혁신적인 패치: 피부를 감지하고 치유하는 살아있는 생체전자공학

생물학적 조직과 인터페이스하기 위한 생체의학 장치 개발에는 견고한 전자 장치와 연질 생체 조직 사이의 격차를 해소해야 하는 과제가 있다.

시카고 대학의 보치 티안(Bozhi Tian) 교수 연구실은 전자 장치를 인체와 통합하는 데 상당한 진전을 이루었다. 그들의 최신 혁신에는 살아있는 조직과 원활하게 융합되는 살아있는 세포, 젤 및 전자 부품의 융합인 "살아있는 생체 전자 공학"이 포함된다.

센서, 박테리아 세포 및 전분-젤라틴 혼합물로 구성된 이 혁신적인 패치는 피부 자극을 유발하지 않고 생쥐의 건선과 유사한 증상을 지속적으로 모니터링하고 완화하는 능력을 입증했다.

논문의 공동 제1저자이자 티안 연구실(현재 스탠포드 대학교)의 전 박사과정 학생인 시 지우윤(Jiuyun Shi)는 "이것은 치료의 일부로 살아있는 세포를 통합하는 전통적인 생체전자공학의 가교이다."라고 말했다.

전자 장치를 인체와 통합하는 것은 항상 어려운 일이었다. 맥박 조율기와 같은 장치는 유익하지만 부피가 크고 자극을 줄 수 있는 등의 제한 사항이 있는 경우가 많다.

최근 연구에서 티안 팀은 살아있는 세포를 생체전자공학에 통합하는 방법을 탐구하는 새로운 접근 방식을 취했다. 그들은 특히 인간의 피부에 자연적으로 존재하며 염증을 줄이는 잠재력을 보여준 S. 표피균과 같은 박테리아의 치유 특성에 흥미를 느꼈다.

결과 장치는 센서가 포함된 얇고 유연한 전자 회로, 조직을 모방하는 타피오카 전분과 젤라틴으로 만든 부드러운 젤, 내장된 S. 표피 미생물의 세 가지 구성 요소로 구성된다. 피부에 부착하면 박테리아는 염증을 줄이는 화합물을 방출하고 센서는 온도 및 습도와 같은 피부 상태를 모니터링한다.

건선과 유사한 피부 질환에 걸리기 쉬운 쥐를 대상으로 한 테스트에서 이 장치는 증상이 크게 감소하여 효과적이고 비침습적인 치료 가능성을 입증했다.

능동형 생체융합 생활 전자제품(Active Biointegrated Living Electronics)라고도 알려진 새로 개발된 ABLE 플랫폼은 일주일 동안 진행된 초기 테스트에서 유망한 결과를 보여주었다. 연구원들은 이 플랫폼이 잠재적으로 반년 이상 동안 효과적일 수 있다고 믿는다. 편의성을 높이기 위해 장치를 동결 건조하여 보관할 수 있으며 필요할 때 쉽게 재수화할 수 있어 치료 과정의 접근성이 더욱 높아졌다.

미생물에 의해 치유 효과가 촉진되므로 ABLE 플랫폼은 마치 살아있는 약과 같은 기능을 하기 때문에 잦은 리필이 필요하지 않다. 논문의 공동 제1저자이자 현재 티안의 연구실에서 박사 과정을 밟고 있는 김세현이 강조한 이 주요 이점은 건선 치료를 넘어서는 플랫폼의 잠재력을 강조한다. 또한 당뇨병 환자의 상처 치유를 더 빠르게 촉진할 수 있다.

연구자들은 다른 조직과 세포 유형을 포괄하도록 플랫폼의 범위를 확장하려고 한다. 티안은 수많은 다른 잠재적 응용 분야 중에서 인슐린 생산 및 신경 인터페이스를 위한 장치 개발의 전망을 강조했다.

이 분야를 탐구하려는 티안의 야망은 15년 전 박사후 연구원 시절로 거슬러 올라간다. 그곳에서 그는 처음으로 "사이보그 조직" 영역에 뛰어들었다.

"그 이후로 우리는 세포가 물질과 어떻게 상호 작용하는지, 하이드로겔의 화학 및 물리학과 같은 근본적인 질문에 대해 많은 것을 배웠으며 이를 통해 이러한 도약을 할 수 있었다."라고 그는 말했다. “그것이 현실이 되는 것을 보는 것은 정말 놀라운 일이다.”

이미지: 장치(회로, 젤, 박테리아 화물 모두)는 동결 건조하여 보관할 수 있다. 출처: Jiuyun Shi 및 Bozhi Tian