▲ 인체에서 하루동안 안정적인 전력을 공급하다가 완전히 녹아 사라지는 생분해성 배터리.

의료장비에 장착돼 조직을 모니터링하거나 치료효과를 발휘하다가, 사용이 끝나면 인체에 흡수될 수 있는 생분해성 이식형 배터리(biodegradable, implantable battery)가 개발됐다.

일리노이 대학교의 존 로저스 교수가 이끄는 연구진은 체내에서 완전히 분해되는 생분해성 배터리를 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

이 배터리는 Mg 포일을 음극(-)으로 철, 몰리브덴, 텅스텐을 양극(+)으로 한다. 이 금속들은 모두 체내에서 천천히 녹으며, 생성된 이온들은 저농도에서 생체적합성이 있다.

양극과 음극 사이의 전해질은 인산완충식염수이며, 모든 것은 폴리안하이드라이드(polyanhydride)라는 생분해성 폴리머 안에 포장돼 있다.

로저스 재료학과 교수는 이미 2012년 생분해성 실리콘 칩을 공개한 바 있다. 이 칩은 체온이나 기계적 변형을 측정해 그 결과를 외부 장비에 전송하고, 심지어 조직을 가열해 감염을 예방할 수 있어서 큰 관심을 모았다.

유도코일을 이용해 외부에서 무선전력(wireless power)을 이끌어내던 이 칩들은 조직 깊숙한 곳이나 뼛속에 이식하는 장치에 사용할 경우 복잡한 문제를 일으킬 소지가 있었다. 사용되는 금속에 따라 달라지는 전류와 전압 때문에 인체 내 유해성이 걱정됐기 때문이다.

이번에 개발된 배터리가 모두 녹으면 9mg 미만의 Mg을 방출하는데 이것은 관상동맥 스텐트용 Mg이 방출하는 양의 약 2배로, 임상시험에서 안전성을 검증받았다. 배터리가 안정된 전력을 공급할 수 있는 기간은 하루뿐이다.

연구진은 Mg 포일의 표면을 패턴화해 표면적을 늘림으로써 단위중량당 전력생산량(power density)을 증가시킬 계획이다. 연구진은 면적 0.25㎡, 두께 1㎛ 정도의 배터리라면 무선이식 센서에 하루 동안 전력을 공급할 수 있을 것이라고 추산했다.

생분해성 배터리는 Mg만이 유일한 해법은 아니다. 2013년 카네기멜론 대학교의 크리스토퍼 베틴저 생물재료학 교수는 멜라닌 색소를 전극으로 이용해 ‘먹는 나트륨이온 배터리’를 개발한 바 있다.

드레이퍼 연구소 제프리 보렌스타인 의공학 박사는 두 종류의 배터리가 선의의 경쟁을 통해 ‘무선신호를 이용해 제어되는 약물전달장치’나 ‘급성질환에 반응하는 투약장치`를 개발하는데 기여하기를 바라고 있다.

제프리 박사는 “최근 큰 발전 사례가 없었던 생분해성 배터리 분야의 대단한 발전이다”라고 논평했다.

연구를 이끈 로저스 교수는 “배터리에 사용된 대부분의 핵심 소재들은 생분해성 자가발전 임플란트로 사용 가능한 것들”이라며 인체내 안정성을 강조했다.

이 연구결과는 Advanced Materials에 발표됐다.