- DGIST 장경인 교수팀, 유연 소재 기반 인간의 위장운동을 모사한 펌프 구조를 적용한 뇌 삽입형 약물 전달 장치 개발

- 무선 제어로 뇌 깊은 부위에 정밀하게 약물을 전달, 난치성 뇌질환 치료에 새로운 가능성 제시

[DGIST 로봇및기계전자공학과 장경인 교수, 송수정 석박사통합과정생, 이혁준 석박사통합과정생]

DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 장경인 교수팀이 뇌 깊은 곳에 약물을 정밀하게 전달할 수 있는 뇌 삽입형 무선 신경 인터페이스를 개발했다.

이 장치는 유연한 소재 기반의 마이크로펌프와 미세 채널 구조를 적용해 외부 장비 없이도 원하는 시점과 위치에 정확하게 약물을 주입할 수 있다. 연구팀은 이 기술이 파킨슨병, 간질 등 난치성 뇌질환 치료에 활용될 것으로 기대하고 있다.

뇌 질환 치료의 가장 큰 어려움은 혈뇌장벽(BBB)으로, 약물이 목표 부위에 도달하기 어렵고 전신 투여 시 부작용 위험이 크다. 기존 약물 주입 장치도 외부 펌프와 관을 사용해야 해 환자의 움직임을 제한하고, 장기간 사용이 힘들다는 한계가 있었다.

장경인 교수팀은 이를 해결하기 위해 완전히 유연한 구조의 삽입형 장치를 설계했다. 위장 연동운동을 모사한 마이크로펌프와 경사진 노즐-디퓨저 채널을 적용해 역류 없는 정밀 약물 전달을 구현했으며, 무선 제어 모듈을 통해 주입 속도와 용량을 실시간으로 조절할 수 있도록 했다.

연구팀은 장치 성능 검증을 위해 뇌 모사체(아가로스 젤)에서 실험을 진행했다. 그 결과, 약물이 역류 없이 일정한 속도로 전달되는 것이 확인되었고, 무선 신호에 따라 주입 속도와 용량도 자유롭게 조절할 수 있었다. 또한 모든 구성 요소가 부드러운 소재로 제작돼 뇌 조직과 잘 적합하며 안정적으로 삽입·구동되는 것도 입증됐다.

이번 연구를 통해 개발된 뇌 삽입형 무선 신경 인터페이스는 외부 장비에 의존하지 않고 정밀하게 약물을 전달할 수 있는 새로운 플랫폼으로, 기존 방식의 한계를 극복했다. 향후 전극이나 센서와 결합해 환자의 뇌 신호를 실시간 모니터링하고, 필요한 순간 자동으로 약물을 투여하는 맞춤형 치료 시스템으로 발전시킬 수 있다.

장경인 교수는 “이번 연구에서 개발한 장치는 뇌 깊은 부위까지 무선으로 정밀 약물 전달을 가능하게 했다”며, “앞으로 임상 적용을 위해 장기적 안정성을 검증하고, 다양한 신경질환 치료 플랫폼으로 확장해 나갈 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 산업기술 알키미스트 프로젝트와 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 ‘npj Flexible Electronics’에 8월 게재됐다.

연구결과개요

A soft neural interface with a tapered peristaltic micropump for wireless drug delivery

(Hyeokjun Lee, Soojeong Song, Jeongdae Ha, Yoon Kyeung Lee & Kyung-In Jang)

(npj Flexible Electronics, on-line published on 09 August, 2025)

본 연구는 뇌 질환 치료에서 오랫동안 제기되어 온 과제를 해결하기 위한 새로운 접근을 제시합니다. 뇌는 혈뇌장벽(Blood–Brain Barrier)이라는 방어막이 있어 대부분의 약물이 도달하기 어렵고, 전신 투여 시에는 부작용의 위험이 뒤따릅니다. 기존 약물 주입 장치는 외부 펌프와 관을 통해 약물을 전달해야 하므로 환자의 움직임이 제한되고, 장기간 사용에도 안정성에 한계가 있었습니다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 완전히 유연한 신경 인터페이스를 개발했습니다. 이 장치는 얇은 두께의 위장 연동운동을 모사한 마이크로펌프와 정밀한 미세 채널 구조를 내장하고 있으며, 필요할 때 원하는 부위에 약물을 주입할 수 있습니다. 펌프는 내장된 마이크로히터가 순차적으로 작동하면서 공기 흐름을 만들어내고, 이를 통해 약물이 저장소에서 밀려 나와 뇌 조직으로 전달됩니다. 특히 미세 채널은 경사진 구조의 노즐-디퓨저 구조로 설계되어 약물이 역류하지 않고 한 방향으로 안정적으로 흐르도록 구현되었습니다.

