몸속에서 전기 만들고 빛으로 상태 알린다…AI 설계 생분해성 삽입형 소자 개발

몸속에 삽입한 뒤 체외 초음파만으로 전기를 만들고, 빛을 이용해 소자의 위치와 손상 여부를 확인할 수 있는 생분해성 삽입형 소자가 개발됐다.

한국연구재단은 연세대 신소재공학과 김상우 교수와 홍콩폴리텍대 공동연구팀이 머신러닝으로 설계한 이리듐 기반 발광 분자를 생분해성 마찰전기 에너지 하베스팅 소자에 적용했다고 밝혔다. 외부에서 초음파를 쏘면 소자가 전력을 생산하고, 자외선 램프를 비추면 피부 너머로 소자의 윤곽을 확인할 수 있는 방식이다.


연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노소재기술개발 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 14일 온라인 게재됐다.

AI로 발광·전력 특성 갖춘 분자 선별
연구팀은 이리듐(III) 착물의 발광 데이터 1,667건을 바탕으로 자체 데이터베이스를 구축하고, 머신러닝으로 가상 후보 분자 27만2,104개의 발광 색과 효율을 예측했다.

이 가운데 사람 눈에 잘 보이는 초록~노랑 파장대인 520~600나노미터에서 밝게 빛나는 후보를 선별해 실제 합성했다. 이후 분자 곁가지 구조를 조절하는 리간드 엔지니어링을 통해 발광 성능은 유지하면서 마찰전기 출력을 높인 최종 분자 ‘Ir1b’를 개발했다.

Ir1b는 광발광 양자효율 0.82를 유지하면서 마찰전기 출력 전압을 기존 2.0볼트에서 3.6볼트로 약 1.8배 높였다.

초음파로 전력 생산, 빛으로 상태 확인
연구팀은 발광 분자를 생분해성 고분자인 락트산-글리콜산 공중합체(PLGA)에 분산시켜 필름 형태의 소자를 제작했다. 소자는 체외에서 가한 초음파 자극으로 최대 3.6볼트의 전압과 약 16마이크로암페어의 전류를 생산했다.

마찰전기 에너지 하베스팅은 서로 다른 물질이 접촉하거나 분리될 때 발생하는 정전기를 전기에너지로 바꾸는 방식이다. 이번 소자에서는 외부 초음파가 내부 층을 미세하게 진동시켜 전력을 생산한다.

자외선 램프를 비추면 이리듐 화합물의 인광 신호가 나타나 피부 아래 소자의 윤곽을 확인할 수 있다. 연구팀은 생쥐 이식 실험에서 소자를 손상시키자 발광 윤곽과 전기 출력이 함께 사라지는 현상을 확인했다.

배터리·센서 없이 이중 기능
기존 삽입형 의료기기는 위치가 바뀌거나 손상돼도 상태를 확인하기 쉽지 않았다. CT나 MRI 같은 영상장비를 활용하거나 필요하면 추가 수술이 요구될 수 있으며, 생분해성 고분자 소자는 영상에서 경계가 뚜렷하지 않은 경우가 있다.

이번 소자는 하나의 물질계 안에서 전력 생산과 위치·손상 확인 기능을 함께 구현한 것이 특징이다. 별도의 배터리나 상태 확인용 센서, 추가 회로를 넣지 않고도 소자의 작동 여부를 확인할 수 있도록 설계됐다.

연구팀은 소자가 약 38주에 걸쳐 바깥쪽부터 분해되는 과정을 빛으로 추적했으며, 세포 생존율과 동물실험 후 혈액·장기 검사에서도 안전성을 확인했다고 설명했다. 다만 현재는 생쥐 피부 아래 이식 단계인 만큼, 사람의 두꺼운 조직에서 활용하려면 더 깊이 침투하는 발광 소재와 전용 판독 기술 개발이 필요하다.

김상우 교수는 “배터리 없는 시한성 소자가 다음 단계로 가려면 전력을 만드는 것을 넘어 스스로 상태를 알리는 기능까지 함께 설계돼야 한다”며 “바이오센서와 약물 전달 시스템 등에 적용해 차세대 의료기기로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.