체액으로 작동하는 생체삽입형 전지 개발- 이식형 의료기기에 반영구적 전원 공급 기대

체액으로 작동하는 생체삽입형 전지 개발- 이식형 의료기기에 반영구적 전원 공급 기대

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작성일 : 2017. 3. 13. 기초연구진흥과

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체액으로 작동하는 생체삽입형 전지 개발
- 이식형 의료기기에 반영구적 전원 공급 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “혈액, 림프액 등 인체의 체액*을 통해 에너지를 저장할 수 있고 외장재 없이 반영구적으로 사용가능한 생체 이식형 전지를 개발하였다”고 밝혔다.
     * 체액 : 혈액·림프액·조직액 등 체내의 액체. 체내를 이동하여 조직세포에 영양분이나 산소를 운반하고 노폐물을 운반·제거하며, 병원체의 박멸과 체온조절 등의 기능이 있음.

□ 고령화 및 만성 질환 환자 증가로 인하여 심박 조율기, 삽입형 심장 박동 모니터기, 척추 신경 자극기 등 인체 기관을 보조하거나 모니터링할 수 있는 체내 삽입형 의료장치에 대한 관심이 높아지고 있다.

□ 생체 친화적인 물질로 만들어진 전극을 직접적으로 체내에 삽입하고, 인체의 체액 속에 존재하는 나트륨, 칼륨, 칼슘, 염소 이온 등이 전극에 흡·탈착함으로써 작동하는 반영구적인 생체 이식형 슈퍼커패시터*가 개발되었다. 생쥐를 통한 실험 결과, 세포독성이 없고 생체적합성이 우수하게 나타났다. 충전과 방전도 안정적으로 이루어졌다.
     * 슈퍼커패시터 : 축전용량이 대단히 큰 에너지 저장장치. 전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전을 하며 일반적인 2차전지에 비해 에너지 밀도는 적지만 순간적인 고출력을 낼 수 있는 장점을 가짐.
□ 노광철 박사 연구팀 (한국세라믹기술원)과 허윤석 교수 연구팀(인하대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 학술지 나노 에너지(Nano Energy) 2월 13일자에 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : A biocompatible implant electrode capable of operating in body fluids for energy storage devices
   - 저자 정보: 노광철 박사 (교신저자, 한국세라믹기술원), 허윤석 교수 (교신저자, 인하대), 채지수 (제1저자, 한국세라믹기술원/성균관대학교) 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

  ○ 현재 사용되는 체내 삽입형 의료 장치는 인체 내·외부의 전지에 의해 전원이 공급된다. 의료장치에 사용되는 전지의 종류는 체내에 삽입하는 내부전지가 있고 체외로부터 도선으로 연결하여 에너지를 공급하는 외부전지가 있다. 
 
  ○ 외부전지로 의료장치에 전원을 공급하는 경우에는 피부 및 조직을 통과하여 전선이 연결되므로 도선이 부식될 수 있고, 격한 운동 또는 외부 충격 등으로 인해 피부의 전선연결부위로 병원균이 침입할 가능성이 있으며, 이는 2차 감염문제를 발생시킬 수 있다. 또한 인체 내부 의료 장치까지 전지를 연결하기 위한 수술과정이 복잡하고 일부 인체삽입 전자기기는 외부전지 사용이 불가능한 경우도 있다.

  ○ 반면 현재 사용되고 있는 인체 삽입형 내부전지는 용량이 제한적이기 때문에 일정 시간이 지나면 전지를 교체하는 재수술이 필요하고 전지를 구성하고 있는 전해액* 누수로 인한 인체감염 및 독성문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 생체적합성이 우수하고 전지의 전해액 누수로 인한 독성을 유발하지 않는 전지의 개발이 필요하다.
     * 전해액 : 염이 이온 상태로 녹아있는 용액으로 전류가 흐를 수 있는 물질. 이온을 전달하는  매개체이다. 슈퍼커패시터는 일반적으로 이온의 흡착과 탈착을 통하여 구동된다.
 
