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체내 삽입형 의료기기용 발전장치 개발돼


▲출처=셔터스톡

전기뱀장어는 전기생산세포라는 독특한 조직으로 100볼트 정도의 전기를 순식간에 만들어낸다. 전기뱀장어의 발전 원리에서 영감을 얻어 스위스 프리부르대학(University of Fribourg)과 미국 미시건대학(University of Michigan)의 공동 연구팀이 인간 체내에서도 전기를 생산할 수 있는 투명하고 유연한 발전장치를 만들었다. 이 장치는 몸 속 심박측정기나 약물 분사기, 증강현실 콘택트렌즈 등 체내에 삽입되는 소형기기에 전력을 공급할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 여러 개의 하이드로젤에 나트륨 이온과 염소 이온을 넣은 시트 형태의 소프트 전지를 만들어, 이온들이 이동하면서 전류가 흐르도록 설계한 결과 100볼트 이상의 전압을 내는데 성공했다. 이 발전장치는 전류는 낮지만 높은 전압의 전력에너지를 꾸준히 생산할 수 있는 게 장점이다. 이 정도 전력이면 심박조율기와 같은 소형기기에 전력을 공급하기에 충분하므로 앞으로 체내 삽입 의료기기를 작동하는 데 사용될 가능성이 보인다.

이번 연구를 진행한 프리부르대 아돌프메르클연구소 소속 생체물리학 교수인 마이클 메이어는 “이 장치는 기존 배터리와 달리 생체 독성을 띠지 않고 부피도 작은데다 배터리처럼 충전할 필요가 없어서 언젠가 생체 삽입형 의료기기 등의 전력원으로 사용될 수 있으리라 기대한다”고 말했다고 ‘사이언스데일리’(Science Daily)가 밝혔다.

이어 그는 “앞으로는 체내에서 발생하는 자연현상을 이용해 전기를 생산하는 생체전기 시스템으로 발전시킬 수 있을 것”이라고 기대했다. 하지만 아직 이 발전장치는 전기뱀장어의 발전능력에 견줄 정도는 아니다. 전기뱀장어는 순간적으로 큰 전력 에너지를 쏟아내 먹이를 기절시키거나 포식자로부터 자신을 방어할 수 있다. 

맥스 쉬테인 미시건대 재료과학및공학과 부교수는 “전기뱀장어는 높은 전압을 생산하기 위해 수 천개의 전기생산세포가 순간적으로 극형성과 탈분극을 반복한다”고 설명했다. 그는 전기뱀장어가 전기를 생산하는 데는 ‘막투과 이동’이라는 독특한 현상이 있다고 전했다.

전기뱀장어의 몸 속에는 전기를 만드는 특수한 ‘발전기관’이 있다. 이 기관에 있는 전기생산세포는 수 천 개의 칸막이(membrane)로 구성돼 있고, 얇은 세포막으로 이뤄진 이 칸막이 내부는 각각 칼륨 이온이나 나트륨 이온으로 채워져 있다. 평상시 뱀장어가 휴식을 취할 때는 두 이온이 칸막이로 분리돼 있다. 뱀장어가 전기 충격을 일으키려 할 때는 두 이온이 칸막이를 넘어 드나들며 전위차를 만들고 이 원리로 전하의 흐름, 즉 전류가 생긴다. 

IT 정보사이트 엔가젯(Engadget)은 연구팀이 전기뱀장어의 발전기관을 닮은 장치를 만들었다고 보도했다. 연구팀은 얇은 플라스틱 시트 위에 특수 프린터를 이용해 나트륨이 녹아 있는 수 천 개의 작은 하이드로젤 방울을 물방울과 번갈아 촘촘하게 인쇄했다. 전기뱀장어의 전기 세포 칸막이와 유사한 형태로 만든 것이다. 

▲출처=셔터스톡

전기뱀장어의 나트륨과 칼륨 대신 식용 소금에 자연적으로 결합된 나트륨과 염화물을 이용, 하이드로젤 안에 나트륨 이온과 염소 이온을 다른 농도로 넣었다. 고농도와 저농도 용액 사이에는 이온 채널 역할을 하는 양이온 친화 겔과 음이온 친화 겔을 인쇄했다. 

연구팀은 전기뱀장어처럼 전력을 만들어내기 위해, 준비해 둔 두 장의 시트를 함께 눌러 네 개의 하이드로젤로 구성되는 인공세포들이 서로 연결되도록 포갰다. 이온 농도 차로 각 이온이 서로 반대방향으로 흐르게 한 것이다. 고농도 소금물과 저농도 소금물 사이의 양이온 친화 겔과 음이온 친화 겔을 통해 나트륨 이온(Na+)과 염소 이온(Cl-)이 선택적으로 이동하면서 전류가 발생하는 방식이다.

연구팀은 수 천 개의 인공 전기생산세포들이 모두 동시에 정확하게 연결되도록 해야 했다. 쉬테인 부교수와 두 명의 대학원생은 ‘미우라폴드’(Miura fold)라는 종이접기 기술을 이용해 인공세포들이 겹쳐 쌓이도록 만들었다. 일본 천체물리학자인 미우라 박사가 고안한 미우라폴드는 시트 면적을 최대화하면서 저장 공간을 최소화하도록 접는 기술을 말한다. 보통 인공위성을 우주로 발사할 때 태양전지패널을 인공위성 안으로 접어 넣었다가 인공위성이 우주에 자리 잡으면 태양전지패널을 펼치는 데 사용하는 기술이다. 

연구팀은 네 가지 하이드로젤을 한 장의 시트 위에 정교하게 인쇄한 뒤 시트를 미우라 방식으로 빠르게 접으면 하이드로젤이 정확한 위치에 서로 맞닿아 마치 팬케이크처럼 쌓이도록 발전장치를 만들었다.

메이어 교수는 뱀장어의 전기생산조직이 연구팀이 만든 인공 발전장치에 비해 훨씬 정교하고 월등하다는 점을 인정했다. 하지만 뱀장어가 전기를 생산하는 구조를 그대로 재현했다는 점에서 의의가 있다고 강조했다.


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