성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 초음파 세기를 조절함으로써 진단/치료 등 의료목적을 위해 체내 삽입된 전자약 등의 의료기기를 충전한 이후 원하는 시점에 추가적인 제거 시술없이 단시간동안 소자를 체내에서 완전 생분해시켜 제거 가능한 초음파 자극 체내 생분해성 마찰전기 발전기를 세계 최초 개발했다.
인체 삽입된 전자약 등의 의료기기를 이용하여 신경을 자극하여 통증, 우울증 등의 병증을 단기간에 치료할 수 있음에도 불구하고 치료 후에 전자약 제거를 위한 시술이 다시 필요했다. 이에 재시술이 필요없이 치료 후 체내에서 완전 생분해시켜 제거하는 삽입용 전자약 기술개발이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있으나 체내에서 짧은 시간 내에 완전 생분해 가능한 전자약 구현이 현실적으로 어려운 상황이었다.
기존 시한성소재 기술은 소재의 두께와 물성에 의존하는 수동적 제어 기술로 의료목적에 따라 원하는 시점에 분해가 어려웠으며 체내에서 분해되는데 수 주에서 수 개월이 소요되어 소자 잔여물이 독성을 일으킬 수 있는 문제점이 있었다.
이번 연구에서는 체내에 초음파를 인가함으로써 소자의 생분해를 촉진하여 제거하는 기술로 소자 잔여물 또한 수십 분 안에 생분해시켜 체내에서 발현될 수 있는 잠재적인 독성요인을 최소화한 것이다.
본 연구에서는 낮은 초음파 세기에서는 마찰전기 발전기를 통해 안정적인 에너지 발전특성을 보이고 원하는 시점에 인체에 무해한 수준의 높은 초음파 세기를 인가하면 짧은 시간 안에 마찰전기 발전기가 체내에서 완전 생분해됨을 입증하였다.
연구팀은 사람과 해부학적 구조가 가장 유사하다고 알려진 돼지 조직에 시한성 마찰전기 발전기를 삽입하고 외부에서 초음파를 인가하여 조직 내에서 수십 분 내에 생분해 시킬 수 있음을 입증하였다.
연구팀은 돼지 표피로부터 0.5 cm 깊이에 삽입된 시한성 마찰전기 발전기에 낮은 세기의 초음파를 인가하면 안정적인 발전특성(0.34 V의 전압, 3.20 μA의 전류)을 확보할 수 있고 높은 세기의 초음파를 인가하면 40분 만에 소자를 생분해시켜 소자의 기능성을 상실시킬 수 있음을 보인 것이다.
김상우 교수는 “외부에서 인가하는 초음파의 세기를 조절하는 것만으로 추가적인 제거 시술없이 체내에서 단기간 내 완전 생분해 가능한 시한성 마찰전기 발전기를 세계 최초로 개발한 것”이라며, “전자약 등 차세대 의료기기 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 의의를 밝혔다.
과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 국제학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 1월 7일 자에 게재되었으며, 관련 국내외 특허가 국내 기업에 기술이전 되었다.
※ 논문명: Ultrasound-mediated triboelectric nanogenerator for powering on-demand transient electronics
※ 저자: 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 이동민 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정), Najaf Rubab 박사(제1저자, 성균관대 박사과정), 현인아 연구원(참여저자, 성균관대 석사과정), 강우석 연구원(참여저자, 성균관대 석사과정), 김영준 박사(참여저자, 성균관대 박사과정), 강민기 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원), 최병옥 교수(참여저자, 삼성서울병원 신경과)
