스마트폰으로 원격 통증 관리…카이스트, 붙이는 마이크로니들 전자약 개발

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 정재웅 교수와 한국한의학연구원 이상훈 박사 공동 연구팀이 무선 마이크로니들(피부에 붙이는 미세 바늘) 전자약과 사물인터넷(IoT) 기반 원격 제어 기술을 결합한 웨어러블 전자약 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다.

전자약은 약물 대신 전기자극으로 신경 활동을 조절해 증상을 완화하는 기술이다. 만성 통증 치료에는 진통제가 널리 쓰이지만 장기간 복용하면 부작용이나 의존성 우려가 있다. 특히 암성 통증 등에 쓰는 마약성 진통제는 오래 사용할수록 내성과 오남용 위험이 커질 수 있어 전기자극으로 신경을 조절하는 전자약이 대안으로 연구되고 있다.

기존 방식에는 한계가 있다. 몸속에 기기를 심는 이식형은 수술이 필요하고, 피부에 붙이는 전극은 땀이나 각질 등 피부 상태에 따라 전기가 제대로 전달되지 않을 수 있다. 특정 부위에 전류가 몰리면 피부 온도가 올라가거나 화상을 입을 위험도 있다.

연구팀은 온도에 반응하는 전도성·접착성 마이크로니들 전극을 개발했다. 미세한 바늘이 전기 저항이 높은 각질층을 통과해 땀이나 각질의 영향을 줄이면서 전기자극을 안정적으로 전달한다. 하이드로젤(물을 많이 머금은 젤 형태 소재)을 전극에 코팅해 전류가 바늘 끝에 몰리지 않고 고르게 퍼지도록 했다. 연구팀이 개발한 마이크로니들은 하이드로젤 코팅 부분을 제외하면 피부 밖으로 약 200㎛(마이크로미터) 돌출된다. 통증을 감지하는 신경 말단이 있는 깊이까지 닿지 않고 각질층과 표피 상부만 통과하도록 설계해, 피부 저항은 낮추면서 바늘 삽입에 따른 통증을 최소화했다.

피부 온도가 비정상적으로 올라가면 전극 접착력이 약해져 전극이 스스로 피부에서 떨어지도록 했다. 전기자극 과정에서 생길 수 있는 피부 화상 위험을 줄이기 위한 안전장치다.

연구팀은 IoT 기술도 결합했다. 스마트폰과 클라우드 서버를 이용하면 의료진이 환자와 멀리 떨어져 있어도 전자약의 작동 시간과 전기자극을 실시간 또는 예약 방식으로 제어할 수 있다. 한국과 미국처럼 국가 간 거리가 먼 환경에서도 기기를 원격으로 제어할 수 있음을 확인했다고 설명했다.

광혈류(PPG) 센서로 통증과 관련된 스트레스 상태를 감지하고, 이를 바탕으로 전기자극을 자동으로 작동시키는 폐루프 치료 기능도 구현했다. 사람이 매번 기기를 켜고 자극 세기를 조절하는 데서 나아가, 몸 상태를 감지한 뒤 필요한 전기자극을 가하고 다시 상태를 확인하는 자동 통증 관리가 가능해질 수 있다.

동물실험에서는 기존 젤 전극보다 전류가 효과적으로 전달됐으며 통증 완화 효과도 나타났다. 건강한 성인을 대상으로 한 소규모 연구에서는 전기자극에 따른 피부 감각·통증 역치 변화를 확인해 사람에게 적용할 가능성을 살폈다. 다만 직접적인 진통 효과는 동물실험을 통해 확인한 단계다. 연구팀은 실제 만성 통증 환자를 대상으로 치료 효과와 장기간 사용에 따른 안전성을 확인하려면 추가 임상 연구가 필요하다고 설명했다. 항암 치료 후 발생하는 말초신경병증 통증이나 노년층의 근골격계 통증처럼 반복 관리가 필요한 경우에 활용 가능성이 높다고 강조했다.

정재웅 교수는 "향후 임상 검증을 거쳐 환자 상태에 맞춰 통증을 관리하는 개인 맞춤형 디지털 헬스케어 플랫폼으로 발전하기를 기대한다"고 말했다. 이상훈 박사는 "이번 연구가 향후 웨어러블 침 치료 기술과 융합돼 전기자극으로 경혈을 자극하는 새로운 비약물성 통증 관리 기술로 발전하기를 기대한다"고 밝혔다.

카이스트 김희수 박사과정과 한국한의학연구원 방세권 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 8월 28일 자에 게재됐다.