부처연구성과
돌연사의 주범, 부정맥을 실시간 진단·치료하는 심장 부착형 전자패치 개발
- 등록일2022-09-27
- 조회수2348
- 분류 제품 > 바이오의료기기
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성과명
돌연사의 주범, 부정맥을 실시간 진단·치료하는 심장 부착형 전자패치 개발
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저널명
Science Advances
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연구자명
박장웅,조승우,이 삭,김무현
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연구기관
IBS 나노의학 연구단, 연세대학교 의과대학 심장혈관외과, 연세대학교 신소재공학과
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사업명
기초과학연구원 지원사업
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지원기관
과학기술정보통신부
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보도자료발간일
2022-09-15
- 원문링크
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키워드
#심장 부착형 전자패치
- 첨부파일
220914_[IBS 보도자료] 돌연사의 주범 부정맥을 실시간 진단·치료...
핵심내용
돌연사의 주범, 부정맥을 실시간 진단·치료하는 심장 부착형 전자패치 개발
- IBS 나노의학 연구단, 심장 질환 진단 및 치료 장치에 활용 기대 -
몸속 심장 표면에 부착하여 돌연사의 주범인 부정맥을 실시간으로 진단하고, 동시에 부정맥을 치료할 수 있는 새로운 개념의 심장 부착형 전자패치가 개발됐다.
과학기술정보통신부 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학연구단(단장 천진우) 박장웅 연구위원 연구팀(연세대 신소재공학과 교수)은 부정맥 환자의 심장 기능을 실시간 감지하면서, 동시에 부정맥이 발생하면 심장에 미세 전기 자극을 주어 심장 박동의 이상을 정상화시키는 심장 부착형 전자패치 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 연구에는 나노의학연구단 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수), 연세대 세브란스 병원 심장혈관외과 이삭 교수 연구팀이 공동으로 참여했다.
정상적인 심장은 전기 자극 생성 조직에서 만들어내는 1분에 60~100회의 자극에 의해 규칙적으로 수축과 이완이 반복되면서 신체 각 조직으로 혈액을 공급한다. 부정맥은 심장에서 전기신호의 생성이나 전달에 이상이 생기거나 비정상적인 전기신호가 발생하는 경우, 심장이 규칙적으로 수축하지 못하여 맥박이 비정상적으로 빨라지거나 느려지거나 혹은 불규칙해지는 것을 말한다.
부정맥의 유발 요인은 심장의 선천적 이상이나 질환, 흡연·음주 같은 생활습관 등 다양하지만 돌연사의 주범이라고 일컬어질 만큼 생명을 위협하는 심각한 심혈관질환이다. 따라서 돌연사의 위험이 높은 심장질환 환자의 경우, 몸속에 이식형 제세동기를 삽입하여 부정맥 발생 시 자동으로 심장에 전기 충격을 가해 사망위험을 감소시키기도 한다.
하지만 기존의 이식형 전자장치는 크기가 커 이식 시 가슴 피부를 절개하는 부담이 있고, 정맥을 통해 전극을 심장에 넣는 방식으로 작동하기 때문에 감염이나 정맥 천공, 허혈성 염증 등 합병증의 위험이 있다. 또한, 이식형 전자장치는 심장의 전기 활동을 감지하고 부정맥을 감지하면 전기 충격을 주는 방식이기 때문에 외부 전기 자극에 민감할 수 있어 시술 받은 환자의 외부 활동에 각별한 주의가 요구된다.
연구팀은 대표적인 심장 진단 방식인 심전도가 아닌, 심장이 수축과 이완하는 물리적 운동을 직접 감지할 수 있는 반도체 기반의 압력센서를 개발했다. 이 센서는 심장 표면에 부착될 정도의 얇은 패치 형태로, 고해상도의 압력센서가 분포되어 있어 심장 표면의 압력 분포를 실시간 감지할 수 있다. 또한, 부정맥을 감지하면 심장에 효과적으로 전기 자극을 가하기 위해 표면적이 넓은 나노구조의 전극이 결합되어 있다. 즉, 하나의 패치 장치로 심장의 압력 감지와 미세 전기 자극을 동시 수행 가능하게 한 것이다. 특히 반도체 기반의 압력센서는 몸속 내부 또는 외부에서 가해지는 전기적 신호에 간섭을 받지 않아서, 압력 감지 기능과 전기 자극 기능을 동시에 수행하는 것이 가능하다.
연구팀은 부정맥을 유발한 실험 토끼의 심장 표면에 전자패치를 부착하여 측정한 압력 분포 데이터로 부정맥 발현으로 심장의 수축과 이완이 불규칙해진 것을 확인했다. 동시에 심장에 자동으로 미세 전기 자극을 가해 심장 박동을 정상화하는 데 성공하여 전자패치의 임상 효과를 증명했다.
또한 전자패치를 심장 표면에 장기간 안정적으로 고정하기 위해 홍합의 접착 능력을 모방하여 생체 접합성이 우수한 하이드로젤 접착제를 개발했다. 연구팀은 접착제가 코팅된 전자패치가 실험 토끼의 심장 표면에 부착 후 10주가 지나도 안정적으로 유지되며 토끼의 정상적인 활동이 가능함을 확인했다.
