체내 이식된 전자시스템 통해 배뇨 질환 치료한다
무선으로 실시간 방광 활동 분석·조절, 배뇨 질환 치료하는 체내 이식형 디바이스 개발 
황석원 교수팀 연구결과, ACS Nano 저널 게재

▲ 왼쪽부터 이중훈 SK하이닉스 연구원(고려대 박사), 장태민 KU-KIST 융합대학원 박사과정,
신정웅 KU-KIST 융합대학원 박사과정, 황석원 KU-KIST 융합대학원 교수

KU-KIST 융합대학원 황석원 교수 연구팀은 순천향대 연구팀과 공동 연구를 통해 부드럽고 신축성이 높은 생체 삽입형 전자 소자를 방광 표면에 직접 적용하고, 이를 무선 기술과의 통합을 통해 반영구적으로 방광의 활동을 파악 및 조절하여 배뇨 질환을 치료할 수 있는 체내 이식형 디바이스를 개발했다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘ACS Nano (IF=18.03)’ 4월 18일 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Fully implantable and Expandable Electronic System for Bidirectional Electrical Neuromodulation of the Urinary Bladder

연구팀은 인체에 무해하고 부드러우며 신축성이 높은 그물망(Web) 구조에 다양한 센서와 전기 자극 시스템을 결합하여 부피 팽창성이 큰 방광에 안정적으로 착용하였고, 무선 작동 모듈과의 통합을 통해 체내 이식형 디바이스를 완성하여 이를 소변 배출이 원활하지 못한 저활동성 방광(Underactive bladder) 배뇨 질환 모델에 적용하여 장기간 동안 무선으로 실시간 방광 활동(수축/팽창, 근육 신호) 모니터링을 통해 정확한 소변 배출 시점을 분석하고 전기 자극을 통해 원활하게 배뇨를 유도할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
* 저활동성 방광질환 : 배뇨근의 수축력의 감소나 신경계 이상으로 소변 배출이 원활하지 못하여 방광을 완전히 비우지 못하고 잔뇨가 많이 남는 질환.

기존의 저활동성 방광 배뇨 기능장애를 치료하는 방법으로는 카테터(도뇨관)을 요도에 직접 삽입하여 소변을 수동적으로 배출하는 간헐적 자가도뇨법이 있다. 그러나 이 방법은 상당한 고통이 따르고 하루에 4-6회 도뇨를 실시해야하기 때문에 환자들의 삶의 질을 크게 저하시킬 뿐만 아니라 요로감염, 패혈증 등의 2차 합병증에 노출되는 문제점이 있다. 또한 현재까지는 도뇨법을 제외하고는 효과가 입증된 약물 및 수술적 치료 방법이 현저히 부족한 상태이다. 따라서 연구팀이 개발한 실시간 방광 상태를 모니터링하고 전기자극을 통해 소변 배출을 유도하는 기술은 환자들의 삶의 질을 개선하고 합병증의 위험 부담을 낮출 수 있는 획기적인 방광질환 진단 및 치료법이 될 수 있는 계기를 마련했다.

이번 연구의 방광의 배뇨 질환을 위한 체내 이식형 전자 소자는 생체에 적합하면서도 신축 유연한 소재를 그물망 형태로 디자인하여 부피 팽창성이 큰 방광 표면에 안정적으로 결합시키고, 그 위에 잘 늘어나는 구불구불(serpentine) 형태로 설계된 다양한 센서 및 자극 시스템을 통합하여 방광의 상태를 정확하게 측정하고 효과적으로 배뇨 기능을 제어할 수 있게 하였다. 전자 소자가 적용된 그물망 구조는 방광 전체를 감싸서 봉합작업 혹은 접착제 없이도 방광 표면에서 안정적으로 동작할 수 있도록 설계됐다. 특히, 무선 작동 모듈과의 통합을 통해 체내 이식형 플랫폼을 완성하여 환자의 불편함을 최소화하는 형태로 무선으로 배뇨장애를 관리하고 치료할 수 있는 장점을 가지고 있다.

연구팀은 전기 자극을 통해 방광의 배뇨를 유도하기 위하여 나노 크기의 다공성 구조를 기반으로 높은 자극 성능을 가지는 백금 흑 전극을 제작했으며, 그물망 구조에 총 8개의 전극을 균일한 간격으로 배치하여 방광 표면 전체의 면적을 균일하고 안정적으로 자극하여 방광 근육의 수축을 유도하는 데 성공했다.

