“융합연구 통해 의용기기‧바이오센서 분야의 가능성 열 것”
“융합연구 통해 의용기기‧바이오센서 분야의 가능성 열 것”
  • 오현지 기자
  • 승인 2017.09.06 10:32
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개개인의 마음에서 요동치는 호기심이 이끄는 방향으로 연구를 진행할 때, 연구자의 노력과 창의성은 한계를 뛰어 넘을 수 있다. 이러한 관점에서 박동욱 교수는 호기심이 이끄는 연구에서 한계성을 뛰어넘기 위해 융합적인 시각을 도입한 연구자다. 전자 및 바이오 분야에서 그래핀에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 박 교수는 그래핀을 활용한 뇌 전기 자극을 성공시키며 의료 분야에의 활용가능성을 확인했다. 이는 반도체와 신소재, 바이오 기술의 성공적 융합이기에 더욱 가치 있는 결과다. 시류에 편승하는 연구가 아닌 시류를 주도하는 연구를 지향하고 있는 그를 만났다.

서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 박동욱 교수
서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 박동욱 교수

 

투명 그래핀 신경 전극 활용한 신경 질환 치료의 가능성을 열다

박동욱 교수와 위스콘신 대학교 연구팀이 수행한 투명 그래핀 신경 전극을 이용한 두뇌 전기 자극 기술 개발연구가 나노분야 국제 학술지인 ‘ACS Nano(Impact factor 13.942)’에 게재되며 주목받고 있다. 뇌파를 측정하거나 두뇌를 자극하는데 사용되는 의용기기인 두뇌 신경 전극은 두뇌 활동을 연구하고 신경 질환을 치료하는데 활용되어 왔다. 하지만 금속으로 이루어진 기존의 신경 전극은 자기공명영상(MRI)이나 단층촬영(CT)과 같은 의료 영상화를 왜곡한다는 단점이 있었다. 박 교수의 이번 연구는 그래핀을 이용한 투명 신경 전극개발로 기존 기술의 한계를 넘어 의료 영상화 기술과 전기자극의 동시 모니터링을 가능케 했다는 점에서 의미가 크다. 지난 2014년 세계 최초로 그래핀 신경 전극을 통한 뇌파 측정에 성공한데 이어 뇌 전기 자극에 성공하며 투명 그래핀 전극의 활용 범위를 다시금 넓힌 것이다.

선행 연구를 통해 그래핀 전극의 진단 툴로서의 활용 가능성을 확인했습니다. 이번 연구에서는 한 걸음 더 나아가 치료에의 활용 가능성을 탐색했고, 이는 의학 및 공학 전반에 걸친 의미 있는 결과입니다.”

두뇌 전기 자극은 신경 질환의 치료방법 중 하나로 파킨슨병, 틱 장애, 뇌전증 등에 임상적으로 쓰이고 있다. 즉 이번 연구는 그래핀 신경 전극의 임상적 활용 가능성을 한 단계 높였다고 말할 수 있다. 다양한 생체 내외의 실험을 통해 그래핀을 통한 전기 자극 원리를 모델링하고, 전기자극의 한계를 정량화했다는 점 역시 연구의 우수성에 의미를 더한다.

전기공학을 전공한 박 교수는 미국 위스콘신 대학 박사과정에서 의공학과(Biomedical Engineerin) 교수에게 공동 지도를 받으면서 연구의 외연을 확장시켰다. 그는 그래핀 트랜지스터를 연구하던 중, 소재 특성상 트랜지스터로서의 한계가 보이자 신경 전극으로서의 가능성에 집중했다. 그래핀을 비롯한 신소재 및 관련 기기 연구 경험이 바이오 응용 분야와 접목되어 기존에 없던 투명 그래핀 신경 전극을 탄생케 한 것이다. 그는 위스콘신대 의대, 메이요 클리닉(Mayo clinic), 스탠포드대 의대와 같은 미국 내 의사들과 관련 기술을 논의 할 때마다 투명 신경 전극에 대한 큰 관심을 보이는 바, 임상적으로도 큰 의의가 있음을 확인했고 밝혔다.

현재 파킨슨병 환자 치료에 뇌 심부 자극술(DBS, Deep Brain Stimulation)이 적용되고 있습니다. 뇌의 심부에 전기 자극을 가해 파킨슨병의 대표적 증상인 떨림을 해소할 수 있습니다. 이러한 전기 자극은 최근 틱장애 등 다른 신경질환 치료에 활용되는 것은 물론 비만, 우울증 등 다양한 분야에 적용하기 위한 시도가 이어지고 있습니다.”

파킨스병, 뇌전증, 치매 등 신경질환의 발전 기작 및 치료방법은 서로 상이하다. 각 질환의 구체적인 발전 기작은 아직까지 완전히 밝혀지지 않았고, 그 치료법 역시 많은 연구가 필요한 실정이다. 이에 투명 그래핀 전극은 신경 질환의 발전 기작을 알아내는 것은 물론 치료법을 연구하는데도 중요한 역할을 수행할 것으로 기대된다. 전기 자극에 반응하는 신경세포(Neuron) 또는 혈류량의 정밀한 모니터링을 가능케 하는 등, 기존 신경 전극으로는 불가능하거나 어려웠던 연구들의 토대가 되기 때문이다. 또한 신경 전극을 포함한 두뇌센서의 개발은 질병이나 외상으로 인해 잃어버린 운동, 감각 기능을 복원할 수 있는 인공 장치 및 치료법 개발을 가능케 한다.

