왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 고승환 교수, 원대연 박사 과정, 건국대학교 수의학과 김시윤 교수, 서울대학교 수의학과 김진 박사

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 고승환 교수, 건국대학교 김시윤 교수 공동 연구팀의 연구 논문이 세계적인 과학 저널 ‘Science Advances‘에 미국 현지 기준 6월 8일 게재됐다고 밝혔다.

현재 뇌에서 흘러나오는 전기 신호를 읽어내거나 전기 자극을 가해 신경 전달 물질을 분비시키기 위한 목적으로 생체 삽입형 신경 전극을 개발하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 대표적으로 중추신경계 질환 환자 뇌의 특정 영역에서 나오는 전기 신호를 읽어내 상태를 진단하거나, 반대로 뇌에 전기 자극을 가해 전기 치료를 하기 위한 목적으로도 신경 전극이 사용된다.

여기서 중요한 점은 뇌의 신호를 최대한 안전하고, 정밀하게 읽어내야 한다는 점이다. 기존 신경 전극은 주로 딱딱한 금속을 사용해 개발됐기에 부드러운 뇌에 부착하기 힘들었고, 부작용도 심했다.

공동 연구팀이 개발한 미세 전극은 부드럽고 생체친화적인 전도성 고분자를 사용해 생체 조직과 같이 늘어날 수 있어 몸 안에 오랫동안 삽입해도 안전하고 면역 반응을 최소화할 수 있다. 이뿐만 아니라, 세계 최고 수준의 전기 전도도와 패턴 해상도를 통해 매우 작은 세포에서 나오는 신호까지 정밀하게 읽어낼 수 있다.

공동 연구팀은 전도성 고분자인 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT : PSS)에 레이저를 조사할 시 국소적으로 고분자 내부의 구조가 변하는 상 분리 현상을 발견했다.

PEDOT:PSS는 전기가 흐르는 생체친화적 고분자로 생체 전극의 핵심 재료로 주목돼 왔다. 하지만 고분자 내부의 상 분포가 전기 전도도와 수용액 내 기계적 안정성에 불리해 이를 해결하기 위해 상을 변환시키는 상 분리 공정들이 화학적 처리 기법을 앞세워 개발돼 왔다.

이렇게 변환된 전도성 고분자는 수용액에서 전기적, 기계적 성질을 유지할 수 있는 전도성 하이드로겔이 된다. 하지만 투입되는 화학 물질들이 대부분 세포 독성이 강해 생체 전자소자로 사용 시 해독 과정이 필요했으며 전기 전도도가 낮고 추가적인 패터닝 공정이 요구된다는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 독성 물질 투입 없이 레이저의 광열화학 반응을 이용해 PEDOT:PSS의 상 분리를 유도해냈으며, 원하는 부분만 수용액 내에서 녹지 않고 전기·기계적 물성을 유지할 수 있는 전도성 하이드로겔로 변환시키는 디지털 패터닝 공정으로 발전시켰다. 개발된 미세 하이드로겔 전극은 부드럽고 생체친화적 특성으로 장기간 쥐의 체내에 삽입 시 면역 반응이 최소화됐으며, 기존 딱딱한 전극들이 인체에 유발했던 다양한 문제점들을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

논문의 교신 저자인 서울대 고승환 교수는 “반도체 공정 수준의 미세한 전도성 하이드로겔 패턴을 획기적으로 저렴하고, 빠르게 제작할 수 있게 됐다”며 “앞으로 전도성 고분자 기반 하이드로겔이 필요한 다양한 전자소자 분야의 기술 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 건국대 김시윤 교수는 “레이저 공정의 높은 생체친화성을 통해 오랫동안 생체에 삽입하더라도 건강을 지키며 전기생리학적 신호를 장시간 수집할 수 있는 Brain-computer interface의 새로운 근간 기술이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.