초장기 신경 신호 기록을 위한 BDNF 안정화 기반 생체적응성 다기능 신경 섬유
[연구필요성]
뇌와 기계를 직접 연결하는 신경 인터페이스 기술은 뇌질환 치료와 미래 의료 혁신을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존 기술은 삽입 순간부터 신경조직에 손상을 주고, 이어지는 염증과 면역 반응으로 시간이 지남에 따라 신호가 약화되어 장치가 제 기능을 유지하지 못하는 한계가 있었다. 이는 여러 연구자들이 꾸준히 도전해왔지만 아직 해결되지 않은 중요한 과제였다. 이러한 문제를 극복하기 위해 신경 인터페이스를 대상으로 다양한 표면 코팅 기술과 생체분자 활용 전략이 시도됐지만, 대부분 신경세포와의 소통을 막거나 코팅이 체내 환경에서 빠르게 분해되는 한계를 드러냈다.
따라서 조직 손상을 최소화하면서도 신경세포와 선택적으로 소통할 수 있는 차세대 신경 인터페이스의 필요성이 계속 제기돼왔다. 이번 연구는 이러한 문제를 해결하고, 장기적이고 안정적인 뇌신호 기록을 가능하게 하는 새로운 접근법을 제시한다.
[연구성과/기대효과]
연구진은 다기능성 유연 신경섬유에 Targeting-specific interaction And Blocking nonspecific adhesion (TAB) 코팅을 적용하여 장기적인 안정성과 신호 기록 품질을 향상시켰다. 고분자 기반의 유연 섬유 표면에 뇌유래신경영양인자 (Brain-Derived Neurotrophic Factor; BDNF)와 윤활층을 함께 결합하여, 전통적으로 신경 임플란트의 수명과 성능을 제한하는 이물반응 (Foreign body reaction; FBR), 글리아 캡슐화 (glial encapsulation), 미세 움직임으로 인한 조직 손상, 생체오염 (biofouling) 문제를 동시에 해결했다. TAB 코팅은 신경세포와 성상교세포와의 선택적 상호작용을 촉진하는 동시에 면역 관련 물질 등 비특이적 부착을 방지하는 이중 기능을 제공하도록 설계됐다.
BDNF가 고정화된 표면은 TrkB 수용체와 결합하여 신경세포 생존과 신경보호 성상교세포 활동을 촉진했고, 윤활층은 혈액과 혈장 단백질 부착을 막아 면역세포 활성화를 억제했다. 이러한 전략은 세포 선택성을 높이는 동시에 삽입된 신경 장치 주변의 염증 반응을 완화하고, 섬유화 조직 형성을 방지했다. 실제 생체 내 실험에서도 TAB 코팅 섬유는 NeuN+ 신경세포의 유지율을 높여 장기적인 신경 생존율 향상을 확인했다. 또한 윤활 표면은 삽입 시 힘과 스트레스를 줄여 급성 손상과 만성 미세 움직임 손상을 최소화했다.
이처럼 TAB 코팅 신경 장치는 생체 적합성과 기계적 안정성을 동시에 높여, 1년 이상 고해상도 신경 신호 기록을 가능하게 한다. 이를 통해 뇌-기계 인터페이스 (Brain machine interface; BMI), 신경 보철, 신경조절 치료 등 다양한 신경공학 분야에 적합한 차세대 솔루션을 제공한다. TAB 코팅은 장기적이고 안정적인 신경 장치 개발을 위한 유망한 전략으로 평가된다.
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토토사이트 첨단융합학부 및 의과토토사이트 로그인 없이 소속 박성준 교수 및 연구팀(손연주 박사과정)이 연세토토사이트 로그인 없이교 서정목 교수 연구팀 (김태영 박사)과 공동으로 다기능성 유연 신경섬유에 Targeting-specific interaction And Blocking nonspecific adhesion (TAB) 코팅을 적용하여 장기적인 장치 안정성과 신경 신호 기록 품질을 향상시키는 데 성공했다.