박장웅 연구위원은 “이번 연구로 개발된 심장 부착형 전자패치 기술은 기존 이식형 제세동기 기술의 한계를 극복하고 새로운 심장 질환 진단 및 치료 전자장치에 활용될 수 있을 것”이라며, “향후 임상실험을 통해 상용화하여 실제 부정맥 환자들에게 적용할 것을 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 9월 15일 온라인 게재됐다.
[붙임] 1. 연구추가설명, 2. 그림설명, 3. 연구진 이력사항
상세내용
논문명 | In-situ diagnosis and simultaneous treatment of cardiac diseases using a single device platform |
저자정보 | Jae Chul Hwang, Moohyun Kim, Sumin Kim, Hunkyu Seo, Soohwan An, Eui Hwa Jang, Seung Yeop Han, Mi Jung Kim, Nam Kyun Kim, Seung-Woo Cho*, Sak Lee*, Jang-Ung Park* |
연구이야기 | [연구 배경] 심장 질환으로 인한 사망자 수가 암에 의한 사망자 수를 넘어 단일 질환으로 인한 사망 원인의 독보적 1위이다. 특히, 심장 질환의 경우 예기치 못한 돌연사로 이어지는 경우가 많으며 대표적인 원인으로 부정맥을 들 수 있다. 부정맥의 경우 아무런 사전 증상 없이 갑자기 찾아 오는 경우가 많으며, 부정맥으로 병원을 방문할 시 정상적인 심장 박동으로 회귀하여 정확한 진단이 어려운 경우가 있다. 따라서 부정맥으로 인한 심장 질환을 사전에 예방하기 위해서는 지속적으로 심장 활동 및 이상 유무를 감지해야 하고, 질환 발생이 감지될 경우 즉각적인 처치가 이루어져야 하다. 이를 위해 최근에는 인공심장박동기(페이스메이커) 및 삽입형 제세동기와 같이 체내 삽입이 가능한 진단 및 치료장치가 개발되어 심장 질환 환자에 시술되고 있으며, 그 우수한 효과성이 보고되고 있다. [연구 과정] 가해지는 압력에 따라 전류 변화가 유도되어 압력을 감지할 수 있는 반도체 트랜지스터 기반 압력센서와, 미세 전기 자극을 가할 수 있는 젤리 형태의 전극으로 구성된 심장 부착형 전자패치를 제작했다. 전자패치는 심장의 표면(특히, 좌심실)에 부착되며 심장이 수축 후 이완 될 때 심장 표면이 압력 센서를 누르게 되고, 그 때의 압력을 측정하는 방식이다. 심장의 수축과 이완의 반복적인 물리적 활동을 통해 압력의 주기를 확인할 수 있고, 이를 통해 심장 박동을 감지할 수 있다. 또한, 압력센서에 내장된 미세 전기 자극용 전극은 심장표면에 주기성을 가지는 전기자극을 가하여 심장 박동을 조율할 수 있다. [어려웠던 점] 상기에서 기술한 인공심장박동기 및 삽입형 제세동기는 박동생성기와 유도 전극으로 구성되어 있다. 박동생성기는 체내의 쇄골 피하에 삽입되고 유도 전극은 정맥을 통해 심장 내부에 삽입하는 구조이다. 하지만, 유도 전극을 심장 내부에 삽입 하는 과정에서 삼첨판 역류, 정맥 천공, 허혈성 염증과 같은 합병증의 유발이 가능하고, 체내 삽입된 박동생성기로 인해 환자의 일상생활에 불편함을 야기하는 문제가 꾸준히 제기되고 있다. 결과적으로 이들 장치는 심장의 활동을 감지하는 기능과 전기적으로 치료하는 기능이 하나의 장치로 구현될 수 없고, 실시간으로 동시에 이루어 질 수 없는 치명적인 단점을 가지고 있다. [향후 연구계획] 본 발명은, 현재의 반도체 기술이 바이오 분야로도 확대 응용 가능함을 보여준다. 반도체 트랜지스터를 압력센서로 사용하여, 심장 표면에 부착한 형태로 심장의 수축과 이완 형태의 움직임을 실시간 감지할 수 있으며, 심장 움직임을 감지함과 동시에 적절한 미세 전기 자극을 통해 심장 부정맥을 치료할 수 있는 심장 부착형 전자패치를 개발한 것이다. 주기적 교체 및 2차 수술이 필요한 기존 인공심장박동기 및 제세동기 기술을 극복한 것으로, 동물실험을 통해 실시간 심장 박동 운동을 일정하고 규칙적으로 유지할 수 있었다. 이러한 웨어러블 전자패치 제작 기술은 모바일 헬스케어 기술의 플랫폼을 제시하며, 근래 가장 이슈가 되는 분야인 건강관리 및 의료계에 적용하기에 적합하다. 임상실험을 통해 상용화되어 실제 부정맥 환자들에게 적용되리라 전망된다. |
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