KAIST, '소금 결정보다 작은' 초소형 무선 뇌 임플란트 구현

소금 결정보다 작은 초소형 무선 뇌 임플란트가 구현됐다. 뉴럴 임플란트 기술은 신경퇴행성 질환 연구와 치료에 필수적이다. 무엇보다 새롭게 구현한 무선 뇌 임플란트는 단순히 소형·경량화한 것을 넘어 생체 내부에서 오랫동안 안정적으로 기능을 유지할 수 있다는 점에서 실질적인 활용 가능성을 입증했다.

(왼쪽부터) 이선우 KAIST 겸직교수, 알로이샤 모나 (Aloysha Molnar) 코넬대 교수. KAIST 제공

KAIST는 신소재공학과 겸직 교수이자 난양공대(NTU) 전자과 소속인 이선우 교수 연구팀이 미국 코넬대 알로이샤 모나(Alyosha Molnar) 교수팀과 초소형 무선 뉴럴 임플란트 'MOTE(Micro-Scale Opto-Electronic Tetherless Electrode)'를 개발, 실험용 생쥐의 뇌에 MOTE를 이식해 1년간 안정적으로 뇌파를 측정하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

뇌 속에선 눈에 보이지 않는 미세 전기 신호가 끊임없이 오가며 기억, 판단, 감정 등 다양한 정신 활동을 만들어낸다. 이러한 신호를 인체 외부에서 연결선 없이 직접 측정하는 기술은 뇌 연구와 치매, 파킨슨병 등 신경질환을 치료하는 데 핵심적 요소로 주목받는다.

하지만 두꺼운 유선 구조의 기존 임플란트는 뇌 속 염증 유발과 신호 품질 저하, 크기 및 발열 등의 문제로 장기적 사용을 어렵게 했다.

공동연구팀은 이를 극복하기 위해 기존 반도체 공정(CMOS)을 기반으로 초소형 회로를 제작하고, 자체 개발한 초미세 마이크로 LED를 결합해 장치를 극도로 소형화했다. 또 생체 환경에서도 오래 버틸 수 있도록 특수 표면 코팅을 적용해 내구성을 향상시켰다.

이러한 과정을 거쳐 개발한 MOTE는 두께 100㎚ 이하, 부피 1나노리터 이하로 머리카락보다 얇고 소금 알갱이보다 작은 크기로 뇌 임플란트 기능을 할 수 있게 됐다. 현재까지 보고된 무선 뉴럴 임플란트 중에선 세계적으로 가장 작은 크기다.

MOTE의 또 다른 강점은 배터리가 필요 없는 완전 무선 시스템이라는 점이다. 이 장치는 외부에서 들어오는 빛을 받아 전력을 생성하고 뇌파를 감지한 후 정보를 펄스 위치 변조(PPM) 방식으로 빛 신호에 실어 다시 외부로 전송한다.

이 방식은 에너지 소비를 획기적으로 줄이고 발열 위험을 최소화한다. 특히 배터리 교체 없이 장기간 사용이 가능한 이점이 있다.

소금 결정위에 있는 MOTE 뉴럴 임플란트(좌), 실험용 쥐에 이식된지 296일 지난 후의 MOTE 뉴럴 임플란트(우). KAIST 제공

공동연구팀은 MOTE를 생쥐 뇌에 이식해 1년간 장기 실험하는 과정도 거쳤다. 이 결과 장기간 정상적으로 뇌파 측정이 가능했고 임플란트 주변에서 염증 반응은 거의 발생하지 않았으며 장치의 성능 저하도 관찰되지 않았다.

이는 초소형 무선 임플란트가 생체 내부에서 장기적으로 정상 기능을 유지할 수 있음을 최초로 명확히 보여준 사례로 평가받는다.

이 교수는 "MOTE는 단순히 소형·경량화를 넘어 기존에 가능할 것으로 기대하기만 했던 '세상에 없던' 완전 무선 초소형 임플란트를 실제로 구현했다는 점에서 의의를 갖는다"며 "이를 통해 공동연구팀은 무선 뉴럴 임플란트 개발과 사용과정에서 제기돼 온 알려진 문제(known unknowns) 뿐 아니라 실제 개발 과정에서 새롭게 드러나는 미지의 문제(unknown unknowns)까지 해결할 수 있는 기술적 가능성을 입증했다"고 말했다.

그러면서 "이 기술은 앞으로 뇌 과학 연구 뿐 아니라 신경계 질환 모니터링과 장기 기록 기반의 치료 기술 개발 등 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구 결과는 지난 3일 국제 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr