뇌질환 혁신: 전자 패치와 초음파 치료 원리 한눈에 보기

뇌질환 맞춤형 치료의 새로운 장이 열렸습니다. 기초과학연구원(IBS)의 연구진이 개발한 '형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치'는 뇌에 딱 맞게 붙어 실시간 뇌파 측정과 초음파 자극을 통해 환자 맞춤형 치료를 가능하게 합니다. 이 기술은 난치성 뇌질환의 치료를 혁신적으로 바꿔놓을 수 있을 것으로 기대됩니다.

형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치 개요 및 견고한 뇌 부착력

형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치는 조직에 접착 가능한 하이드로젤, 금/티타늄 금속 전극 및 배선, 신축성 형상변형 기판으로 구성됩니다. 이는 설치류와 소 대뇌피질에 도움 없이 쉽고 간편하게 부착되며 매우 견고하게 밀착됩니다.

 

신축성 전자패치의 형상변형 및 대뇌피질접착 원리

인체 내 습윤한 환경에서 하이드로젤의 젤화 특성에 의해 카테콜 기능기가 활성화돼 대뇌피질에 즉각 접착하기 시작합니다. 동시에 신축성 형상변형 고분자는 대뇌피질의 굴곡에 맞추어 자발적으로 변형하며 빈틈없이 밀착됩니다. 대뇌피질에 견고히 부착되고 나면 형상변형 고분자 내부의 응력은 조기에 모두 해소돼, 뇌 조직에 물리적 압박 없이 장기간 안전하게 사용할 수 있습니다.

 

연구진이 개발한 신축성 전자패치의 대뇌 곡면 밀착 및 표면 부착 기능 평가를 위한 생체 외 비교 실험 결과

• (왼쪽 위) 생체조직에 부착된 신축성 패치 소재의 표면 접착 강도
• (왼쪽 가운데 위) 형상변형 고분자의 온도 상승에 따른 강성(모듈러스) 변화량
• (오른쪽 가운데 위) 형상변형 고분자의 신축 변형에 따른 변형 응력 추이
• (오른쪽 위) 조직에 부착된 신축성 패치의 신축 변형에 따른 변형 응력 추이
• (왼쪽 아래) 소뇌 조직에 적용된 신축성 패치 및 비교군 소재의 시간 경과에 따른 접촉면 형성 기능 시험 이미지
• (오른쪽 아래) 소뇌 조직에 부착된 신축성 패치 및 비교군 소재의 신축 변형에 따른 조직 부착 성능 실험 이미지

연구진이 개발한 전자패치의 초음파 잡음 저항성 뇌파 계측 성능 평가를 위한 생체 내 비교 실험 결과

개발된 전자패치와 비교군 대뇌피질 전도 전극 소자(1. 상용 탄성 소재, 2. 접착 하이드로젤이 없는 신축성 형상변형 기판 소재, 3. 접착력이 없는 하이드로젤과 신축성 형상변형 기판이 함께 사용된 소재) 간의 쥐 대뇌 접촉면 사진입니다.

 

마취된 쥐에 경두개 집속초음파로 신경 자극을 가해 대뇌피질전도를 모니터링한 결과, 비교군에 비해 새로운 전자패치는 초음파 잡음 없이 고품질의 뇌 신경 활동 반응 결과를 보였습니다.

 

전자패치-초음파 전자약의 뇌전증 제어 구현

전자약 시스템은 형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치와 소형 경두개 집속초음파 변환기로 구성됩니다. 먼저, 쥐의 머리에 전자패치를 부착하고 소형 경두개 집속초음파 변환기를 이식해, 무손실 대뇌피질전도 피드백 폐-루프 발작 제어가 가능하도록 전자약 시스템을 구성했습니다.

 

그리고 뇌전증을 유발한 쥐를 대상으로 16채널 전자패치를 이용해 대뇌피질전도를 실시간으로 모니터링했습니다. 고품질 뇌파 측정은 집속초음파 전자약의 3단계 강도 변조 중에도 안정적으로 가능했으며, 폐-루프 뇌전증 제어를 성공적으로 달성했습니다.

 

 

 

뇌에 딱 붙는 전자 패치로 뇌질환 치료가 가능하다?