  ○ 기존의 연구에서는 생체 외에서 체액과 유사하게 제조된 시험용액을 전지의 전해액으로 사용하여 구동을 확인하였다. 그러나 실제 체액을 전해액으로 이용하여 생체 내에서 전극의 생체 적합성 여부와 전지의 적용 가능성을 확인하는 연구의 필요성이 대두되고 있다.

 2. 연구 내용

  ○ 연구팀은 기존 내부전지의 제한적인 용량으로 인한 재수술 과정 및 전해액 누수로 인한 인체감염과 독성 문제를 해결하기 위하여 사람 몸속에 풍부하게 존재하는 체액을 전지의 전해액으로 사용하는 방법을 고안하였다. 연구팀에서 개발한 외장재가 없는 생체 삽입형 전지는 체액 속의 Na+(나트륨), K+(칼륨), Ca2+(칼슘), Cl-(염소) 이온 등이 전지의 전극에 흡?탈착하는 과정에서 생성되는 전자의 흐름을 통하여 구동되는 슈퍼커패시터이다. 더불어, 쥐에 이식하여 생체 내 실제  체액을 이용하여 전지의 구동을 확인한 연구가 최초로 개발되었다.

  ○ 생체 적합성을 극대화하기 위하여 전지의 양극 소재로 망간 산화물(MnO2)과 탄소 나노튜브*(carbon nanotube, CNT) 복합체를 사용하고, 음극 소재로 인화(phosphidation) 처리한 활성탄*을 사용하였다. 전지에 사용된 전극 물질의 생체 적합 여부를 세포수준에서 판단하기 위해 영장류의 콩팥(kidney) 표피세포인 Cos-7과 인간 표피 세포인 섬유아세포(fibroblast) 세포를 이용하여 세포독성 및 생존률 시험방법(MTT assay)*를 실시하였다. 인체 삽입형 전지에 사용된 모든 전극소재와 집전장치*들은 최대한 생체에 적합하게 구성되었다. 실제 생체 적용 가능성을 평가하기 위하여 양극과 음극 두 전극을 셀룰로오스* 기반의 분리막*으로 고정하여, 실험용 쥐의 표피 내에 삽입 후 봉합하였다. 이 후 포텐시오스탯(potentiostat)*을 이용하여 전류를 흘려보낸 후 전압의 변화를 실시간으로 모니터링하여 분석하였다.
      * 탄소 나노튜브 : 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지금 1 nm (나노미터)   크기의 미세한 분자이다.
      * 활성탄 : 흡착성이 강하고 대부분의 구성 물질이 탄소질로 된 물질인 다공성 물질.
      * MTT assay : 세포의 증식 혹은 독성을 보는 실험 방법
      * 집전장치 : 외부로부터 전력을 받아들이는 장치의 총칭.
      * 셀룰로오스 : 섬유소라고도 하며 고등 식물과 조류 세포막, 섬유를 주성분으로 하는 단순 다당류의 일종이다.
      * 분리막 : 양극과 음극 사이에 위치하는 다공성 막으로서 두 전극 간의 전기적 단락을 방지하고 이온의 흐름을 가능하게 하는 역할을 함.
      * 포텐시오스탯 : 전기화학 분석을 위한 기기로, 자동적으로 전류나 전압을 일정하게 유지하는 장치를 말한다.

  ○ 실험 결과 양극은 망간 산화물(MnO2)보다 음극은 활성탄보다 독성이 절반 이하로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 삽입된 전지는 쥐의 체액을 이용하여 안정적으로 충?방전 되는 것을 확인하였으며 높은 수명특성을 나타내는 것을 확인하였다.
   

