차명훈 연세대 의대 생리학교실 교수와 유기준 공과대학 전기전자공학부 교수팀은 높은 전기전도성으로 전기적 신경조절이 가능하면서도 자기공명영상(MRI) 촬영 시 안전성을 높인 새로운 유기반도체 물질인 PEDOT:PSS(Poly(3,4- ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) 소재의 자기공명영상장치에서 사용가능한(MRI-compatible) 신소재를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(Advanced Functional Materials, IF 19.924) 최신호에 게재했다.

대표적인 신경퇴행성 질환인 파킨슨병, 뇌졸중 등은 신경세포의 비정상적 활동으로 발생한다. 이들 질환은 약물로도 치료가 가능할 수가 있지만, 많은 경우 진행을 늦출 뿐 근본적인 치료는 어렵다. 최근에는 신경세포의 활동을 관찰하면서 정밀조절이 가능한 전기자극 장치를 질환 부위에 삽입해 손상된 신경회로를 조절하는 외과적 수술방법이 많이 시행되고 있다. 하지만 전기자극 장치는 금속 소재로 이뤄져 강한 자기장을 사용하는 MRI 촬영은 불가능하다는 단점이 있다.

연구팀은 전기적 신경조절이 가능하면서 MRI에서도 안정적 촬영이 가능한 이식형 장치를 개발했다. 전기가 흐르는 생체친화적 고분자 소재 ‘PEDOT:PSS’를 이용했다. 소재가 가진 낮은 전기전도성을 문제를 해결하기 위해 PEDOT:PSS에 화합물 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 특수 처리해 반도체 공정 수준의 미세한 전도성 생체전극(MRI-compatible PEDOT)을 개발했다.

(A) MRI-compatible PEDOT 공정 과정, (B) MRI-compatible PEDOT와 기존 전극의 MRI 촬영 결과. 기존 전극(위쪽 그림)은 이미지 변성으로 인해 결과물 확인이 어려운 반면 MRI-compatible PEDOT(아래쪽 그림)는 이미지 변성 없이 안정적으로 결과물을 보였다.

연구팀은 MRI-compatible PEDOT의 안정성 검증을 위해 MRI 시험 테스트를 진행했다. 기존 전극의 경우 MRI와 같은 고자기장 의료환경에서 불안정성으로 이미지 변성이 일어나 결과물 확인이 어려웠던 반면 MRI-compatible PEDOT은 선명한 결과물을 보이며 안정적 사용이 가능했다.

연구팀은 또 동물모델에서 MRI-compatible PEDOT이 뇌피질 전기자극을 통해 즉각적이고 효과적인 신경조절이 가능함은 물론 뇌의 미세한 활성 신호를 감지하는 데에도 뛰어난 적합성을 보이는 것을 확인했다.

차명훈 교수는 “이번 연구를 통해 기존 신경 임플란트 환자의 의료영상 촬영 시 발생할 수 있는 잠재적 위험을 제거하고, 신경조절 치료의 가능성을 확인할 수 있었다”며 “이 기술을 파킨슨병과 뇌졸중 등 신경퇴행성질환 치료에 사용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.