류한준, 윤정기, 설우준 교수 공동 연구팀, 자가발전형 상처 치료 웨어러블 패치 기술 개발

우리 대학 첨단소재공학과 류한준 교수, 시스템생명공학과 윤정기 교수, 설우준 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 외부 전원 없이 인체 움직임으로 작동하는 자가발전형 전기자극 기반 상처 치료 기술을 개발했다.

피부는 외부 물리적·화학적 자극으로부터 인체를 보호하는 1차 방어 장벽이지만, 고령화, 당뇨, 감염 등 다양한 요인으로 인해 상처 치유 능력이 현저히 저하된다. 특히 큰 크기의 급성 상처에서는 세포 이동 및 조직 재생이 충분히 이루어지지 않아 치유 지연 및 2차 감염 위험이 증가하는 문제가 있다.

전기자극(Electrical Stimulation)은 이러한 문제를 해결할 수 있는 유망한 치료법으로, 손상된 피부에서 감소된 전기장을 회복시켜 세포 이동과 증식을 유도하는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존 전기자극 시스템은 외부 전원 및 배터리에 의존하고, 일정한 자극으로 인해 생체에서 적응 현상이 발생하는 등 실제 임상 적용에 한계가 존재하였다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 인체의 움직임에서 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 관성 구동형 마찰전기 나노발전기(TENG)를 개발하였다.

TENG는 마찰전기 효과와 정전 유도를 기반으로 접촉-분리(contact–separation) 과정에서 전하를 생성하며, 기계적 움직임에 따라 전압과 파형이 자연스럽게 변화하는 특성으로 적응 현상을 극복했다. 특히 연구팀은 원형 전극 구조를 적용하여 상처 주변에 방사형(radial) 전기장을 형성하도록 설계하였다.

연구팀은 전기장 인가를 통해 각질세포(HaCaT), 섬유아세포(HDF), 혈관내피세포(HUVEC)에서 세포 유형별 전기주성 반응을 확인하였다. 또한 전기자극은 단순한 세포 이동 촉진을 넘어, 세포외소포(exosome) 분비량 및 품질을 증가시키는 것으로 나타났다. 전기자극된 세포에서 분비된 세포외소포는 세포 이동, 혈관 형성, 조직 재생을 촉진할 수 있다고 알려져 있다.

연구팀은 마우스 창상질환 모델을 활용한 전임상 동물실험에서 상처 치료 효과를 검증하였다. 그 결과, 전기자극으로 인한 상처 치유율이 유의미하게 증가하였으며, 조직 분석을 통해 혈관 형성 증가, 표피 성숙 촉진, 조직 구조 복원 뿐 아니라 미생물 다양성이 높고 개체 간 편차가 낮아, 보다 균일하고 안정적인 미생물 군집 구조를 나타냄이 확인되었다. 또한 본 시스템은 무선 모니터링 기능을 포함하여 스마트 헬스케어 시스템으로의 확장이 가능하다.

이번 연구는 이혜민 석사과정생, 김재훈 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 본 연구 성과는 과학기술 분야 국제 학술지 ‘npj Flexible Electronics, (IF: 15.0, Q1, 상위 1.5%)’에 게재된 ‘Inertia-driven, self-powered electrotherapy for enhanced wound regeneration’ 논문을 통해 보다 상세한 내용을 확인할 수 있다.

연구팀은 “환자 맞춤형 전극 설계 및 장기 안정성 확보를 위한 후속 연구를 통해, 맞춤형 상처 치료용 전자 밴드 기술 개발로 이어질 수 있도록 노력하겠다.”라고 전했다.