△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

26일 의학계 등에 따르면 국내 연구진이 사용할수록 더 강해지는 인공 관절용 신소재, 심혈관질환 모니터링, 치료 가능한 생분해 스캐폴드, 바이오 센서용 전개형 전자장치 등을 개발하는데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 강성훈 교수팀은 최근 미국 존스홉킨스대학, 조지아 공과대학 연구팀과 함께 우리 몸속 뼈가 하중을 받으면 세포 작용으로 미네랄을 합성해 골밀도를 증가시키는 원리에서 영감을 얻어 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발했다.

연구팀은 힘을 많이 가할수록 전하를 더 많이 생성하는 다공성 압전 소재(힘을 전기로 변환하는 소재)로 바탕재를 만든 뒤 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣어 복합재료를 합성했다.

재료에 주기적인 힘을 가한 후 물성 변화를 측정한 결과, 응력(외력에 의해 변형된 물체 안에서 발생하는 힘)의 빈도와 크기에 비례해 재료의 강성이 향상된 것으로 나타났다.

연구팀은 마이크로 CT 촬영을 통해 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 안에 미네랄이 형성되고 힘이 가해지면 미네랄이 파괴되면서 에너지를 흩어지게 하는 모습을 확인했다. 다시 응력을 가하면 미네랄이 형성되는 과정이 반복된다.

기존 재료들이 반복적으로 사용할수록 강성이 감소하는 것과 달리 사용할수록 오히려 강성과 충격 흡수 능력이 향상됐으며 가해지는 응력의 크기와 빈도에 비례해 기계적 물성의 자가 조정이 가능하다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 기술이 인공 관절은 물론 항공기, 선박, 자동차 등 다양한 분야에 원리를 응용할 수 있을 것으로 기대했다.

한국생산기술연구원 에너지나노그룹 김동수 박사팀은 최근 전남대 심혈관 RLRC센터 이동원 교수팀과 3D 프린팅 기술을 활용해 심혈관질환 치료는 물론 모니터링까지 가능한 '스마트 하이브리드 혈관 스캐폴드(SH-BVS)'를 개발했다.

연구팀은 3D 프린팅을 이용해 기존 '폴리락틱애씨드'(PLA) 단일 소재로 된 스캐폴드의 한계를 극복한 복합구조체를 구현했다.

PLA는 높은 인장 강도(끊어질 때까지 잡아당기는 힘)와 경도(단단함)를 지녀 혈관 확장 시 기계적인 지지를 제공할 수 있지만, 혈관의 수축·이완을 도울 유연성이 부족하다.

연구팀은 탄성률(변형 후 원래 형태로 복원되는 특성)이 높고 녹는점이 낮아 체온에서도 유연한 특성을 유지할 수 있는 생분해성 고분자 '폴리카프로락톤'(PCL)을 도입, 강도와 유연성을 동시에 확보했다.

실험 결과 단일 PLA 소재 스캐폴드는 60도의 굽힘에서 파손됐지만, 연구팀이 개발한 SH-BVS는 180도까지 굽힌 후에도 거의 완벽하게 복원됐다.

연구팀은 또 SH-BVS에 인덕터와 커패시터로 구성된 압력 센서를 통합 설계, 혈관 내 압력 변화를 실시간 모니터링할 수 있도록 했다.

전력 공급 없이도 센서를 이용해 압력 변화를 감지할 수 있으며 혈관 재협착 여부를 조기에 진단할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 스캐폴드를 단순한 물리적 지지 장치가 아닌 실시간 건강 모니터링이 가능한 스마트 의료 기기로 활용할 수 있을 것이라고 내다봤다.

아주대학교 기계공학과 한승용 교수팀은 최근 인체 삽입형 바이오 센서 제작 등에 활용할 수 있는 전개형 전자장치 개발했다.

전개형 전자장치란 공간 활용도를 극대화하기 위해 평소에는 작게 구기거나 접어서 보관하다가 필요할 때 펼쳐 사용할 수 있는 기기를 뜻한다.

이 장치는 접히거나 구겨지는 부분에서의 전도성을 일정하게 유지하기 어렵다는 점과 반복적으로 접었다가 펴면서 발생하는 내구성 문제 등이 한계로 지적돼왔다.

특히 유연성이 좋으면서도 인장강도(재료의 세기를 나타내는 힘)가 높은 장치를 만들기가 어려워 한계를 극복하기 위한 연구가 이어졌다.

이에 아주대 기계공학과 자연모사실험실 연구진은 생명력이 강하고 쉽게 상처를 입지 않는 식물 질경이의 잎맥 구조에 영감을 얻어 고강도 섬유 케블라를 새로운 전자 복합소재에 적용했다.

연구팀은 중립면 이론(Neutral Plane Theory)과 변형공학을 토대로 전자 복합소재를 설계해 케블라 섬유를 이에 내장했다.

연구팀은 이렇게 개발한 새로운 소재가 75만 회 이상의 반복적 구김 및 접힘과, 소재의 무게 대비 6667배 이상의 하중을 견뎌내며 기계적, 전기적 안정성을 유지했다는 사실을 확인했다고 밝혔다.

이는 기존 소재들과 비교할 때 약 15배 이상의 접힘 내성과 2배 이상의 인장강도를 보인 것이라고 덧붙였다.

또 연구팀은 해당 소재를 활용할 경우 전자장치의 구겨지거나 접히는 면에서의 전도성도 일정하게 유지됐다고 부연했다.

연구팀은 새로 개발된 소재가 향후 인체 삽입형 바이오 센서 제작 등 여러 분야에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상했다.

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• 강찬우 기자
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