성균관대학교(총장 유지범) 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. 
 

▲ 성균관대 신미경 교수, 손동희 교수, 진수빈 석박사통합과정생, 및 최희원 석박사 [사진=성균관대학교]

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. 

그동안 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 로봇재활시스템의 세가지 요소를 통합하여, 하나의 체계적이고 재현 가능한 실험 프로토콜로 정립하였다. 
 

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

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.

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.

글. 우정남 기자 insight1592@gmail.com