△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

29일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 치매 치료제 투여 후 뇌 속 변화 실시간 추적 무선 신경칩, 난임 치료 주사 부담 줄이는 마이크로니들, 누운 채 다리 운동 돕는 재활로봇 등을 개발하는데 성공했다.

한국과학기술원 기계공학과 장경인 교수팀은 최근 대구경북과학기술원(DGIST), 한국뇌연구원(KBRI), 한국생명공학연구원(KRIBB) 연구진과 함께 신경전달물질인 '아세틸콜린'을 감지하는 센서에 빛 자극 소자와 소형 무선 계측 기술을 결합한 이식형 신경칩을 개발했다.

연구팀은 개발한 신경칩을 미니돼지의 판단과 주의, 기억 등 인지 기능에 관여하는 뇌 영역 '전전두피질'에 삽입하고 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호를 무선으로 측정했다. 

실험에서는 약물 투여 후 아세틸콜린 신호가 증가했다가 서서히 회복되는 과정이 관찰됐다. 뇌의 특정 부위에서 일어나는 화학적 반응을 몸 밖에서 연속적으로 확인한 것이다.

연구팀은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 아주 가는 나노선을 결합했다. 구멍이 많은 구조는 아세틸콜린을 감지하는 효소가 넓게 붙도록 돕고 나노선은 효소 반응으로 생긴 물질을 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다.

이 신경칩은 뇌 속 변화를 감지하면서 빛으로 신경세포를 자극할 수도 있다. 연구팀은 별도의 생쥐 실험에서 칩에 내장된 초소형 발광다이오드(LED)로 빛 자극을 주었을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 확인했다.

동물실험에는 공동 연구기관의 전문성이 더해졌다. 한국생명공학연구원은 미니돼지 공급과 수술을, 한국뇌연구원은 생쥐 수술과 실험을 지원했다.

이번 기술은 뇌 질환 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살펴보는 연구에 활용될 수 있다. 약물의 양이나 투여 간격을 바꿨을 때 뇌 속 신경전달물질의 반응이 어떻게 달라지는지 비교하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

뇌의 반응을 확인하며 자극을 조절하는 '폐회로형 신경 인터페이스' 연구에도 기반이 된다. 뇌에 자극을 준 뒤 센서로 변화를 읽고 그 결과에 따라 다음 자극의 세기나 시점을 조절하는 방식이다. 이번 연구는 감지와 빛 자극 기능을 하나의 칩에 담아 이러한 시스템으로 발전할 가능성을 보여줬다.

연세대학교 의과대학 의학공학교실 성학준·조성우·유승은 교수팀은 최근 세브란스병원 산부인과 최영식 교수팀과 함께 한 번 피부에 삽입하면 생식호르몬 두 종류를 필요한 시점에 전달할 수 있는 형상기억 마이크로니들을 개발했다.

연구팀은 온도에 따라 원래 형태로 돌아가는 형상기억고분자를 이용해 약물 방출 방식을 조절할 수 있는 마이크로니들을 개발했다.

마이크로니들 내부 서로 다른 공간에 FSH와 hCG를 각각 넣었다. 피부에 한 번 삽입하면 먼저 FSH가 3일 동안 서서히 방출된다. 이후 원하는 시점에 핫팩 수준의 온열 자극을 가하면 마이크로니들이 내부에 있던 hCG를 방출한다. 마이크로니들 하나에서 호르몬 두 종류를 시간차를 두고 서로 다른 속도로 전달할 수 있도록 했다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 피부 침투와 약물 탑재에 적합하도록 마이크로니들 구조를 최적화했다. 이어 세포·조직 실험을 통해 온도에 따른 형상 변화가 약물 방출을 조절하는 것을 확인했다.

토끼를 이용한 동물실험에서는 마이크로니들을 한 번 삽입해 FSH를 지속적으로 전달한 뒤 정해진 시점에 온열 자극을 가해 hCG를 빠르게 전달하는 데 성공했다. 

반복적으로 호르몬을 주사한 대조군과 비교했을 때 호르몬의 급격한 변화를 완화하면서도 기존 주사요법과 유사한 배란 유도 효과를 나타냈다.

연구팀은 반복 주사에 따른 환자 부담을 줄이고 여러 약물을 순차적으로 전달해야 하는 다양한 치료 분야에 활용할 수 있는 플랫폼 기술로 발전시켜 나갈 계획이다.

광주과학기술원(GIST) AI학과 강지연 교수팀은 최근 옵토닉스, 화순전남대학교병원 연구진과 함께 거동이 불편한 환자가 침상에 누운 상태에서도 하체 근력을 효과적으로 단련할 수 있도록 맞춤형 침상 재활로봇 '필라테스봇(Pilates-Bot)'을 개발했다.

연구진은 환자를 무겁고 거대한 재활 장비로 무리하게 옮기는 기존 방식 대신 재활로봇을 환자가 머무는 침상 곁으로 손쉽게 이동시키는 혁신적 발상 전환을 이뤄냈다.

환자의 다리에 직접 체결되는 부품의 무게를 획기적으로 덜어내기 위해 중량감이 큰 모터 구동부는 침대 외곽 프레임에 배치하고 가벼운 와이어로 동력을 전달하는 특수 '케이블 구동 방식'을 기기에 접목했다.

이동형 바퀴가 장착된 모듈형 프레임 구조를 채택해 병실 침대 주변에 자유롭게 배치할 수 있도록 설계했으며 다리 보조기와 견인 케이블을 간편하게 탈부착할 수 있어 치료 준비 시간을 대폭 단축시켰다.

사용자의 체형과 관절 가동 범위에 맞춰 다리를 상하로 들어 올리거나 좌우로 벌리는 운동 경로를 정밀하게 설정하고 동작별로 요구되는 부하 강도를 세밀하게 제어하는 기술이 이번 장비의 핵심 경쟁력이다.

연구팀은 환자가 목표 궤적을 스스로 추종하기 힘들어할 때만 필요한 만큼의 힘을 보조하고, 스스로 힘을 낼 수 있는 구간에서는 역방향 저항을 가해 자발적 근육 활성화를 이끌어내는 맞춤형 'ARAN(Assist–Resist-as-Needed)' 제어 기술을 완성했다.

실제 건강한 성인 8명을 대상으로 진행한 동작 제약 비교 실험에서 ARAN 제어 알고리즘을 적용한 결과 기존의 보조 일변도 방식 대비 근육 전기적 활성 신호가 무려 73%나 대폭 향상되는 임상적 결과를 거뒀다.

로봇이 환자의 능동적 근육 수축을 유도하기 위해 역방향으로 전달하는 저항력 역시 기존 대비 3.5배나 높게 측정됐으며 이 과정에서 목표 관절 각도와 동작의 정확도는 정밀하게 유지됐다.

환자가 천장을 바라보며 누운 상태에서도 운동 궤적과 수행 현황을 한눈에 확인할 수 있는 디스플레이를 내장해 운동 선택과 기기 이상 점검, 누적 운동 데이터를 직관적으로 파악하도록 지원한다.

상단에 부착된 비전 카메라로 환자의 운동 자세를 실시간 모니터링하며 향후 인공지능(AI)이 비정상 자세를 실시간 분석해 올바른 교정 피드백을 전달하는 보조 소프트웨어 고도화도 속도감 있게 진행하고 있다.

연구팀은 실제 사용자의 요구를 충실히 반영해 병원과 지역사회 돌봄 현장에서 널리 쓰일 수 있도록 완성도를 끌어올리겠다는 계획이다.

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