유기준 교수팀, 피부 재생과 감각 전달 동시에 가능한 인공 피부 개발

생체 모사 바이오 인공 피부와 촉각 신경 전달 시스템 개발

센서와 생체 재료가 복합화된 바이오닉 인공 피부의 동물 모델 이식 성공

[사진. (왼쪽부터) 강교원 학생(제1저자), 유기준 교수(교신저자)]

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수 연구팀은 한국과학기술연구원 생체재료연구센터 정영미 박사, 스핀융합연구단 이현정 박사, 성균관대 김태일 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공 피부를 개발했다. 스마트 바이오닉 인공 피부는 피부 재생에 초점을 두고 있었던 기존의 인공 피부와 달리 생체 적합성이 높은 소재와 전자 소자로 구현된 촉각 기능 전달 시스템이 융합돼 영구적으로 손상된 촉각까지도 복원할 수 있다.

화상, 피부 질환, 외상 등 피부 결손으로 인한 신경 조직의 손상은 생명 유지 활동에 필수적인 감각 인지 기능 상실을 유발하고 정신적, 신체적 고통 또한 안겨 준다. 자연 치유가 불가능할 정도로 손상 정도가 심각할 경우 해당 부위에 인공 피부를 이식하는 수술적 치료가 필요한데, 현재까지 개발된 인공 피부는 피부 조직과 유사한 구조와 환경을 제공하면서 피부 재생에 초점을 맞췄을 뿐 환자들의 감각을 회복시키지는 못했다.

[그림 1. 인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공 피부 구성 요소]

이에 연구팀은 피부의 주요 성분인 콜라겐과 피브린(fibrin)으로 구성된 하이드로겔로 유연 압력 센서를 삽입해 외부의 미세한 압력 변화도 감지할 수 있는 인공 피부를 개발했다. 감지된 압력 변화는 전자 촉각 리셉터를 통해 전기 신호로 변환되고, 촉각 신경 인터페이싱 전극이 이를 신경에 전달해 피부와 동일한 촉각 기능을 수행할 수 있게 한다. 그뿐만 아니라 피부의 탄력과 조직의 결합을 담당하는 콜라겐과 피브린이 상처 주변에 있는 피부 세포의 증식과 분화를 유발해 피부 재생을 촉진하는 것 또한 확인했다.

개발한 스마트 바이오닉 인공 피부를 심각한 피부 손상을 입은 쥐에 이식해 피부 재생 촉진 효과와 촉각 기능의 재건 효과를 실험한 결과, 이식 후 14일 경과 시점에 대조군 대비 120% 이상 상처 치료 효과를 보였다. 또한, 사람의 손끝에서 느끼는 압력 범위와 유사한 10~40kPa에서의 외부 변화를 감지하고 이에 맞는 전기 신호 조절을 통해 쥐의 반응이 달라지는 것을 확인했다.

[그림 2. 통합 디바이스를 통한 외부 자극의 신경 전달 메커니즘 ①인공 피부에 삽입돼 있는 유연 압력 센서를 통해 외부 압력이 전달되고, ②전자 촉각 리셉터를 통해 외부 압력이 전기 신호로 변환된다. ③, ④ 전기 신호가 신경 인터페이싱 전극을 따라 신경에 전달된다.]

무엇보다 연구팀이 개발한 인공 피부는 손상된 피부의 피하 지방층을 따라 직접 신경에 이식하는 방식이어서 감각 전달 및 피부 재생에 효과적이다. 신경이 손상된 환자의 피부 재생 후에는 촉각 센서가 피하 층에서 작동해 일상생활에서의 자립성을 크게 향상할 수 있다. 감각 기능이 퇴화한 노년층의 경우에도 고밀도 집적 기술로 제작한 촉각 기능 전자 소자를 피하에 직접 삽입하면 퇴화한 감각 기능을 회복할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 “이번 연구 성과는 생체 재료와 전자 소자 기술을 효과적으로 결합한 소자, 소재, 재생의학 융합 연구의 결과”라며, “상용화를 위해 의료 기관, 기업 등과의 협업을 통해 추가 임상 실험을 진행할 예정이며, 온도, 진동, 통증 등 피부 조직의 다양한 기능을 재건하는 연구로도 확장할 계획”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 나노·소재원천기술개발사업을 통해 수행됐다. 연구 성과는 네이처(Nature) 자매지이자 국제 융합 연구 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 16.6, JCR 분야 상위 7.5%)’에 1월 2일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Bionic artificial skin with a fully implantable wireless tactile sensory system for wound healing and restoring skin tactile function

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44064-7