열가공 기반 다기능 하이드로겔 섬유, 생체조직 유사한 기계·화학적 상호작용 구현

[도라에몽토토필요성]

체내 삽입형 신경 인터페이스는 뇌와 기계를 연결해 신경 신호를 정밀하게 기록·자극할 수 있는 핵심 기술로, 뇌질환 치료와 차세대 의료기기의 발전을 이끌 잠재력을 지닌다. 그러나 기존의 금속이나 고분자 기반 신경 인터페이스는 생체조직과의 기계적·화학적 불일치로 인해 삽입 직후부터 염증 반응과 섬유화가 진행되며, 장기적으로 신호 품질이 저하되는 한계를 보여왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 조직과 유사한 물성을 지닌 하이드로겔이 대안으로 주목받고 있다. 하이드로겔은 수 kPa에서 수십 MPa 범위의 탄성률을 가져 뇌조직의 미세한 움직임을 따라갈 수 있으며, 분자 투과성과 생화학적 변형이 가능해 신경조직과의 생체친화적 접촉을 구현할 수 있다.

하지만 지금까지의 하이드로겔 기반 신경 인터페이스 도라에몽토토는 주로 전기적, 광학적, 혹은 약리학적 기능 중 하나에 국한된 단일 모달리티에 머물러 있어, 복잡한 뇌 기능을 동시에 감지하고 조절하는 데 한계가 있었다. 또한 다중기능 하이드로겔 시스템을 구현하기 위해 여러 가지 조립 및 공정방식을 적용한 도라에몽토토들이 시도되었지만, 기능성 하이드로겔의 정밀한 공간 배치와 고밀도 통합이 어려워 실제 응용 확장성은 제한적이었다.

따라서 생체조직과의 장기적 호환성을 유지하면서도 전기적, 광학적, 화학적 기능을 정밀하게 통합할 수 있는 다중모달 하이드로겔 신경 인터페이스의 새로운 설계 전략 개발이 요구되었다. 이러한 요구의 만족은 단순한 신호 기록을 넘어, 뇌 기능의 실시간 조절과 맞춤형 신경 치료를 가능하게 하는 차세대 바이오전자 플랫폼의 기반을 마련할 것으로 기대된다.

[도라에몽토토성과/기대효과]

도라에몽토토진은 전기적, 화학적, 광학적 기능을 모두 수행하는 모든 구성 요소가 하이드로겔로만 이루어진, 다중모달 신경섬유 인터페이스를 개발했다. 기존의 하이드로겔 장치는 외부 금속 전극이나 고분자 광도파로에 의존해 생체적합성과 기계적 생체일체감이 제한적이었으나, 본 도라에몽토토에서는 전극, 약미세유체채널, 광섬유까지 전부 하이드로겔로 구성함으로써 완전한 생체 유사 구조를 구현했다. 도라에몽토토진은 열인발공정이라는 방법을 이용해 서로 다른 기능성 하이드로겔을 수십마이크로미터 정밀도로 집적함으로써, 조직 수준의 기계적 순응성과 생화학적 친화성을 유지하면서도 전기적·광학적 신호 전송 및 약물 방출 기능을 동시에 수행할 수 있는 디바이스를 설계했다.

이러한 완전 하이드로겔 기반 구조는 전기 신호 기록용 전도성 하이드로겔, 약물의 방출을 위한 하이드로겔, 그리고 광신호 전달을 위한 투명 광섬유 하이드로겔을 단일 섬유 내에 정밀하게 통합할 수 있도록 하였다. 그 결과, 조직과 유사한 탄성률을 유지하면서 만성 미세 움직임에 따른 스트레스를 최소화하고, 섬유화 조직 반응을 억제할 수 있는 뇌 신경 인터페이스가 성공적으로 개발되었다.

이처럼 본 도라에몽토토는 전 구성 요소가 하이드로겔로 이뤄진 통합형 신경 인터페이스 플랫폼을 제시함으로써, 생체조직과 전자소자 간의 경계를 줄였다는 점에서 의의가 있다. 이 기술은 뇌신호의 고해상도 기록·광자극·약물전달을 단일 섬유에서 구현할 수 있으므로, 향후 뇌-기계 인터페이스(BMI), 신경조절 치료 등 정밀 신경공학 분야의 핵심 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.

[본문]

토토사이트 첨단융합학부 및 의과대학 소속 박성준 교수 및 도라에몽토토팀(남금석 박사과정, 성창훈 박사후 도라에몽토토원)이 전극, 광섬유, 미세유채채널을 모두 통합한 올 하이드로겔 기반 다기능성 신경섬유를 개발해, 염증을 줄이고 생체조직과의 일체감을 높인 차세대 뇌-기계 인터페이스 구현에 성공했다.

