반영구적 사용 가능한 생체 이식형 슈퍼커패시터 개발

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

현재 체내 삽입형 의료 장치는 외부 또는 내부에서 연결된 에너지 저장장치인 전지로부터 전원을 공급받아 사용하고 있다. 그러나 기존 내/외부 전지의 한계점은 소자의 부식 및 전해액 누수로 인한 체내 염증 및 독성 등의 유발 가능성, 한정된 전지 용량으로 인해, 전원교체를 위한 주기적인 수술이 필요하다는 데 있다.

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.

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 인해 2차적인 생물학적 독성을 유발하는 한계점을 넘어서야 한다.

체내 삽입형 전지에서 체액을 이용하거나 생체 친화적인 전극이 개발되고 있지만 체외에서 체액과 유사하게 제조된 인산완충생리식염수로 적합성 시험과 전지의 구동을 확인했으나 실제 이식을 통해 생체 내에서 적용 가능한 연구들의 필요성이 대두되고 있다.

이러한 가운데 미래창조과학부는 “혈액, 림프액 등 인체의 체액을 통해 에너지를 저장할 수 있고 외장재 없이 반영구적으로 사용가능한 생체 이식형 전지를 개발했다”고 밝혔다.


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 슈퍼커패시터가 개발됐다. 생쥐를 통한 실험 결과, 세포독성이 없고 생체적합성이 우수하게 나타났다. 충전과 방전도 안정적으로 이루어졌다. 생체적합성이 우수한 소재들로 전지를 제작함으로써 기존 화학적 전해질로 구동되는 전지의 근본적인 문제점들을 해결한 것이다.

연구에서는 인산화물(phosphidation)처리와 나노입자 고정화기술을 활용해 인체 삽입형 전지에 사용된 모든 전극소재와 집전장치들의 생체적합성을 최대한으로 끌어 올려 현재 사용되고 있는 내부전지의 근본적인 문제점을 해결할 수 있었다.

연구팀이 개발한 생체삽입형 전지는 체액 속의 Na+ (나트륨), K+ (칼륨), Ca2+ (칼슘), Cl- (염소) 이온 등을 이용해 이온의 흡∙탈착의 거동으로 구동되는 외장재가 없는 생체 이식형 슈퍼커패시터이다. 생체 적합성을 극대화하기 위해 망간 산화물(MnO2)을 탄소 나노튜브 (carbon nanotube, CNT)에 복합화 해 양극 소재로 사용했고, 활성탄에 인산화물(phosphidation)처리해 음극 소재의 생체 독성 및 염증을 유발할 수 있는 문제의 소지들을 제거했다.

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

실제 생체 적용 가능성을 평가하기 위해 양극과 음극의 두 전극을 생체에 무해한 tantalum(탄탈륨)호일에 접합한 후 셀룰로오스 기반의 분리막을 고정해, 실험용 쥐의 표피 내에 삽입 후 봉합했다. 이후, 포텐시오스탯(potentiostat)을 이용해 주입된 전류에 따른 전압의 변화를 실시간으로 모니터링해 분석했다. 그 결과, 삽입된 전극은 쥐의 체액을 이용해 안정적으로 충․방전 거동이 되는 것을 확인했으며 높은 수명특성을 나타내는 것을 확인했다.

이번 연구는 모든 구성요소가 생체친화적인 소재로 제작된 내부전지를 생체에 삽입해 체액으로 전지가 구동하는 외장재 없는 생체 삽입형 전지를 개발했다는 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.

노광철 박사와 허윤석 교수는 “이 연구는 생체 친화적 소재로 제작한 전극만을 삽입해 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”고 연구 의의를 설명했다.