 3. 연구 성과   

  ○ 기존 인체 삽입배터리의 부식 및 전해액 누출로 인한 인체 내 생물학적 독성유발 등의 원천적인 문제점을 해결하고자 전지 구성요소들(양극, 음극, 전해질 및 분리막)의 외장재가 필요하지 않는 생체 친화적인 전지를 개발하였다. 전극을 생체 친화적 소재로 만들어 체액에 직접 노출이 가능하고, 체액 속의 이온들의 흡·탈착을 이용하여 에너지를 안정적으로 저장 및 방출할 수 있는 신개념 전지를 개발하였다.

  ○ 이번 연구는 생체 친화적인 소재를 사용하고 실제 쥐에 이식하여 체액으로 전지가 안정적으로 구동되는 것을 검증했다는 부분에서 큰 의의가 있다. 전극을 생체 친화적 소재로 만들었기 때문에 세포독성이 없고 생체적합성이 우수하게 나타났다. 이 연구로 개발된 반영구적인 수명 특성을 가진 생체 이식형 전지는 인체의 체액으로 충전이 가능하므로 기존 내부전지의 한정된 전원용량으로 인해 실용화가 어려웠던 신개념 의료 기기에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

□  노광철 박사와 허윤석 교수는 “이 연구는 생체 친화적 소재로 제작한 전극만을 삽입하여 외장재 없이 체액으로 구동하는 생체 삽입형 전지를 개발한 것이다. 기존의 전지의 교체를 위해 이루어졌던 수술의 번거로움을 줄여 반영구적으로 사용이 가능하며 안정적인 전원 공급이 가능하다. 신개념의 나노 의료 기기 개발 및 보급화를 가능하게 할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대된다.” 라고 연구의 의의를 설명하였다.

<참고자료> : 1. 연구결과 개요     2. 연구이야기     3. 용어설명
             4. 그림설명             5. 연구자 이력사항 

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 고령화 및 만성 질환 환자들이 증가함에 따라 심박 조율기를 비롯해 삽입형 심장 박동 모니터기, 척추 신경 자극기 등을 포함한 인체 기관을 보조 및 모니터링을 위한 체내 삽입형 의료장치에 대한 관심이 증가하고 있다.
  ㅇ 현재 체내 삽입형 의료 장치는 외부 또는 내부에서 연결된 에너지 저장장치인 전지로부터 전원을 공급받아 사용하고 있다. 그러나 기존 내/외부 전지의 한계점은 크게 두 가지 중요한 이슈로 생각해 볼 수 있다. 첫째는, 소자의 부식 및 전해액 누수로 인한 체내 염증 및 독성 등의 유발 가능성이고, 둘째로는 한정된 전지 용량으로 인하여, 전원교체를 위한 주기적인 수술이 필요하다.
  ㅇ 외부전지로부터 전원을 공급받는 경우에는 피부를 통해 전선이 연결되므로 격한 운동 또는 외부 충격 등은 피부의 전선연결부위로 병원균이 침입할 가능성을 유발하고 2차 감염문제를 일으킬 수 있다. 또한, 내부 에너지 저장장치에 비해 수술과정이 복잡하고 인체삽입 전자기기에 따라서는 외부전지 사용이 불가능한 경우도 있다.
  ㅇ 이러한 외부전지의 한계점을 해결하기 위해서는, 생체적합성이 우수하고 전지 전해액 누수로 인한 인체감염 및 독성문제를 피해갈 수 있는 안정적인 특성을 나타내는 내부전지 개발이 필요하다. 현재 사용되고 있는 인체 삽입형 내부전지는 용량이 제한적이며 일정 시간이 지나면 전지를 교체해야 하는 재수술과정이 필요하다. 또한 전지 팩의 부식 및 누출로 인하여 2차적인 생물학적 독성을 유발하는 한계점을 넘어서야 한다.
  ㅇ 체내 삽입형 전지에서 체액을 이용하거나 생체 친화적인 전극이 개발되고 있지만 체외에서 체액과 유사하게 제조된 인산완충생리식염수로 적합성 시험과 전지의 구동을 확인하였으나 실제 이식을 통해 생체 내에서 적용 가능한 연구들의 필요성이 대두되고 있다.