이번 연구에 적용된 무선 모듈은 무선으로 전력을 수신하고 데이터를 송수신할 수 있는 회로가 설계돼있어 전체 시스템이 완전히 체내에 이식될 수 있어 환자의 일상생활에 지장이 없도록 하는 것이 특징이다. 무선 모듈을 통하여 측정한 방광의 상태를 무선으로 스마트폰과 같은 외부 디바이스에 전달하며 전기자극 명령을 통해 배뇨 기능을 제어할 수도 있다. 또한, 내장된 코일 형태의 수신 안테나로 전력을 공급받을 수 있어 배터리 없이 반영구적으로 작동할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

황석원 교수는 “이번 연구결과는 신축 유연 전자 소자와 무선 설계를 바탕으로 하는 공학 기술과 의학적 치료/연구의 융합을 통하여 그동안 효과적인 치료법이 부족했던 배뇨질환을 치료할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대하며, 본 기술의 원천기술 확보를 통한 방광뿐만 아니라 다양한 장기의 만성 질환을 진단 및 치료할 수 있는 기술이 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

[ 그 림 설 명 ]

▲ 그림1. a, 개발된 디바이스의 전체 개략도. 구조적으로 전자 망 (Electronic web)과 전자 실 (Electronic thread)이 결합되어 방광에 안정적으로 부착되며, 전자 실에는 방광의 상태를 모니터링할 수 있는 센서 (수축/팽창, 근육 신호)가, 전자 망에는 전기자극을 가할 수 있는 전극 어레이가 구성되어있음. 방광에 부착된 전자소자와 연결되어있는 무선 모듈은 무선 전력 전송 및 데이터 송수신이 가능한 회로가 구성되어있음. 전체 디바이스는 방광의 지속적인 모니터링을 통해 소변이 일정 이상 차오름을 분석하고, 전기 자극을 통해서 방광의 배뇨를 유도함.  b. 개발된 전체 디바이스 및 개별 부품의 사진.  c. 전체 디바이스를 이식한 쥐의 사진. 디바이스가 작동하는 동안 붉은색 LED가 활성화되어있음.  d. 방광에 부착되는 디바이스 (왼쪽), 무선 작동 모듈 (중간), 외부 장치(오른쪽)의 기능적인 흐름을 나타내는 블록도





▲ 그림2. a, 총 8개의 백금 흑(Pt black) 전극으로 구성된 전자 망 (Electronic web)의 사진.  b. 백금 흑의 다공성 구조를 나타내는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지.  c. 백금 흑의 유무에 따른 자극 전극의 임피던스 특성 차이.  d. 2차원 구성을 가진 전자 망의 전기 자극 강도 시뮬레이션 결과  e, f. 동물 실험 기반 전극 개수에 따른 전기자극에 의한 방광의 압력(e) 및 배뇨 효율(f)의 차이.  g. 무선으로 방광 기능의 측정 및 조절을 위한 무선 모듈 사진.  h. 두 개의 송신 안테나로 구성된 실험 케이지 그림.  i. 실험 케이지 내 무선 모듈 출력 전압의 공간 분포도.  j, 반복적인 스트레칭 및 압축에 따른 인장 센서의 무선 측정값 및 상용 센서 측정값 비교.  k. 방광의 생리적인 움직임에 따른 근전도 전극의 무선 측정 전위 및 상용 제품 측정 전위의 비교.



▲ 그림3. a, 개발된 디바이스의 동물 실험 설계를 나타내는 그림  b. 정상 쥐와 질병 쥐 (LCS model) 그룹의 배뇨 효율 평가 (b) 및 방광 조직의 조직학적 검사 (c) 비교.  d. 개발된 디바이스의 체내 삽입을 위한 수술 절차.  e. 맞춤형 알고리즘을 활용하여 전기자극 전 후에 측정한 방광내압, 인장, 근전도, 배뇨량 결과.  f. 전기자극을 가한 쥐와 가하지 않은 쥐의 배뇨량 차이.  g. 정상 쥐와 비교하여 전기자극을 적용한 질병 쥐의 배뇨 효율 결과.  h. 정상 쥐, 전기자극을 가하지 않은 질병 쥐, 전기자극을 가한 질병 쥐의 배뇨 현상 수집 결과.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)