연구팀(왼쪽부터 KAIST 김승환 박사, 창원대 오용석 교수, 고려대 구자현 교수, KAIST 박인규 교수) 사진 [박광준 기자] 창원대학교(총장 이호영) 기계공학부는 오용석 교수 연구팀이 KAIST 기계공학과 박인규 교수 연구팀, 고려대학교 구자현 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 ’신경의 온도와 변형에 대한 연속적인 모니터링 기술‘을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 

김승환 박사(현 삼성전자 반도체 사업부, 전 KAIST 기계공학과)와 오용석 교수가 제1저자로 참여하고, 박인규 교수와 구자현 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘스몰(Small, 2023 impact factor 15.153)의 2023년 4월 17일 자 온라인판에 게재됐다. 논문명은 ’Battery-Free, Wireless, Cuff-Type, Multimodal Physical Sensor for Continuous Temperature and Strain Monitoring of Nerve‘이다.

연구팀에 의하면 외상이나 반복적인 압박으로 인한 말초신경 손상은 환자에게 운동 및 감각 기능의 저하를 초래하고, 이로 인해 상당한 생활의 불편과 많은 치료비용이 발생된다. 이러한 손상은 신경의 기능 회복과 재생을 위해 수술적 치료가 필요하고, 심각한 손상과 재생의 지연은 신경의 완전한 기능 회복을 저해하고, 영구적인 장애를 유발한다. 

손상된 신경에서 물리적 또는 생리적 신호의 정확한 측정은 기능적 회복의 적절한 평가와 즉각적인 치료 기준 제공뿐만 아니라 신경 세포 생성 메커니즘을 이해하고 의료 프로토콜을 안내하는 데 중요하다고 알려져 있다. 

생리적 신호 측정의 전통적인 방법으로는 H2 폴로그라피, 레이저 도플러 유속계, 그리고 조직학적 분석이 있으나 복잡하고 시간이 많이 소요되며, 고도로 훈련된 기술자가 필요하고 측정 과정에서 신경에 이차적인 손상을 유발할 수 있다는 단점이 있다. 또한 수술 중인 신경 모니터링 응용 기술에서 요구하는 연속적, 실시간, 장기적인 방법으로의 활용에 제한이 있었다. 

최근에 보고된 부드럽고 얇은 이식 가능한 센서들은 지속적인 체내 신경 모니터링에 물리적 파라미터(혈류, 변형, 압력, 온도, pH 등)의 측정을 통한 신경 재생 모니터링에 사용하여, 완전한 신경 재생을 유도할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 무선 플랫폼과의 통합으로 무선 전원 공급과 데이터 통신이 가능해져 다양한 이식 가능한 의료 응용분야에서 실시간 모니터링을 가능할 수 있다. 

하지만 현재 스마트헬스케어 분야에 널리 사용하고 있는 블루투스 기반의 무선 플랫폼은 배터리와 피부를 관통하는 와이어를 포함하므로 동물의 움직임을 제한하고 스트레스를 유발할 수 있다. 반면 근거리 무선 플랫폼의 사용은 배터리가 없이 작동 가능하게 해 임플란터블 장치를 작고 얇은 형태가 가능하게 하며, 움직임의 자유를 제공해 감염 위험을 줄일 수 있기 때문에 생체삽입형 박막센서로 기대가 크다.

배터리-프리·무선 플랫폼의 개략도 사진 창원대 오용석 교수와 KAIST 박인규 교수 연구팀, 고려대 구자현 교수 연구팀은 신경의 온도와 변형에 대한 연속적인 모니터링을 위한 배터리 없는 무선, 이식 가능한 멀티모달 물리 센싱 플랫폼을 개발했다. 이는 손상된 신경의 지속적인 체내 모니터링을 위한 것으로 멀티모달 센서는 신경 주변을 감싸고, 신경 표면에 균일하게 접촉해 온도와 변형을 지속적으로 측정이 가능하게 한다. 

특히 온도와 변형 감지 기능이 우수하고 높은 신호 안정성과 선형성을 보이며, 관련 측정 범위에 대해서 이력현상이나 드리프트 없이 표시된다. 다기능 센서의 기하학적 및 전기적 설계를 통합함으로써 상호 간섭 없이 여러 자극을 독립적으로 구별할 수 있다. 

배터리 없는 무선 장치 구성은 전체 시스템을 가볍고 간단하게 하며, 자유로운 움직임을 방해하지 않고 완전히 이식 가능하게 할 수 있다. 손상된 신경에 대한 지속적인 체내 온도와 변형 측정은 센서 시스템의 유효성, 생체적합성, 안정성을 입증한다. 

창원대 기계공학부 스마트제조융합 전공, BK21 교육연구단 소속 오용석 교수는 “이 연구는 배터리 없이, 무선으로 동작하는 부드러운 커프형 센서를 이용해 체내에서 신경의 온도와 변형을 연속적으로 모니터링할 수 있는 센싱 플랫폼을 제안하며, 향후 손상된 신경의 기능 회복 메커니즘에 대한 이해에 활용될 수 있으며 장치를 생체 흡수 가능한 소재로 교체해 장치제거를 위한 2차 수술이 필요 없게 할 수도 있다. 

또한 이러한 기술은 무선 전기, 옵토지네틱, 약물 자극 기술과 함께 손상된 신경의 기능 회복 및 재생과 관련된 알고리즘 또는 임계치를 정의하는 정량적 근거를 제공하는데 활용할 수 있다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구사업과 신진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.