우리 몸은 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 이물 세포 같은 다양한 미생물의 숙주 역할을 합니다. 미생물 연구로 최근에 미세전자기계 시스템(MEMS)과 특히 마이크로 전자공학이 크게 발전했습니다. 그런데 미생물은 유해하지 않을까요?
미생물은 사실 이물질이고 인체의 세포보다 많지만 대부분은 전혀 해가 되지 않으며, 실제로 일부는 정상적인 신체 기능을 위해 반드시 필요합니다. 식이, 약물 섭취, 스트레스 및 기타 환경 요인의 변화에 따라 우리 몸의 미생물군도 매일 달라집니다. 미생물군 분석과 전자장치를 통해 생리학 연구가 어떻게 “촉진되고” 인체 해부에 대한 지식이 발전했는지 살펴보겠습니다.
이식형 전자장치의 간략한 역사
이식형 전자장치는 60여 년 전에 등장했습니다. 트랜지스터가 발명되고 주파수 변조(FM) 무선 신호가 확인되고 불과 몇 년 후에 처음 사용되었습니다. 1959년에 Mackay Noller는 인체, 주로 소화관 내부에서 생리 정보를 전달하는 무선 송신기를 개발하여 테스트했습니다. 이후 곧바로 다른 연구자들이 생리적 매개변수를 교란시키지 않고 감지 기법과 데이터 전송을 최적화하여 다양한 체강의 생물군계를 측정하고 정보를 보고할 수 있는 생물 원격 측정 장치를 포함시켰습니다. 1960년대의 이식형(그리고 삼킬 수 있는) 생물 원격 측정 장치 1세대는 심혈관계(심전도[ECG], 혈압, 혈류), 호흡기(산소와 온도), 신경생리(신경 활동), 소화기(압력, pH, 온도) 매개변수를 보고했습니다. 그림 1은 1960년대의 두 가지 원격 측정 회로입니다.
그림 1: 1960년대의 이식형 원격 측정 시스템 예: a) 맥케이 블로킹 진동자와 b) Ko-터널 다이오드 원격 측정 장치(Wen H. Ko의 “Early History and Challenges of Implantable Electronics"(이식형 전자장치의 초기 역사와 과제)에 나온 이미지)
1970년대 말에 심박동기, 신경 자극기, 인슐린 투여기 그리고 두개강 내 압력(ICP) 모니터링 같은 스포츠 의학이 발전하고 장기간 사용되면서 생물 원격 측정 기술이 급속히 발전했습니다. 그림 2는 뇌손상 분석에 사용되는 두개강 내압에 비례하는 주파수를 발하는 배터리가 없는 시스템입니다.
그림 2: 뇌손상 분석에 사용되는 두개강 내 압력 원격 측정 시스템(T. B. Fryer의 백서 “The Advantages of Short Range Telemetry though intact skin for Physiological Measurements in both Animals and Man"(동물과 사람의 생리학적 측정 시 정상 피부를 통한 근거리 원격 측정의 이점)에 나오는 이미지)
현재 인체 생물군계 분석에는 고도로 정교한 전자 장치와 기술이 사용되고 있습니다. 따라서 보다 최근의 기술 현황과 응용 부문 몇 가지를 살펴보겠습니다.
미생물군에 응용되는 MEMS 기술과 용도
장기 칩(Organ-on-a-chip)은 미세 유체, 생물의학 미세전자기계 시스템(bioMEMS), 생체 재료를 사용하여 실험실에서 다수준 장기 시스템을 재현하는 비교적 새로운 기술입니다. 이를 통해 약물 테스트나 질병 연구 같은 실제 생체 밖 연구를 하면서 유용한 이식형 기능 보조 장치도 개발할 수 있습니다. 뇌, 간, 심장, 신장, 폐, 장 기능을 칩 플랫폼에 성공적으로 구현하고 다양한 전자장치 유형을 통합했습니다.