이 장치의 중요한 특징은 모든 구성 요소가 소프트 소재로 제작되었다는 점입니다. 기존의 딱딱한 기계식 펌프와 달리, 연조직인 뇌와 밀착해도 기계적 부담이 거의 없습니다. 또한 시뮬레이션과 실험을 통해 채널의 각도, 크기, 폭을 최적화하여 정밀한 유량 제어와 최소한의 역류를 동시에 달성했습니다. 뇌 모사체(아가로스 젤) 실험에서는 안정적이고 프로그래밍 가능한 약물 전달 성능이 검증되었으며, 무선 제어를 통해 실시간으로 속도와 용량을 조절할 수 있음도 확인되었습니다.

이번 연구는 기술적 성과를 넘어 임상 적용 가능성까지 보여줍니다. 모든 부품을 뇌 친화적인 소재로 제작해 안전성을 높였고, 무선 제어 방식을 통해 환자의 일상적인 움직임에도 제약이 없습니다. 더 나아가 전극이나 센서와 결합하면 환자의 뇌 신호를 모니터링하면서 필요할 때 자동으로 약물을 투여하는 맞춤형 치료 시스템으로 확장될 수 있습니다. 이는 뇌종양, 파킨슨병, 간질 등 난치성 신경질환 치료에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가

본 연구에서는 뇌 깊은 부위에 약물을 정밀하게 전달하기 위해, 모든 구조를 유연 소재로 제작한 뇌 삽입형 무선 신경 인터페이스를 개발했음. 위장 연동운동을 모사한 마이크로펌프와 경사진 구조의 노즐-디퓨저 마이크로채널을 적용해 역류를 최소화하면서 안정적인 일방향 약물 전달을 구현했음. 또한 마이크로히터 기반 무선 제어 기술을 도입해 외부 장치 없이도 필요 시 원하는 위치와 시간에 맞춤형 약물을 주입할 수 있었음.

Q. 어디에 쓸 수 있나

이 기술은 파킨슨병, 간질, 뇌종양 등 난치성 신경질환 치료를 위해 뇌 내 정밀 약물 전달이 필요한 분야에 활용될 수 있음. 기존 방식과 달리 환자의 움직임에 제한을 주지 않고 무선으로 제어 가능하기 때문에, 장기간 치료나 맞춤형 신경질환 관리 플랫폼으로 발전할 가능성이 있음.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는

실용화를 위해서는 장기간 뇌 조직 내에서 안정적으로 작동할 수 있는 생체적합성과 내구성 검증이 필요함. 또한 삽입형 장치의 장기 안정성, 채널 내 생체 단백질이나 세포에 의한 막힘(바이오파울링) 문제 해결, 열 축적 최소화를 위한 패키징 기술 개발 등이 과제로 남아 있음. 향후에는 동물 모델을 통한 검증과 임상 전 시험을 거쳐 실용화 단계로 나아가야 함.

Q. 연구를 시작한 계기는

기존 약물 전달 방식은 외부 펌프와 관을 연결해야 해 환자의 자유로운 움직임을 제한하고, 혈뇌장벽으로 인해 약물이 원하는 부위에 도달하기 어렵다는 한계가 있었음. 이러한 문제를 해결하고, 뇌 질환 환자에게 보다 정밀하고 안전한 치료 방법을 제시하기 위해 본 연구를 시작하게 되었음.

Q. 어떤 의미가 있는가

이번 연구를 통해 개발된 뇌 삽입형 무선 신경 인터페이스는 정밀 약물 전달을 위한 새로운 치료 플랫폼을 제시했음. 외부 장치에 의존하지 않고 무선으로 제어되기 때문에 환자의 일상적인 움직임에도 제약이 없으며, 소프트 소재 기반 구조로 뇌 조직 손상을 최소화할 수 있었음. 향후 뇌 신호 모니터링 센서와 결합할 경우, 환자의 상태에 따라 자동으로 약물을 조절·투여하는 맞춤형 치료 시스템으로 발전할 수 있다는 점에서 의의가 큼.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는

앞으로 다양한 만성질환에 대응할 수 있는 센서 기술을 개발하고, 개인의 생체 정보와 약물 반응성을 예측할 수 있는 정밀 의료 플랫폼을 구축할 것임. 개인 맞춤형 의료 관리 시스템의 표준화를 위한 연구를 지속할 계획임.

그림설명

[그림 1] 뇌 삽입형 무선 마이크로펌프 기반 정밀 약물 전달 시스템 개략도

(그림설명) a. 뇌 삽입형 무선 약물 전달 장치 개념도

b. 약물 저장소와 펌프 구조 등 장치 구성

c. 공급·펌프 모드 전환 원리

d. 3개 챔버를 통한 일방향 약물 흐름

e. 시뮬레이션으로 확인된 방향성 유체 흐름

f. 순차적 구동에 따른 펌핑 과정

[그림 2] 무선 제어 기반 뇌 삽입형 약물 전달 장치의 성능 검증 결과

(그림설명) a. 제작된 마이크로펌프 기반 삽입형 프로브 사진

b. 무선 제어 회로도 및 약물 전달 모듈 구성

c. 무선 신호에 따른 마이크로히터 온·오프 제어 패턴

d. 구동 주파수 변화에 따른 약물 주입량 분석

e. 주파수별 사이클당 주입 용적 및 유량 비교

f. 시간 경과에 따른 약물 전달 실험 결과