고령화 사회로 접어들면서 치매, 파킨슨병과 같은 뇌 질환 환자가 빠르게 증가해 의료와 복지의 중요한 과제로 떠오르고 있다. 

뇌 질환을 제대로 이해하고 치료하기 위해서는 뇌 속 신경세포가 주고받는 전기 신호를 오랫동안 관찰해야 한다. 하지만 기존 전극은 삽입 후에 한 달이 지나면 염증과 흉터로 인해 신호가 흐려져 장기적인 연구와 치료 적용에 큰 제약이 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 뇌융합연구단 성혜정 박사팀은 서울대학교(총장 유홍림) 박성준 교수팀과 공동으로 뇌에 삽입하는 전극의 수명을 기존 1개월에서 3개월 이상으로 늘린 획기적인 코팅 기술을 개발했다고 밝혔다. 

이번 성과는 뇌 신호를 장기간 안정적으로 기록할 수 있는 기반을 마련해 뇌과학 연구와 임상 적용의 활용 범위를 크게 넓힐 것으로 기대된다.
 

▲ 유연 뇌전극 표면 개질을 위한 광개시제를 이용한 화학 기상 증착법 (piCVD) 적용 모식도 [사진=KIST]

연구팀은 기존의 딱딱한 실리콘 대신 유연한 플라스틱을 사용해 뇌 조직 손상을 줄이고 전극 표면에 100나노미터(nm, 10억분의 1m) 두께의 특수 코팅을 적용해 내구성을 높였다. 머리카락 굵기 정도의 수준으로 매우 가는 이 전극은 뇌 신경세포 활동을 실시간으로 기록할 뿐 아니라 약물 전달도 가능하다. 

특히, 코팅은 뇌척수액과 만나면 부풀어 올라 단백질과 면역세포의 부착을 막음으로써 염증과 흉터 생성을 억제하고 전극과 신경세포 간 접촉을 장기간 안정적으로 유지하도록 한다.

생쥐 실험을 통해 새 전극은 기존 전극보다 염증 반응을 60% 이상 줄이고 신경세포 생존율은 85% 높이는 것을 확인했다. 또한, 시간이 지날수록 뇌 신호의 선명도를 나타내는 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)가 개선돼 장기간 안정적이고 신뢰성 있는 뇌 신호 측정이 가능함을 입증했다. 

이는 뇌 질환 연구와 뇌 신호 기술 개발에 실질적인 활용 가능성을 보여준다.

이번 기술은 치매, 파킨슨병 등 퇴행성 뇌 질환을 장기간 추적 연구할 수 있는 발판을 제공하는 동시에 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 상용화에도 기여할 수 있다. 

더 나아가 심장 스텐트, 인공관절 등 다양한 이식형 의료기기의 안정성과 성능을 높일 수 있어 의료기기 산업 전반에도 파급효과가 클 것으로 기대된다. 

연구팀은 후속 연구를 통해 재활 모니터링, 정신건강 관리, 뇌질환 진단 등 뇌 삽입 전극의 응용성을 평가하고 다양한 이식형 의료기기에 코팅 기술을 확대 적용해 산업적 가치를 높여갈 예정이다.
 

▲ 뇌전극 코팅 전-후의 뇌조직염색 결과 차이 비교 분석 [사진=KIST]

KIST 성혜정 박사는 “이번 연구는 기존 전극의 수명 문제를 근본적으로 개선해 장기간 안정적인 신경 신호 확보가 가능해졌다는 점에서 의미가 크다”라고 밝혔다. 서울대 박성준 교수는 “새로운 전극 기술은 뇌 연구뿐 아니라 다양한 신경질환 치료법 개발에도 중요한 토대가 될 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 배경훈)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구, 중견연구, 보스턴-코리아 프로젝트로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Biomaterials」에 게재됐다.

글. 우정남 기자 insight1592@gmail.com