노스웨스턴 대학의 엔지니어들은 주사기 끝에 들어갈 만큼 작은 심장 박동 조절기를 개발했으며, 비침습적으로 신체에 주입할 수 있었다. 이 심장 조율기는 모든 크기의 심장에 적용할 수 있지만, 특히 선천적 심장 결함이 있는 신생아의 작고 연약한 심장에 적합하다.

쌀알 하나보다 작은 이 심박조율기는 환자의 가슴에 장착되는 작고 부드럽고 유연한 무선 웨어러블 기기와 연동되어 심박수를 조절한다. 웨어러블 기기가 불규칙한 심박수를 감지하면 자동으로 빛을 내어 심박조율기를 작동시킨다. 환자의 피부, 흉골, 근육을 관통하는 이 짧은 펄스가 심박수를 조절한다.

일시적인 심박동만 필요한 환자를 위해 설계된 심박조율기는 더 이상 필요하지 않으면 간편하게 분해된다. 심박조율기의 모든 구성 요소는 생체 적합성을 갖추고 있어 체내의 생체액에 자연스럽게 분해되므로 수술적 제거가 필요하지 않다. 이 연구는 지난 4월 2일 네이처 (Nature)지에 게재되었다. 이 논문은 다양한 대형 및 소형 동물 모델과 사망한 장기 기증자의 심장을 대상으로 이 장치의 효능을 입증했다.

"저희가 아는 한 세계에서 가장 작은 심박 조율기를 개발했습니다. 소아 심장 수술에는 임시 심박 조율기가 절실히 필요하며, 이는 크기 소형화가 매우 중요한 사용 사례입니다. 신체에 가해지는 기기의 부하 측면에서는 작을수록 좋습니다."라고 이 기기 개발을 이끈 노스웨스턴 대학교 생체전자공학 선구자 존 A. 로저스는 말했다.

"저희의 가장 큰 동기는 아이들이었습니다. 아이들의 약 1%는 자원이 부족한 국가에 살든 자원이 풍부한 국가에 살든 선천적 심장 결함을 가지고 태어납니다. 다행히 이 아이들은 수술 후 일시적인 심박 조율만 필요합니다. 약 7일 정도면 대부분 환자의 심장이 자가 재생됩니다. 그러나 이 7일은 매우 중요합니다. 이제 우리는 이 작은 심박 조율기를 아이의 심장에 부착하고 부드럽고 가벼운 착용형 장치로 자극할 수 있습니다. 게다가 추가 수술 없이 제거할 수 있습니다."라고 이 연구를 공동으로 이끈 노스웨스턴 대학교 실험 심장학자 이고르 에피모프는 말했다.

이 연구는 로저스와 에피모프가 이전에 공동으로 진행한 연구를 바탕으로 진행했다. 당시 그들은 임시 심박조율기를 위한 최초의 용해형 장치를 개발했다. 많은 환자가 심장 수술 후 임시 심박조율기를 필요로 한다. 영구 심박조율기를 기다리는 동안이나 회복 과정에서 정상 심박수를 회복하기 위해서이다. 현재 표준 치료법에서는 외과의가 수술 중 심장 근육에 전극을 꿰맨다. 전극에서 나온 전선은 환자의 가슴 앞쪽으로 나와 외부 페이싱 박스에 연결되고, 그곳에서 전류를 공급하여 심장 박동을 조절한다.

임시 심박조율기가 더 이상 필요하지 않게 되면 의사는 심박조율기 전극을 제거한다. 잠재적인 합병증으로는 감염, 탈락, 조직 파열 또는 손상, 출혈, 혈전 등이다. 에피모프는 "전선은 말 그대로 몸 밖으로 튀어나와 체외 심박 조율기에 연결되어 있습니다. 심박 조율기가 더 이상 필요하지 않게 되면 의사가 심박 조율기를 빼내는데, 이때 전선이 흉터 조직에 갇힐 수 있습니다. 따라서 전선이 빠지면 심장 근육이 손상될 가능성이 있습니다."라고 말했다.

이러한 임상적 요구에 부응하여 로저스, 에피모프, 그리고 그들의 팀은 2021년 네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)에 소개된 용해성 심박조율기를 개발했다. 얇고 유연하며 가벼운 이 장치는 부피가 큰 배터리와 전선을 포함한 단단한 하드웨어의 필요성을 없앴다. 로저스 연구실은 이전에 생체흡수성 전자의학이라는 개념을 창안했다. 이 전자의학은 환자에게 치료적 효과를 제공한 후 흡수성 봉합사처럼 체내에서 무해하게 용해되는 전자 장치이다. 로저스 연구팀은 이러한 장치의 재료 구성과 두께를 조절함으로써 장치가 용해되기 전까지 기능을 유지하는 정확한 일수를 제어할 수 있다.

원래 동전 크기의 분해형 심박조율기는 전임상 동물 연구에서는 잘 작동했지만, 심장외과 의사들은 장치를 더 작게 만들 수 있을지 문의했다. 그렇게 되면 비침습적 이식과 초소형 환자에게 더 적합할 것이기 때문이다. 그러나 이 장치는 근거리 무선 통신 프로토콜(NFC)을 사용했는데, 이는 스마트폰의 전자 결제 및 RFID 태그에 사용되는 기술과 동일하며, 내장형 안테나가 필요했다.

