△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 신개념 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

18일 의학계 등에 따르면 국내 연구진이 빛과 소리(처음파)를 동시에 같은 방향으로 통과시키는 '투명 초음파 트랜스듀서(TUT)' 제작 기술, 세균막 발생 차단 인체 삽입협 의료기기 소재, 당뇨발 실시간 진단 '스마트 드레싱 패치' 등을 개발하는데 성공했다.

포항공과대학교(POSTECH) 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수팀은 최근 경북대학교 의생명융합공학과·첨단바이오융합학과·바이오융합연구원 박정우 교수팀과 함께 빛과 초음파를 하나의 경로로 정밀하게 통합하는 투명 초음파 트랜스듀서 개발 기술을 체계화했다.

트랜스듀서는 전기 신호를 초음파로 바꾼 뒤 다시 영상 신호로 변환하는 등 에너지의 형태를 바꿔주는 장치다. 병원 초음파 검사기기의 핵심 부품 역시 트랜스듀서다.

특히 최근 바이오메디컬 분야에서는 이와 관련해 초음파와 광학 기술을 결합하려는 연구가 활발하다. 초음파는 몸 깊숙한 곳을 볼 수 있고 빛은 세포·혈관 같은 미세 구조를 선명하게 관찰하는 데 강점이 있기 때문에 두 기술을 함께 쓰면 더 정밀한 진단과 치료가 가능해진다.

하지만 기존 초음파 트랜스듀서는 불투명해 빛을 통과시킬 수 없다는 문제가 있었다.

이 때문에 광학 장치와 초음파 센서를 따로 배치해야 했고 이로 인해 장비가 커지거나 영상 정렬 정확도가 떨어지는 한계가 있었다. 특히 웨어러블 기기나 초소형 내시경 개발에 큰 제약으로 작용했다.

연구팀이 개발한 투명 초음파 트랜스듀서는 빛과 초음파를 하나의 축에서 동시에 전달할 수 있다.

기존에는 카메라와 초음파 센서가 서로 비켜 비스듬히 배치됐다면 이제는 하나의 투명 장치를 통해 같은 위치를 동시에 관찰할 수 있게 된 것이다.

연구팀은 기술 개발에서 더 나아가 제작 표준 프로토콜도 함께 공개했다. 재료 선택부터 설계·전극 제작·성능 검증까지 전 과정을 단계별로 정리했으며 관련 연구 경험이 있는 연구자라면 약 3주 안에 제작과 검증을 마칠 수 있도록 구성했다.

연구팀은 이번 기술이 웨어러블 헬스케어 기기·초소형 내시경·실시간 영상 유도 치료 시스템 등에 활용될 것으로 기대하고 있다.

암 진단·치료, 혈관 모니터링, 생체신호 분석 등 빛과 초음파를 동시에 활용하는 정밀 의료 분야 발전에도 도움이 될 전망이다.

연구팀은 연구자들이 응용 목적에 맞는 투명 초음파 트랜스듀서를 체계적으로 설계·제작하고 성능까지 검증할 수 있어 향후 다양한 바이오 이미징 및 치료 융합기술 개발에 기여할 것으로 기대했다.

연세대 의과대학 의학공학교실 성학준·이강석·김요한 교수팀은 최근 의생명과학부 조성우 교수, 충남대학교 수의외과학 김대현 교수와 함께 몸 안에 심는 의료기기에 세균 부착을 막는 소재를 만들었다.

연구팀은 약물이나 코팅 없이 소재 특성을 활용해 세균 부착을 저해하는 항바이오필름 플랫폼을 구현했다.

연구팀은 온도에 반응해 초기 설계한 형상대로 복원하는 형상기억고분자(Shape Memory Polymer, SMP)를 활용했다.

연구진이 개발한 형상기억고분자는 의료기기로 적용하기 위해 반응온도를 체온에 맞게 설계했다.

