화상, 피부질환, 외상 등 피부 결손으로 인한 신경조직의 손상은 생명 유지 활동에 필수적인 감각인지 기능 상실을 유발하고 정신적, 신체적 고통 또한 안겨준다. 자연치유가 불가능할 정도로 손상 정도가 심각할 경우 해당 부위에 인공피부를 이식하는 수술적 치료가 필요한데, 현재까지 개발된 인공피부는 피부조직과 유사한 구조와 환경을 제공하면서 피부재생에 초점을 맞추었을 뿐 환자들의 감각을 회복시키지는 못했다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 생체재료연구센터 정영미 박사, 스핀융합연구단 이현정 박사 연구팀이 연세대학교 유기준 교수, 성균관대학교 김태일 교수와 공동으로 인체 이식형 촉각 기능 스마트 바이오닉 인공피부를 개발했다고 밝혔다. 스마트 바이오닉 인공피부는 피부재생에 초점을 두고 있었던 기존의 인공피부와 달리 생체적합성이 높은 소재와 전자소자로 구현된 촉각 기능 전달 시스템이 융합돼 영구적으로 손상된 촉각까지도 복원할 수 있다.

 

  ▲ 정 영미 박사

 

연구팀이 개발한 인공피부는 피부의 주요성분인 콜라겐과 피브린(fibrin)으로 구성된 하이드로겔로 유연 압력 센서를 삽입해 외부의 미세한 압력변화도 감지할 수 있다. 감지된 압력변화는 전자 촉각 리셉터를 통해 전기 신호로 변환되고, 촉각 신경 인터페이싱 전극이 이를 신경에 전달해 피부와 동일한 촉각 기능을 수행할 수 있게 한다. 그뿐만 아니라 피부의 탄력과 조직의 결합을 담당하는 콜라겐과 피브린이 상처 주변에 있는 피부세포의 증식과 분화를 유발해 피부재생을 촉진하는 것 또한 확인했다.

 

스마트 바이오닉 인공피부를 심각한 피부의 손상을 입은 쥐에 이식해 피부재생 촉진 효과와 촉각 기능의 재건 효과를 실험한 결과, 이식 후 14일 경과 시점에 대조군 대비 120% 이상 상처 치료 효과를 보였다. 또한, 사람의 손끝에서 느끼는 압력 범위와 유사한 10~40kPa에서의 외부 변화를 감지하고 이에 맞는 전기 신호 조절을 통해 쥐의 반응이 달라지는 것을 확인했다.

 

무엇보다 연구팀이 개발한 인공피부는 손상된 피부의 피하 지방층을 따라 직접 신경에 이식하는 방식이어서 감각 전달 및 피부재생에 효과적이다. 신경이 손상된 환자의 피부재생 후에는 촉각센서가 피하 층에서 작동해 일상생활에서의 자립성을 크게 향상할 수 있다. 감각기능이 퇴화한 노년층의 경우에도 고밀도 집적 기술로 제작한 촉각 기능 전자소자를 피하에 직접 삽입하면 퇴화한 감각기능을 회복할 수 있을 것으로 기대된다.

 

KIST 정영미 박사는 “이번 연구 성과는 생체재료와 전자소자 기술을 효과적으로 결합한 소자, 소재, 재생의학 융합연구의 결과”라며, “상용화를 위해 의료기관, 기업 등과의 협업을 통해 추가 임상실험을 진행할 예정이며, 온도, 진동, 통증 등 피부조직의 다양한 기능을 재건하는 연구로도 확장할 계획”이라고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 나노·소재원천기술개발사업(2018M3A7B4071106)을 통해 수행됐다. 이번 연구 성과는 Nature 자매지이자 국제 융합연구의 세계적 권위인 국제학술지인 ‘Nature Communications’ (IF 16.6, JCR 분야 상위 7.5%) 최신 호에 게재됐다.

 

* 논문명 : Bionic artificial skin with a fully implantable wireless tactile sensory system for wound healing and restoring skin tactile function

 

[그림 ] 통합 디바이스를 통한 외부 자극의 신경 전달 메커니즘

위 그림은 본 연구진이 개발한 통합 디바이스를 통해 외부 자극이 신경으로 전달되는 경로를 나타내는 모식도이다. ①.인공피부에 삽입되어 있는 유연 압력 센서를 통해 외부 압력이 전달되고, ②.전자 촉각 리셉터를 통해 외부 압력이 전기 신호로 변환된다. ③,④.전기 신호가 신경 인터페이싱 전극을 따라 신경에 전달된다.