우리 대학 연구진, 극심한 근육 손상 회복 위한 차세대 로봇 재활 시스템 제조 프로토콜 보고

- 주사형 전기전도성 보형물과 신축성 자가치유 전극 통합

- 신미경ㆍ손동희 교수 연구진, 재활의료 기술 선도

▲(왼쪽부터) 신미경 교수, 손동희 교수, 진수빈 석박사통합과정생, 및 최희원 석박사통합과정생

글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 및 전자전기공학과 손동희 교수 연구팀은 근조직 재생과 즉각적인 재활을 위한 주입형 전도성 하이드로겔과 신축성 전극의 제조 및 평가방법, 이를 통합한 폐루프 방식의 로봇 재활 시스템의 개발 프로토콜을 세계적인 학술지 네이쳐프로토콜스(Nature Protocols)에 지난 5월 19일 발표했다.

기존 연구에서는 조직 재생용 하이드로겔의 기계적 불안정성과 낮은 전도성으로 인해 조직 간 전기적 신호의 전달이나 생체전자 기기와의 효과적인 인터페이싱이 어려웠고, 이로 인해 실제 기능 회복을 위한 신경·근육 조직의 능동적 재건에는 한계가 있었다. 한편, 재활 분야에서는 생체 신호를 기반으로 한 폐루프(closed-loop) 시스템의 필요성이 대두되었지만, 조직에 안정적으로 부착되며 신호를 주고받을 수 있는 유연하고 자가치유 가능한 전극 소재의 부재로 인해 실시간 피드백 기반의 정밀한 로봇 재활 구현 역시 제한적이었다.

연구팀은 이와 같은 복합적인 한계를 극복하기 위해 전도성 하이드로겔*, 자가치유 신축성 전극**, 폐루프 로봇재활시스템***의 세가지 요소를 통합하여, 하나의 체계적이고 재현 가능한 실험 프로토콜로 정립하였다. 특히 이 프로토콜은 주입형 전도성 하이드로겔, 신축성 자가치유 전극의 개발에 이어 실제 근육 결손 동물 모델에 하이드로겔을 주입한 뒤 생체 신호를 감지하고 이에 따른 로봇 제어까지 이어지는 연속적인 실험 흐름을 포괄하고 있어, 향후 다양한 생체전자 및 조직재생 연구에 참고 가능한 기술적 기반을 제공하였다.

* 전도성 하이드로겔: 전기를 통할 수 있는 성질을 가진 젤 형태의 물질로, 고분자와 물로 이루어진 연성 소재

** 자가치유 신축성 전극: 외부 힘에 의해 손상되었을 때 스스로 전기적 및 구조적 기능을 회복할 수 있는 특성을 가지며, 동시에 잘 늘어나는 성질을 가진 전극

*** 폐루프 로봇 재활 시스템: 사람이나 동물의 몸에서 발생하는 생체 신호를 감지한 후, 그 신호에 맞춰 자극이나 동작을 자동으로 조절하는 방식의 재활 장치

▲ 극심한 근육 손상의 회복에 사용가능한 주사형 조직 보형물 및 신축성 자가치유 전극을 통합한 폐루프 로봇 재활 시스템 구성요소 개발을 위한 실험 절차 개략도

이와 같이, 이러한 통합형 재활 시스템은 근육 재생에 국한되지 않고, 말초신경, 척수, 심장 등 다양한 전기활성 조직의 재생 및 기능 회복 연구에도 적용 가능한 기반 기술로 확장될 수 있어, 향후 생체전자 플랫폼 및 조직 보철제 개발 분야에서 폭넓은 활용이 기대된다.

신미경 교수는 “이번 프로토콜은 조직 손상에 따른 생체신호 변화를 해석하고, 주사로 투여 가능한 하이드로겔을 이용해 기능 회복을 유도할 수 있는 구체적 실험 방법을 제시한 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

손동희 교수는 “바이오소재와 생체전자, 로봇 시스템을 통합한 융합 프로토콜을 통해, 다양한 전기활성 조직(신경, 심근, 척수 등)의 재생 및 인터페이싱 연구가 더 폭넓게 진행되길 기대한다”고 전했다.

※ 논문명:An injectable conductive hydrogel for closed-loop and robot-assisted rehabilitation via stretchable patch-type electrodes

※ 저널명: Nature Protocols

※ 저자명:  신미경, 손동희 (교신저자),  진수빈, 최희원 (제1저자)