인체 조직의 성장 속도에 맞춰 스스로 형태를 바꾸며 함께 자라나는 인공 신소재가 개발됐다. 체내 이식형 의료기기의 거부 반응을 줄이고, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 소프트 로봇 분야의 패러다임을 바꿀 기술로 평가받는다.
지난 6일 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)는 중국과학원(CAS) 선전첨단기술연구소 두쉐민 교수 연구팀이 빛 자극을 통해 생체 조직과 동기화되어 서서히 자라나는 '자가 진화형 하이드로겔'을 개발했다고 보도했다. 해당 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 '매터(Matter)'에 게재됐다.
하이드로겔은 수분을 다량 함유한 젤 형태의 고분자 물질로, 인체 조직과 물리적 특성이 유사해 인공 장기나 의료용 패치 재료로 널리 쓰인다. 그러나 기존 하이드로겔은 형태가 고정되어 있거나 외부 자극에 일시적으로만 반응해, 상처 치유나 배아 발달처럼 수일에서 수주에 걸쳐 서서히 변하는 실제 생체 조직의 동적 변화를 따라가지 못하는 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '시공간 진화 반응 활성종(STERS)' 시스템을 고안했다.
갈륨 기반의 액체 금속 입자를 하이드로겔 내부망에 결합한 뒤 근적외선을 쬐어주는 방식이다.
빛 자극을 받으면 액체 금속 표면이 산화되며 화학 반응종을 방출하고, 산화 피막이 벗겨지면서 새로운 금속 표면이 노출되는 연쇄 반응이 일어난다. 단 한 차례의 근적외선 조사만으로도 외부 전력이나 추가 약물 투입 없이 최장 4주 동안 자가 변형 화학 반응이 지속된다.
실험 결과는 유의미했다. 연구진은 개발한 하이드로겔의 변형 메커니즘을 이용해 줄기세포를 뼈세포와 신경세포 유사 조직으로 성공적으로 분화시켰다.
자라나는 쥐 태아의 뇌 표면에 이 겔을 결합한 뇌파 측정 전극을 얹자, 전극이 뇌 조직의 팽창 속도와 형태 변화에 맞춰 유연하게 늘어나며 발달 과정을 뇌 손상 없이 모니터링했다. 성장기 소아나 팽창하는 뇌 조직에 전극을 삽입할 때 발생하던 조직 손상과 신호 왜곡 문제를 해결할 실마리를 찾은 셈이다.
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이 소재는 뇌 질환 치료를 위한 차세대 BCI 칩 코팅재는 물론, 인간의 피부처럼 스스로 늘어나고 감각을 감지하는 휴머노이드 로봇용 인공 피부, 장기적인 생체 신호를 추적하는 변색 센서 등으로의 확장성이 점쳐진다.
다만 실제 임상 적용까지는 해결 과제가 남았다. 환자 개개인과 부위마다 제각각인 생체 조직의 성장 속도에 맞춰 겔의 변형 타이밍을 정밀 제어하는 공학적 기술이 필요하다. 연구팀은 현재 단계에서는 연구용 센서와 실험실 수준의 BCI 인터페이스 실증을 중심으로 기술 완성도를 높여갈 계획이다.