국내 세계 최초 반영구적 자가발전 심장박동기 구현

 

 

- 체내이식 심장박동기의 수명연장·심장마비 예방 가능 -

 

 국내 연구진이 고효율·유연 압전나노발전기*에서 자체 생성되는 전기에너지를 이용하여 반영구적으로 작동 가능한 자가발전 심장박동기 실험을 세계 최초로 성공하였다.

* 압전나노발전기 : 압력이나 구부러짐 등 물리적인 힘이 가해질 때 전기를 발생하는 압전물질을 이용하여 만든 소형 전기발전기

 

 향후 인체 적용을 통해 배터리가 필요 없는 인공심장박동기를 구현을 앞당길 것으로 예상되며, 더 나아가 심장마비를 예방하고 생체이식형 의료기기의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

 

 본 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(스마트IT융합시스템연구단(단장 경종민))과 중견연구자지원사업의 지원으로, 한국과학기술원 이건재 교수팀과 연세대학교 세브란스 병원 정보영 교수팀이 수행하였다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’지 최신호 7월 23일(수)자 표지논문으로 게재되었다.

* 논문명: Self-Powered Cardiac Pacemaker Enabled by Flexible Single Crystalline PMN-PT Piezoelectric Energy Harvester

 

 인공심장박동기는 심장박동이 불규칙한 환자의 몸속에 이식되어 심장에 전기자극을 가해 박동을 정상적으로 만들어주는 의료장치이다. 하지만 제한된 배터리의 수명 때문에 주기적으로 기기를 교체하는 시술이 필요한데, 이는 노약자 등 많은 환자들에게 감염 및 출혈을 유발 할 수 있기 때문에 매우 위험하고 불편하였다.

 

 이번에 개발한 유연한 압전나노발전기는 신체의 미세한 움직임을 이용해 발생한 전기에너지로 심장을 직접 자극할 수 있기 때문에 심장박동기의 수명을 늘리는 것은 물론, 그동안 에너지가 부족하여 불가능했던 심장의 실시간 모니터링도 가능할 것으로 예상된다.

 

 이번 연구에서는 ㈜아이블포토닉스의 단결정 PMN-PT 압전박막을 활용하여 고효율의 유연 나노발전기를 제작하였으며, 이 나노발전기는 굽힘과 누름 등 압력에 의해 8.2볼트(V)의 전압과 0.22밀리암페어(mA)의 전류를 생성하고 쥐의 심장을 직접 자극하여 심장박동을 인위적으로 규칙화하는데 최초로 성공하였다.

 

 세브란스병원 심장내과 정보영 교수는 “이번 연구성과를 임상에 적용하면 자가발전 심장박동기에 사용될 뿐만 아니라, 부정맥과 같은 심장의 이상증후를 미리 진단하여 심장마비 등을 예방 할 수 있으며, 그 외에도 다양한 이식형 의료기기의 에너지원으로 활용할 수 있을 것이다.”라고 말했다.

 

 

연 구 결 과 개 요

 

1. 연구배경
인공심장박동기는 심장박동이 불규칙한 환자의 몸속에 이식되어 심장박동을 정상적으로 유지시키는데 필수적인 의료장치이다. 하지만 제한된 배터리의 수명 때문에 주기적으로 기기를 교체하는 시술이 필요한 단점이 있다. 만약 인체 내에서 스스로 전기발전이 가능해 배터리를 충전하고 심장을 직접적으로 자극 할 수 있다면 기기교체수술에서 발생 할 수 있는 의료사고 및 부대비용을 줄여 환자의 불편을 최소화 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 체내에서 스스로 전원공급이 가능한 심장박동기 구현을 위해 고효율의 PMN-PT 단결정 압전박막을 이용하여 고성능의 유연한 압전나노발전기(Nanogenerator)를 개발하였다.

 

2. 연구내용
본 연구에서는 스스로 전기발전이 가능한 인공심장박동기의 구현을 위해 고성능의 유연한 압전나노발전기를 개발하였고, 이를 이용해 배터리를 충전하고 심장을 인공적으로 자극하여 심장박동을 규칙화하는데 성공하였다. 그림 1의 (a)는 이번 연구의 개략도 이다.

 

 이를 살펴보면, 압전특성이 매우 우수한 단결정 PMN-PT 압전박막을 딱딱한 기판에서 박리하여 플라스틱 필름에 부착하고 유연한 압전나노발전기를 제작하였다. 그리고 완성된 나노발전기에서 생성되는 전기에너지를 이용하여 배터리를 충전하고 심장을 직접적으로 자극하는 실험을 실시하였다.

 

 그림1의 (b)는 완성된 유연한 압전나노발전기의 실제모습인데 매우 유연한 특성을 가지고 있다.

 

 

그림 1. (a) 본 연구의 개략도, (b) 완성된 유연한 압전나노발전기의 모습

 

제작된 유연한 압전나노발전기가 실제로 얼마만큼의 전기에너지를 생성 할 수 있는지를 출력측정을 통해 확인해 보았다.

