IBS(기초과학연구원·원장 노도영) 나노의학연구단(단장 천진우) 박장웅(연세대학교 신소재공학과 교수) 연구위원, 이삭 연세대 세브란스 병원 심장혈관외과 교수 공동연구팀이 부정맥 환자의 심장 기능을 실시간 감지하며, 동시에 부정맥이 발생하면 심장에 미세전기 자극을 주어 심장 박동의 이상을 정상화시키는 심장 부착형 전자패치 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

부정맥은 심장에서 전기신호의 생성이나 전달에 이상이 생기거나 비정상적인 전기신호가 발생하는 경우, 심장이 규칙적으로 수축하지 못해 맥박이 비정상적이거나 불규칙해지는 것이다.

부정맥의 유발 요인은 심장의 선천적 이상이나 질환, 흡연·음주 같은 생활습관 등 다양하지만 돌연사의 주범으로 일컬어질 만큼 생명을 위협하는 심혈관질환이다. 돌연사의 위험이 높은 심장질환 환자의 경우, 몸속에 이식형 제세동기를 삽입해 부정맥 발생 시 자동으로 심장에 전기충격을 가해 사망위험을 감소시키기도 한다.

기존의 이식형 전자장치는 크기가 커 이식 시 가슴 피부를 절개하는 부담이 있고, 정맥을 통해 전극을 심장에 넣는 방식으로 작동하므로 감염이나 정맥 천공, 허혈성 염증 등 합병증의 위험이 있다. 또 심장의 전기 활동과 부정맥을 감지하면 전지 충격을 주는 방식이므로 외부 전기 자극에 민감할 수 있어 환자의 외부 활동에 각별한 주의가 요구된다.

연구팀은 대표적인 진단 방식인 심전도가 아닌, 심장이 수축·이완 하는 물리적 운동을 직접 감지할 수 있는 반도체 기반의 압력센서를 개발했다. 심장 표면에 부착될 정도의 얆은 패치 형태인 이 센서는 고해상도의 압력센서가 분포돼 있어 심장 표면의 압력 분포를 실시간 감지할 수 있다.

이 센서는 부정맥을 감지하면 심장에 효과적으로 전기 자극을 주기 위해 표면적이 넓은 나노구조의 전극이 결합돼 있다. 이로 인해 하나의 패치 장치로 심장의 압력 감지와 미세 전기 자극의 동시 수행이 가능하다. 또 반도체 기반의 압력센서는 체외·체내에서 가해지는 전기적 신호의 간섭을 받지 않는다는 장점이 있다.

연구 과정에서 부정맥을 유발한 실험 토끼의 심장 표면에 전자패치를 부착해 측정한 압력 분포 데이터로 부정백 발현으로 심장의 수축·이완이 불규칙해진 것을 확인했다. 동시에 심장에 자동으로 미세 전기 자극을 가해 맥박을 정상화하는 데 성공해 전자패치의 임상 효과를 증명했다.

전자패치를 심장 표면에 장기간 안정적으로 고정하기 위해 연구팀은 홍합의 접착 능력을 모방해 생체 접합성이 우수한 하이드로젤 접착제를 개발했다. 이를 활용해 접착제가 코팅된 전자패치가 실험 토끼의 심장 표면에 부착 후 10주가 지나도 안정적으로 유지됨을 확인했다.

박장웅 연구위원은 "이번 연구로 개발된 심장 부착형 전자패치 기술은 기존 이식형 제세동기 기술의 한계를 극복하고 새로운 심장 질환 진단 및 치료 전자장치에 활용될 수 있을 것"이라며 "향후 임상실험을 통해 상용화하여 실제 부정맥 환자들에게 적용할 것을 기대한다"고 전했다.