대부분의 장기 칩 장치에는 마이크로 센서(또는 MEMS 센서)가 포함되어 있습니다. 마이크로 센서는 pH, 온도, 압력/힘, 가속도, 습도, 소리/진동, 자기장, 기타 생물학적 또는 화학적 매개변수를 전기 신호로 변환하게 해줍니다. 이러한 마이크로 센서는 기계적 요소(예: 다이어프램이나 캔틸레버 빔)가 매우 작은 형상 계수의 다른 미세 전자장치와 통합되어 있는데, 형상 계수와 상호작용하기 위한 일종의 신호 처리와 보정 또는 보상 기능이 있어야 합니다. 정전용량 센서는 MEMS 장치에서 가장 많이 사용되는 감지 기법 중 하나이며 일반적으로 범위가 매우 작습니다. 변동 비율 커패시터를 진동자나 브리지 같은 측정 가능한 신호로 변환하는 방법이 다양하게 있습니다. 이러한 아날로그 인터페이스의 몇 가지 예가 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3: 정전용량 변화 측정 방법: (A) 브리지, (B)와 (C) 전류-전압 측정 — 단일/차동, (D) 주파수 측정, (E) 시간 측정(Paul Regtien과 Edwin Dertien의 “Sensors for Mechatronics"(메카트로닉스용 센서)(2판)에 나오는 그림)
대부분의 디지털 MEMS 센서는 장치 안에 이러한 인터페이스가 통합되어 있어 I2C 또는 SPI 같은 직렬 버스나 TTL 수준의 아날로그 출력 같이 좀 더 간편한 인터페이스가 됩니다. 이식형 장치든, 장기 칩이든, 기타 비-의료 산업에서 사용되는 장치든 미시 규모의 마이크로-기계 전기기계 장치를 제조할 수 있는 능력이 향상되고 있어 MEMS 기술과 연구는 계속 발전하고 있습니다. Arrow Electronics에서 유량, 온도, 습도, 모션 센서 같은 대다수 MEMS 장치를 확인할 수 있습니다.
전자장치의 이식과 생물 전기기계 장치 설계와 관련된 과제
크기, 무게, 전력 소비를 최소화하면서 열악하고 습한 환경에서 회로를 보호하는 것을 포함해 인체에 전자 장치를 이식하거나 연결하는 데는 많은 어려움이 있습니다. 무엇보다도 장치가 안전하고 신뢰성이 있어야 합니다.
크기부터 살펴보겠습니다. 어떻게 하면 성능에 지장을 주지 않고 최대한 작게 만들 수 있을까요? 기계 및 전기 엔지니어들이 긴밀히 협업하면서 패키지와 기계 레이아웃을 최적화할 수 있는 설계 프로세스를 갖추는 데 도움이 되며, 현재 CAD 시스템이 설계 방법론에서 비약적으로 발전되어 하드웨어 생산 전에 완벽하게 시각화할 수 있습니다.
신뢰성도 중요한 문제입니다. 대부분의 이식형 및 bioMEMS 전자장치는 “포팅(potting)”이라고 하는 공정으로 밀폐되는데, 이 때문에 구성요소와 차폐물 사이에 경화된 젤라틴 장벽이 형성되어 있습니다. 그리고 의료기기의 분류 등급에 따라서는(일반적으로 이식 장치는 위험도가 가장 높은 III 등급입니다) 특정 IEC 표준에 따라 엄격한 안전 프로토콜을 기준으로 테스트를 해야 하며, 백업 기능과 이중화 기능을 갖춰야 합니다.
마지막으로 전력 최적화(특히 이식형 장치)도 엔지니어들이 지속적으로 해결해야 하는 문제였습니다. 영화 아이언맨에 나오는 아크 리액터(Arc Reactor)의 코어 전원을 활용해볼 수도 있겠지만 우리는 소형 배터리, 수퍼커패시터, 에너지 수확 기법, 고도로 최적화된 저전력 구성요소 기능을 사용합니다. 생체 내 에너지 수확(IVEH)은 최근에 탐구되는 분야인데, 압전 및 마찰 전기 효과, 와우내전위, 생물 연료 전지 및 빛을 이용해 배터리나 커패시터를 방전된 만큼만 충전합니다(트리클 충전). 2014년에 한국의 한 연구팀에서 “나노 발전기(nanogenerator)”라고 하는 유연한 압전 재료만으로 전력을 공급하는 심박동기를 개발했습니다. 그림 4에 이 심박동기의 전력 경로가 묘사되어 있습니다.
