생체전기
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1. 개요
생체전기는 생물학적 재료와 구조를 사용하여 정보 처리 시스템과 장치를 개발하는 분야를 지칭한다. 1991년 정의에 따르면, 생체 분자 전기는 생체에서 영감을 받은 재료와 하드웨어 아키텍처를 활용하여 새로운 정보 처리 시스템, 센서, 액추에이터를 구현하는 연구를 포함한다. 1786년 루이지 갈바니의 개구리 다리 실험을 통해 생체전기가 처음 발견되었으며, 이후 전기생리학 연구가 발전하면서 뇌파, 심전도 등 생체 전기적 신호 연구가 활발하게 진행되었다. 인체는 신경계와 장기 기능에 생체전기를 활용하며, 유기 생체 전기 재료와 전도성 고분자 코팅, 유기 전기화학 트랜지스터, 유기 전자 이온 펌프, 질화 티타늄 등이 생체 전기 재료로 사용된다. 생체전기는 혈당 측정기, 전기 자극 치료, 생체 전자 임플란트 등 질병 진단 및 치료에 활용되며, 향후 나노기술과의 융합을 통해 생물학적 위협 감지 등 인명 보호 분야에 기여할 것으로 전망된다.
1991년 11월 브뤼셀에서 열린 제1차 C.E.C. 워크숍에서 생체 전기는 '정보 처리 시스템 및 새로운 장치를 위한 생물학적 재료 및 생물학적 구조의 사용'으로 정의되었다. 특히 생체 분자 전기는 '새로운 정보 처리 시스템, 센서 및 액추에이터 구현, 원자 수준까지의 분자 제조를 위해 생체에서 영감을 받은(즉, 자체 조립) 무기 및 유기 재료, 생체에서 영감을 받은(즉, 대규모 병렬 처리) 하드웨어 아키텍처의 연구 및 개발'로 설명되었다.[1]
18세기, 루이지 갈바니가 분리된 개구리 다리에 전압을 가하면서 생체전기에 대한 최초의 연구가 이루어졌다. 다리가 움직이면서 생체전기의 기원이 시작되었다.[4] 심장 박동 조율기가 발명된 이후, 의료 영상 산업과 함께 전자 기술은 생물학과 의학에 적용되어 왔다. 2009년, 해당 용어를 사용한 출판물 조사에 따르면, 연구 활동 중심지는 유럽(43%), 아시아(23%), 미국(20%) 순이었다.[2]
실제로 인체는 신경계에서 정보를 교류하는 데 생체전기를 쓴다. 그리고 인체의 장기도 전기 자극 덕분에 제 역할을 수행할 수 있다.
CMOS 기술에서 널리 사용되는 몇 안 되는 재료 중 하나인 질화 티타늄(TiN)은 의료 임플란트의 전극 재료로 매우 안정적이고 적합하다고 알려져 있다.[10][11]
2. 생체전기의 정의
미국 상무부 산하 국립 표준 기술 연구소(NIST)는 2009년 보고서에서 생체 전기를 "생물학과 전자 공학의 융합으로 인한 학문"으로 정의했다.[2]
전기 전자 기술자 협회(IEEE)는 1990년부터 엘스비어 저널 Biosensors and Bioelectronics를 발행하고 있다. 이 저널은 생체 전기의 범위를 "생물학적 연료 전지, 생체 공학, 정보 처리용 생체 재료, 정보 저장, 전자 부품 및 액추에이터를 포함하는 더 넓은 맥락에서 전자 공학과 함께 생물학을 활용한다. 핵심 측면은 생물학적 재료와 마이크로 및 나노 전자 공학 사이의 인터페이스이다."라고 설명하고 있다.[3]
3. 역사
3. 1. 생체전기의 발견
1786년경 이탈리아 볼로냐대 교수였던 루이지 갈바니(Luigi Galvani, 1737~1798)는 개구리 뒷다리 근육이 전기 때문에 수축된다는 실험을 하였다.[4] 이 실험을 통해 근육 흥분 시에 전위차가 나타나는 것을 증명하였다. 이후 20세기에 들어서는 진공관 증폭기를 전자오실로그래프나 브라운관오실로스코프와 조합하여 전기생리학에 널리 사용하게 되어 빠른 전위변동도 정확히 묘사할 수 있게 되었다.
3. 2. 생체전기 연구의 발전
20세기에 들어 진공관 증폭기와 전자 오실로스코프, 브라운관 오실로스코프 등의 기술 발전으로 빠른 전위 변동을 정확하게 측정할 수 있게 되면서 전기생리학 연구가 활발해졌다.[4] 신경 충격, 정지 전위, 활동 전위 등 신경 및 근육계의 활동 지표(뇌파, 심전도, 근전도, 망막 전도 등)가 연구되었다.
