【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST(총장 이건우) 로봇 및 기계전자공학과 김소희 교수 연구팀은 신경을 손상시키지 않으면서 안전하게 감쌀 수 있는 혁신적인 전극을 개발했다고 밝혔다. 

▲ (왼쪽부터) DGIST 로봇및기계전자공학과 김소희 교수, MIT 기계공학과 문현민 박사후연구원  © DGIST

이번에 개발된 전극은 소프트 구동(액츄에이션) 기술을 활용해 평평한 2D 형태에서 3D 구조로 변할 수 있는 것이 특징이다. 이 전극은 말초신경 대상의 전자약을 비롯한 다양한 차세대 소프트 바이오전자소자로 활용될 가능성이 크다.

기존의 신경 전극은 신경에 전기 신호를 전달하거나 미세한 전류를 흘려보내 신경을 자극하는 역할을 한다. 하지만 신경과 전극이 제대로 접촉하지 않으면 신호를 정확히 측정하기 어렵고 원하는 자극을 전달하는 것도 어려워진다. 

특히 기존의 커프 전극은 신경을 감싸면서 고정하는 방식인데, 전극이 미끄러지거나 돌아가는 위험이 있어 강하게 조여야 했고, 이 과정에서 신경이 압박을 받아 혈류가 줄어들거나 손상될 수 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전극이 스스로 구부러져 신경을 감쌀 수 있는 ‘소프트 구동 기반 커프 전극(soft-actuated cuff electrode)’을 개발했다. 

이 전극은 부드럽게 휘어지며 신경을 감싸면서 봉합 없이도 안정적으로 고정된다. 따라서 신경을 과도하게 조이지 않으면서 밀착력을 유지할 수 있어 기존 전극보다 훨씬 안전하다.

연구팀은 전극의 일부를 3차원적으로 볼록하게 튀어나오는 구조로 설계해, 신경과 접촉하는 면적을 줄이면서도 밀착력을 높였다. 이를 통해 신경을 손상시키지 않으면서 선명한 신경 신호를 측정할 수 있다. 

연구팀은 이 전극을 실제 말초신경에 적용해 장기간 실험을 진행했으며, 신경을 손상시키지 않으면서 정확한 신경 신호를 측정하고, 원하는 신경만 선택적으로 자극할 수 있음을 확인했다. 특히 3D 구조 덕분에 신경 조직이 손상되지 않았고, 신경 기능에도 문제가 없었다.

김소희 교수는 이번 연구가 말초신경 및 미주신경 등 신경을 감싸는 커프 형태 전극의 새로운 개념을 제시한다고 강조했다. 이번 전극은 장기간 고품질의 신경 신호 모니터링과 최소 전류 자극이 가능해, 향후 체내 이식형 전자약 등 다양한 바이오전자소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 김소희 교수가 교신저자로, MIT 기계공학과 박사후 연구원 문현민 박사가 제1저자로 참여했으며, 한국뇌연구원 추남선 선임연구원과 경북대병원 신경외과 박기수 교수가 연구에 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 후면 표지논문(Back Cover)으로 선정됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 DGIST Research Team Develops Electrode That Can Safely Wrap Without Damage to Nerves

DGIST (President Lee Kun-woo) Department of Robotics and Mechanical and Electronic Engineering Professor Kim So-hee's research team announced that they have developed an innovative electrode that can safely wrap without damaging nerves.

The newly developed electrode is characterized by its ability to transform from a flat 2D shape to a 3D structure using soft actuation technology. This electrode has great potential to be used as a variety of next-generation soft bioelectronic devices, including electromedicines for peripheral nerves.

Existing nerve electrodes transmit electrical signals to nerves or stimulate nerves by sending microcurrents. However, if the nerve and electrode do not make proper contact, it is difficult to accurately measure the signal and transmit the desired stimulation.

In particular, existing cuff electrodes are fixed by wrapping around the nerve, but they had to be tightened tightly because there was a risk of the electrode slipping or turning, and in the process, the nerve could be compressed, reducing blood flow or damaging it.

To solve these problems, the research team developed a ‘soft-actuated cuff electrode’ that can bend on its own and wrap around the nerve.

This electrode gently bends and wraps around the nerve, and is stably fixed without suturing. Therefore, it can maintain tightness without over-tightening the nerve, making it much safer than existing electrodes.

The research team designed a part of the electrode to have a three-dimensional convex structure, reducing the area of ​​contact with the nerve while increasing tightness. This allows clear nerve signals to be measured without damaging the nerve.

The research team applied this electrode to actual peripheral nerves and conducted long-term experiments, and confirmed that it can accurately measure nerve signals without damaging the nerve and selectively stimulate only the desired nerve. In particular, thanks to the 3D structure, the nerve tissue was not damaged and there were no problems with nerve function.

Professor Kim So-hee emphasized that this study presents a new concept of cuff-shaped electrodes that wrap around nerves such as peripheral nerves and vagus nerves. This electrode is expected to be used as a variety of bioelectronic devices such as implantable electronic drugs in the future, as it is capable of long-term, high-quality neural signal monitoring and minimal current stimulation.

Professor Kim So-hee participated in this study as the corresponding author, Dr. Moon Hyun-min, a postdoctoral researcher in the Department of Mechanical Engineering at MIT, as the first author, and Senior Researcher Chu Nam-seon of the Korea Brain Research Institute and Professor Park Ki-soo of the Department of Neurosurgery at Kyungpook National University Hospital participated in the study. The results of the study were selected as the back cover paper in the international academic journal ‘Advanced Materials.’