[학과 연구성과 취재] 성창훈 박사과정 학생

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<성창훈 박사과정 학생>

이번 달에는 올해 4월 Nature Communications에 ‘Highly conductive tissue-like hydrogel interface through template-directed assembly’라는 제목으로 논문을 게재하신 성창훈 박사과정 학생을 취재하였습니다.

Q. 안녕하세요, 이달의 학과 연구 성과 취재 인터뷰에 응해주셔서 진심으로 감사드립니다. 간단한 본인 소개와 인사말씀 부탁드립니다.

A. 안녕하세요, 바이오및뇌공학과 박성준 교수님 연구실에서 박사과정에 재학 중인 성창훈입니다. 현재 박사과정 2년차로, Biomedical and Neural Interface Lab(BNIL)에서 중추신경계와 말초신경계의 신경 인터페이스(neural interface)를 연구하고 있습니다. 이렇게 좋은 기회로 인사드리게 되어 반갑습니다.

Q. 올해 4월 Nature Communications에 ‘Highly conductive tissue-like hydrogel interface through template-directed assembly’ 논문을 게재하셨는데, 해당 논문에 대해 간략하게 설명을 부탁드립니다.

A. 생체 내에서 사용되는 바이오 전자기기는 체내에서 발생하는 전기적 신호를 읽어 생체 활성을 모니터링하거나 전기자극을 가하여 특정 반응을 유도해 질병을 치료하거나 생체 반응을 활성화 시키는데 사용됩니다. 기존의 바이오 전자기기에서 사용되는 전극들은 주로 생체 조직에 비해 단단하고 딱딱한 물성을 가지고 있어 불가피하게 체내에 염증반응을 일으키는 반면, 최근 새롭게 개발되고 있는 유연한 전극들은 염증반응의 유발은 완화되지만 반대로 기계적 물성이 불안정하다는 단점을 가지고 있었습니다. 본 연구에서는 이러한 기존의 단점들을 극복할 수 있는 고전도성 하이드로겔 전극을 개발하였습니다.

Q. 이어, 공동 1저자로서 본 연구에서 어떠한 부분에 대해 기여해주셨는지 구체적으로 여쭤봐도 될까요?

A. 강지형 교수님과 정주은 박사과정 선생님께서 주도적으로 개발하신 물질로 만든 고전도성 하이드로겔 전극을 활용하여 실제 활용 가능한 두 가지 형태의 바이오 전자기기를 설계하였습니다. 이들 중 하나의 바이오 전자기기는 쥐의 심장에 부착하여 심전도(electrocardiogram, ECG)를 측정할 수 있음을 시연하였으며, 다른 하나는 쥐의 좌골 신경에 부착하여 전기자극을 제공하고 의도하는 대로 다리를 움직이는데 사용될 수 있음을 검증하였습니다. 또한, 개발한 물질과 바이오 전자기기가 생체 내에서 우수한 생체적합성을 가지는 것을 보임으로써 해당 물질이 추후 다양한 바이오 전자기기에 활용될 잠재성을 입증하였습니다.

Q. 논문 내용을 살펴보면, 새로운 전도성 하이드로겔을 개발하셨는데 기존의 neuro-interfacing electrodes와 비교하여 어떠한 점이 향상되고 개선되었는지 궁금합니다.

A. 현재 가장 흔히 사용되는 신경 인터페이스 전극들은 높은 전도성을 가지지만 생체 조직에 비해 훨씬 단단한 물성을 가지고 있어 이로 인해 면역거부반응이 일어나거나 흉터 조직이 생성됨에 따라 기기의 성능이 크게 떨어진다는 한계점을 가집니다. 이를 보완하기 위해 부드러운 하이드로겔에 전도성 물질을 합성하여 전도성 하이드로겔을 개발하고자 하는 수많은 시도가 있어왔고, 이를 인터페이스 전극으로 사용하기 위한 연구들이 지금까지도 많이 진행되고 있습니다. 하지만 이런 전도성 하이드로겔의 개발이 어려운 이유는 고유 특성상 그 전도성을 높이기 위해 전도성 물질을 많이 섞을수록 기계적 물성이 단단해지고, 반대로 기계적 물성을 유연하게 하고자 하면 전도성이 떨어지는 일종의 trade-off 때문이었습니다. 이를 극복하고자 본 연구에서는 전도성 고분자의 템플릿 유도 합성법을 이용해 전도성 하이드로겔을 제작하였으며, 결과적으로 높은 전기전도도를 가지면서도 동시에 조직과 유사한 정도의 부드러운 물성을 가지는 하이드로겔 전극을 제작할 수 있었습니다. 해당 기계적 물성과 전도성은 현재까지 보고된 전도성 하이드로겔 중에서 가장 우수한 편에 속한다고 말씀드릴 수 있습니다.

Q. 연구 내용과 관심 분야를 모두 고려해보았을 때, neural interfaces / electroceuticals에 많은 흥미를 가지고 계신 것으로 보입니다. 이에 관심을 가지게 되신 특별한 이유가 있으신지 궁금합니다.

A. 신경 인터페이스에 대한 관심은 학부시절 "Learning to control a brain-machine interface for reaching and grasping by primates. PLOS. 2003" 논문을 접하면서부터 시작되었습니다. 본래에도 인간의 신체 중 가장 미지의 영역인 뇌에 관심이 많았는데요. 2003년부터 영장류를 대상으로 뇌 신호를 해석하고 해당 신호를 이용해 외부 기기의 동작을 컨트롤하는 연구에 매료되어 뇌-기계 인터페이스(brain machine interface, BMI) 혹은 신경 인터페이스를 꼭 한 번 연구해보고 싶었습니다. 과거에는 공상과학과도 같았던 BMI가 일상생활에서도 널리 사용되는 것을 하루빨리 보고싶었기 때문에, 이를 위해서는 가장 먼저 생체 적합성의 다기능 인터페이스 개발이 선행되어야 한다고 판단했고, 이에 신경 인터페이스를 학위과정의 연구주제로 선정하게 되었습니다.

