체액으로 작동하는 생체삽입형 전지 개발
- 이식형 의료기기에 반영구적 전원 공급 기대 -
 

 
□미래창조과학부(장관 최양희)는 “혈액, 림프액 등 인체의 체액*을 통해 에너지를 저장할 수 있고 외장재 없이

반영구적으로 사용가능한 생체 이식형 전지를 개발하였다”고 밝혔다.
* 체액 : 혈액·림프액·조직액 등 체내의 액체. 체내를 이동하여 조직세포에 영양분이나 산소를 운반하고 노폐물을 운반·제거하며, 병원체의 박멸과 체온조절 등의 기능이 있음.
 
□고령화 및 만성 질환 환자 증가로 인하여 심박 조율기, 삽입형 심장 박동 모니터기, 척추 신경 자극기 등 인체 기관을 보조하거나 모니터링할 수 있는

체내 삽입형 의료장치에 대한 관심이 높아지고 있다.
 
□생체 친화적인 물질로 만들어진 전극을 직접적으로 체내에 삽입하고, 인체의 체액 속에 존재하는 나트륨,칼륨, 칼슘, 염소 이온 등이 전극에

흡·탈착함으로써 작동하는 반영구적인 생체 이식형 슈퍼커패시터*가 개발되었다. 생쥐를 통한 실험 결과, 세포독성이 없고 생체적합성이 우수하게 나타났다.

충전과 방전도 안정적으로 이루어졌다.
* 슈퍼커패시터 : 축전용량이 대단히 큰 에너지 저장장치. 전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전을 하며 일반적인 2차전지에 비해 에너지 밀도는 적지만

순간적인 고출력을 낼 수 있는 장점을 가짐.
□노광철 박사 연구팀 (한국세라믹기술원)과 허윤석 교수 연구팀(인하대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며,

 이 연구는 세계적인 학술지 나노 에너지(Nano Energy) 2월 13일자에 게재되었다.
 
o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : A biocompatible implant electrode capable of operating in body fluids for energy storage devices
- 저자 정보: 노광철 박사 (교신저자, 한국세라믹기술원), 허윤석 교수 (교신저자, 인하대), 채지수 (제1저자, 한국세라믹기술원/성균관대학교)
 
□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.
1. 연구의 필요성
 
○ 현재 사용되는 체내 삽입형 의료 장치는 인체 내·외부의 전지에 의해 전원이 공급된다. 의료장치에 사용되는 전지의 종류는 체내에 삽입하는 내부전지가 있고

체외로부터 도선으로 연결하여 에너지를 공급하는 외부전지가 있다.
○ 외부전지로 의료장치에 전원을 공급하는 경우에는 피부 및 조직을 통과하여 전선이 연결되므로 도선이 부식될 수 있고, 격한 운동 또는 외부 충격 등으로 인해

피부의 전선연결부위로 병원균이 침입할 가능성이 있으며, 이는 2차 감염문제를 발생시킬 수 있다. 또한 인체 내부 의료 장치까지 전지를 연결하기 위한

수술과정이 복잡하고 일부 인체삽입 전자기기는 외부전지 사용이 불가능한 경우도 있다.
 
○ 반면 현재 사용되고 있는 인체 삽입형 내부전지는 용량이 제한적이기 때문에 일정 시간이 지나면 전지를 교체하는 재수술이 필요하고 전지를 구성하고 있는

전해액* 누수로 인한 인체감염 및 독성문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 생체적합성이 우수하고 전지의 전해액 누수로 인한

독성을 유발하지 않는 전지의 개발이 필요하다.
* 전해액 : 염이 이온 상태로 녹아있는 용액으로 전류가 흐를 수 있는 물질. 이온을 전달하는 매개체이다. 슈퍼커패시터는 일반적으로 이온의 흡착과 탈착을 통하여 구동된다.
○ 기존의 연구에서는 생체 외에서 체액과 유사하게 제조된 시험용액을 전지의 전해액으로 사용하여 구동을 확인하였다. 그러나 실제 체액을 전해액으로 이용하여

생체 내에서 전극의 생체 적합성 여부와 전지의 적용 가능성을 확인하는 연구의 필요성이 대두되고 있다.
 
 
2. 연구 내용
 
○ 연구팀은 기존 내부전지의 제한적인 용량으로 인한 재수술 과정 및 전해액 누수로 인한 인체감염과 독성 문제를 해결하기 위하여 사람 몸속에 풍부하게 존재하는 체액을

전지의 전해액으로 사용하는 방법을 고안하였다. 연구팀에서 개발한 외장재가 없는 생체 삽입형 전지는 체액 속의 Na+(나트륨), K+(칼륨), Ca2+(칼슘), Cl-(염소) 이온 등이

전지의 전극에 흡∙탈착하는 과정에서 생성되는 전자의 흐름을 통하여 구동되는 슈퍼커패시터이다. 더불어, 쥐에 이식하여 생체 내 실제 체액을 이용하여

전지의 구동을 확인한 연구가 최초로 개발되었다.
 
