세계에서 가장 작은 심장 박동 조절기가 빛으로 작동

노스웨스턴 대학의 엔지니어들은 주사기 끝에 쏙 들어갈 만큼 작은 심장 박동 조절기를 개발했으며, 비침습적으로 신체에 주입할 수 있었습니다.

이 심장 조율기는 모든 크기의 심장에 적용이 가능하지만, 특히 선천적 심장 결함이 있는 신생아의 작고 연약한 심장에 적합합니다.

쌀 한 알보다 작은 페이스메이커는 환자의 가슴에 장착하여 페이싱을 제어하는 ​​작고 부드럽고 유연한 무선 웨어러블 기기와 페어링됩니다. 웨어러블 기기가 불규칙한 심장 박동을 감지하면 자동으로 가벼운 펄스를 비추어 페이스메이커를 활성화합니다. 환자의 피부, 흉골, 근육을 관통하는 이 짧은 펄스가 페이싱을 제어합니다.

일시적인 페이싱만 필요한 환자를 위해 설계된 페이스메이커는 더 이상 필요하지 않으면 간단히 용해됩니다. 페이스메이커의 모든 구성 요소는 생체 적합성이 있으므로 신체의 생체 유체에 자연스럽게 용해되어 수술적 추출이 필요 없습니다.

이 연구는 4월 2일 저널 Nature에 게재될 예정입니다. 이 논문은 사망한 장기 기증자의 인간 심장뿐만 아니라 일련의 대형 및 소형 동물 모델에서 이 장치의 효능을 보여줍니다.

"저희는 저희가 아는 한 세계에서 가장 작은 페이스메이커를 개발했습니다." 이 기기 개발을 이끈 노스웨스턴 바이오일렉트로닉스 선구자 존 A. 로저스가 말했습니다. "소아 심장 수술의 맥락에서 임시 페이스메이커에 대한 절실한 필요성이 있으며, 이는 크기 소형화가 엄청나게 중요한 사용 사례입니다. 신체에 가해지는 기기 부하 측면에서 볼 때 작을수록 좋습니다."

"저희의 가장 큰 동기는 아이들이었습니다." 연구를 공동으로 이끈 노스웨스턴 실험 심장학자 이고르 에피모프가 말했습니다.

"약 1%의 아이들이 선천적 심장 결함을 가지고 태어납니다. 자원이 부족한 나라에 살든 자원이 풍부한 나라에 살든 상관없습니다. 다행히도 이 아이들은 수술 후 일시적인 페이싱만 필요합니다. 약 7일 정도면 대부분 환자의 심장이 스스로 회복됩니다. 하지만 그 7일은 절대적으로 중요합니다. 이제 우리는 이 작은 페이스메이커를 아이의 심장에 부착하고 부드럽고, 부드러운 착용형 장치로 자극할 수 있습니다. 그리고 이를 제거하기 위한 추가 수술은 필요하지 않습니다."

Rogers는 Northwestern의 재료 과학 및 공학, 생체공학 및 신경외과의 Louis Simpson 및 Kimberly Querrey 교수이며 McCormick 공과대학 및 Feinberg 의과대학에 재직 중이며 Querrey Simpson 생체전자 연구소의 소장입니다. Efimov는 McCormick의 생체공학 교수이자 Feinberg의 의학(심장학) 교수입니다. Rogers와 Efimov는 McCormick의 기계공학 및 토목 및 환경 공학의 Jan and Marcia Achenbach 교수인 Yonggang Huang, Dartmouth College의 공학 조교수인 Wei Ouyang, University of Chicago의 Harold H. Hines Jr. 의학 교수인 Rishi Arora와 공동으로 연구를 주도했습니다.

충족되지 않은 임상적 요구 충족

이 연구는 Rogers와 Efimov가 이전에 협업하여 일시적 페이싱을 위한 최초의 용해성 장치를 개발한 것을 기반으로 합니다.

많은 환자가 심장 수술 후 일시적 페이스메이커가 필요합니다. 영구 페이스메이커를 기다리는 동안 또는 회복 중에 정상적인 심박수를 회복하는 데 도움이 됩니다.

현재의 치료 기준에 따라 외과의는 수술 중에 전극을 심장 근육에 꿰맨다. 전극의 전선은 환자의 가슴 앞쪽에서 나와서 심장 리듬을 제어하는 ​​전류를 전달하는 외부 페이싱 박스에 연결됩니다.

임시 페이스메이커가 더 이상 필요하지 않을 때, 의사는 페이스메이커 전극을 제거합니다. 잠재적인 합병증에는 감염, 탈착, 찢어지거나 손상된 조직, 출혈 및 혈전이 포함됩니다.

"전선은 말 그대로 몸에서 튀어나와 몸 밖에 있는 페이스메이커에 부착되어 있습니다." 에피모프가 말했다. "페이스메이커가 더 이상 필요 없게 되면 의사가 그것을 뽑아냅니다. 전선은 흉터 조직에 싸일 수 있습니다. 그래서 전선을 뽑으면 심장 근육이 손상될 가능성이 있습니다."

이러한 임상적 필요에 대응하여 Rogers, Efimov와 그들의 팀은 2021년 Nature Biotechnology에 소개된 용해성 심장 박동 조절기를 개발했습니다. 얇고 유연하며 가벼운 이 장치는 부피가 큰 배터리와 전선을 포함한 단단한 하드웨어의 필요성을 없앴습니다. Rogers의 연구실은 이전에 생체흡수성 전자 의학이라는 개념을 발명했습니다.

이 전자 장치는 환자에게 치료적 이점을 제공한 다음 흡수성 봉합사처럼 신체에 무해하게 용해됩니다. Rogers의 팀은 이러한 장치의 재료 구성과 두께를 변경하여 용해되기 전에 기능을 유지하는 정확한 일수를 제어할 수 있습니다.