Q. 본 연구를 진행하시는 과정에서 어떠한 부분이 가장 어렵고 힘드셨나요? 나아가 이를 어떻게 해결하셨나요?

A. 바이오 전자기기에 사용될 수 있는 새로운 전극을 개발하는 것과는 별개로, 이를 이용하여 실제 바이오 전자기기를 설계 및 구축하기 위해서는 추가로 고려되어야 할 점들이 많습니다. 이번 연구와 같이 새롭게 개발된 물질로 이루어진 고성능 전극의 경우, 바이오 전자기기 구축에 사용되던 기존의 물질 및 제작 방식과 호환이 되지 않는 경우가 많기 때문에 이에 맞게 새로운 접근 및 제작 방식이 필요하기 때문입니다. 본 연구에서는 특히 개발한 전극을 쥐의 좌골 신경에 안정적으로 부착할 바이오 전자기기를 설계하는 것에서 많은 어려움을 겪었습니다. 좌골 신경이 손상되지 않도록 지나치게 늘리지 않으면서, 동시에 절연은 잘 되어 전기 자극이 효율적으로 전달될 수 있어야 했는데요. 이 부분 역시 효율적인 전기 자극과 설계 간 일종의 trade-off였던 셈이죠. 해당 문제는 다양한 절연 물질과 최소/최적 수술법을 여러가지 시도해보면서 해결할 수 있었습니다. 여느 연구처럼 반복된 시행착오를 거쳐 잘 헤쳐나갈 수 있었던 것 같습니다 (웃음).

Q. 이번 연구 결과가 어떤 의미와 의의를 가지는지, 더불어 어떠한 긍정적인 파급 효과를 기대해볼 수 있을지 궁금합니다.

A. 이번 연구는 높은 전도성을 가지면서 동시에, 조직에 유사한 물성을 가지는 전도성 하이드로겔이라는 점에 더해, 인터페이스 제작에도 상당한 이점을 제공한다는 점에서 의의가 있습니다. 본 전도성 하이드로겔은 광중합(photo polymerization)이나 열중합(thermal polymerization)을 통해 제작되기 때문에 복잡하고 미세한 구조로도 합성 가능하며, 나아가 패터닝으로 제작되는 기존 인터페이스에도 손쉽게 활용될 수 있습니다. 또한, 좋은 피부접착력을 가지고 있어서 인터페이스의 수술 및 고정을 위해 봉합과 같은 부가적인 시술이 요구되지 않습니다. 이외에도 인터페이스 설계와 임플란트 수술에 용이하다는 장점 역시 가지고 있기 때문에, 이번 연구에서 개발된 하이드로겔은 다양한 인터페이스의 전극으로써 활용될 수 있을 것으로 생각하고 있습니다. 실제로 해당 연구를 보시고 몇몇 연구자분들께서 큰 관심과 호기심을 보여주시기도 하셨는데, 저희 또한 이번 하이드로겔 전극이 다양한 인터페이스 한계점 해결에 실질적으로 큰 도움이 될 수 있기를 기대하고 있습니다.

Q. 현재는 어떠한 연구를 진행하고 계시는지 소개를 부탁드려도 될까요?

A. 영장류에서 전임상적으로 테스트되는 신경 인터페이스가 임상적으로 사람에게도 적용되기 위해서는 더 높은 수준의 생체적합성과 낮은 면역거부반응, 그리고 디바이스의 긴 수명이 반드시 필요하다고 생각합니다. 현재는 이를 해결하고자 좋은 기계적 물성과 높은 생체적합성을 가지는, 이식 가능한 하이드로겔 신경 인터페이스(implantable hydrogel neural interface)를 연구하고 있습니다.

Q. 앞으로 더 연구해보고 싶으신 게 있으시다면, 어떤 것이 있을까요?

A. 뇌 조직과 상호작용하는 신경 인터페이스를 연구하면서, 신경계와의 상호작용을 통해 다양한 치료효과를 기대할 수 있는 전자약(electroceutical)에도 관심을 가지게 되었습니다. 좋은 물성과 생체적합성을 가지는 하이드로겔로 인터페이스를 설계했던 지금의 경험을 살려 앞으로는 다양한 질병치료에 활용될 수 있는 전자약 인터페이스(electroceutical interface)를 연구해보고 싶습니다.

Q. 마지막으로 이 글을 보고 있을 후배들에게 해주실 말씀이 있으신다면?

A. 연구는 학문적 및 지적 호기심으로 시작하여 끈기와 열정으로 마무리되는 것 같습니다. 긴 호흡으로 진행되는 연구는 분명 힘들기에, 훌륭한 지도 교수님 및 좋은 공동 연구자들을 만나 열정과 끈기로 재미있게 연구한다면 좋은 결과를 얻을 수 있다고 생각합니다. 멋진 학문적 호기심으로 자신만의 공부와 연구를 해나가고 계신 모든 분들을 응원합니다.

오랜 시간 인터뷰에 응해주신 성창훈 박사과정 학생분께 다시 한번 진심으로 감사드립니다.

참고 문헌: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37948-1

기사 작성: 용인성 (aassyt76@kaist.ac.kr)