 

 굽힘기계를 이용해 유연 나노발전기를 반복적으로 구부리고 폈을 때 최고 8.2 V의 전압과 145 μA의 전류가 출력되는 것을 확인 하였다. 그리고 나노발전기를 손가락으로 툭툭 쳤을 때 최고 0.22 mA의 전류가 출력 되었다. 이때 출력된 전류의 값은 현존하는 유연한 압전나노발전기중 최고의 값이다.

 

 이처럼 큰 전류를 발생 시킬 수 있는 이유는 가장 우수한 압전특성을 가진 PMN-PT를 넓은 면적의 박막구조로 제작하였기 때문이다.

 

그림 2. (a) 유연한 압전나노발전기를 굽힘기계를 이용해 구부리는 모습, (b) 유연한 압전나노발전기에서 출력되는 전압과 전류의 크기

 

유연한 압전나노발전기를 실제 전자기기 등에 응용하기 위해서는 교류형태의 출력을 모두 양의 값으로 만들어 주는 정류 작업이 필요하다.

 

 4개의 다이오드를 이용해 정류를 시켰는데 나노발전기를 굽혔을 때 출력은 그림 3의 (a)와 (b)에 나타난 것처럼 8 V, 100 ?A 였다. 이를 이용해 (b)에서 보이는 것처럼 병렬로 연결된 50개의 LED를 켜보았다.

 또한 유연한 압전나노발전기를 인공심장박동기에 응용하기 위해서는 나노발전기를 이용한 배터리 충전이 필수적이라 생각되어 그림 3의 (c)와 같이 상용 코인 배터리를 충전시켰다. 그리고 그림 3의 (d)에서는 충전된 배터리를 이용해 초시계를 작동시키는 모습을 보여준다.

 

 

 

그림 3. (a) 정류 후 유연한 압전나노발전기에서 생성되는 전압, (b) 정류 후 압전나노발전기에서 생성되는 전류 및 LED 점등, (c) 유연 나노발전기를 이용한 배터리 충전, (d) 충전된 배터리를 이용한 초시계 구동

 

고성능의 유연한 압전나노발전기를 이용한 쥐의 심장 자극실험은 그림 4의 (a)와 같이 진행하였다. 나노발전기가 인공심장박동기로써 심장을 직접적으로 자극 할 수 있는 지 확인하기 위해 마취된 쥐를 이용해 동물실험을 진행 하였다.

 

 먼저 유연한 압전나노발전기를 전극에 연결하고 자극바늘을 심장에 고정 시킨다. 다음으로 쥐의 심전도를 확인하는 장치를 쥐의 몸에 부착 시키고 유연한 압전나노발전기를 굽혔다 폈을 때 쥐의 심전도가 어떻게 바뀌는지 살펴보았다.

 

 그 결과 그림 4의 (d)와 같이 쥐의 심전도가 변하는 모습을 관찰 할 수 있었다. 이를 통해 유연한 압전나노발전기를 이용하면 쥐의 심장박동을 규칙적으로 만들 수 있음을 증명 하였다.

 

 

그림 4. (a) 유연한 압전나노발전기를 이용한 쥐 심장자극 실험의 개략도, (b) 마취된 쥐를 이용한 실험의 실제모습, (c) 일반적인 쥐의 심전도 모습, (d) 유연한 압전나노발전기를 이용한 인공적인 심장박동 생성

 

3. 기대효과
이번 연구에서 제작된 고효율의 유연한 압전나노발전기를 인체에 적용해 사람의 심장을 인공적으로 자극할 수 있으면 스스로 전기생성이 가능해 배터리가 필요 없는 인공심장박동기의 구현 가능성을 앞당길 수 있을 것으로 생각된다.

 

 더 나아가 인공심장박동기 뿐만 아니라 여러 가지 생체이식형 의료기기(예: 뇌심부자극기, DBS)의 수명을 늘릴 수 있을 것으로 예상된다.

 

 

정보영 교수 이력사항

 

 

 

1. 인적사항

○ 성 명 : 정보영

○ 소 속 : 연세대학교 의과대학, 세브란스 병원, 심장내과

○ 전 화 : 02-2228-8460

○ e-mail : cby6908@yuhs.ac

 

2. 학력

○ 1988 - 1994 연세대학교 의학과 (학사)

○ 1995 - 1997 연세대학교 의학과 (석사)

○ 1997 - 2005 연세대학교 의학과 (박사)

 

3. 경력사항

○ 2010 - 현재 연세대학교 의과대학 내과학교실 부교수

○ 2010 - 현재 Editor of Yonsei Medical Journal (SCI)

○ 2009 - 현재 세브란스 심장혈관병원 심전도실장

○ 2013 - 현재 세브란스 심장혈관병원 미래발전위원장

○ 2013 - 현재 대한부정맥연구회 부총무, 대한심장학회 보험위원, 대한심장학회 의료정보위원, 심사평가위원회위원, 대한내과학회 교육위원

 

4. 발표논문 : 2000년 이후 Circulation, Journal of American, College of Cardiology, Circulation research 등 심장 및 의과학 분야 주요 SCI 저널에 100편 이상의 논문 발표

 

5. 주요상벌

○ 1990. ? 1993. 연세대학교 의과대학 전액 장학생

○ 1994.연세의료원 우수 인턴

 

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전재표 기자 su1359m@hanmail.net
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