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Research

인체 내 기계적 운동에너지로 신경질환을 치료할 기술 개발

  • 조회. 412
  • 등록일. 2019.08.12
  • 작성자. 홍보팀

인체 내 기계적 운동에너지로 신경질환을 치료할 기술 개발
- DGIST 이상훈 교수팀, 마찰에너지를 전기에너지로 변환시켜 신경질환 치료에 활용하는 새로운 신경조절 인터페이스 개발
- 향후 치료 환경 개선 및 관련 개발 등 폭 넓은 활용이 기대돼

△DGIST 로봇공학전공 이상훈 교수(왼쪽 첫번째)와 연구진들

 

 신체 내 버려지는 기계적 운동에너지를 수집해 마찰전기 에너지로 변환하는 소자를 개발하고, 이에 신경인터페이스 기술을 접목해 배터리 없이 말초신경을 자극하는 새로운 신경조절 인터페이스를 DGIST에서 개발했다. 향후 인체 내 삽입하는 신경자극기 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

 DGIST(총장 국양) 로봇공학전공 이상훈 교수팀이 싱가포르국립대학 연구팀과 함께 인체에서 발생하는 기계적 운동에너지로 신경자극 신호를 발생시켜 말초신경을 자극하는 새로운 개념의 신경조절 인터페이스를 개발했다. 이번 연구는 말초신경 중에서도 방광골반신경을 자극해 배뇨활동을 유도하는 방식으로 신경인성 방광을 치료하는 데 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

 ‘신경인성 방광’은 신경질환 중 하나로 방광과 요도의 기능 장애가 주증상이다. 요실금이나 변실금 치료를 위해 개발된 기존의 인체 삽입형 신경자극기로 천추신경을 인위적으로 자극해 과민성방광 치료가 가능했다. 하지만 이로 인한 신체 내 부작용이나 주기적인 배터리 교체와 같은 한계로, 환자의 심리적․ 경제적 부담까지는 해결할 수 없었다.

 근래 방광기능에 직접적으로 관여하는 방광골반신경에 전기 자극을 주는 여러 연구가 진행됐지만 신경의 크기가 매우 작고 몸 속 깊이 위치해 있어 연구에 어려움이 많았다. 이상훈 교수팀은 이러한 어려움 속에서도 방광골반신경을 위한 신경전극 개발과 함께 인체에서 발생하는 기계적 운동 에너지를 모아 마찰전기 에너지로 바꿔주는 마찰대전 신경자극소자를 적용해 방광의 배뇨기능을 유도하는 배터리 없는 신경조절 인터페이스 개발에 성공했다.

 특히 이상훈 교수팀이 개발한 신경조절 인터페이스는 유연하면서도 매우 작은 방광골반신경에 안정적인 삽입이 가능해, 합병증 위험이 적다. 고강성1) 성질을 지닌 기존의 신경자극기가 불필요한 신경 자극을 일으켜 합병증에 취약했던 것과는 대조적이다. 또한 신경자극소자는 신체 움직임에서 발생되는 마찰 에너지를 전기로 전환시켜 에너지원으로 활용이 가능하게끔 해 준다. 

 DGIST 로봇공학전공 이상훈 교수는 “마찰전기를 신경자극 실험에 적용해본 것이 이번 연구의 시작이었다”며 “자율신경계의 일종인 방광골반신경을 마찰전기자극으로 조절하는 기술은 향후 배터리 없는 인체삽입형 신경자극기 개발에 있어 무한한 응용 가능성을 보여준다”고 말했다.

 한편, 이번 연구는 한국연구재단 신진연구의 지원을 받은 DGIST 로봇공학전공 이상훈 교수팀과 싱가포르 국립대학 팀의 공동연구로 진행됐으며, 저명한 화학분야 저널인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 6월호에 게재됐다. 

1) 강성(Rigidity): 특정 재료가 탄성변형을 할 때 그 변형에 저항하는 정도

 

 

   연구결과개요   

Mechano-neuromodulation of autonomic pelvic nerve for under active bladder: A triboelectric neuromodulator integrated with flexible neural clip interface
Sanghoon Lee, Hao Wang, Wendy Yen Xian Peh, Tianyiyi He, Shih-Cheng Yen, Nitish V. Thakor, and Chengkuo Lee*
(Nano Energy, offline-published on June 2019)
(Nano Energy, online-published on Mar 27th, 2019)


 과소활동성 방광과 같은 신경인성 방광은 방광과 요도의 기능 이상을 수반함으로써 정상적인 일상생활을 불가능하게 하여 환자를 심리적 사회적으로 격리되게 만드는 질병이다. 종래의 요실금이나 변실금을 위해 개발된 천수신경자극을 위한 인체삽입형 신경자극기는 기계적인 강성이 높은 신경자극선과 신경조정기로 인한 합병증이 유발되고 주기적인 배터리 교체로 인해 환자에게 심리적․ 경제적으로 부담을 주고 있다. 또한 방광조절에 관여하는 직접적인 방광신경이 아닌 척수에 위치한 천수 및 천수상부 수준에서의 자극이기 때문에 그 치료에 한계가 있다. 
 본 연구에서는 직접적인 방광기능 조절이 가능한 방광골반신경을 위한 유연한 신경인터페이스와 더불어 신체 내의 역학적인 움직임을 신경자극을 위한 전기신호로 바꿔주는 유연하고 생체적합적인 신경자극기를 사용하여 쥐의 방광기능조절을 시연하였다. 개발된 신경자극기는 고유한 작동원리로 인해 전극과 신경조직의 손상을 줄일 수 있는 비대칭적 2상 펄스 자극전류를 제공한다. 생성된 신경자극을 위한 전류, 펄스 및 전하의 특성을 분석하였고 이러한 기계적-신경자극의 자극 빈도 및 펄스 수에 따른 쥐의 방광 압력의 변화를 관측하면서 배뇨현상을 분석하였다. 연구팀이 개발한 기계-신경조절기술을 통해, 향후 신경인성 방광치료를 위한 인체 삽입형 신경자극기로의 활용 가능성이 더욱 확대될 수 있을 것으로 기대되며, 나아가 사회적 이슈 중 하나인 고령화 사회에 따른 여러가지 질병을 새로운 신경조절기술을 통해 해결 할 수 있을 것으로 기대된다.