가능성에 대한 지속적인 관심으로 연구를 이어온 박 교수는 현재 뇌의 다양한 부위에서 뇌파를 측정하고 전기 자극을 주는 후속 연구를 진행하고 있다. 최근 두뇌에 관한 관심이 커져가는 상황에서 그의 연구는 기초 과학 및 임상 분야에서 더욱 추진력을 얻고 있다. 박 교수는 해외 연구 기관과의 협업을 통해 진행 중인 두뇌 이외의 신체 부위를 자극하고 신호를 검출하는 연구가 완료되면 시신경 진단 및 치료에도 활용될 것이라 기대감을 내비쳤다.

 

의용기기바이오센서에 대한 다각적 관심 필요

박동욱 교수는 스탠포드대 의대 및 공대에서 박사후연구원으로 있을 당시 DNA aptamer(압타머)를 이용한 바이오센서 연구를 수행했다. 압타머란 특정 바이오 마커와 연결되는 합성 DNA 분자로 차세대 바이오 재료로 주목받고 있다. 안정적인 구조, 저렴한 생산단가, 면역거부반응의 최소화 등의 장점으로 항체(antibody)를 주로 사용하는 기존 바이오센서를 대체할 뿐 아니라 치료제로 대체가 가능하기에 다양한 응용과 발전이 예상되는 분야다. 박 교수는 특정 물질에 잘 반응하고 안정적인 압타머센서를 개발하는 한편, 이를 활용한 신경 질환의 조기 진단을 구체화할 계획이다. 그는 향후 신약개발까지도 가능할 것이라 내다봤다.

의용기기 및 바이오센서는 전자공학와 반도체 공학의 관점에서 볼 때 유연하고 생체 적합한 소자입니다. 이에 새로운 재료, 소자, 회로를 유연하고 생체 적합한 기판에 집적하는 연구를 진행 중입니다. 저의 연구들이 실험실에 머무르지 않고, 의용기기 및 바이오센서 산업 성장의 시작점이 될 수 있도록 노력하겠습니다.”

박 교수는 의용기기 및 바이오센서 분야의 시장은 크지는 않으나 폭발적인 성장가능성을 갖고 있는 만큼 관심과 미래에 대한 투자가 필요하다는 견해를 전했다. 그는 우리나라의 우수한 반도체, 디스플레이 기술을 활용한다면 차세대 바이오산업에서도 승기를 꽂을 수 있을 것이라 확신했다. 특히 두뇌센서는 고집적도 및 다양한 기능의 추가를 위해 반도체 기술과의 융합이 필요하기에 반도체 공정, 소자, 회로 기술을 바이오 분야에 접목할 수 있는 방안을 고민해야 한다는 전언이다.

현재 우리나라의 전기전자, 반도체, 디스플레이 산업은 세계 최고 수준을 자랑합니다. 하지만 자기 영역에만 머물러 있으면 무한 경쟁에서 살아남기 어렵습니다. 의용기기 및 바이오센서 분야에서 승기를 잡아 지속가능한 미래를 확보해야 할 시점입니다.

 

폭넓은 시야·유연한 자세로 융합 연구를 실현

반도체와 신소재, 바이오 기술을 융합한 연구를 수행하고 있는 박동욱 교수는 최근 화두가 되고 있는 융합에 대한 견해를 밝히기도 했다. 새로운 것을 배우고 시도하는 것은 누구에게나 두려운 일이지만 창의적인 결과를 얻을 수 있는 길이라는 것이다. 그 역시 반도체, 신소재를 연구하면서 바이오 응용에 관심을 가졌고, 생명공학 및 의학을 전공하면서 새로운 소재와 기술을 응용해 보는 시도와 함께 다양한 분야의 연구진들과 대화를 나누고자 노력하고 있었다. ‘열린 마음으로 새로운 분야를 배우고 시도하는 것이 곧 융합이라는 그의 말처럼 유연한 자세로 다양한 가능성을 찾는데 초점을 맞추고 있다.

미국 유학 전, 국내 대기업에서 연구원으로 근무한 경험은 박 교수의 연구를 더욱 풍부하게 만들고 있다. 학계와 산업계 전반에 걸친 경험을 토대로 기초 연구에서부터 산업 발전에 이르는 전 과정에 힘을 쏟는 모습이다. 이러한 그의 배경은 학생들에게도 고스란히 영향을 미친다. 교단에서 큰 방향성을 정한다면 이를 달성하는 모든 과정에 강렬한 동기부여가 된다는 확신을 전하고 있는 것이다. 박 교수는 자신 역시 선진국의 교육 시스템을 경험하고, 이를 토대로 우리나라 발전에 기여하겠다는 큰 꿈을 좇아 지금의 자리에 다다랐다고 말했다. 강력한 동기야 말로 목표를 향해 쉼 없이 나아가게 하는 힘이라 확신하는 이유다.

연구를 통해 의학 및 공학의 발전에 기여하고, 건강한 사회를 만드는데 기여하고 싶습니다. 이를 위해 건전한 생각을 가진 후학을 양성하고, 우리나라 의용기기 및 바이오센서 분야 발전에 기여하는 것이 목표가 되겠죠. 구체적으로는 남들이 가지 않는 창의적인 길, 저만이 할 수 있는 연구를 통해 미래사회를 선도할 수 있는 기술을 개발할 것입니다.”

우리는 살아가면서 결정의 순간을 맞이한다. 각 결정의 시기에서 최상의 선택을 했음에도 불구하고 감사하거나 만족하지 못하는 것은 목표가 없는 선택을 하기 때문이다. 이에 최선의 지름길보다는, 정직한 자세로 자신의 궁극적인 목표를 이루는 쪽을 택한 박 교수. 의용기기바이오센서 분야, 그 선봉에 선 박 교수의 연구들은 우리나라 미래 경쟁력 강화를 위한 든든한 기반이 될 것이다.

 


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