중앙대학교(총장 박상규) 연구진이 헬스케어, 웨어러블 디바이스, 친환경 발전 등을 가속화 할 수 있는 원천 기술인 ‘생체-전기자극’의 메커니즘을 정립하는데 성공했다.

중앙대는 기계공학부 이상민 교수 연구팀이 연세대 홍진기 교수 연구팀과 실시한 공동연구를 통해 핸드폰 사용, 걷기와 같은 일상생활 중에서 발생하는 전기 에너지를 별다른 장치 없이 인체를 매개로 삼아 전달하는 기술을 개발하고, 시뮬레이션과 전임상 시험을 통해 그 메커니즘을 정립했다고 27일 밝혔다.

이 연구의 골자는 배터리, 전선, 발전기와 같은 불편한 부가장치 없이도 인체를 매개로 일상생활에서 발생하는 전기 에너지를 전달하는 시스템을 개발하고 정립했다는 데 있다.

핸드폰, 노트북과 같은 전자기기나 신발·옷 등에서 발생하는 전자기장을 인체를 통해 전달해 세포를 자극하는 전력원으로 활용할 수 있음을 발견한 것이다. 공동연구팀은 이번 발견을 ‘인체 매개 에너지 전달 시스템(BmET, Body-mediated energy transfer)’으로 명명했다.

그간 전기자극 기술은 비침습적 세포 활성화라는 장점으로 인해 헬스케어 분야에서 전도유망한 기술로 여겨져 왔지만, 배터리·전선 등을 필요로 해 일상에서 활용하기에는 불편하다는 한계가 뚜렷했다. 소형·나노 발전기를 활용하는 기술이 대안으로 떠올랐지만, 발전기 설치, 전선 연결 등이 필요하다는 단점은 여전했다.

인체는 높은 유전율을 지닌 복합 물질로 이뤄져 있어 전자기장을 쉽게 전달할 수 있다. 인체 무선 통신, 에너지 발전 등의 분야에서 이러한 인체의 특징을 활용하려는 시도들이 있었지만, 전자기장이 생체 조직에 미치는 영향이 확인되지 않은 탓에 관련 기술의 성장이 더뎠다.

연구팀은 유한요소해석(FEA, Finite Element Analysis)을 통해 체외 시험(ex-vivo)과 시험관 내 시험(in-vitro) 사이에 존재하는 자극 세기의 누락된 연결고리(missing link)를 해결했으며, FEA를 통해 검증한 자극의 세기를 골분화 세포(Osteoblast)에 적용했을 때 전반적인 활성화 정도가 변한다는 점을 확인했다.

연구팀은 ex-vivo를 통한 측정을 기반으로 세포 내 배양액의 양과 전극·세포 사이의 거리를 조절해 최적의 전기장 세기를 확보했다. 이를 골분화 세포에 전달해 세포 증식, 성장인자와 단백질 발현 등의 현상을 분석한 결과 전기자극에 의해 세포 증식이 약 20% 증가한다는 점을 발견했다.

성장인자와 단백질도 대조군에 비해 20% 이상 증가하는 것으로 함께 확인됐다. 유전자분석을 통해 다양한 세포 기능에 관여하는 유전자 마커의 발현이 최대 40%까지 증가하는 점을 밝혀낸 것도 이번 연구가 거둔 대표적인 성과다.

이번 연구성과는 그간 모호했던 전기자극 시스템의 생체 자극 거동을 명확히 밝힘으로써 신경 치료, 상처 치유 등 의료 분야에 폭넓은 활용 가능성을 열어줬다는 평을 받고 있다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 기초연구실사업의 지원을 통해 진행된 것이다. 이상민 교수 연구실 소속 기계공학과 용형석 박사, 홍진기 교수 연구실 소속 정성원·이미래 박사과정 학생이 공동 제1저자에 이름을 올렸다. ㈜바른바이오로 연구의 핵심 기술이전이 완료돼 기술사업화가 빠르게 이뤄질 전망이다.

연구성과에 대한 상세한 내용은 ‘인체 매개 에너지 전달에서 생체-전기자극의 누락된 연결고리 해결(Unraveling the Missing Link of Bio-Electrical Stimulation from Body-Mediated Energy Transfer)’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 지난해 피인용도(Impact Factor) 19를 기록한 국제 저명 학술지 ‘Adavanced Functional Materials’에 게재됐다.

이상민 교수는 “이번 연구성과는 질병의 치료를 위해 의료 기기 등에 사용되는 전기자극 시스템이 인체에 적용될 시 어떤 자극을 가져오는지, 전기장이 세포 단위에 균등하게 전달 가능한지, 전기자극이 세포의 기능을 조절할 수 있는지 등을 최초로 검증한 것이기에 의미가 크다”며 “생체 전기자극이 필요한 신경 치료나 상처 치유 등의 의료 분야에서 중요한 참고서로 활용될 것”이라고 말했다.


*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=43261
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