최근 일론 머스크의 뉴럴링크가 인체 임상 시험을 승인받았다는 소식은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 같은 바이오일렉트로닉스가 공상과학의 영역을 넘어 현실로 다가왔음을 보여줍니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)란 무엇일까요? 이는 사용자가 생각만으로 컴퓨터나 외부 장치를 제어할 수 있게 해주는 뇌 이식 장치입니다.
뉴럴링크는 사람 머리카락보다 가는 64개의 실에 1,000개 이상의 전극이 달린 임플란트를 사용하여 환자의 생각을 기록하고 앱으로 전송합니다. 앱은 뇌 신호를 해독하여 컴퓨터를 제어하는데, 마우스를 사용하듯 클릭하거나 타이핑하듯 텍스트를 생성할 수 있습니다. 이를 통해 마비 환자나 파킨슨병, 근위축성측삭경화증(ALS)과 같은 신경퇴행성 질환을 앓는 환자들이 의사소통을 할 수 있게 됩니다. 뉴럴링크의 응용 분야는 단순한 재활을 넘어섭니다. 뉴럴링크는 생각이 곧 인터페이스가 되어 사람들이 장치를 제어하고, 가상 세계를 탐색하며, 나아가 인지 능력을 확장할 수 있는 미래를 그리고 있습니다.
뇌와 컴퓨터를 연결하려는 시도는 뉴럴링크뿐만이 아닙니다. 싱크론(Synchron)과 프리시전 뉴로사이언스(Precision Neuroscience)와 같은 기업들도 BCI 기술에 대한 인체 임상 시험을 시작했습니다. 이러한 임상 시험의 상당수는 마비나 ALS 환자를 대상으로 하지만, 의학적 발전의 기회는 이러한 질환을 훨씬 뛰어넘습니다.
CAS Content CollectionTM의 특허 및 저널 문헌을 분석한 결과, 바이오일렉트로닉스에 대한 관심이 높아지고 있으나 광범위한 사용을 가로막는 중요한 과제들도 드러났습니다. 지난 5년간 바이오일렉트로닉스 관련 저널 출판물은 크게 증가했지만, 학술 연구가 특허 출원 속도를 앞지르고 있습니다(그림 1 참조). 이는 이러한 기술의 대규모 상용화가 학계 수준에서 연구 중인 근본적인 과학적 난제들에 직면해 있으며, 실제 상용화까지는 수년이 걸릴 수 있음을 시사합니다.
바이오일렉트로닉스를 일상생활에 원활하게 통합하는 것이 왜 여전히 어려울까요? 이러한 혁신을 가능하게 하는 소재는 무엇이며, 어떻게 개선되어야 할까요? 최신 연구 분석을 통해 몇 가지 핵심 트렌드를 확인했습니다.
바이오일렉트로닉스 개요
바이오일렉트로닉스는 전자 시스템이 분자, 세포, 장기 수준에서 생물학적 구성 요소와 상호 작용할 수 있도록 하는 새로운 장치 개발을 포함하며, 종종 새로운 소재와 방법론을 활용합니다. 이 접근 방식은 외부 자극을 감지, 처리 및 반응하는 생명체의 고유한 능력과 현대 전자 부품의 정밀함 및 속도를 결합합니다. 이러한 인간-컴퓨터 인터페이스를 구현하기 위해, 혁신 기술들은 생체 조직과 효과적으로 통합될 수 있는 다양한 특수 소재에 크게 의존합니다.
앞서 언급했듯이 뉴럴링크는 사람 머리카락 굵기의 5분의 1에 불과한 실에 미세 전극을 사용하며, 전도성 금속과 플라스틱의 일종인 폴리아미드를 결합합니다. 프리시전 뉴로사이언스 역시 뇌 표면에 밀착되는 유연한 필름에 내장된 수천 개의 미세 전극을 활용합니다. 전극에 사용되는 소재의 소형화는 독특한 과제입니다. 전극은 부드러움, 유연성, 생체 적합성을 유지하면서 생체 조직으로 전하를 효율적으로 전달할 수 있어야 하기 때문입니다.
연구 결과, 바이오일렉트로닉스 연구에서 가장 많이 언급되는 신체 부위는 얼굴과 신경계였으나, 거의 모든 신체 시스템이 어느 정도 다루어지고 있는 것으로 나타났습니다(그림 2 참조).
현재 심장 모니터링, 약물 전달, 통증 관리 등을 위한 바이오일렉트로닉스 응용 분야가 확대되고 있습니다. BCI와 마찬가지로 이러한 혁신 기술들도 다각적인 요구 사항을 충족할 수 있는 소재를 사용해야 합니다. 해당 소재들에 대한 자세한 내용은 아래와 같습니다.
바이오일렉트로닉스에 사용되는 고분자
고분자는 여러 단위체가 결합하여 이루어진 분자입니다. 바이오일렉트로닉스 분야에서는 상호 보완적인 특성을 가진 소재를 결합하거나 특정 응용 분야에서 소재의 기능을 최적화할 수 있기 때문에 고분자 복합체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)은 여러 장점 덕분에 바이오일렉트로닉스 문헌에서 가장 흔히 언급되는 고분자입니다. 첫째, 조절 가능한 유연성과 탄성 덕분에 생체 조직과 기계적으로 통합될 수 있는 유연하고 신축성 있는 전자 장치를 제작할 수 있습니다. PDMS 기반 기판은 유연한 전극, 센서 및 웨어러블 장치 제작에 널리 사용됩니다. 또한 PDMS는 광학적 응용에도 적합하며, PDMS로 감싼 신경 인터페이스는 조직 손상이나 면역 반응을 크게 유발하지 않고 뇌나 신경계에 이식할 수 있습니다.