  2. 연구내용
   ㅇ 이 연구는 생체적합성이 우수한 소재들로 전지를 제작함으로써 기존 화학적 전해질로 구동되는 전지의 근본적인 문제점들을 해결하였다. 즉, 전지 구성에서 생체친화적인 전극만을 생체에 삽입하여 체액으로 전지가 구동하는 외장재 없는 생체 삽입형 전지를 개발하였다. 구체적으로 화학성분물질들로 제조된 기존 전해액을 인체 체액으로 대체할 수 있는 전지를 개발하기 위하여, 본 연구에서는 인산화물(phosphidation)처리와 나노입자 고정화기술을 활용하여 인체 삽입형 전지에 사용된 모든 전극소재와 집전장치*들의 생체적합성을 최대한으로 끌어 올려 현재 사용되고 있는 내부전지의 근본적인 문제점을 해결할 수 있었다.
         * 집전장치 : 외부 도선에서 제공되는 전자를 전극에 사용되는 물질에 공급하기 위해 중간 매질 역할을 하거나 반대로 전극 반응의 결과 생성된 전자를 모아서 외부 도선으로 흘려주는 전달자 역할을 한다. 대부분 전자전도도, 전기 화학적 안정성 및 극판 제조 공정 등을 고려할 때 집전체의 재료로서 금속계 물질을 사용한다.
  ㅇ 연구팀에서 개발한 생체삽입형 전지는 체액 속의 Na+ (나트륨), K+ (칼륨), Ca2+ (칼슘), Cl- (염소) 이온 등을 이용하여 이온의 흡?탈착의 거동으로 구동되는 외장재가 없는 생체 이식형 슈퍼커패시터이다. 생체 적합성을 극대화하기 위하여 망간 산화물(MnO2)을 탄소 나노튜브 (carbon nanotube, CNT)에 복합화 하여 양극 소재로 사용하였고, 활성탄에 인산화물(phosphidation)처리하여 음극 소재의 생체 독성 및 염증을 유발할 수 있는 문제의 소지들을 제거하였다.

  ㅇ 또한 이 연구에서 사용된 전극 물질의 생체 적합 여부를 세포 수준에서 판단하기 위해 영장류의 콩팥(kidney) 표피세포인 Cos-7과 휴먼 표피 세포인 fibroblast 세포를 이용하여 MTT assay를 실시한 결과 기존의 물질보다 독성이 절반 이하로 감소하는 것을 확인할 수 있었으며 생체 내에 적용 가능한 특성들을 충족함을 확인하였다.

  ㅇ 실제 생체 적용 가능성을 평가하기 위하여 양극과 음극의 두 전극을 생체에 무해한 tantalum(탄탈륨)호일에 접합한 후 셀룰로오스 기반의 분리막*을 고정하여, 실험용 쥐의 표피 내에 삽입 후 봉합하였다. 이후, 포텐시오스탯(potentiostat)*을 이용하여 주입된 전류에 따른 전압의 변화를 실시간으로 모니터링하여 분석하였다. 그 결과, 삽입된 전극은 쥐의 체액을 이용하여 안정적으로 충?방전 거동이 되는 것을 확인하였으며 높은 수명특성을 나타내는 것을 확인하였다.
        * 분리막 : 전극 간 물리적 접촉을 방지하는 역할을 하는 다공성 막 
       * 포텐시오스탯 : 자동으로 전류나 전위를 일정하게 유지하는 전기화학 장치 
  ㅇ 결론 : 본 연구는 모든 구성요소가 생체친화적인 소재로 제작된 내부전지를 생체에 삽입하여 체액으로 전지가 구동하는 외장재 없는 생체 삽입형 전지를 개발하였다는 부분에서 의미를 부여할 수 있다. 체액에 직접 노출이 가능하도록 제작된 인체 이식형 전지는 체액 속 이온들과의 물리적인 흡·탈착을 통해 에너지를 안정적으로 저장 및 방출할 수 있는 신개념 전지이며, 이는 반영구적인 사용이 가능함을 의미한다.

