BCI, 생체 친화 소재란?(생체 소재) 뉴럴링크의 성공여부

머스크가 설립한 뉴럴링크는 대표적인 BCI(Brain-computer-interface, 뇌-컴퓨터 인터페이스) 기술을 개발하는 기업이죠. 이 기술에서 중요한 것 중 하나가 뇌에 삽입하여 반영구적으로 사용할 수 있는 생체 친화적 소재 개발이 중요합니다.

생체 친화 소재의 탄생

초기 BCI 기술 연구에서 사용하고 있는 생체 친화 소재는 주로 금속이나 실리콘과 같은 소재가 사용되었습니다. 하지만 사람의 뇌 조직과 생체 친화성이 낮아 염증 반응, 조직 손상 등 부작용들이 있었습니다.

뇌는 가장 민감한 기관이기 때문에 최대한 안전하고 생체에 부작용이 없어하고, 장기간 삽입되어 신호를 주고받는 기능을 해야 하기 때문에 생체 조직과의 안전성이 최대 핵심입니다.

BCI 기술의 초석

1927년 한스 베르거라는 독일 정신과 의사는 뇌파를 최초로 기록하는 데 성공했습니다. 베르거는 뇌가 활동을 하게 되면 전기적 신호로 그 과정을 측정할 수 있다는 가설을 세우고 , 그것을 증명하기 위해 노력했죠.

그 방법은 스트링 갈바노미터(String Galvanometer)라는 매우 민감한 전류계를 사용하여 뇌에서 발생하는 미세한 전기 신호를 감지하여 기록하는 방법이었습니다.

두피에 전극을 부착하고 미세한 뇌파를 증폭시켜 갈바노미터를 이용해 기록했습니다. 기록된 뇌파를 분석해서 패턴을 찾고, 뇌의 활동과 관련된 정보를 세계 최초로 데이터를 만들어냈죠. 결국 100여 년전 지난 시점에, 베르거의 연구는 뇌 활동을 객관적으로 측정할 수 있는 방법을 만들어냈고, 현대 뇌 과학의 초석이 되었습니다.

BCI, 생체 친화 소재 기술의 시작

생체 친화 소재가 필요하게 된 시점은 1973년 자크 비달이라는 UCLA의 교수는 처음으로 BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스)라는 개념을 세워 처음으로 연구를 시작하면서 필요성이 시작되었습니다. 뇌와 컴퓨터를 연결해 뇌파를 이용하여 컴퓨터 커서를 조작하는 연구를 시작했죠. 당시에는 혁신적이었습니다.

단순히 뇌파를 측정하는 것이 아니라 뇌파의 특정 패턴을 분석해서 컴퓨터와 직접 소통하는 방식을 구상했죠. 즉 뇌파를 이용해서 장애인들이 의사소통을 할 수 있도록 돕는 비전을 가지고 시작했죠.

그때 당시 기준으로 컴퓨터 성능이 향상되면서 뇌파를 빠르고 정확하게 처리하고 분석할 수 있는 수준이 된 것입니다. 따라서 뇌파 신호를 해석하고 컴퓨터 명령으로 변환하는 프로그램 개발도 같이 시작되었습니다.

그 방법은 두피에 전극을 부착해서 뇌파를 측정하여 유효한 뇌파 데이터를 뽑아서 이를 분석하기 위해 신호 처리 기술을 개발했습니다. 이렇게 걸러진 뇌파 신호를 컴퓨터 명령으로 변환하고 사용자가 쉽게 사용할 수 있는 직관적인 인터페이스를 설계해서 특정 행동 사이에서 발생하는 뇌파 패턴의 관계를 규명해서 BCI 기술이 최초로 성공했죠.

이러한 실험들은 장애우들이 컴퓨터를 직접 조작해서 의사소통을 할 수 있는 BCI 기술의 시작이 되었습니다.

BCI 기술이 발전하면 발전할수록 더 정확한 뇌파를 측정하고 분석해 내는 기술이 필요하면서 뇌에 삽입되는 전극의 소재들이 장기간 사용을 해야 하기 때문에 인체에 무해하면서 반영구적으로 사용할 수 있는 소재가 대두 되었습니다.

