미세 움직임 기반 자가발전 전기자극으로 상처 재생 촉진 기술 개발

배터리 없이 인체 움직임 만으로 작동 차세대 전자약 플랫폼 구현

범부처재생의료기술개발사업단(단장 박장환)은 중앙대학교 류한준·윤정기 교수와 단국대학교 양희석 교수 연구팀이 외부 전원 없이 인체 움직임으로 작동하는 자가발전형 전기자극 기반 상처 치료 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

이  연구는 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)를 활용해 무전원 전자약(Electroceutical) 플랫폼을 구현한 것으로, 기존 외용 치료 방식 한계를 극복한 차세대 치료 전략으로 주목된다.

전기자극(Electrical Stimulation)은 손상된 피부에서 감소된 전기장을 회복시켜 세포 이동과 증식을 유도하는 것으로 알려져 있다. 그러나 기존 전기자극 시스템은 외부 전원 및 배터리에 의존하고, 고정된 파형으로 생체 적응 현상이 발생하는 등 실제 임상 적용에 한계가 존재했다.

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

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

연구팀에 따르면  전기장 인가를 통해 각질세포(HaCaT), 섬유아세포(HDF), 혈관내피세포(HUVEC)에서 세포 유형별 전기주성 반응을 확인했다. 전기자극은 단순한 세포 이동 촉진을 넘어, 세포외소포(exosome) 분비량 및 품질을 증가시키는 것으로 나타났고, 전기자극된 세포에서 분비된 세포외소포는 세포 이동, 혈관 형성, 조직 재생을 촉진할 수 있음을 확인됐다.

연구팀은 마우스(hairless mouse) 창상질환 모델을 활용한 전임상 동물실험에서 상처 치료 효과를 검증했다.

검증 결과 전기자극으로 인한 상처 치유율이 유의미하게 증가했으며, 조직 분석을 통해 혈관 형성 증가, 표피 성숙 촉진, 조직 구조 복원, 피부 미생물 분포 개선이 확인됐다. 또 해당 시스템은 무선 모니터링 기능을 포함하여 스마트 헬스케어 시스템으로 확장이 가능하다고 연구팀은 설명했다. 

류한준 교수는 “이번 연구에서 제시한 상처 치료 시스템은 인체 움직임에서 발생하는 관성 및 중력에 의해 구동되므로, 환자의 자연스러운 활동 자체가 치료 효과를 더욱 증진시킬 수 있다”며 “기존 치료법과 병행할 경우 보다 빠른 회복을 기대할 수 있다”고 밝혔다.

윤정기 교수는“이번 연구에서 전기자극에 따른 피부 조직 및 세포 반응을 관찰했고, 해당 기술이 다양한 질환 치료로 확장될 수 있는 가능성을 확인하였다. 다만 아직 초기 단계인 만큼, 미충족 의료 수요 해결로 이어질 수 있도록 후속 연구를 추진할 계획”이라고 말했다.

양희석 교수는 “본 기술은 전임상 단계에서 효과를 검증했지만, 임상 적용을 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 보다 많은 전임상 결과를 확보하여 기술 검증 및 적용 분야의 확장을 추진할 계획”이라고 전했다.

 범부처재생의료기술개발사업단은 "이번 연구 성과는 재생의료 분야에서 전기자극 기반 치료기술의 새로운 가능성을 제시한 사례"라며, "향후 다양한 조직 재생 및 스마트 헬스케어 기술로의 확장이 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구성과는 범부처재생의료기술개발사업단 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 npj Flexible Electronics (IF=15.5)에 온라인 게재됐다.

                                                                                   무전원 전자약 플랫폼 개요

                                                                   기자극에 의한 상처 회복 촉진 메커니즘