형상기억고분자는 고분자 사슬이 규칙적으로 배열된 결정상과 사슬의 운동성이 자유로운 비정질상이 공존하는 구조적 특징을 지닌다.

형상기억고분자 내에 결정들은 반응온도인 체온에서 반복적인 형상 변형, 회복에 의해 점차 균일하고 정렬된 결정으로 재배열한다. 표면에 촘촘한 결정 영역이 형성돼 세균 부착을 억제한다.

표면 결정 틈이 세균 크기(0.5~5마이크로미터)보다 작게 줄어들어 세균이 물리적으로 붙을 수 없는 환경이 조성했다. 고분자가 체온에서 반응하는 만큼 사람이 움직이면 자연스럽게 표면 밀도를 높이는 전략이다.

대장균, 황색포도상구균, 녹농균 등 바이오필름을 유발하는 주요 세균을 대상으로 진행한 실험에서 고분자에 움직임을 가할수록 세균 부착량이 급격히 감소했다. 또 실제 담도를 고분자 플랫폼으로 교체한 동물 실험을 실시한 결과 1년간 바이오필름 현상이나 다른 장기에 협착하는 부작용이 없었다.

연구팀은 대부분의 삽입형 의료기기에서 대두되는 바이오필름 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술로 활용될 것으로 기대했다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규 석좌교수팀은 최근 한밭대 하지환 교수, 한국기계연구원 정준호 연구원, 미국 캘리포니아공과대 웨이 가오 교수와 함께 여러 생체 정보를 동시에 측정할 수 있는 광전자(빛과 전기 신호를 함께 활용하는 기술) 센서와 기능성 드레싱을 결합한 '무선·무전원 기반 광전자 다중 모달 센서 패치'를 개발했다.

상처 부위의 포도당 농도, 산성도(pH·수소 이온 농도를 나타내는 지표), 온도 변화 등을 실시간으로 분석할 수 있으며, 환자 스스로 스마트폰으로 상태를 확인할 수 있다.

연구팀은 전기장을 이용해 머리카락보다 훨씬 가는 섬유를 만드는 전기방사 공법으로 기능성 나노섬유 드레싱을 제작했다. 이 드레싱은 당뇨발 환부에서 나타나는 포도당 증가와 산성도 변화에 반응해 색상이 변한다.

즉, 상처 상태가 악화하면 드레싱 색이 달라져 위험 신호를 육안으로도 쉽게 확인할 수 있는 것이다. 이를 통해 조직 괴사로 이어질 수 있는 이상 징후를 비침습적(피부를 절개하거나 채혈하지 않는 방식)으로 감지하고 장기간 추적 관찰할 수 있다.

연구팀은 여기에 광전자 시스템을 결합해 진단 정확도를 높였다.

패치에 내장된 유기발광다이오드(LED·전기를 빛으로 바꾸는 반도체 소자)와 빛을 감지하는 반도체 센서인 포토다이오드가 드레싱의 색 변화를 빛의 반사율로 측정한 뒤 이를 전기 신호로 변환한다.

이는 일반 카메라 촬영 방식보다 주변 조명 변화 영향을 덜 받아 더욱 정확하고 안정적인 데이터를 제공한다고 연구팀은 설명했다.

특히 해당 패치는 근거리무선통신(NFC·짧은 거리에서 데이터를 주고받는 무선 통신 기술) 기반 유연 회로를 적용해 별도의 배터리 없이 작동한다.

스마트폰을 센서 가까이 대면 무선으로 전력을 공급받아 작동하며, 측정된 데이터를 실시간으로 전송한다. 환자와 의료진은 별도의 복잡한 장비 없이 스마트폰 앱만으로 상처 상태를 즉시 확인하고 대응할 수 있다.

연구팀은 이번 기술이 향후 당뇨뿐만 아니라 다양한 만성질환의 무채혈 진단 기술로 확장될 수 있는 핵심 원천기술이 될 것으로 내다봤다.

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#투명초음파#세균막#드레싱