3. 기대효과
  ㅇ 기존의 인공 심장, 심장 박동 조절 장치, 캡슐형 내시경, 진단용 의료센서, 약물 주입 펌프 등의 생체 이식형 의료 기기에 안정적인 전원이 될 수 있을 뿐만 아니라, 전지를 외부 전원이 아닌 인간의 몸에서 직접 충전함에 따라 전원을 제대로 공급하지 못해 실용화가 어려웠던 나노 로봇이나 인공망막, 인공 고막 등의 신개념 의료 기기에도 전원 공급이 가능하다고 판단된다. 또한, 반영구적인 수명 특성 측면에서 매우 큰 장점이 있어 신개념의 나노 의료 기기 개발 및 보급화 할 수 있는 원천 기술이 될 수 있으리라 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

인체 기관을 보조 및 모니터링을 위한 체내 삽입형 의료장치에 대한 관심이 증가하고 있지만 이에 적합한 전지의 한계가 있다. 기존 인체 삽입전지의 전해액이 가진 2차적인 생물학적 독성유발 등의 원천적인 문제점을 해결하고자 하였다. 인체에 무해한 전해액을 탐색의 필요성을 파악하고 체액 그대로를 사용하는 방법을 고안해 냈다. 에너지 저장 장치 중 슈퍼커패시터는 산성, 중성, 알칼리 등 다양한 전해액을 사용하고 있기에 선택의 폭이 넓었고 체액이 중성인 점을 고려할 때 인체 삽입하기에 적합할 것이라 생각하고 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

처음, 본 연구팀의 목표는 생체 삽입형이 아닌 인체의 체액을 이용하여 구동되는 전지를 개발하는 것이었다. 처음 소재의 선별에서 슈퍼커패시터용 물질 중 생체 친화적인 소재로 구성하고 세포 수준에서 생체 적합 여부를 시험하였다. 모든 기초 실험이 끝난 후에 실제 생체 내에서 구동 여부에 대한 호기심으로 시작되었으며, 생체 친화형 전극을 쥐에 삽입하여 소자의 성능과 특성을 분석하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이번 연구에서 목표로 하는 인체삽입형 전지의 설계, 해석, 제작, 검증, 동물 실험 등을 수행하기 위해서는 기계, 전자, 재료, 생명, 의학 등의 다양한 배경 지식 및 기술이 필요하였다. 이를 위해 국내/외 다양한 전문가의 공동 연구로 수행되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

독성이 있는 물질의 독성을 줄이는 기술을 확보하였으며, 기존 보고들은 체내삽입형 장치에서 생체 친화적인 전극이 개발되고 있지만 생체 내부가 아닌 생체 외부 독성 시험으로 적합성을 판별하는 반면, 본 연구에서는 생체 내에서 적합성과 더불어 에너지 저장장치에 대한 평가가 생체 내에서 직접적으로 이루어졌다는 것이 주목할 만한 점이라고 하겠다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이 연구는 실험실 스케일에서의 기초연구이지만, 여기에 그치지 않고 실제 기기에 적용할 수 있는 전지를 개발하는 것이 목표이며, 생체 적합한 물질을 폭넓게 개발하여 에너지 저장 장치에 국한하지 않고 다양하게 적용하는 것이 앞으로의 연구 진행 방향이 될 것이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

생체삽입형 전지의 특성을 분석하고 검증하기 위해서는 +극과 ?극 전선이 쥐의 피부 밖으로 노출되어 있어야 했다. 이렇게 노출된 유연한 전선이 호흡하는 쥐의 몸에 닿아 일정한 전기적 특성 분석에 어려움을 겪기도 했다.

