종이처럼 얇고 동전 크기 만한 마이크로칩은 무선 기술을 활용해 뼈의 건강 부상과 골절 이후 치유 과정을 추적하도록 제작됐다. 연구의 공동 저자 데이비드 마골리스 교수는 “외과의사로서 부상 후 재활을 가속화하고 기능을 최대화하는 것이 목표인데, 언젠가 환자들에게 맞춤형 진료를 제공하기 위해 뼈에 부착하는 전자기기로 수집한 측정치를 이용하게 되는 날이 가장 기대된다”고 말한다.
뼈 건강, 노령 인구의 주요 관심사
연구팀은 노쇠 및 골다공증 같은 질환으로 발생하는 뼈 골절 환자가 심장마비, 유방암, 전립선암 환자보다 병원에서 더 많은 날들을 보낸다는 점에 주목한다. 새로운 뼈 건강 모니터의 인체 실험을 위한 준비는 아직이지만 연구팀은 이 기기를 통해 장차 약해진 뼈와 노화로 인한 다른 합병증에 대한 관리 방법을 향상시킬 수 있을 것이라고 믿는다.
연구진은 근골격계 건강을 관찰하는 것은 매우 중요하다고 강조한다. 공동 저자인 생물의공학과 필립 거트러프 교수, 공대 펠로우 크레이그 M. 버지는 “이 같은 인터페이스를 통해 기본적으로 컴퓨터를 뼈 위에 얹을 수 있다. 이 플랫폼으로 근골격계 시스템의 작동 방식을 찾아내고 수집된 정보를 활용해 회복과 치료에 도움을 줄 수 있다”고 설명한다.
배터리 없는 컴퓨터
뼈 위에 작은 칩을 붙이기 위해 연구팀은 뼈를 둘러싼 근육을 자극하지 않을 만큼 얇은 컴퓨터를 만들어야 했다. 근육의 움직임으로 뼈에서 칩이 분리될 수 있어서다.
새롭게 개발한 장치는 대략 종이 한 장 정도의 두께로 뼈의 곡률에 따라 인터페이스를 형성할 수 있다. 또한 배터리가 필요없다. 스마트폰에서 비접촉식 결제를 위해 쓰이는 근거리 무선 통신(NFC)의 방식을 사용하는 것이 가능하다고 한다.
묵은 세포를 배출하는 뼈의 자연적인 능력도 칩 개발의 또 다른 장애물이었다. 피부와 마찬가지로 뼈도 바깥층을 교체하기 때문이다. 정형외과 및 생물의공학과 존 시벡 교수가 일반 뼈 세포와 비슷한 칼슘 입자를 함유한 접착제를 개발했다. 거트러프 교수는 “기본적으로 뼈는 이 장치를 자신의 일부로 생각하고 성장한다. 이로 인해 센서가 뼈와 영구적인 결합을 형성하고 오랜 시간에 걸쳐 측정할 수 있도록 해준다”고 말한다.
미래에 어떻게 사용할 수 있나
연구팀은 향후 의사들이 수술을 통해 골절된 뼈에 마이크로칩을 부착한 뒤 치유 과정을 관찰할 수 있을 것으로 기대한다. 큰 부상을 입은 뒤 골다공증을 겪는 환자들에게 칩이 중요한 역할을 맡게 된다는 설명이다.
뼈가 얼마나 잘 치유되고 있는지 실시간으로 알면 수술 후 올바른 치료 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있다. 또한 뼈를 고정하는 장치와 나사를 언제 제거할 지도 알 수 있다.
연구는 《네이처 커뮤니케이션》에 실렸다. 원제는 ‘Osseosurface electronics—thin, wireless, battery-free and multimodal musculoskeletal biointerfaces’.
