국내 연구진, 신축성 크게 높인 전도성 고무 개발 성공

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 높은 신축성과 전도성을 가진 무독성 고무를 개발하는데 성공했다. 연구진은 심장 전기 자극 효과를 크게 개선함으로써 심부전 등 심장병 치료에 기여할 수 있을 것으로 보고 있다.

금-은나노복합체를 이용한 다채널 심장 메쉬 디바이스. IBS 연구진은 이번 연구에서 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. 그림=과기정통부.

기초과학연구원(IBS)은 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대학교 석좌교수) 공동연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무(금-은나노복합체)를 만드는데 성공했다고 14일 밝혔다.

이번에 IBS가 개발한 전도성 고무는 최대 840%까지 늘어나는 기계적 변형에도 안정적으로 전기 신호를 전달할 수 있어 다양한 웨어러블 디바이스와 신체 삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.490) 온라인 판에 14일 0시(한국 시각)에 게재됐다.

연구진은 금(Au)이 입혀진 길이가 긴 은(Ag) 나노 와이어(금-은 나노와이어)와 고무 성분인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 엘라스토머를 섞어 전도성 금-은(Ag)나노복합체를 만들었다. 엘라스토머는 플라스틱과 고무의 성질을 갖고 있는 합성수지다. SBS 엘라스토머는 스티렌(C8H8)과 부타디엔(C4H6)으로 만들어진 열가소성고분자로 열과 압력에 의한 가공이 쉽고 잘 늘어난다.

이번에 IBS가 개발한 금-은나노복합체는 기존에 연구된 전도성 고무와 비슷한 전도도 영역에서 최고 840%의 신장력을 기록하고 기존의 은 나노와이어 복합체 문제였던 독성과 산화현상 문제도 해결했다. 은 나노와이어는 높은 전도성과 안정적인 전기특성으로 각광받았으나 독성으로 인해 활용이 어려웠다. 이번 연구에서 길이가 긴 은(Ag)나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단해 생체 친화성을 높였다. 또 물에 산화되기 쉬운 생체 환경 내에서도 오래 사용할 수 있는 내구성도 갖췄다.

연구진은 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 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 연구진은 이번에 개발한 금-은나노복합체가 움직임이 큰 피부 위에서도 안정적으로 전기를 전달할 수 있어 향후 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 획기적인 소재로 활용될 것으로 기대하고 있다. 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.

특히 두 점의 전극을 통해 자극하는 기존의 심장자극기와 달리 그물 형태로 심장 전면을 동시에 모두 자극할 수 있어 치료 효과가 기존보다 월등할 것이라고 연구진은 설명했다. 김대형 부연구단장은 “심장 펌핑 횟수를 획기적으로 올림으로써 1년 내 50%가 사망하는 심부전은 물론 심근경색, 부정맥 치료 등에 있어 기존 디바이스와 비교 불가능한 획기적 치료 효과를 경험할 수 있을 것”이라고 밝혔다.