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지속 가능한 무잔류 생체 전자 인터페이스새로운 패치형 웨어러블 디바이스

•  하이브리드 멀티스케일 미세구조 기반 생체 내 역동적인 움직임과 수분 환경에서도 고점착 상태를 유지하면서, 탈착 시 화학적 잔류물이 없는 생체친화성 전자 패치 소재를 개발했습니다.

• 체내 장기뿐만 아니라 피부 등의 인체 내외 조직의 상처 봉합, 지혈을 위한 바이오 점착제로 활용할 수 있습니다. 또한, 신축성 바이오 전극과 결합 시 근육, 뇌 및 인간 피부에 이르는 다양한 조직에서 생성되는 전기 생리학적 신호들 (심전도, 근전도, 뇌전도 등)에 대해 장기간 신뢰할 수 있는 측정이 가능한 것을 확인했습니다.

  
  

핵심 기술

• 물리적 힘인 정전기 (수소 결합)를 활용하여 인터페이스와 조직 사이의 상호 작용을 향상시키고, 더 강력한 점착을 가능하게 합니다. 이를 통해 인터페이스는 조직에 안정적으로 고정되며, 생체전자 기기의 신뢰성이 높아집니다.

• 기계적 특성 (*모세관력 및 *음압)을 활용하여 내구성을 향상시킵니다. 이는 인터페이스가 조직과의 상호 작용에 대해 더 효율적으로 대응할 수 있도록 도와줍니다. 또한, 이러한 특성은 재사용이 가능하고 친환경적인 솔루션을 제공합니다.

* 모세관력: 액체 응집력과 표면-액체 사이의 부착력에 의해 발생하는 힘

* 음압: 물체 내부가 외부와 단절되어 있을 때, 물체 내부 기압의 감소로 인해 나타나는 외부기압과 압력 차이로

흡입력이라고도 함

패치 제형

• *능선 표면에 볼록한 컵들이 있는 선형 미세 패턴과 향상된 습식 점착 성능을 위해 채널들 내부에 내장된 나노 다공성 하이드로겔로 구성됩니다.

• 문어 빨판의 모양과 청개구리 발바닥 구조에서 영감을 받아 개발했습니다. 이것은 탈착 시 화학적 잔류물이 없는 청정 점착 시스템이며, 나노 다공성 하이드로겔 팽창 특성을 활용하여 장기 표면에 부착을 강화합니다.

* 능선 (Ridge): 길쭉하게 솟은 부분

기술 응용 분야

• 피부, 장기 등과 같이 건습식 환경의 인체 표면에서 안정적으로 부착될 수 있는 바이오 점착 소재로 활용할 수 있다는 장점을 이용하여 신축성 전자 소자 패치로 결합해 다양한 장기 표면에서 안정적으로 생체 신호를 측정할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 장기간 모니터링이 가능한 다중감각 인터페이스 시스템에 적용될 수 있을 것을 기대됩니다.

* Peripheral Nervous System: 말초 신경계

* Electroneurogram (ENG): 신경 전도

* Peripheral Nervous System: 말초 신경계

* Central Nervous System: 중추 신경계

* Muscular System: 근육계

* Electromyogram (EMG): 근전도

효과

1) 형태

• 다양한 조직 표면에서 4가지 다른 형태를 가진 점착제의 점착 성능을 평가했습니다: Octopus (Octo)-line+polyacrylamide (PAAm), Octo-line, Hydrogel flat, PDMS flat.

• 그 결과 Octo-line+PAAm 패치가 가장 높은 점착 강도를 보였으며, 이는 생물학적 영감을 받은 다중 구조가 흡착력이 높다는 것을 알 수 있습니다.

  
  

2) 잔류물

• 화학적 점착제 (Acrylic-based adhesive, 기 상용화된 제품)와 생체친화성 점착 패치 (Bioinspired adhesive)의 피부에서 탈착 시 잔류물 여부를 평가했습니다. 그 결과 생체친화성 점착 패치가 탈착 후에도 잔류물이 남지 않는 것을 확인할 수 있었습니다. 이를 통해 기 상용화 제품 패치와 다르게 부착 이후 물리화학적 잔류물이 남지 않는 청정 점착 방법입니다.

  
  

시사점

• 기 상용화 점착제는 높은 점착력을 가졌지만, 탈착 후에 남아있는 잔류물에 의해 생물학적 거부 반응이나 부작용의 문제점이 발생했습니다. 이를 극복하기 위해 화학적 결합이 아닌 물리적 힘을 활용한 본 연구와 같은 생체친화성 패치가 제안되었습니다.

• 이것은 뇌, 신경, 근육 및 심장 등 다양한 장기 표면에 적용되는 부착 또는 삽입형 진단/치료용 장치의 장기적으로 안전한 사용을 위한 점착이 가능한 기술이기 때문에, 추가적인 연구를 통해 향후 사람에게도 적용할 수 있는 가능성을 보여주었습니다.