최신 기술을 적용한 체내 삽입형 의료기기가 개발돼 상용화 가능성을 높이고 있다.

26일 업계에 따르면 국내 연구진이 압전 소자 기반 고성능 에너지 하베스터, OLED 기반 카테터 등을 개발하는데 성공했다.

먼저 국내 연구진이 인체 삽입형 의료기기의 배터리를 초음파로 무선 충전할 수 있는 압전 소자 기반 고성능 에너지 하베스터를 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수팀은 세계 최초로 30mAh 배터리를 무선 충전으로 1시간 20분 내에 완충이 가능한 기술을 개발, 향후 다기능 삽입형 의료용 전자기기 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

최근 고령화, 사고 및 질병 등으로 신체 및 장기 기능에 발생한 장애를 극복하기 위해 인체 삽입형 의료기기에 대한 수요가 증가하고 있으나 의료기기 동작에 필수인 배터리 충전기술의 한계로 인해 기기의 활용 분야와 효용성이 제한적이다.

특히 환자의 상태가 나쁠수록 인체 삽입형 의료기기에 대한 활용 의존도가 높아져 기기 사용 빈도와 전력량이 증가하는데, 이로 인해 배터리 교체를 위한 수술이 빈번해지면 신체적, 정신적 부담과 수술로 인한 경제적 문제를 환자가 짊어지게 된다.

이를 해결하기 위해 최근 수술 없이 인체 내 의료기기에 부착된 배터리를 초음파를 활용해 무선으로 빠르게 충전할 수 있는 고성능 무선 전력 전송 기술 개발을 위한 연구가 진행되고 있다.

주로 내부 구조 마찰을 통해 에너지를 생성하는 '마찰 전기 발전기 방식'과 압력을 가해 전기를 생성하는 '압전 발전기 방식'이 활용되는데, 이 중 비교적 일정한 에너지를 생성하고 초음파 무선 전력 수신기의 소형화가 쉬운 압전 발전기 방식이 인체 삽입형 의료기기를 위한 배터리 충전에 적합하다.

그러나 대부분 수신 압전 발전기의 소재와 구조에 관한 연구만 집중하고 있어서, 송신 초음파에 의해 형성되는 음장의 형태와 압전 발전기 크기 및 모양의 최적화가 미흡해 발전으로 생성되는 전력이 매우 작아 상용 배터리를 빠르게 완충하기 어려운 한계가 존재했다.

연구팀은 이론적 해석과 실험을 수행해 초음파 기반 고효율 에너지 변환 송수신기 제작을 위한 최적의 조건을 발견했다.

연구팀은 가능한 넓은 영역에 초음파가 집중적으로 모이도록 설계해 송신기를 만들고 송신한 초음파의 에너지가 주로 모이는 영역과 크기가 동일한 직사각형 형태의 수신기를 제작했다.

30mAh 상용 배터리를 대상으로 무선 충전 송신기와 수신기 사이에 50mm의 간격을 두어 실험을 진행한 결과, 배터리의 완충까지 물에서는 1시간 20분, 생체조직에서는 1시간 50분이 소요됐다.

이 연구 결과는 현재까지 발표된 초음파 기반 무선 전력 전송 기술 대비 최소 6.6배의 단위면적당 전력 생성 효율을 보여주며, 송수신기 사이의 거리가 50mm 떨어져 있을 때 30mAh의 상용 배터리를 완충하는 실험 결과는 아직까지 보고된 적이 없기에 세계 최고 수준의 성과로 평가할 수 있다.

장 교수는 "이번 연구로 무선 전력 전송 분야의 원천적 문제를 초음파 전문가의 시각에서 접근해 해결할 수 있는 이론적 근거를 마련할 수 있었다"며 "향후 고효율 전력 반도체와 배터리 제어 반도체 등을 개발할 수 있는 반도체 전문가와 협업을 통해 상용 배터리를 1시간 안에 완충할 수 있는 초음파 기반 고성능 무선 전력 전송 시스템을 개발하고, 상용화까지 추진하고자 한다"고 말했다.

이어 국내 연구진이 유기발광다이오드(OLED) 기반 카테터를 구현해 빛 치료법을 체내 장기에도 적용할 수 있는 길을 열었다.

한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 유승협 교수팀이 서울아산병원 소화기내과 박도현 교수팀과 함께 안정적이면서 수분 환경에서도 잘 동작할 수 있는 초박막 유연 OLED를 개발하는데 성공한 것이다.

연구팀은 이어 원통형 구조 위를 감싸는 형태로 전 방향으로 균일한 빛을 방출하는 OLED 카테터를 구현했다.