○ 생체 적합성을 극대화하기 위하여 전지의 양극 소재로 망간 산화물(MnO2)과 탄소 나노튜브*(carbon nanotube, CNT) 복합체를 사용하고, 음극 소재로

인화(phosphidation) 처리한 활성탄*을 사용하였다. 전지에 사용된 전극 물질의 생체 적합 여부를 세포수준에서 판단하기 위해 영장류의 콩팥(kidney) 표피세포인 Cos-7과

인간 표피 세포인 섬유아세포(fibroblast) 세포를 이용하여 세포독성 및 생존률 시험방법(MTT assay)*를 실시하였다. 인체 삽입형 전지에 사용된

모든 전극소재와 집전장치*들은 최대한 생체에 적합하게 구성되었다. 실제 생체 적용 가능성을 평가하기 위하여 양극과 음극 두 전극을 셀룰로오스* 기반의 분리막*으로 고정하여,

실험용 쥐의 표피 내에 삽입 후 봉합하였다. 이 후 포텐시오스탯(potentiostat)*을 이용하여 전류를 흘려보낸 후 전압의 변화를 실시간으로 모니터링하여 분석하였다.
* 탄소 나노튜브 : 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지금 1 nm (나노미터) 크기의 미세한 분자이다.
* 활성탄 : 흡착성이 강하고 대부분의 구성 물질이 탄소질로 된 물질인 다공성 물질.
* MTT assay : 세포의 증식 혹은 독성을 보는 실험 방법
* 집전장치 : 외부로부터 전력을 받아들이는 장치의 총칭.
* 셀룰로오스 : 섬유소라고도 하며 고등 식물과 조류 세포막, 섬유를 주성분으로 하는 단순 다당류의 일종이다.
* 분리막 : 양극과 음극 사이에 위치하는 다공성 막으로서 두 전극 간의 전기적 단락을 방지하고 이온의 흐름을 가능하게 하는 역할을 함.
* 포텐시오스탯 : 전기화학 분석을 위한 기기로, 자동적으로 전류나 전압을 일정하게 유지하는 장치를 말한다.
 
○ 실험 결과 양극은 망간 산화물(MnO2)보다 음극은 활성탄보다 독성이 절반 이하로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 삽입된 전지는 쥐의 체액을 이용하여

안정적으로 충∙방전 되는 것을 확인하였으며 높은 수명특성을 나타내는 것을 확인하였다.
 
3. 연구 성과
 
○ 기존 인체 삽입배터리의 부식 및 전해액 누출로 인한 인체 내 생물학적 독성유발 등의 원천적인 문제점을 해결하고자 전지 구성요소들(양극, 음극, 전해질 및 분리막)의

외장재가 필요하지 않는 생체 친화적인 전지를 개발하였다. 전극을 생체 친화적 소재로 만들어 체액에 직접 노출이 가능하고, 체액 속의 이온들의 흡·탈착을 이용하여

에너지를 안정적으로 저장 및 방출할 수 있는 신개념 전지를 개발하였다.
 
○ 이번 연구는 생체 친화적인 소재를 사용하고 실제 쥐에 이식하여 체액으로 전지가 안정적으로 구동되는 것을 검증했다는 부분에서 큰 의의가 있다.

전극을 생체 친화적 소재로 만들었기 때문에 세포독성이 없고 생체적합성이 우수하게 나타났다. 이 연구로 개발된 반영구적인 수명 특성을 가진 생체 이식형 전지는

인체의 체액으로 충전이 가능하므로 기존 내부전지의 한정된 전원용량으로 인해 실용화가 어려웠던 신개념 의료 기기에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

□노광철 박사와 허윤석 교수는 “이 연구는 생체 친화적 소재로 제작한 전극만을 삽입하여 외장재 없이 체액으로 구동하는 생체 삽입형 전지를 개발한 것이다.

기존의 전지의 교체를 위해 이루어졌던 수술의 번거로움을 줄여 반영구적으로 사용이 가능하며 안정적인 전원 공급이 가능하다. 신개념의 나노 의료 기기 개발 및 보급화를

가능하게 할 수 있는 원천 기술이 될 것으로 기대된다.” 라고 연구의 의의를 설명하였다.

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