용 어 설 명

1. 나노 에너지 (Nano Energy)
  ○ 나노물질과 정전?압전소자의 권위자인 왕종린(Zhong Lin Wang) 조지아텍(Georgia Institute of Technology) 교수를 중심으로 에너지 분야 저명한 학자들이 창간했다. Elsevier에서 발행하는 에너지재료 분야의 세계적인 권위의 학술지이다. (파급지수, IF-11.553, 2015)

2. 슈퍼커패시터 (Supercapacitor)
  ○ 슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 에너지 저장장치로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고도 부른다. 화학반응을 이용하는 전지와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 전해질 이온이 전극 물질에 많이 흡착될수록 많은 전기를 흘려보낼 수 있기 때문에 높은 비표면적을 지니는 탄소 전극 소재의 활용을 위한 연구가 이어져 왔다.

3. 탄소나노튜브 (Carbon nanotube)
  ○ 탄소나노튜브는 6각형 탄소원자가 직경이 수나노미터이고 길이가 수십마이크로 혹은 수백마이크로미터가 되는 튜브형태를 이룬 구조이며 반도체 성질과 금속 성질이 섞여있다. 역학적인 강도가 다이아몬드와 비슷하다.

4. MTT assay
  ○ 세포독성 및 생존률 시험방법(Tetrazolium-based colorimetric, MTT)은 세포의 독성과 생존률을 간접적으로 확인하기 위하여 주로 사용되는 방법이다. 이 방법은 대사 과정이 온전한 세포의 미토콘드리아 내의 탈수소효소를 이용하여 분석하는 기법이다. 살아있는 미토콘드리아의 탈수소효소가 노란색 수용성의 테트라졸륨솔트(MTT)를 짙은 자주색을 띄게 한다. 즉 세포가 많이 살아 있을수록 진한 보라색을 띄게 되는 것이다. 따라서 이렇게 색변화가 일어나는 원리를 이용하여 생존하는 세포의 수를 500~600nm의 흡광도를 측정하여 간접적으로 산출하는 방법이다.

5. 전지 (Battery)
  ○ 물질의 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여, 이들의 변화로 방출되는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소형 장치이다. 일회용으로 사용되는 1차 전지와 전기 에너지를 방출하여 작용물질이 변화한 후에도 다시 전지에 전기에너지를 공급, 즉 충전하면 재생되어 사용할 수 있는 2차 전지가 있다.
6. 전극 (Electrode)
  ○ 전지에서 전기장을 만들거나 전류를 빼너가하는 도체로, 전극의 극성에 따라 양극(positive electrode), 음극(negative electrode)으로 구분할 수 있다. 두 개의 전극 사이에 전류가 흐를 때, 두 극 중에서 전위가 높은 전극을 양극, 전위가 낮은 전극을 음극이라고 한다.

7. 집전 장치 (Current collector)
  ○ 외부 도선에서 제공되는 전자를 전극에 사용되는 물질에 공급하기 위해 중간 매질 역할을 하거나 반대로 전극 반응의 결과 생성된 전자를 모아서 외부 도선으로 흘려주는 전달자 역할을 한다. 대부분 전자전도도, 전기 화학적 안정성 및 극판 제조 공정 등을 고려할 때 집전체의 재료로서 금속계 물질을 사용한다.

그 림 설 명

      
          [그림 1] 체액으로 구동되는 생체 삽입형 전지의 모식도
생체 친화적인 소재를 사용하여 제작된 전지를 쥐의 상피조직에 삽입하여 체액으로 구동하는 외장재 없는 생체 삽입형 전지를 개발하였다. 에너지 하베스팅인 태양전지를 이용하여 에너지를 발생시켜 삽입된 전지에 에너지가 저장된다. 삽입된 전지는 슈퍼커패시터이며 이를 구성하는 외장재, 전극, 전해질, 분리막 중 체액과의 접촉을 위해 외장재를 제외시켰다. 전극소재의 생체적합성문제를 해결하기 위하여 양극은 나노입자 고정화 기술을 활용하고 음극은 인화 처리 된 활성탄을 사용하였다. 삽입된 전극은 쥐의 체액을 이용하여 안정적인 거동과 높은 수명 특성을 나타내는 것을 확인하였다.