그림 4: 유연한 압전 재료의 전기 에너지를 사용하는 인공 심박동기(KAIST 황전태 팀의 “Self-powered cardiac pacemaker enabled by flexible single crystalline PMN-PT piezoelectric energy harvester"(유연한 단일 결정 PMN-PT 압전 에너지 하베스터를 이용하는 자가 발전 심박동기) 백서에 나오는 이미지)
이식 장치, 미생물군 칩, bioMEMS 제품의 예
지금까지 마이크로 센서/미세 전자장치의 발전과 인체 미생물군과 재현 장기에서 어떻게 사용되는지 살펴보았습니다. 이제는 실제 작동을 살펴보겠습니다.
프랑스 기업인 Biomillenia는 QIAGEN의 미생물 생물정보학 플랫폼을 이용해 미생물과 박테리아 종을 탁월한 수준으로 배양하고 분석할 때 사용하는 액적 기반의 미세 유체 칩 플랫폼을 개발했습니다. 이 플랫폼은 최대 1억 개의 미생물을 3일 안에 검사할 수 있습니다. 반면에 기존 방식을 사용하면 최장 3년이 걸리며 훨씬 더 많은 양을 분석해야 합니다.
터프츠 대학(Tufts University)의 Fiorenzo Omenetto는 용해성 이식 장치로 LED 어레이를 배치한 실크를 사용해 인슐린 같은 생물 지표의 혈액 속 농도를 표시하는 방법을 연구했습니다. 그 개념은 실크로 LED/트랜지스터 어레이를 제자리에 고정한 후, 항체나 효소를 사용해 생물 지표나 질병 지표를 검출한 다음에는 용해되어 실리콘 전자장치에 남기 때문에 절제술이 필요 없다는 것입니다.
Abbot의 CardioMEMS HF 시스템(그림 5)은 MEMS 기술을 사용하는 이식형 장치입니다. 선제적으로 혈압을 모니터링하고 환자가 판독할 수 있는 기본 장치에 무선으로 전송하므로 증상이 나타나기 전에 심부전 및 증상을 줄일 수 있습니다. 이 장치에서 생성되는 측정치를 토대로 하는 환자 맞춤 치료 계획과 원격 의료도 가능합니다.
그림 5: 선제적으로 혈압을 모니터링하여 데이터를 전송하는 Abbott의 CardioMEMS 장치(이미지: Abbott)
Biolinq는 미세 어레이 장치(그림 6)를 이식했는데 이 장치는 혈당 수치와 추세를 평가하고, 식이와 운동이 혈당에 어떤 영향을 주는지 동전 크기의 패치로 보여줍니다. 패치에는 센서 어레이, 배터리 그리고 앱으로 정보를 무선으로 전송하는 회로기판이 들어 있습니다.
그림 6: 혈당을 모니터링하는 Biolinq의 미세 어레이 장치(이미지: Biolinq)
Innovative Sensor Technology(iST)는 20조분의 1 암페어에 해당하는 20pA의 전류를 감지하는 다양한 전극을 사용하여 포도당, 젖산염, 글루타민, 글루탄산염 농도를 측정할 때 사용하는 바이오 센서를 개발했습니다.
그리고 IoT 센서 솔루션과 마이크로 가공을 전문으로 하는 기업인 Sensera에서 자사의 특허 받은 미세 감지 및 미세 유체 기술을 이용해 상업성이 있는 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 장기 칩 진단 장치를 개발했습니다. 그림 7은 장기 칩 용도에 사용되는 마이크로 센서의 예입니다. Sensera의 많은 MEMS 및 IoT 제품을 Arrow Electronics에서 구입할 수 있습니다.
그림 7: 장기 칩 용도에 사용되는 Sensera 마이크로 센서(이미지: Sensera)
앞으로 10년 후에는 의학이 어떤 모습이 될까요? 우리는 공상 과학이 현실이 되는 시대에 살고 있습니다. bioMEMS와 미생물군 칩(microbiome-on-a-chip) 용도가 계속 발전하면서 인체 해부 구조를 측정하고 분석할 수 있는 범위가 확대된다고 생각하면 정말 신이 납니다.