두피에 붙여 뇌파를 추출하는 방법은 다소 정확하지 않을 수 있기 때문에 데이터의 정확성을 높이기 위해서는 뇌에 삽입할 수 있는 전극이 필요하며 그 소재들은 생체 친화적이어야 하기 때문입니다.

결국 BCI 기술의 핵심 중 하나는 사람 몸에 이식되는 전극의 소재가 생체 친화적이어야 하며 반영구적으로 사용 가능해야 한다는 점입니다.

BCI 기술에서 생체 친화 소재의 중요성

생체 친화 소재의 중요한 점은 뇌와 컴퓨터 사이에서 안정적이고 효율적인 인터페이스를 구축하기 위해서는 BCI 기술에서 중요한 역할을 해야 하기 때문입니다.

생체 친화 소재에 요구되는 사항

• 생체 조직과 호환성 : 인체 조직과 접촉을 하거나 임플란트를 할 때 염증이나 알레르기 반응이 거의 없어야 하고 장기적으로 사용해야 합니다.
• 신호 왜곡 감소 : 뇌파 신호를 측정하고 외부 노이즈를 줄이기 위해서는 생체 조직과 높은 호환성이 필요합니다.
• 장기적 안정성 : 생체 환경에서 부식이 되지 않고 사용자에게 사용할 수 있는 환경을 제공해야 합니다.
• 측정 정확도 향상 : 생체 소재는 전기 저항이 낮아야 뇌파 신호를 정확하게 측정할 수 있어야 하며, 노이즈 데이터를 차폐해서 깨끗한 신호를 받을 수 있어야 합니다.
• 착용감 : 인체에 유연성이 좋아야 하며, 피부 자극도 거의 없어야 합니다.

주요 생체 친화 소재

1. 고분자

• PEDOT-PSS : 전도성 고분자로, 생체 적합성이 우수하고 전기적 특성이 좋아서 유연성이 필요한 곳에서 뇌파를 측정할 수 있는 전극이나 신경 인터페이스 소재로 사용되고 있습니다. 전도성 고분자의 일종으로 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)과 폴리스타이렌설포네이트(PSS)가 결합된 형태로 PEDOT는 전도성을 부여하고, PSS는 PEDOT 분자들이 잘 섞이도록 도와주는 역할을 하죠.
  • 전도도는 금속에 비해 낮지만, 유기물 중에서는 높은 전도도를 가지고 있습니다. 얇은 막으로 만들었을 때 투명하여 디스플레이 등에서도 활용되며 플라스틱처럼 유연하여 다양한 형태로도 가공이 가능합니다. 독성이 낮아 생체 의료 분야에 활용되죠.
    
• PPy(폴리피롤) : 생체 적합성이 좋을 것으로 알려져 있으며, 전도도를 조절할 수 있어 다양한 응용이 가능하다고 알려져 있습니다. 신경 조직 공학이나 약물 전달 시스템 등으로 응용할 수 있죠.
  • PPy도 전도성 고분자로, 도핑에 따라 전기 전도도를 조절할 수 있습니다. 산이나 염기, 열에도 안정적인 편이며, 생체 적합성이 양호하여 생체 의료 분야에 활용되고 있죠.
    
• 하이드로젤 : 높은 수분 함량으로 생체 조직과 유사한 환경을 제공하기 때문에 굉장히 생체 친화적인 소재로 알려져 있으며, 조직 공학이나, 생체 센서, 약물 전달 시스템으로도 활용되고 있습니다.
  • 하이드로젤은 물을 많이 함유하고 있는 젤리와 같은 고분자로 마치 스펀지처럼 물을 흡수하고 있기 때문에 부드럽고 탄성이 있습니다. 생체 조직과 유사한 성질을 가지고 있기 때문에 생체 의료 분야에 많이 활용되고 있습니다.
  • 일반적으로 투명하거나 반투명하며, 젤리처럼 끈적거리는 성질을 가지고 있어 형태가 구슬모양으로 만들어지는 것들은 세포 배양 지지체로 사용됩니다. 얇은 판 형태로 만들어지는 것들은 드레싱이나 센서 소재로 사용되고 있으며, 실처럼 가늘고 긴 형태는 조직 공학이나 봉합 재료로 사용되고 있습니다.