"저희의 원래 심박 조율기는 잘 작동했습니다. 얇고 유연하며 완전히 흡수되는 형태였습니다. 하지만 수신 안테나의 크기 때문에 소형화에 한계가 있었습니다. 무선 제어를 위해 무선 주파수 방식을 사용하는 대신, 심박 조율기를 켜고 심장 표면에 자극 펄스를 전달하는 빛 기반 방식을 개발했습니다. 이 덕분에 크기를 획기적으로 줄일 수 있었습니다."라고 로저스는 말했다.

연구진은 장치의 크기를 더욱 줄이기 위해 전원 공급원도 새롭게 고안했다. 근거리 무선 통신(NFC)을 통해 전원을 공급하는 대신, 이 새로운 초소형 심박 조율기는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 간단한 배터리의 일종인 갈바닉 셀의 작용을 통해 작동한다. 구체적으로, 심박 조율기는 두 가지 다른 금속을 전극으로 사용하여 심장에 전기 펄스를 전달한다. 주변 생체액과 접촉하면 전극이 배터리를 형성한다. 그 결과 발생하는 화학 반응으로 전류가 흐르면서 심장을 자극한다.

심장 조율기를 체내에 이식하면 주변의 생체액이 전도성 전해질 역할을 하여 두 금속 패드를 전기적으로 연결하여 배터리를 형성한다. 배터리 반대편에 있는 아주 작은 빛 감지 스위치를 통해 피부에 부착된 패치에서 환자의 몸을 통과하는 빛이 전달되면 장치를 '꺼진' 상태에서 '켜진' 상태로 전환할 수 있다.

연구팀은 신체 깊숙이 안전하게 침투하는 적외선 파장을 사용했다. 환자의 심박수가 일정 수준 이하로 떨어지면 웨어러블 기기가 이를 감지하고 자동으로 발광 다이오드(LED)를 활성화한다. 그러면 LED가 정상 심박수에 맞춰 깜박인다.

"적외선은 몸을 아주 잘 통과합니다. 손바닥에 손전등을 대면 손등에서 빛이 나오는 것을 볼 수 있습니다. 우리 몸은 빛의 훌륭한 전도체라는 것이 밝혀졌습니다." 에피모프의 말이다.

심장 박동 조절기는 너비가 1.8mm, 길이가 3.5mm, 두께가 1mm에 불과해 매우 작지만, 일반 심장 박동 조절기와 동일한 수준의 자극을 제공한다. 심장은 아주 적은 양의 전기 자극만 필요하다. 크기를 최소화함으로써 이식 절차를 획기적으로 간소화하고, 환자의 외상과 위험을 줄이며, 용해되는 장치 덕분에 2차 수술적 발치 절차가 필요 없다.

더욱 정교한 동기화
이 장치들은 매우 작기 때문에 의사들은 심장 전체에 장치들을 분산시킬 수 있다. 특정 색상의 빛을 비추어 특정 심박 조율기를 독립적으로 제어할 수 있다. 이러한 방식으로 여러 개의 심박 조율기를 사용하면 기존 심박 조율 방식보다 더욱 정교한 동기화가 가능하다. 특별한 경우에는 부정맥을 멈추기 위해 심장의 여러 부위를 서로 다른 리듬으로 조율할 수 있다.

이러한 소형 심박조율기를 여러 개 심장 바깥쪽에 배치하여 각각을 제어할 수 있다 그러면 더욱 향상된 동기화 기능적 치료를 제공할 수 있다. 또한, 심장판막 치환술과 같이 심장 차단을 유발할 수 있는 다른 의료 기기에도 심박조율기를 통합할 수 있다.

“이 심박 조율기는 매우 작기 때문에 거의 모든 종류의 이식형 기기와 통합될 수 있습니다. 또한 경피적 대동맥 판막 치환술에 사용되는 여러 프레임워크에 이러한 기기들을 통합하는 것을 시연했습니다. 이 작은 심박 조율기는 환자의 회복 과정에서 발생할 수 있는 합병증을 해결하기 위해 필요에 따라 활성화될 수 있습니다. 이는 더 많은 기능적 자극을 제공함으로써 기존 이식형 기기를 어떻게 향상시킬 수 있는지 보여주는 한 가지 예일 뿐입니다."라고 로저스가 말했다. 이 기술의 다재다능함은 신경과 뼈의 치유, 상처 치료, 통증 차단을 돕는 등 생체전자의학 분야에서 다양한 용도로 사용될 가능성을 열어준다.

"전기 치료를 위한 밀리미터 규모의 생체흡수성 광전자 시스템"이라는 제목의 이 연구는 퀘리 심슨 생체전자 연구소, 르듀크 재단, 미국 국립보건원(수상 번호 R01 HL141470)의 지원을 받았다.

참조:
Zhang, Y., Rytkin, E., Zeng, L. et al. Millimetre-scale bioresorbable optoelectronic systems for electrotherapy. Nature, 2025 DOI: 10.1038/s41586-025-08726-4