기존의 삽입형 신경 인터페이스는 수술 과정에서 신경조직의 손상을 유발하고, 이후 염증과 면역 반응으로 장치 기능이 점차 저하되는 한계를 가지고 있었다. 또한 이를 줄이고자 도입했던 기존의 표면 코팅기술이나 생체분자 활용 전략은 신경세포와의 상호작용을 방해하거나 체내에서 빠르게 분해되는 문제가 있어 장기적으로 신경 인터페이스의 안정성을 확보하는 데 어려움이 있었다.
연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 열 인발 공정을 통해 제작한 다기능성 고분자 기반 섬유 표면에 뇌유래신경영양인자(Brain-Derived Neurotrophic Factor; BDNF)와 윤활층을 결합한 TAB 코팅을 적용했다. TAB 코팅은 신경세포와 성상교세포와의 선택적 상호작용을 촉진하면서, 면역 관련 물질의 비특이적 부착은 차단해 염증 반응과 글리아 캡슐화를 억제한다. 이 섬유는 신경세포와 상호작용하며 신경친화적 환경을 조성하는 데에 기여하는 것으로 나타났다. 연구팀은 in vitro에서 ELISA, Western blot, 세포 형태 분석(cellular morphology)을 통해 이를 확인했고, in vivo에서는 면역조직화학(immunohistochemistry) 및 단일 신경세포 활동(single neuron activity) 분석을 통해 장기적인 신경 기능 유지와 생존을 검증했다. 또한 윤활층은 삽입 시 조직에 가해지는 힘과 스트레스를 줄여 급성 손상과 만성 미세 움직임 손상을 최소화했다.
실제 생체 내 실험 결과, TAB 코팅 섬유는 1년 이상 안정적인 고해상도 신경 신호 기록이 가능했으며, 장치 주변의 신경세포 유지율도 크게 향상됐다. 이 기술은 뇌-기계 인터페이스(BMI), 신경 보철, 신경조절 치료 등 다양한 신경공학 분야에 적용이 가능한 차세대 솔루션으로 평가된다. 연구를 이끈 박성준 교수는 “이번 연구는 신경염증을 완화시킴으로써 신경 장치의 장기적 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 전략을 제시한 사례로, 향후 뇌-기계 인터페이스 및 신경보철 기술 발전에 중요한 발판이 될 것”이라고 말했다.
연구 성과는 세계적 권위의 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 에 게재됐다 (논문명: Bioadaptive Liquid-Infused Multifunctional Fibers for Long-Term Neural Recording via BDNF Stabilization and Enhanced Neural Interaction). 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업 및 보스턴 코리아 공동연구지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
4국제교육프로그램
Bioadaptive Liquid-Infused Multifunctional Fibers for Long-Term Neural Recording via BDNF Stabilization and Enhanced Neural Interaction
Tae Young Kim†, Yeonzu Son†, Keun-Young Yook, Dong Gyu Lee, Young Kim, Seo Jung Kim, Kijun Park, Yurim Lee, Tae Kyung Lee, Justin J. Chung, Congqi Yang, Seongjun Park, Jungmok Seo
(Science Advances, 11, eadz1228 (2025)), https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1228)
TAB(Targeting-specific interaction And Blocking nonspecific adhesion) 코팅을 유연한 신경섬유에 적용함. 이 코팅은 BDNF 결합과 윤활층을 결합해 신경세포와 성상교세포와의 선택적 상호작용을 촉진하고, 비특이적 부착은 차단함. 그 결과, 삽입 후 12개월 이상 단일 유닛 신경 신호를 안정적으로 기록하며 장기적 신호 안정성을 확보함. TAB 코팅 다기능 섬유는 기계적 적합성과 항오염 특성을 갖추어, 생물 시스템과 컴퓨터 시스템을 연결하는 차세대 신경 임플란트로서 혁신적 가능성을 제시함.
4국가지원연구센터
그림. 삽입에 의한 신경염증을 완화시켜 1년 이상 기능 가능한 섬유형 신경 인터페이스 장치의 모식도