의료용 카테터는 약물 주입·혈액 배액 등 치료·진단기기 역할을 하는 고무 또는 금속 재질의 가는 관을 뜻한다.

연구팀은 OLED 카테터 플랫폼을 통해 제2형 당뇨병 쥐 모델을 대상으로 동물실험을 진행했다.

십이지장에 총 798 밀리 줄(MJ·에너지 단위)의 빛 에너지가 전달된 실험군은 대조군에 비해 혈당 감소와 인슐린 저항성이 줄어드는 추세를 확인했다.

또 간 섬유화 저감 등 기타 의학적 개선 효과도 확인했는데 이는 체내에 OLED 소자를 삽입해 빛 치료를 진행한 세계 최초 결과라고 연구팀은 설명했다.

박도현 교수는 "십이지장 내 OLED 광 조사가 장내 마이크로바이옴에 영향을 줘 장내 유익균이 증가하고 유해균은 감소해 제2형 당뇨병의 혈당 개선, 인슐린 저항성 감소, 간 섬유화 억제를 일으키는 것으로 보인다"며 "OLED의 이상적 광 특성을 활용해 인체 내에서 빛 치료 가능성을 본 연구"라고 말했다.

국내 연구진이 세계 최초로 다중층 약물방출 생분해성 소화기계 스텐트를 개발했다.

차의과학대학교 분당차병원(원장 윤상욱) 원내 소화기내과 권창일 교수는 한국섬유개발연구원(원장 호요승) 손준식 박사, 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 정윤기 책임연구원, 이주로 연구원, 엠아이텍(대표 곽재오) 김규석 수석연구원팀과 함께 세계 최초로 체내에서 사라지는 다중층 약물방출 생분해성 소화기계 스텐트를 개발했다.

기존 소화기계 플라스틱 스텐트는 내경이 작아 빨리 막히는 단점이 있다.

금속 스텐트는 확장력이 우수해 장기간 사용이 가능하지만 제거가 불가능하거나 추가 시술로 제거해야 한다.

이를 보완하기 위해 체내 삽입 후 체내에서 생분해되는 스텐트 개발이 15여년 간 진행되고 있지만 협착 완화를 위한 확장력 구현이 어려운 한계가 있었다.

또 체내 생분해 과정에서 필라멘트가 얇아지기 전에 부러져 스텐트 형태가 변형되는 문제들로 인해 급성 담도 폐쇄에 의한 패혈증과 같은 생명을 위협하는 합병증을 유발할 수도 있다.

이에 연구팀은 기존 소화기계 스텐트들이 가지고 있는 문제점과 생분해성 스텐트의 한계를 극복하기 위해 필라멘트 중심부에 생분해 기간이 오래 유지되는 물질을 삽입, 생분해 기간을 달리하는 이중층 기술(sheath-core 형태)과 최대 길이로 얇고 강하게 만드는 고도의 기술을 적용해 스텐트의 체내 팽창 유지력을 극대화는데 성공했다.

이를 토대로 2020년 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 중 소화기계 고기능성 스텐트 연구과제에 선정돼 약물방출 생분해성 스텐트 연구를 진행했다.

이번 스텐트에는 한국섬유개발연구원이 개발한 생분해 기간을 완벽히 제어할 수 있는 섬유를 사용해 기존 제품들이 극복하지 못한 장기간의 지속적 약물 방출을 실현했다.

한국과학기술연구원은 스텐트의 생분해기간 동안 필라멘트 안에 체내에서 서서히 방출할 수 있는 약물을 담지해 약물의 미세 검출 및 체외 약동학을 연구해 약물방출 조절기술을 개발했다.

이번 연구에서 개발된 제품은 국산 소화기계 스텐트의 글로벌 수출에 크게 기여할 것으로 기대된다.

권창일 교수는 "기존의 생분해성 소화기계 스텐트의 난제를 극복해 세계 최초로 다중층으로 약물 탐지를 실현했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "자가 팽창형 약물 방출 생분해성 스텐트를 통해 환자들의 치료 효과를 극대화하고 합병증을 예방하는 것은 물론 한국 의료 기술의 우수성을 세계적으로 알리는데 최선을 다하겠다"고 말했다.

그는 이어 "올해 안에 식약처 허가를 위한 임상연구를 진행해 양성과 악성 협착에 의한 소화기계 폐색 및 비뇨기계 폐색, 외과 수술 후 협착 예방 등 다양한 분야의 스텐트 치료에 적용된다면 스텐트 패러다임을 완전히 변화시킬 것"이라고 덧붙였다.