2. 금속

• 백금, 금 : 생체 적합성이 우수하고, 안정적인 전기적 특성을 가지고 있어서 전극 재료로 많이 사용되고 있습니다. 실제로 뇌 심부 자극술 전극이나 신경 인터페이스 소재로 알려져 있습니다.
  • 우리가 흔히 알고 있는 금속으로 매우 안정적이기 때문에 사람 몸 안에서도 안정적인 반응을 보이는 물질입니다. 일반적으로 얇은 박막이나 미세한 입자 형태로 사용되며, 전극 소재로 사용할 때는 금속선이나 그물망 형태로 만들어지기도 합니다.
  • 결국 몸 안에서 거부반응이 적고, 전기 전도성이 높아서 신경 신호를 효과적으로 전달할 수 있습니다. 또한 부식에 대해 강하기 때문에 장기적인 사용이 가능하다고 알려져 있습니다.

3. 탄소기반 소재

• 탄소 나노튜브, 그래핀 : 많이 알려진 탄소 나노 튜브는 BCI 기술에서도 응용되고 있습니다. 높은 전도성과 기계적 강도를 가지고 있기 때문에 고감도 뇌파 측정을 위한 전극이나 신경 조직 공학에서 고성능 전극이 필요한 분야에 사용되고 있습니다.
  • 잘 알려진 대로, 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 연결되어 튜브 형태로 생겼으며, 현미경으로 보면 그물망 형태의 대나무처럼 생긴 관 모양으로 알려져 있습니다.
  • 이러한 모양 때문에 높은 표면적으로 가지고 있고, 많은 물질을 흡착할 수 있어서 센서 등에 활용되고 있기 때문에 전극 소재로 적합하다고 알려져 있습니다. 이외에 강도도 높고 유연성이 높은 특징을 가지고 있죠.

4. 실리콘

유연하고 생체 적합성이 좋아 유연성이 필요한 곳에 뇌파를 측정하는 전극이나 신경 엔터페이스 소재 등 다양한 형태의 전극 제작에 활용되고 있습니다. 일반적으로 실리콘은 반도체 소재로 알려져 있지만 생체 친화적인 특징도 있습니다.

이미 알려진 대로 웨이퍼 형태로 만들어져 다양한 형태이 소자를 제작하는 데 사용될 수 있습니다.

5. 주요 생체 친화 소재 비교

소재 종류	특징	장점	단점	적용 사례
PEDIT-PSS	높은 전도도 생체 적합성 우수	유연한 전극 제작에 적합	안정성이 다른 고분자에 비해 낮을 수 있음	유연한 뇌파 측정 전극
PPy(폴리피롤)	생체 적합성 우수 전도도 조절 가능	다양한 응용 가능	환경에 따라 전도도도 변화 가능	신경 조직 공학 약물 전달 시스템
하이드로젤	높은 수분 함량 생체 조직과 유사	생체 적합성 우수	기계적 강도가 약함	조직 공학 생체 센서
백금, 금	생체 적합성 우수 안정적인 전기적 특성	뇌 조직과의 직접적인 접촉에 적합	고가	뇌 심부 자극술 전극 신경 인터페이스 소재
탄소 나노 튜브 그래핀	높은 표면적 우수한 전기적 특성	고감도 센서 제작 가능	분산 및 기능화가 어려울 수 있음	고감도 뇌파 측정 전극
실리콘	유연성 우수 생체 적합성 양호	다양한 형태의 전극 제작 가능	장기적인 안전성에 대한 추가 연구 필요	유연한 뇌파 측정 전극 신경 인터페이스 소재

결론

뉴럴링크는 뇌에 삽입되는 미세 전극을 개발하는 데 있어서 생체 친화 소재의 중요성을 알고 연구를 활발히 진행하고 있다고 알려져 있습니다. 뇌 속에서 전극이 유연하게 움직일 수 있게 플렉시블 전극 개발에 집중하고 있다고 알려져 있으며, 전극 표면에 생체 친화 물질을 코팅하여 뇌 조직과의 부작용을 최소화하고 있습니다.

결국 뉴럴링크와 같은 BCI 기술 발전은 생체 친화 소재가 필수적이며, 이 BCI 기술이 발전할수록 인체 친화 소재 개발을 위해 지속적으로 노력할 것으로 예상되고 있습니다.