이크로니들 어레이 구조에 미세유체채널을 탑재한 유연 케이블을 결합함으로써, 3차원 뇌 전극에 약물 전달 기능을 접목한 최초의 결과를 제시하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

사지마비 환자가 뇌 신호로 팔·다리를 움직일 수 있게 하는 뇌-기계 인터페이스 기술과 같이 체내에 장기간 이식이 필요한 뇌 전극에, 이식 초기에 항염증 약물을 전달하여 염증 반응을 억제함으로써 전극의 성능을 장기간 유지시키는 것이 가능하다. 또한, 난치성 뇌질환의 치료를 위해 전기적, 화학적 치료를 동시에 제공할 수 있는 뇌 자극 장치로도 활용 가능할 것이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 연구를 통해 개발된 3차원 다기능 유연 뇌 인터페이스는 곧 영장류 실험 예정으로 있으며, 그 이후 임상시험이 가능하다면 실용화까지도 가능할 것으로 예상한다실용화를 위해서는 식약처의 4등급 의료기기 허가를 득하는 과정이 필수적이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

기존의 뇌 전극은 오랜 시간 사용하면 생체 내 면역 반응과 이물질 반응으로 인해 전극의 성능이 점차 떨어지는 문제가 지속되어 왔다. 이를 해결할 수 있는 방법 중의 하나로, 전극 이식 초기에 발생하는 면역 반응을 최대한 억제하고자 항염증 약물을 전극으로 전달할 수 있는 기술을 연구하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

3차원 뇌 전극에 약물 전달이 가능해짐으로써 항염증 약물을 전달하여 전극의 성능을 장기간 유지하고자 하는 목적 외에도, 뇌질환 치료제, 신경전달물질 등 화학적 물질을 전극 이식 부위에 전달하면서 뇌 신호의 측정이 가능하므로 뇌질환 치료제 개발, 화학적 뇌 자극과 뇌 신호 모니터링, 또는 화학적, 전기적 동시 뇌 자극 등이 가능할 것이다. 특히, 본 연구에서 도출된 3차원 구조의 뇌 인터페이스는 유연한 재료적 특성으로 인해 넓은 뇌 표면에 적용 가능하다는 장점이 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구의 결과물인 3차원 다기능 유연 뇌 인터페이스가, 뇌신경계 질환을 가진 환자들에서 지속 가능한 전자약 또는 뇌-기계 인터페이스 장치로 쓰일 수 있도록 연구개발을 이어가고자 한다.

 

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그림설명

[그림 1] 약물 전달 기능을 갖춘 마이크로니들 전극 어레이로 구성된 3차원 다기능 유연 뇌 인터페이스 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135