뇌파는 뇌의 신경 세포들이 발사하는 활동 전위 또는 시냅스 후 전위의 총합을 두개골 위에 설치한 전극으로 측정한 것이다. 미세 전극을 뇌 실질에 삽입하면 개별 신경 세포의 스파이크 전위를 관찰할 수 있고, 세포 내에 전극을 삽입하면 개별 신경 세포의 막전위 변화를 기록할 수 있다. 망막이나 내이(달팽이관)와 같은 감각 수용기는 빛 또는 소리 자극에 따라 특유한 수용기 전위를 발생시킨다.
신경 외에도 피부, 점막, 망막 등의 상피 조직이나 샘에서는 물질의 능동적/수동적 수송이나 분비와 관련된 전위가 기록된다. 이러한 조직의 세포는 세포 내외 양측 막의 성질이 다르며, 한쪽 막에서 능동 수송이 이루어지는 경우가 많다. 정지 전위나 활동 전위는 보통 10~100mV 정도지만, 발전어의 전기 기관에서 발생하는 전위는 수백 V에 달한다. 이는 다수의 발전 세포 전위가 직렬 배치되어 가산되기 때문이다.
동물뿐만 아니라 식물에서도 정지 전위와 활동 전위가 관찰된다. 변형체, 과실, 신경초, 조류의 단일 세포(예: 나이텔라) 등에서 이러한 현상이 발견되었다.
4. 인체의 전기
5. 생체 전기 재료
5. 1. 유기 생체 전기
유기 생체 전기는 유기 전자 재료를 생체 전자 분야에 적용하는 것이다. 탄소를 포함하는 유기 재료는 생물학적 시스템과 인터페이스할 때 큰 가능성을 보여준다.[5] 현재 적용 분야는 신경 과학[6][7]과 감염에 집중되어 있다.[8][9]
전도성 고분자 코팅은 유기 전자 재료로, 재료 기술에서 엄청난 발전을 보여준다. 이는 가장 정교한 형태의 전기 자극이었다. 전기 자극에서 전극의 임피던스를 개선하여 더 나은 기록을 얻고 "유해한 전기화학적 부반응"을 줄였다. 1984년 마크 라이튼과 동료들에 의해 발명된 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 이온을 수송하는 능력을 가지고 있었다. 이는 신호 대 잡음비를 개선하고 낮은 측정 임피던스를 제공한다. 마그너스 베르그렌은 특정 신체 부위와 장기를 표적으로 하여 약물을 부착하는 데 사용할 수 있는 장치인 유기 전자 이온 펌프(OEIP)를 제작하였다.[4]
5. 2. 전도성 고분자 코팅
전도성 고분자 코팅은 유기 전자 재료로, 재료 기술에서 큰 발전을 보여준다. 이는 가장 정교한 형태의 전기 자극이었다. 전도성 고분자 코팅은 전기 자극에서 전극의 임피던스를 개선하여 더 나은 기록을 얻고 "유해한 전기화학적 부반응"을 줄였다.[5] 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 1984년 마크 라이튼과 동료들에 의해 발명되었으며, 이온을 수송하는 능력을 가지고 있었다. 이는 신호 대 잡음비를 개선하고 낮은 측정 임피던스를 제공한다. 특정 신체 부위와 장기를 표적으로 하여 약물을 부착하는 데 사용할 수 있는 장치인 유기 전자 이온 펌프(OEIP)는 마그너스 베르그렌에 의해 제작되었다.[4]
5. 3. 유기 전기화학 트랜지스터 (OECT)
유기 전기화학 트랜지스터(OECT)는 1984년 마크 라이튼과 동료들이 발명하였으며, 이온 수송 능력을 가지고 있어 신호 대 잡음비를 개선하고 낮은 측정 임피던스를 제공한다.[4]
5. 4. 유기 전자 이온 펌프 (OEIP)
마그너스 베르그렌이 제작한 유기 전자 이온 펌프(OEIP)는 특정 신체 부위와 장기에 약물을 부착하는 데 사용될 수 있다.[4]
5. 5. 질화 티타늄 (TiN)
CMOS 기술에서 잘 확립된 몇 안 되는 재료 중 하나인 질화 티타늄(TiN)은 의료 임플란트에서 전극 적용에 매우 안정적이고 적합한 것으로 밝혀졌다.[10][11]
6. 주요 응용 분야
생체전기는 장애인 및 질병을 앓는 사람들의 삶을 개선하는 데 사용된다. 예를 들어, 혈당 측정기는 당뇨병 환자가 혈당 수치를 조절하고 측정할 수 있게 해준다.[4] 전기 자극은 간질, 만성 통증, 파킨슨병, 난청, 본태성 진전 및 실명 환자를 치료하는 데 사용된다.[12][13] 마그누스 베르그렌과 동료들은 치료 목적으로 살아있는 자유 동물에게 사용된 최초의 생체 전자 임플란트 장치인 OEIP의 변형을 만들었다. 이 장치는 산인 GABA에 전류를 전달하여 진통제 역할을 한다.[7]
미주 신경 자극(VNS)은 미주 신경의 콜린성 항염증 경로(CAP)를 활성화하여 관절염과 같은 질병을 앓는 환자의 염증을 감소시키는 데 사용된다. 우울증 및 간질 환자는 닫힌 CAP을 가질 가능성이 더 높기 때문에 VNS가 이들에게도 도움이 될 수 있다.[14]
전자 장치와 생물학적 시스템의 친밀하고 직접적인 인터페이스를 포함하는 것만이 생체 전자 장치에 해당된다.[15]
6. 1. 질병 진단 및 치료
