美 연구팀 "생체흡수성 마그네슘·삼산화몰리브데넘 종이 배터리 개발"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 약처럼 삼킨 뒤 몸속에서 일정 기간 전력을 공급하고 서서히 분해되는 '종이 배터리'가 개발됐다. 이 배터리는 돼지의 위에서 최대 3일간 기능을 유지하며 무선 태그와 위 전기자극 장치에 전력을 공급했다.

생체흡수성 종이 배터리를 활용한 무선주파수 식별(RFID) 태그를 돼지 식도에 투여한 결과 외부 판독기가 1.5ｍ 거리에서 태그와 안정적으로 통신했다. [Nature Chemical Engineering, Giovanni Traverso et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

미국 매사추세츠공대(MIT) 지오반니 트라베르소 교수팀은 22일 과학 저널 네이처 화학 공학(Nature Chemical Engineering)에서 생체흡수성 마그네슘-삼산화몰리브데넘(Mg-MoO₃) 종이 배터리를 개발, 돼지 전임상 실험에서 성능을 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 이 연구는 단순히 섭취 가능한 배터리를 만드는 데 그치지 않고, 살아 있는 동물의 체내에서 일정 기간 기능한 뒤 회수할 필요가 없는 전원을 구현했다는 데 의미가 있다고 말했다.

섭취형 또는 이식형 전자기기는 실시간 건강 모니터링과 전기약물치료, 약물 전달, 생체감지 등에 활용되면서 의료 분야를 변화시키고 있다.

그러나 이런 전자기기 발전과 보급에는 전원 문제가 걸림돌이 되고 있다. 알칼리 전지와 리튬이온전지 같은 일반 배터리는 체내에서 분해되지 않는 재료가 포함돼 있어 손상되면 전해질 누출이나 조직 손상을 일으킬 수 있다.

연구팀은 생체흡수성 배터리는 일정 기간 작동한 뒤 체내에서 자체 처리될 수 있는 물질로 분해돼 대안이 될 수 있다며 일정 기간 작동한 뒤 체내에서 처리될 수 있는 물질로 분해되도록 배터리를 설계했다고 밝혔다.

배터리는 마그네슘(Mg) 합금을 음극으로, 삼산화몰리브데넘(MoO₃) 종이 복합체를 양극으로 사용했으며, 염화콜린과 젖산으로 만든 생분해성 이온성 액체를 전해질로 사용했다.

이어 종이 배터리를 밀랍과 칸데릴라 왁스(Candelilla wax)로 감쌌다. 밀랍은 위장관에서 배터리를 단기간 보호하고, 습기에 강하고 분해 속도가 느린 칸데릴라 왁스는 배터리가 필요한 시간만큼 작동하도록 분해 속도를 늦춘다.

이 종이 배터리는 최고 전압 1.84V를 발생시켰다.

생체흡수성 종이 배터리를 활용한 무선주파수 식별(RFID) 태그(왼쪽)와 이를 캡슐 형태로 만든 것. [Nature Chemical Engineering, Giovanni Traverso et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 종이 배터리를 표준 000호 젤라틴 캡슐(길이 26㎜, 지름 9.5㎜)에 들어가는 지름 7.5㎜ 소형 배터리와 길이 24㎜, 폭 8㎜ 대형 배터리로 제작, 돼지를 이용한 두 가지 전임상 실험을 했다.

돼지의 위에 배터리를 머물게 한 실험에서는 3일째까지 배터리가 기능을 유지했으며 전압과 에너지 밀도는 시간이 지나면서 점차 낮아졌다.

첫 번째 실험은 약을 실제로 삼켰는지 확인하는 무선 추적 장치로 소형 배터리와 무선주파수 식별(RFID) 태그를 하나의 캡슐에 넣어 돼지 식도에 투여했다.

그 결과 외부 판독기가 1.5ｍ 떨어진 곳에서 태그와 안정적으로 통신했으며, 캡슐이 공기 중에 있을 때와 식도 안에 있을 때 무선 신호 세기가 달라지는 현상을 이용해 캡슐 섭취 여부도 확인할 수 있었다.

두 번째 실험은 위장관 질환 치료에 사용되는 전기자극 장치로 생체흡수성 전극과 배터리를 넣은 캡슐을 돼지 위에 위치시킨 뒤 20분 동안 전기자극을 가했다.

그 결과 배고픔과 관련된 호르몬인 그렐린 혈중 농도가 자극 종료 시점에 최대 약 50% 증가하는 등 평균 36.3% 증가한 것으로 나타났다. 하지만 전기자극 부위에서는 자극과 관련된 손상은 관찰되지 않았다.

두 장치에서 배터리와 전극, 연결선, 캡슐 등 생체흡수성 또는 생분해성으로 설계된 부품은 점차 분해됐으며, 생체 흡수되지 않는 RFID 칩과 전기자극 장치의 회로기판(PCB)은 자연적으로 배설됐다.

연구팀은 앞으로 이런 전원이 섭취형 센서나 약물 복용 추적 장치 등에 적용된다면 체내에 남는 전자부품을 줄이면서 필요한 기간만 작동하는 전자기기를 설계할 수 있는 기반이 될 수 있다고 말했다.

이어 이 연구는 돼지를 이용한 전임상 연구이인 만큼 이 결과를 사람에게 적용하려면 장기적인 안전성과 성능, 완전한 생체흡수성 확보 등을 검증하는 후속 연구가 필요하다고 덧붙였다.

◆ 출처 : Nature Chemical Engineering, Giovanni Traverso et al., 'Bioresorbable batteries for transient ingestible bioelectronics', https://www.nature.com/articles/s44286-026-00443-7

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