생명/의료

마찰나노발전기로 생체 자체의 호흡에너지를 이용한 심장 박동기 개발

발행일 : 2014 / 08 / 12

최근 중국과학원 북경나노에너지시스템연구소의 왕중린(王中林) 원사(院士)와 리저우(李舟) 교수가 이끄는 연구팀은 삽입형 의료기기의 장시간 효과를 보유한 에너지 시스템에 대한 연구에서 획기적인 성과를 올렸다고 밝혔다. 관련 연구 성과는 “Advanced Materials” 학술지 최신호에 발표되었다(DOI:10.1002/adma.201402064).

연구팀이 개발한 삽입형 자체 구동 에너지 시스템은 이식 가능한 마찰 나노 발전기(Friction nano generators)와 에너지 변환 저장 장치의 두 개 부분으로 구성되었다. 마찰 나노 발전기의 규격은 12mm×12mm×0.7mm에 불과하며, 오픈회로전압(Open circuit voltage)과 단락회로전류(Short-circuit current)는 각각 12V와 0.25μA에 달하고, 피크 파워 밀도(peak power density)는 8.44mW/㎡에 달하였다.

연구팀은 자체 개발한 자체 구동 에너지 시스템을 실험용 큰 쥐 체내에 이식하여 실험용 큰 쥐의 여러 호흡 운동 부위에서 생성된 에너지를 수집·변환시킨 다음 전기 에너지 형태로 저장시켰다. 그다음 저장된 에너지를 이용해 외부와 연결된 심장 박동기 프로토타입(Prototype) 작업을 구동할 수 있는 동시에 의료용 심장 박동기와 같이 전기 펄스(Electrical pulse)를 생성시키는데도 성공하였다.

또한 연구팀은 이론계산 결과, 실험용 큰 쥐가 5회 호흡하면 이식한 마찰 나노 발전기를 통해 수집한 에너지를 이용해 심장 박동기를 1회 구동할 수 있음을 입증하였다. 만약 인체에 사용한다면 1회의 호흡만을 통해서도 연속적으로 심장 박동기를 구동시켜 심장 박동기의 정상적인 작업을 실현할 수 있다는 점도 입증하였다. 만약 인체에 사용할 경우, 호흡으로 생성한 에너지를 이용해 심장박동기를 정상적으로 연속 작동할 수 있을 것으로 예상된다.

이와 같이 생체 자체 에너지를 이용한다면 기존의 배터리로 에너지를 공급하는 폐단을 개선할 수 있는 동시에 삽입형 의료기기 사용수명을 연장시킬 수 있어서 삽입형 의료 분야에서 거대한 응용 전망이 있을 것으로 보인다.