주사기 한 번으로 체내에 주입할 수 있을 만큼 초소형화된 심장박동조절기가 미국에서 개발됐다. 노스웨스턴대 연구팀이 개발한 이 장치는 쌀알보다 작은 크기임에도 체내 생체액을 전원으로 활용해 배터리 없이 작동하는 것으로 확인됐다.

환자 가슴에 부착하는 웨어러블 패치와 연동되는 방식으로, 패치에서 방출되는 적외선이 피부를 투과해 이식된 심박조절기를 필요할 때만 작동시키는 원리다. 이 장치는 생체흡수성 광전자 기술을 기반으로 한다.

이 임시 심박조절기는 예를 들어 환자에게서 심장 부정맥이 감지되면 피부 인터페이스 무선 장치와 기기가 짝을 이뤄 이 심박조절기가 자율적으로 작동한다. 또한 이 기기는 수술 후 및 기타 환경에서 단기 서맥(느린심장맥박)이 있는 환자를 치료하는 데에도 필수적이다. 특히 전 세계 신생아의 약 1%가 앓고 있는 선천성 심장 질환 치료에 획기적인 대안이 될 것으로 전망된다.

기존 심박조절기는 침습적 개심(開心) 수술 또는 덜 침습적인 혈관 내 수술이 필요한데, 둘 다 소아 및 성인 환자에게 어려운 일이다. 앞서 지난 2014년 미국 스탠포드대가 개발한 쌀알크기의 초소형 심박 조절기를 개발했지만 침습적(수술방식)으로 이식하고 제거하는 방식이었고 이후 커다란 후속 성과도 발표되지 않았다.

하지만 노스웨스턴대의 이 최신 기기는 주사기기로 피부 및 혈관에 주사기로 이식하고 신체에 깊고 안전하게 침입하는 적외선으로 제어하며, 사용 후에는 용해돼 별도의 수술로 제거할 필요도 없다는 장점을 갖는다.

동물 실험과 기증된 인간 심장 조직을 대상으로 한 실험에서 안정적인 심박조율 효과가 확인됐다고 연구팀은 설명했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처 4월 2일자에 발표됐다.

세상에서 가장 작은 주입형 심박조절기

미국 노스웨스턴대 연구진이 주사기를 통해 주입하도록 설계된 첨단 초소형 심박조절기를 만들었다.

이 새로운 장치는 일시적인 심박조율을 위해 설계됐으며, 전통적인 방식의 심박조절기가 필요할 때 덜 침습(수술)적인 대안을 제공하므로 선천적 심장 결함이 있는 유아에게 특히 유용하다.

기존의 커다란 심박기는 심근의 감염, 찢어짐 및 천공 위험과 외부 전원 공급 장치 및 제어 시스템의 변위 등이 포함되는 등 불편함과 위험이 수반된다.

이번에 개발된 심박조절기는 쌀 한 톨보다 작은 크기로, 길이 1.8mm, 너비 3.5mm, 두께 1mm에 불과하다. 환자 가슴에 붙이는 부드러운 웨어러블 기기와 함께 사용되며, 피부 아래에서 협력해 작동하는 구조다.

피부 웨어러블 장치는 착용 시 개인의 심박수를 모니터링하고 불규칙한 심박수가 감지되면 피부를 뚫고 피하에 심어진 쌀알보다 작은 심박조절기를 활성화할 수 있는 광 펄스를 방출한다.

게다가 이 초미세 심박조절기는 사용후 수술로 제거하지 않아도 스스로 용해돼 신체에 무해하다.

개발을 주도한 노스웨스턴 바이오일렉트로닉스 선구자인 존 A. 로저스 교수는 “우리는 우리가 아는 한 세계에서 가장 작은 심박조절기를 개발했다”고 말했다.

에피모프 공동 연구 책임자는 “우리의 가장 큰 개발 동기는 아이들이었다. 자원이 부족한 나라에 살든 풍부한 나라에 살든 상관없이 신생아 약 1%가 선천적 심장 결함을 가지고 태어난다. 다행히도 이 아이들은 수술 후 일시적인 심박조율만 필요로 한다. 이제 이 작은 심박조절기를 아이의 심장에 부착하고 부드럽고 조용한 웨어러블 장치로 자극할 수 있다. 그리고 이를 제거하기 위해 추가 수술이 필요하지 않다”고 말했다.

작고 신체 체액으로 구동되는 혁신 기기

심박조절기 소형화의 가장 큰 난제는 전원 확보였다고 연구팀은 설명했다. 기존 근거리무선통신(NFC) 방식 대신 빛을 이용한 활성화 시스템으로 전환하면서 효율은 높이고 크기는 대폭 줄일 수 있었다.

배터리 대신 '갈바닉 셀(Galvanic cell)' 원리를 적용했다. 서로 다른 두 금속 전극이 체내 생체액과 만나 화학 반응을 일으키며 전기를 만들어내고, 이 전기가 심장을 자극하는 방식이다.

로저스 교수는 “이 심박조절기를 신체에 이식하면 주변 생체액이 전도성 전해질 역할을 해 두 개의 금속 패드를 전기적으로 연결해 배터리를 형성한다. 이 배터리 반대쪽에 있는 아주 작은 빛으로 작동하는 스위치를 통해 환자의 피부 부착 패치에서 환자의 몸을 통과하는 빛이 전달되면 심박조절기를 ‘꺼짐’ 상태에서 ‘켜짐’ 상태로 바꿀 수 있다”고 말했다.

의학 분야에서 가능성 확장

이 기기는 신체에 깊숙이 안전하게 침투하는 적외선을 사용한다. 웨어러블 기기가 환자에게서 위험할 정도로 낮은 심박수를 감지하면 LED가 정상적인 심장리듬에서 깜박이도록 자동으로 작동시켜 그에 따라 심박조절기를 활성화한다.

로저스는 “심장은 아주 작은 양의 전기 자극을 필요로 한다. 크기를 최소화함으로써 이식 절차를 획기적으로 간소화하고 환자의 외상과 위험을 줄이며, 용해성을 가진 기기 재료 속성 덕분에 2차 수술적 추출 절차가 필요 없다”고 말했다.

이 심박조절기의 크기가 작기 때문에 의사는 심장 주변의 다양한 위치에 여러 기기를 이식한 다음 다른 색상의 빛을 사용해 개별적으로 켤 수 있다. 이를 통해 부정맥을 포함한 다른 심장 박동 이상을 치료할 수 있다.

연구진은 이 기본 기술이 신경 및 뼈 재생을 가속화하고, 상처 치료 및 통증을 차단하는 것과 같이 전기 요법의 광범위한 생체전자 의학의 추가 응용에 쉽게 적용할 수 있다고 밝혔다.

노스웨스턴대 연구진은 지난 2021년 자연 분해되는 심장박동기를 처음 선보인 이후 지속적으로 이를 발전시켜 왔다.