연세대학교 전기전자공학과 서정목 교수 연구팀은 서울대학교 박성준 교수 연구팀, 김태영 박사, KAIST 손연주 연구원과 함께 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, 이하 BCI)의 장기적 안정성 문제를 극복할 수 있는 차세대 신경 전극 표면 코팅 기술 ‘TAB 코팅’(Targeting-specific interaction and Blocking nonspecific adhesion)을 개발했다

 

이번 연구 결과는 생체재료 분야 세계적 권위 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.5)’에 9월 11일 자로 게재됐다.

 

▲(왼쪽부터) 서정목 교수, 서울대 박성준 교수, 김태영 박사, KAIST 손연주 연구원

 

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 중증 마비 환자 등 의사소통이 어려운 환자의 재활은 물론, 인간-기계 간 상호작용을 가능하게 하는 차세대 핵심 기술로 주목받고 있다. 실제로 해외에서는 BCI를 통해 뇌 신호만으로 컴퓨터 커서를 움직이거나 온라인 게임을 수행하는 영상이 공개되며 기술의 확장 가능성이 빠르게 커지고 있다.

 

하지만 실질적인 임상 적용을 가로막는 가장 큰 장벽은 장기적인 신경 신호 유지에 있다. 전극이 이식된 뇌조직은 미세한 움직임이나 염증 반응으로 손상되기 쉬우며, 그 결과 반응성 교세포증(gliosis)과 흉터 형성(glial scar)으로 인해 신호 품질이 수개월 내 급격히 저하되거나 소실된다.

 

따라서 차세대 BCI 전극 기술에는 염증 반응과 비특이적 세포 부착을 억제하면서도, 신경세포와의 선택적 상호작용을 유도할 수 있는 계면 설계가 필수적이다.

 

연구팀이 개발한 TAB 코팅은 이 같은 요구를 동시에 충족하는 지능형 표면 설계 기술이다. TAB 코팅은 전극 표면에서 원치 않는 비특이적 단백질과 면역세포의 부착을 선택적으로 억제하고, 동시에 BDNF(Brain-Derived Neurotrophic Factor)를 안정적으로 고정화함으로써 신경세포 및 성상교세포와의 표적 상호작용을 유도한다.

 

이러한 이중 기능을 단일 표면에서 정밀하게 구현함으로써, 염증을 유발하는 비특이적 단백질과 세포의 부착은 억제되고, 신경세포의 생존과 부착은 선택적으로 촉진됐다.

 

TAB 코팅을 적용한 신경 전극은 기존 전극에서 수개월 내 급격히 저하되던 신호 품질 문제를 극복하고, 1년 이상 안정적인 뉴런 활동 기록에 성공했다. 실험 결과, 신호 대 잡음비(SNR)가 유의미하게 향상됐으며, 장기간 사용에도 염증 반응이나 신호 저하 없이 일관된 성능을 유지해 기존 BCI 기술의 한계를 뛰어넘는 계면 안정성을 입증했다.

 

이번 성과는 소자–표면–뇌조직의 통합 최적화로 완성됐다. 서울대 박성준 교수팀은 삽입성과 생체 적합성이 뛰어난 고해상도 유연 전극 플랫폼을 제공했고, 여기에 서정목 교수팀의 TAB 코팅 기술을 결합함으로써, 기계적 유연성과 생물학적 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다.

 

서정목 교수는 “TAB 코팅은 원치 않는 부착은 차단하고, 원하는 상호작용만 선택적으로 유도하는 지능형 계면 기술로, 뇌 신호 기록의 수명을 실질적으로 연장했다”며, “인간 뇌와 전자 시스템의 안정적인 연결을 위한 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.

 

서울대 박성준 교수는 “유연 전극 플랫폼과 TAB 코팅의 결합은 고해상도 기록과 정밀 자극을 장기간 안정적으로 수행할 기반을 제공한다”며, “향후 임상 적용을 위한 소자–재료–시스템 통합 연구를 지속해 나갈 계획”이라고 말했다.

 

한편, 이번 연구는 한국연구재단 바이오 의료기술개발사업, 중견연구자사업, 기초연구실지원사업, 보스턴코리아사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

[사진 1. 전체 모식도: TAB 코팅을 적용한 뇌 삽입 디바이스의 생리적 반응 기전 설명]

 

[사진 2. 대표 실험결과: (좌) TAB 코팅 표면과 뉴런세포인 Astrocyte와 Neuron과의 상호작용을 확인하고, Microglia(면역세포)와는 상호작용이 없음을 확인 / (우) TAB 코팅을 통해 1년 이상 장기간 안정적인 뉴럴 신호 센싱이 가능함을 동물실험으로 입증]