"뼈 재생 속도 30% 앞당겨"…지역 병원과 DGIST가 공동 개발한 '나노메시 전극'

보광병원·DGIST 공동 연구팀, 뼈 재생 앞당기는 나노메시 전극 개발
세계적으로 주목받을 만한 의료 기술…임상 등 거쳐 상용화
골절 위험 높은 고령환자, 부상 운동선수 등에 효과적

보광병원 김경태 연구원장

전기 자극이 뼈 재생을 촉진한다는 사실은 의학계에서 수십 년 전부터 알려진 원리다. 뼈 조직의 줄기세포 분화와 혈관 생성을 자극하는 전기 신호가 골유합(骨癒合·뼈가 붙는 과정)을 돕는다는 것이다. 문제는 그 전기를 어떻게 효율적으로 뼈에 전달하느냐였다.

현재 외부 전기 자극 장치들이 있지만 피부 바깥에서 전기를 쏘는 방식이라, 지방층과 근육의 두께에 따라 실제로 골절 부위에 전류가 얼마나 도달하는지 확인할 수 없다. 또 기존 필름(film) 형태 전극은 딱딱한 플라스틱 패드에 가까워, 울퉁불퉁한 뼈 표면에 제대로 밀착되지 않고 들뜨기 쉬웠다. 전극과 뼈 사이에 틈이 생기면 전기 전달 효율이 떨어질 뿐 아니라, 전극이 미세하게 움직이면서 주변 조직에 염증과 섬유화(흉터 조직 형성)를 일으키는 부작용도 따라온다.

지역 병원과 대구경북과학기술원(DGIST)이 손잡고 이 문제의 해결책을 찾아냈다. 바로 '초유연(ultra-conformal) 나노메시 이식형 생체전극'이다. 시험 단계에서 골절 회복 기간을 최대 30% 단축하고 부작용도 거의 없는 것으로 나타나, 상용화될 경우 세계적 주목을 받을 기술로 기대된다.

이 연구에는 김경태 보광병원 연구원장과 대구경북과학기술원(DGIST) 이성원 교수팀이 공동으로 참여했다.

◆거미줄보다 얇은 그물망이 해결책

연구팀이 찾은 답은 '나노메시(nanomesh)'였다. 폴리이미드(PI)라는 생체적합 소재의 극세사를 정전기 방사(electrospinning) 방식으로 뽑아내 그물망처럼 쌓은 구조다. 직접 만져보면 아주 얇은 거즈와 비슷한 느낌이라고 김경태 원장은 설명한다. "이 위에 금(Au) 전극을 증착해서 원하는 형태로 모양을 만들어내면 됩니다. 인체에 무해하고, 사람 몸에 딱 붙이면 떨어지지 않습니다"

유연성 수치가 이를 뒷받침한다. 나노메시는 기존 필름 대비 약 30배 부드럽다. 접착력 실험에서도 나노메시는 기존 필름보다 밀어내는 저항력이 약 2.9배, 떼어내는 힘(박리력)이 약 7.3배 더 강했다. 실험 과정에서 동물의 뼈에 올려놓으면 필름은 눌러도 다시 떠오르지만, 나노메시는 곡면에 문신처럼 그대로 달라붙었다.

다공성(多孔性) 구조도 핵심이다. 그물망의 촘촘한 구멍 사이로 인체 세포와 조직이 자라 들어오면서 시간이 갈수록 전극과 조직이 하나처럼 융합된다. 8주의 동물 실험 기간 동안 전달 전압이 안정적으로 유지된 것은 이 때문이다. 반면 필름 전극의 출력 전압은 같은 기간 유의미한 변동을 보였다.

◆뼈 밀도 15%·재생량 25% 향상

연구팀이 동물 실험을 통해 나노메시 전극으로 전기 자극을 준 결과 아무 처치도 하지 않은 대조군과 비교해 골밀도(BMD)가 약 15%, 재생 골량(BV)이 약 25% 높았다. 염증·섬유화 반응도 현저히 낮았다.

김 원장은 이 기술의 실질적 가치를 회복 기간 단축에서 찾는다. "논문 데이터 기준으로 뼈 회복 속도가 약 30% 빨라집니다. 3개월 깁스를 해야 할 환자가 2개월 만에 고정을 풀 수 있다는 뜻이죠. 그 한 달 차이가 환자에겐 엄청납니다. 그동안 근육이 위축되니까 재활 기간도 같이 길어지거든요."

이 때문에 나노메시를 활용한 전기 자극 치료는 골다공증으로 골절 위험이 높은 고령 환자는 물론, 골절로 시즌을 통째로 날리는 운동선수에게도 유의미한 선택지가 될 수 있다.

대상은 중증 골절 환자로, 나노메시 전극을 골절 수술 중에 함께 부착하게 되기 때문에 환자 입장에서 별도의 추가 수술 부담도 없다.

현재 단계는 유선으로 전원으로 공급하는 타입이지만, 스마트폰 무선 충전 방식을 적용한 2세대 모델을 개발 중이다. 나노메시 자체도 4개월 후 체내에서 자연 분해되는 소재로 만들어 제거 수술을 하지 않아도 되는 것을 목표로 한다.

세계가 주목할 만한 의료 기술이지만 상용화까지는 임상시험 등 여러 단계가 남아 있다. 김 원장은 "국내 의료 수가 구조상 다국적 기업과의 글로벌 협업을 전제로 가고 있다"며 "특허는 이미 출원했고, 무선형 완제품 단계까지 가면 해외 기업들의 관심도 충분히 이끌어낼 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 또 대구 지역 의료기관과 연구기관의 협력이 세계 수준의 성과로 이어진 사례로 평가된다. 그는 "여건이 되면 연구는 어디서든 할 수 있습니다. 대구 환자들이 서울 가지 않아도 최첨단 의료를 누릴 수 있게 하는 게 목표"라고 말했다.