이번 도라에몽토토는 기존 삽입형 신경 인터페이스의 한계를 극복하기 위해 생체조직과 전자소자 간의 경계를 줄이고자 하는 접근에서 시작되었다. 체내 삽입형 신경 인터페이스는 뇌와 기계를 직접 연결해 신경 신호를 정밀하게 기록하고 자극할 수 있는 핵심 기술이다. 그러나 금속 또는 고분자 소재 기반의 장치는 생체조직과의 기계적, 화학적 불일치로 인해 삽입 직후부터 염증과 섬유화가 발생하며, 장기적으로 신호 품질이 저하되는 문제가 있었다.

이러한 한계를 해결하기 위해 도라에몽토토진은 조직과 유사한 물성을 가진 하이드로겔 소재에 주목했다. 하이드로겔은 뇌조직과 유사한 탄성률을 지니고, 분자 투과성과 생화학적 변형이 가능해 신경세포와의 친화적 접촉을 구현할 수 있는 소재이다. 그러나 하이드로젤을 이용할 경우 다중 기능을 하나의 장치에 통합하기에는 제조상의 제약이 컸기에, 기존에는 전기적, 광학적, 화학적 기능 중 한 가지만 수행하는 단일 기능 장치의 개발에 도라에몽토토가 머물러 있던 실정이었다. 이에 도라에몽토토팀은 열 인발 공정이라는 새로운 방법을 이용, 전극, 광도파로, 약물전달 채널을 모두 하이드로겔로 제작하고, 이와 동시에 서로 다른 기능성 하이드로겔을 미세 정밀도로 집적하는 기술을 개발했다.

새롭게 개발된 다기능성 신경섬유는 전도성 하이드로겔, 투명한 광섬유 하이드로겔, 약물 방출용 미세유체 하이드로겔로 구성되어 있다. 이 구조는 조직과 유사한 연성과 생화학적 안정성을 유지하면서, 삽입 시 조직 손상과 염증 반응을 크게 줄이는 결과를 보였다. 또한 도라에몽토토팀은 해당 디바이스가 단일 플랫폼에서 신경 신호 기록, 광 자극, 약물 전달을 모두 수행할 수 있어 뇌 기능의 정밀 제어가 가능함도 동물 실험을 통해 보였다.

박성준 교수는“이번 도라에몽토토는 하이드로겔만을 이용한 신경탐침을 개발한 최초의 사례로, 생체적합성과 다기능성을 동시에 실현해 신경염증과 조직 손상 문제를 근본적으로 완화할 수 있는 새로운 전략을 제시했다는데 의의가 있다”며,“이번 도라에몽토토를 통해 만든‘스텔스 디바이스’가, 뇌-기계 인터페이스 및 뇌신경조절 치료 분야 등에서 차세대 신경공학 기술 발전의 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

연구성과는 세계적 권위의 국제 학술지 'Advanced Materials' 에 게재됐다 (논문명: Thermally Drawn Multifunctional All-Hydrogel Fibers for Anti-Fibrotic and Multimodal Neural Interfaces). 이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행되었다.

[도라에몽토토결과]

Thermally drawn multifunctional all-hydrogel fibers for anti-fibrotic and multimodal neural interfaces

Changhoon Sung†, Kum Seok Nam†, Yeji Kim, Honey Kang, Kanghyeon Kim, Chanwoong Yoon, Somin Lee, Ain Chung, Jiheong Kang, Young-Gyun Park, Alan Jung Park, Haider Butt, Hyunwoo Yuk, Seongjun Park
(Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.202511634)

모든 구성 요소가 하이드로겔로 이루어진 다기능성 신경섬유 인터페이스를 개발해, 생체조직과의 기계적·화학적 일체감을 확보하고 염증 반응을 최소화하는 데 성공했다. 도라에몽토토팀은 열 인발 공정을 통해 전극, 광섬유, 약물전달 미세유체채널을 각각 도전성·투명성·투과성을 지닌 하이드로겔로 정밀 집적함으로써, 기존 금속 기반 장치의 기계적 불일치와 생체 부적합 문제를 근본적으로 해결했다. 이 올 하이드로겔 섬유는 뇌조직과 유사한 연성과 생화학적 특성을 바탕으로 신경 손상과 면역 반응을 현저히 줄였으며, 전기적·광학적·화학적 기능을 단일 플랫폼에서 동시에 수행할 수 있는 차세대 신경 인터페이스의 가능성을 제시했다.

[그림설명]

그림. 조직과 전자소자 간의 경계를 줄여 면역 반응을 완화하는, 생체조직과 기계적·화학적으로 유사한 올 하이드로겔 섬유 기반 신경 인터페이스의 개념도