   연구결과문답   

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 인체 삽입형 신경자극기는 신경자극펄스 생성을 위한 복잡한 전자회로와 전자부품이 필요해 배터리가 요구된다. 이처럼 기존 자극기는 주기적인 배터리 교체로 환자에게 심리적․ 경제적으로 부담을 주고 있다. 또한 기계적인 강성이 높은 신경자극선 (전극)과 신경조정기는 합병증을 유발한다. 본 연구는 배터리 없이 인체 내 작은 기계적 에너지만으로 신경자극 신호를 구현해 말초신경을 자극함으로써 방광의 기능을 조절할 수 있는 기술을 제시한 연구로, 향후 배터리 없이 신경조절기술을 구현할 수 있는 가능성을 보여준 연구결과다. 이에 본 연구의 차별성이 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

과소활동성 방광은 방광에 소변으로 찼음에도 느끼지 못하거나 방광을 충분히 수축하지 못하게 되어 강제로 소변을 배출해야 한다. 부작용과 한계가 많은 약물 치료, 직접 배출 등의 치료 방법 대신 기계적-신경자극 기술을 이용해 작은 기계적 에너지만으로 배뇨를 유도함으로써 과소활동성 방광치료에 응용될 수 있다.

Q. 실용화를 위한 과제는?

인체 내의 생체기관 혹은 근육 표면에서의 동작을 위한 생체적합적인 소자 디자인 및 개발이 필요하며, 생체 내에서의 지속적이고 안정적인 동작을 위한 생체적합성 표면처리 및 초장기 방수 패키징 기술 개발이 선제적으로 이뤄져야 한다. 이러한 추가 기술 개발들이 이루어지고 나면 상용화에 대한 기대가 높아질 것으로 예상한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

신경자극을 위한 신경자극신호를 구현하기 위해서는 부피가 큰 신경자극기 장비를 사용하거나 자극신호의 변조가 어려운 신경자극기 전자 회로를 사용하는 점이 매우 불편했다. 또한 주로 자극에 사용되는 펄스 형태의 파형보다 실제 신경신호와 유사한 사인파나 지수파 형태의 자극신호에 대한 신경자극의 효율성에 대한 연구가 아직까지 부족했다. 매우 작은 기계적 에너지만으로 지수파형 전기에너지를 구현하는 마찰대전 나노소자를 신경자극 실험에 새롭게 사용해본 것이 이 연구의 시작이었다. 다양한 연구를 통해 실제 신경자극에 사용되는 비대칭적 2상 펄스 자극 전류를 구현하는데 성공했고, 이를 이용해 운동신경자극뿐만 아니라 자율신경자극에도 시도하기에 이르렀다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?

두 가지 측면에서 큰 의미가 있다. 하나는 기계적-신경조절기술을 통해 배터리 없이 지속가능하고 안정적인 신경조절이 가능하다는 점을 보여준다. 두 번째는 이 기술을 재활을 위한 운동신경자극 뿐 아니라 신체의 기능을 조절 할 수 있는 자율신경자극에도 적용할 수 있다는 가능성을 보여줬다는 점에서 그 의미가 있다. 이는 향후 다양한 형태의 지속가능한 신경자극 소자가 인체에 삽입되어 인체 신경계를 보완할 수 있는 가능성을 열어준다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

이번에 적용된 과소활동성 방광치료 뿐 아니라 신경인성 방광치료에도  활용될 것으로 기대한다. 더 나아가 다양한 말초신경제어를 위한 응용 기술로 활용됐으면 한다. 마지막으로 본 연구처럼 다양한 분야의 융·복합적인 접근으로 기존의 우리가 직면한 다양한 문제를 해결해 나갔으면 하는 바람이다.

 

   그림 설명    

[그림 1] 개발한 신경조절 인터페이스를 적용한 신경자극기 삽입 모식도 및 실제 모습(좌)과 신경자극전류 흐름 그래프(우)

개발한 신경클립 인터페이스가 삽입되는 모습을 표현한 모식도(좌측 위)와 실제 쥐 방광골반신경에 삽입한 신경클립 인터페이스의 모습(좌측 아래)을 보여준다.

 또한 개발한 기계적-신경자극기를 골반신경에 삽입하고, 이를 이용해 신경 조절을 통한 방광기능을 조절하는 방식을 나타낸 모식도(가운데)로, 이 때 삽입된 신경자극기에서 생성된 신경자극을 위한 출력 신호를 보여준다(우).

 

[그림 2] 자극 빈번도(BPM) 및 펄스 수에 따른 방광 내부 압력 변화 및 배뇨 관찰


(a)부터 (d)까지는 BPM(Beats Per Minute, 자극빈번도) 변화에 따라 배뇨현상이 관찰되는 것을 보여준다. (e)부터 (g)까지는 펄스수가 변화하며 배뇨현상이 관찰되는 변화를 보여준다. BPM과 펄스가 증가하며 방광내부 압력은 증가하게 되며, 이 때 배뇨현상이 활성화 된다.

*빨간 역삼각형은 배뇨현상이 관찰됐음을 표시


   논문 바로보기   Nano Energy

 

 

 

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