체액 구동 배터리

원래의 25센트 크기의 용해성 심장 박동 조절기는 임상 전 동물 연구에서 잘 작동했지만, 심장 외과 의사들은 이 장치를 더 작게 만들 수 있는지 물었습니다. 그러면 비침습적 이식과 가장 작은 환자에게 사용하기에 더 적합할 것입니다. 하지만 이 장치는 근거리 통신 프로토콜(전자 지불을 위한 스마트폰과 RFID 태그에 사용되는 것과 동일한 기술)로 구동되었으며, 내장형 안테나가 필요했습니다.

"우리의 원래 페이스메이커는 잘 작동했습니다." 로저스가 말했습니다. "얇고 유연하며 완전히 흡수 가능했습니다. 하지만 수신기 안테나의 크기 때문에 소형화하는 데 한계가 있었습니다. 무선 제어를 위해 무선 주파수 방식을 사용하는 대신, 페이스메이커를 켜고 심장 표면에 자극 펄스를 전달하는 광 기반 방식을 개발했습니다. 이는 크기를 극적으로 줄일 수 있었던 한 가지 특징입니다."

연구원들은 장치의 크기를 더욱 줄이기 위해 전원 공급원도 재구성했습니다. 근거리 통신을 사용하여 전원을 공급하는 대신, 새로운 작은 페이스메이커는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 간단한 배터리 유형인 갈바닉 셀의 작용을 통해 작동합니다.

구체적으로, 페이스메이커는 두 가지 다른 금속을 전극으로 사용하여 심장에 전기 펄스를 전달합니다. 주변 생체 유체와 접촉하면 전극이 배터리를 형성합니다. 그 결과 발생하는 화학 반응으로 인해 전류가 흐르면서 심장을 자극합니다.

"페이스메이커가 신체에 이식되면 주변 생체 유체가 전도성 전해질 역할을 하여 두 금속 패드를 전기적으로 연결하여 배터리를 형성합니다."라고 로저스는 말했습니다. "배터리 반대쪽에 있는 매우 작은 빛으로 활성화되는 스위치를 사용하면 피부에 부착된 패치에서 환자의 신체를 통과하는 빛이 전달되면 장치를 '꺼짐' 상태에서 '켜짐' 상태로 전환할 수 있습니다."

빛으로 맥박을 치며

연구팀은 신체에 깊고 안전하게 침투하는 적외선 파장의 빛을 사용했습니다. 환자의 심박수가 특정 속도 아래로 떨어지면 웨어러블 기기가 이벤트를 감지하고 자동으로 발광 다이오드를 활성화합니다. 그런 다음 빛은 정상적인 심박수에 해당하는 속도로 켜지고 꺼집니다.

"적외선은 신체를 아주 잘 통과합니다." 에피모프가 말했다. "손바닥에 손전등을 대면 손의 반대쪽을 통해 빛이 빛나는 것을 볼 수 있습니다. 우리 몸은 빛의 훌륭한 전도체라는 것이 밝혀졌습니다."

심장 박동 조절기는 너비가 1.8mm, 길이가 3.5mm, 두께가 1mm에 불과해 매우 작지만, 실제 심장 박동 조절기와 같은 수준의 자극을 제공합니다.

"심장은 아주 작은 양의 전기 자극이 필요합니다." 로저스가 말했습니다. "크기를 최소화함으로써 이식 절차를 획기적으로 단순화하고, 환자의 외상과 위험을 줄이며, 장치의 용해성으로 인해 2차 수술적 추출 절차가 필요 없게 됩니다."

더욱 정교한 동기화

이 기기는 매우 작기 때문에 의사는 심장 전체에 기기를 모아 놓을 수 있습니다. 어려운 색상의 빛이 비추어 특정 페이스메이커를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이런 방식으로 여러 페이스메이커를 사용하면 기존 페이싱에 비해 더욱 정교한 동기화가 가능합니다. 특별한 경우 심장의 다른 부위를 다른 리듬으로 페이싱하여 부정맥을 종식시킬 수 있습니다.

"우리는 이런 작은 페이스메이커를 심장 바깥쪽에 여러 개 배치하고 각각을 제어할 수 있습니다." 에피모프가 말했다. "그러면 우리는 개선된 동기화된 기능적 치료를 달성할 수 있습니다. 또한 우리의 페이스메이커를 심장판막 교체와 같은 다른 의료 기기에 통합할 수도 있는데, 이는 심장 차단을 일으킬 수 있습니다."

"이 심장 박동 조절기는 매우 작기 때문에 거의 모든 종류의 이식형 기기와 통합될 수 있습니다." 로저스가 말했습니다. "또한 경피적 대동맥 판막 교체 수술로 사용되는 프레임워크 전반에 걸쳐 이러한 기기 모음을 통합하는 것을 시연했습니다.

여기서 작은 심장 박동 조절기는 환자의 회복 과정에서 발생할 수 있는 합병증을 해결하기 위해 필요에 따라 활성화될 수 있습니다. 따라서 이는 더 많은 기능적 자극을 제공함으로써 기존 임플란트를 향상시킬 수 있는 방법의 한 예일 뿐입니다."

이 기술의 다재다능함은 신경과 뼈의 치유, 상처 치료, 통증 차단을 포함하여 생체전자 의학 분야에서 다양한 용도로 사용될 수 있는 가능성을 열어줍니다.

"전기 치료를 위한 밀리미터 규모의 생체흡수성 광전자 시스템"이라는 제목의 연구는 퀘리 심슨 생체전자 연구소, 르듀크 재단, 미국 국립보건원(수여 번호 R01 HL141470)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250402122155.htm