탄소 나노튜브는 PDMS와 결합할 수 있는 전도성 소재의 일종입니다. 일반적으로 직경이 수십 나노미터(nm)인 이 구조체는 전기 전도성을 제공하며, PDMS와 혼합되어 심장 근육이나 뇌와 같은 생의학 분야 전반에 걸쳐 사용될 수 있습니다.
또 다른 유망한 소재는 전도성과 기계적 특성이 뛰어난 고분자 조합인 PEDOT:PSS입니다. 이 소재는 인체 조직과 유사한 특성을 지녀 생체 전자공학 응용 분야에 적합한 하이드로젤에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 최근 특허에서는 종양 절제 부위에 주입하여 수술 후 잔여 암세포를 표적으로 전기 치료를 수행하는 PEDOT:PSS 함유 주입형 젤 전극을 소개하고 있습니다.
이러한 합성 고분자와 나노튜브 같은 미세 소재도 유망하지만, 과학자들이 생체 전자 복합체를 만들기 위해 자연계의 소재를 결합하는 연구 또한 지속하고 있음을 확인했습니다(그림 3 참조).
셀룰로오스, 알지네이트, 실크와 같은 천연 고분자는 안정성, 높은 기계적 강도, 생체 적합성이라는 장점을 갖추고 있습니다. PEDOT:PSS와 결합된 실크 기반 전극은 웨어러블 기기에 필요한 뛰어난 신축성과 착용감을 입증했습니다. 또 다른 최근 혁신 사례로는 갈조류에서 추출한 소듐 알지네이트와 생분해성 산화 몰리브덴을 결합하여, 체내 이식형 생체 전자 기기에 전력을 공급하는 흡수성 슈퍼커패시터를 개발한 것입니다.
생체 전자공학에서의 금속 및 무기 화합물
다음으로 살펴볼 소재군은 금속입니다. 귀금속은 전도성과 안정성이 뛰어나 생체 전자공학 연구에서 핵심적인 역할을 해왔습니다. 예를 들어, 뉴럴링크(Neuralink)는 매우 안정적이고 검증된 금속인 금과 백금을 사용합니다.
그러나 분석 결과, 몰리브덴, 아연, 마그네슘과 같은 생분해성 및 생체 흡수성 금속 또한 생체 전자공학을 위한 유망한 무기 화합물임이 밝혀졌습니다. 이러한 소재는 금속의 전기적 특성을 유지하면서도 시간이 지남에 따라 체내에서 안전하게 분해 및 흡수되는 능력을 갖추고 있습니다. 몰리브덴과 폴리우레탄으로 구성된 신경 자극 전극처럼, 이러한 금속을 생분해성 캡슐화 고분자와 결합하여 완전히 흡수 가능한 생체 전자 기기를 제작할 수 있습니다.
상용화를 위한 과제 극복
생체 전자공학은 수많은 혁신적 가능성을 품고 있으며, 학술지 및 특허 조사 결과 위에서 언급한 사례들은 잠재적 활용 사례의 극히 일부에 불과합니다. 하지만 이 분야에는 상당한 난관이 존재하며, 대부분의 기술은 여전히 실험 단계에 머물러 있습니다.
주요 과제 중 하나는 이러한 소재와 기기에 대한 면역 반응입니다. 환자마다 특성이 다르기 때문에 개별 생체 전자 소재의 안전성을 입증하여 널리 사용하기까지는 광범위한 임상 시험과 연구가 필요합니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 구조가 다양하여 개인별 반응을 예측하기가 더욱 어렵습니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 민감한 뇌 조직에 이식되므로 향후 사이버 보안 문제까지 야기할 수 있습니다.
상용화를 위한 유일한 길은 임상 시험 과정과 생체 내(in vivo) 테스트입니다. 전도성 소재가 전기 전하를 효과적으로 전달하는 능력을 유지하는지, 고분자가 체내에서 분해되는지 등 독성과 효율성을 확인하기 위한 장기적인 영향 연구가 필수적입니다. 또한 BCI 이식이 인간의 생리적 또는 심리적 측면에 장기적으로 어떤 영향을 미칠지도 검증해야 합니다.
이러한 질문에 답하는 것은 중요한 과제이지만, 이러한 혁신이 삶의 질을 향상시킬 잠재력 또한 매우 중요합니다. 인간 대상 임상 시험이 확대되고 더 많은 개념이 특허 출원 단계에 도달함에 따라 향후 연구가 어떻게 발전할지 기대가 큽니다. 아직은 공상과학처럼 느껴질 수 있지만, 생체 전자공학은 미래 의료의 핵심 요소가 될 것입니다. 생체 전자공학 및 기타 신흥 생체 소재 분야가 미래를 어떻게 재편할지 자세히 알아보려면 생체 소재 분야 10대 신흥 트렌드 보고서를 확인해 주십시오.
본 기사는 중국 웨스트레이크 대학교(Westlake University)와 공동으로 수행한 연구를 포함하고 있습니다.