혈당 측정기는 당뇨병 환자가 혈당 수치를 조절하고 측정할 수 있게 해주는 휴대용 장치이다.[4] 전기 자극은 간질, 만성 통증, 파킨슨병, 난청, 본태성 진전 및 실명 환자를 치료하는 데 사용된다.[12][13] 미주 신경 자극(VNS)은 미주 신경의 콜린성 항염증 경로(CAP)를 활성화하여 관절염과 같은 질병의 염증을 감소시키는 데 사용된다.[14]6. 2. 생체 전자 임플란트 장치
생체전기는 장애인 및 질병을 앓는 사람들의 삶을 개선하는 데 사용된다. 예를 들어, 혈당 측정기는 당뇨병 환자가 혈당 수치를 조절하고 측정할 수 있게 해주는 휴대용 장치이다.[4] 전기 자극은 간질, 만성 통증, 파킨슨병, 난청, 본태성 진전 및 실명 환자를 치료하는 데 사용된다.[12][13] 마그누스 베르그렌과 동료들은 OEIP의 변형을 만들었는데, 이는 치료 목적으로 살아있는 자유 동물에게 사용된 최초의 생체 전자 임플란트 장치였다. 이 장치는 산인 GABA에 전류를 전달했다. 체내 GABA 부족은 만성 통증의 한 요인이다. GABA는 손상된 신경에 적절하게 분산되어 진통제 역할을 한다.[7]7. 미래 전망
세포 내 해상도에서 세포 상태를 모니터링하는 표준 및 도구 개선에 대한 자금 지원과 고용이 부족하다. 이는 다른 과학 분야의 발전이 대규모 세포 집단을 분석하기 시작하면서 이러한 수준에서 세포를 모니터링할 수 있는 장치에 대한 필요성이 증가하고 있기 때문에 문제이다. 세포는 유해 물질 감지와 같은 주요 목적 외에는 다른 많은 방식으로 사용될 수 없다. 이 과학을 나노기술 형태와 병합하면 매우 정확한 감지 방법을 얻을 수 있다. 생물테러로부터 보호하는 것과 같이 인명을 보존하는 것이 생체 전자기학에서 가장 큰 작업 분야이다. 각국 정부는 화학 및 생물학적 위협을 감지하는 장치와 재료를 요구하기 시작했다. 장치 크기가 작아질수록 성능과 기능이 향상될 것이다.[2]
참조
[1]
간행물
From neural chip and engineered biomolecules to bioelectronic devices: an overview
[2]
웹사이트
A Framework for Bioelectronics: Discovery and Innovation
https://www.nist.gov[...]
National Institute of Standards and Technology
2009-02
[3]
웹사이트
Biosensors and Bioelectronics
http://www.elsevier.[...]
Elsevier
[4]
간행물
The Rise of Organic Bioelectronics
2014-01-14
[5]
간행물
Organic bioelectronics - novel applications in biomedicine. Preface
2013-09
[6]
간행물
An organic electronic biomimetic neuron enables auto-regulated neuromodulation
http://urn.kb.se/res[...]
2015-09
[7]
간행물
Therapy using implanted organic bioelectronics
2015-05
[8]
간행물
Organic bioelectronics in infection
[9]
간행물
Organic Bioelectronic Tools for Biomedical Applications
2015-11
[10]
간행물
Biostability of micro-photodiode arrays for subretinal implantation
2002-02
[11]
간행물
Prolonged corrosion stability of a microchip sensor implant during in vivo exposure
2018
[12]
간행물
Organic Bioelectronics: Bridging the Signaling Gap between Biology and Technology
2016-11
[13]
웹사이트
DE NOVO CLASSIFICATION REQUEST FOR CALA ONE
https://www.accessda[...]
2021-09-11
[14]
간행물
Vagus nerve stimulation: a new bioelectronics approach to treat rheumatoid arthritis?
2014-08
[15]
서적
Handbook of Bioelectronics
Cambridge University Press
2015
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