젤 칵테일은 신체의 당분을 사용하여 살아있는 물고기의 전극을 '성장'시킵니다.

새로운 주사용 젤(사진)은 신체의 당분과 반응하여 살아있는 조직 내부의 전극을 "성장"시킬 수 있다는 것이 제브라피시 연구에서 밝혀졌습니다.

토르 보크헤드

사이먼 마킨

2023년 2월 23일 오후 4시 25분

처음으로 연구자들은 신체 자체의 화학적 특성을 활용하여 살아있는 물고기의 조직 내부에 전극을 "성장"시켜 생물학과 기계 사이의 경계를 모호하게 만들었습니다.

이 기술은 신체의 당을 사용하여 조직을 손상시키지 않고 주입된 젤을 유연한 전극으로 바꾸는 것으로 실험에서 밝혀졌습니다. 뇌, 심장, 꼬리 지느러미에 이러한 전극을 성장시킨 제브라피시는 어떤 부작용의 징후도 보이지 않았으며, 거머리에서 테스트한 제브라피시는 성공적으로 신경을 자극했다고 연구원들이 2월 24일 사이언스에 보고했습니다.

언젠가 이러한 전극은 생물학적 시스템의 작동 방식을 연구하는 것부터 인간-기계 인터페이스 개선에 이르기까지 다양한 응용 분야에 유용할 수 있습니다. 또한 우울증, 파킨슨병 및 기타 질환에 대한 뇌 자극 요법과 같은 "생체전자 의학"에도 사용될 수 있습니다(SN: 2/10/19).

소프트 전자공학은 부드럽고 매력적인 생물학과 전자 하드웨어 사이의 격차를 줄이는 것을 목표로 합니다. 그러나 이러한 전자 장치에는 일반적으로 균열 및 기타 문제가 발생하기 쉬운 특정 부품이 있어야 하며 이러한 장치를 삽입하면 필연적으로 조직이 손상될 수 있습니다.

“우리가 만든 모든 장치는 좀 더 부드럽게 만들기 위해 유연하게 만들었지만, 도입할 때 여전히 흉터가 남습니다. 이는 오르간에 칼을 꽂는 것과 같습니다.”라고 스웨덴 Linköping University의 재료 과학자인 Magnus Berggren은 말합니다. 이러한 흉터와 염증은 시간이 지남에 따라 전극 성능을 저하시킬 수 있습니다.

조직 내부에 연성 전자 장치를 성장시키려는 이전의 노력에는 단점이 있습니다. 한 가지 접근 방식은 전기 또는 화학적 신호를 사용하여 화학 수프에서 전도성 전극으로의 변환에 전력을 공급하지만 이러한 충격으로 인해 손상도 발생합니다. 2020년 연구에서는 벌레의 세포를 유전자 변형하여 작업을 수행하는 공학적 효소를 생성함으로써 이 문제를 해결했지만 새로운 방법은 유전자 변형 없이 결과를 달성했습니다.

Berggren과 동료들의 전극은 대신 신체에 이미 존재하는 천연 에너지원인 설탕을 활용합니다. 젤 칵테일에는 당(포도당 또는 젖산염)과 반응하여 과산화수소를 생성하는 산화효소라는 분자가 포함되어 있습니다. 그런 다음 칵테일의 또 다른 성분인 과산화수소효소라고 불리는 효소를 활성화합니다. 이 효소는 젤을 전도성 전극으로 변환하는 데 필요한 촉매제입니다.

이번 연구에 참여하지 않은 피츠버그 카네기 멜론 대학교의 생의학 엔지니어인 크리스토퍼 베팅거(Christopher Bettinger)는 “이 접근 방식은 우아한 화학을 활용하여 많은 기술적 과제를 극복합니다.”라고 말했습니다.

이 기술을 테스트하기 위해 연구원들은 투명한 제브라피시의 뇌, 심장, 꼬리 지느러미에 칵테일을 주입했습니다. 젤이 전도성이 되면 파란색으로 변하여 성공 여부를 시각적으로 판독할 수 있습니다.

"아름다운 점은 볼 수 있다는 것입니다. 제브라피시 꼬리의 색이 변하고 파란색이 전도성 고분자를 나타낸다는 것을 알고 있습니다"라고 Linköping 대학의 재료 과학자 Xenofon Strakosas는 말합니다. "처음 봤을 때 '와, 정말 효과가 있구나!'라고 생각했어요."

물고기는 아무런 부작용도 겪지 않은 것으로 나타났으며 연구자들은 조직 손상의 증거도 발견하지 못했습니다. 부분적으로 해부된 거머리에서 연구팀은 부드러운 전극을 통해 신경에 전류를 전달하면 근육 수축을 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 궁극적으로 이와 같은 장치는 개발 중인 다양한 무선 기술과 결합될 수 있습니다.

그러나 장기적인 임플란트 성능은 아직 결정되지 않았습니다. Bettinger는 “시연은 인상적이었습니다.”라고 말했습니다. “남은 것은 전극의 안정성이다.” 시간이 지남에 따라 신체의 물질이 전극 재료와 반응하여 성능을 저하시키거나 심지어 독성 물질을 생성할 수도 있습니다.

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