고유연성, 고성능, 고내구성을 가지는 완전 생체적합 섬유형 슈퍼커패시터에 대한 모식도(사진 제공=서울대)


| 이코노미사이언스 신지원 기자 |


서울대학교 첨단융합학부 박성준 교수 연구팀과 경희대 식물·환경신소재공학과 이정태 교수 연구팀 등으로 구성된 공동연구진이 완전 생체적합 소재로 만든 섬유형 슈퍼커패시터를 개발했다고 9일 밝혔다.

이를 통해 자유 보행 동물모델에서 생체적합 에너지 저장 장치의 안정적 구동을 세계 최초로 5주 이상 구현하였다.

현재 심박조율기, 신경자극기, 헬스케어 센서, BCI (Brain-Computer Interface) 시스템 등 대부분의 이식형 전자기기는 리튬 기반 배터리를 전원으로 사용한다. 리튬 기반 배터리는 소재의 독성·발열·누액 등의 안전성 문제가 있고, 유연성의 부족으로 인해 체내의 복잡한 구조나 움직임에 적응하지 못하여, 생체 내의 장기나 조직에 물리적 스트레스를 부가할 수가 있었다.

따라서 바이오 목적의 차세대 에너지 저장 장치는 소재적으로 안전하면서도 체내의 복잡한 해부학적 구조에 안정적으로 적응 가능한 높은 구조적 유연성을 필요로 한다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 PVA·PEG·Borax 하이드로겔 기반의 고인성·자가치유 전극·전해질을 개발하였다. 또한 열인발(thermal drawing) 공정을 이용하여, 개발된 전극과 전해질 그리고 고분자 기반의 집전체와 패키징을 수백 μm 직경의 단일 섬유 형태로 통합하여, 체내 삽입에 적합한 초소형·고유연성의 구조를 구현하는 데 성공하였다. 모든 구성 요소가 완전 생체적합 소재로 제작되어 장기 이식 시 소재적 안전성을 확보한다.

개발된 섬유형 슈퍼커패시터는 뛰어난 유연성과 내구성을 바탕으로 굽힘·비틀림·매듭 등 다양한 기계적 변형과 복잡한 체내 구조 속에서도 전기화학 성능 저하 없이 안정적으로 작동한다.

연구팀은 개발된 생체적합 에너지 저장 장치를 이용하여, 자유롭게 움직이는 실험용 쥐의 체내에서 LED를 구동하는 것으로 안정성과 실용성을 검증하였고, 말초신경 (좌골신경) 및 중추신경 (대뇌신경) 대상 광유전학적 자극 또한 세계 최초로 성공적으로 시연했다. 또한 체내 5주 이상 연속 구동이라는 세계 최고의 장기간 사용성을 기록했다.

박성준 교수는 “이번 기술은 영화 '매트릭스' 속 뇌-기계 인터페이스 기술이나 애니메이션 '공각기공대' 속의 인공장기·인공의족 처럼, 향후 인체와 통합되는 장치가 안전하게 에너지를 공급받아 안정적으로 작동할 수 있는 핵심 기반을 마련했다”라며 “우수한 생체적합성과 높은 유연성, 장기간 내구성을 동시에 갖춘 이 기술은 차세대 이식형 전자 시스템 개발에 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

개발된 이번 기술은 심박조율기, 신경자극기, 이식형 센서, BCI 등의 차세대 이식형 전자 장치와의 다양한 기술 협력으로 확장될 것으로 기대된다.

서울대 의학연구원 전성하 박사, KAIST 바이오및뇌공학과 서현엽·김예지 박사과정정이 참여한 이번 논문은 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 



출처 : 이코노미사이언스(https://www.e-science.co.kr)