장경인 디지스트 교수(로봇 및 기계전자공학전공) 연구팀은 뇌 손상을 최소화하면서도 뇌 내(內) 도파민 농도를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 도파민 측정 소자를 개발했다. 삽입 가능한 유연한 탐침 형태의 소자를 단 하나만 사용하고도 실시간으로 정밀한 측정이 가능해 퇴행성 뇌질환 환자를 위한 맞춤형 탐침 개발의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

도파민은 중추신경계에 널리 분포하는 중요한 신경전달물질 중 하나다. 동기부여·기억·보상과 같은 뇌 기능과 관련이 있다. 특히 뇌 내 도파민 농도가 비정상적으로 높거나 낮은 경우, 퇴행성 뇌질환을 야기할 수 있다. 그렇기 때문에 뇌질환을 겪고 있는 환자의 뇌 속 도파민 농도를 측정하는 것은 뇌질환 진단과 치료를 위해 매우 중요하다.

하지만 기존에 개발된 뇌 삽입형 탐침은 측정을 위해 2개 이상 사용될뿐더러 구조가 빳빳해 부드러운 뇌 조직과 맞지 않았다. 이로 인해 삽입 시 뇌 조직 손상을 일으키거나 염증을 유발해 지속적이고 정확한 측정이 어려웠다. 이를 해결하기 위해 유연 소자 기반의 뇌 삽입형 탐침 기술들이 개발되고 있다. 그러나 여전히 탐침의 면적이 넓거나 여러 개의 탐침을 삽입해야 해 뇌 손상을 크게 유발한다.

이에 장경인 교수 연구팀은 단 하나의 유연한 탐침을 사용해 장기간 안정적이고 안전하게 삽입할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 탐침은 양면 구조다. 작업 전극과 기준 전극을 한쪽 면에, 상대 전극을 다른 한쪽 면에 위치시켰다. 이 덕분에 삽입 면적을 유지하면서도 기존의 단일 구조의 탐침보다 이용할 수 있는 면적을 2배가량 크게 증가시킬 수 있었다. 

더욱이 작업 전극에 산화아연(ZnO) 기반의 복잡한 3차원 나노로드 구조를 구현해 실질적인 탐침의 비표면적을 매우 크게 증가시켰다. 즉 이번 연구에서 제시한 탐침 구조는 뇌조직 손상을 최소화하며 탐침의 기능은 극대화한 새로운 탐침형태의 도파민 센서다. 

전극이 탐침의 양면에 위치하면 탐침의 중립층과 전극 사이의 거리가 멀어진다. 이로써 탐침이 변형되었을 때 전극이 역학적으로 불안정해지는 구조적 한계가 존재한다. 그러나 이번 연구에서는 전극이 변형돼도 역학적으로 안정할 수 있도록 전극을 구불구불한 구조를 갖는 마이크로 전극을 설계해 한계를 해결했다.

장 교수는 “이번에 개발한 양면 구조의 탐침은 기존의 탐침으로는 불가능했던 장기간 안정적인 초정밀 도파민 농도 측정이 가능해 추후 뇌질환 환자를 보조하는 탐침 개발에 기준이 될 수 있을 것”이라며, “이미 쥐 실험을 통해 높은 정밀성과 안정성을 확인했으며, 추후 연구 내용을 더 발전시켜 뇌질환 환자의 삶의 만족도를 높일 수 있는 뇌삽입형 탐침 기술로 발전시키겠다”라고 말했다. 

연구 결과는 국제학술지인 『Advanced Functional Materials』 10월자 온라인 판에 게재됐다.

김재호 기자 kimyital@kyosu.net

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