삽입형의료기기의새운 전력공원을 찾아서 - lg...

김성준 김윤주 노수인 박예진

: 삽입형 의료기기의 새로운 전력공급원을 찾아서

라이츄

늙어가는 세계

우리는 어떤 의료기기에 주목해야 할까?

배터리 교체를 위한 주기적 수술 필요

무선 충전의 시대?

해결방안은 ‘바이오 연료전지’ 입니다

연료전지와 배터리, 뭐가 다른 걸까?

바이오 연료전지

1. 바이오 연료전지의 성능 향상 방법

Electrode Design

Enzyme Immobilization

Electron Transfer

Biocompatibility

2. 바이오 연료전지의 한계를 넘어

바이오 연료전지 연구와 생체 촉매에 관한 이야기를 듣다

고체 전해질과 비생물학적 촉매를 통해 크기는 줄이고 안정성은 높이다

면섬유 전극으로 세계 최고 성능을 보이다

3. 바이오 연료전지의 조력자

에너지 저장 장치

체액으로 작동하는 슈퍼 커패시터의 생체적합성을 확인하다

바이오 연료전지와 슈퍼 커패시터를 합치다

목차

1 문제제기

2 해결방안

3 국내외 탐방

4. 바이오 연료전지의 실용화

바이오 연료전지의 실용화에 대해 조언을 구하다

5. 바이오 연료전지의 규격화

의료기기의 안정성 기준과 사후관리에 대해 알아보다

한국의 삽입형 의료기기 관련 정책에 대해 알아보다

의료기기의 분류

의료기기는 어떻게 시장에 나올까?

적용 디바이스 제안

전극 모양 제안

작동 원리

면섬유 전극 제조

BFC-SC Hybrid 전지 제조

기존과의 차이점

CAD를 이용한 모델링

제조공정도

이식 위치

어떤 점이 해결되어야 할까?

미래의 공학자들에게 하고 싶은 이야기

목차

4 제안

5 마무리

내 몸은 발전소생명체에서 꺼내 쓰는 전기에너지

SF영화 ‘매트릭스’에서 기계는 인간을 전력생산도구로 활용합니다. 인간의 신체가 인큐베이터 속에

가둬져 ‘인간 배터리’로서 사용되는 인간 배터리 공장 장면은 상당히 충격적이었습니다. 이같이 생명

체를 이용하여 전기를 생산하는 기술이 점차 현실화되고 있습니다.

바이오 연료전지(Biofuel Cell) 기술은 생물의 대사과정을 이용하여 미생물이나 효소로부터 전기를

생산하는 기술입니다. 바이오 연료전지는 유기물을 이용하므로 폐수, 토양, 식물, 동물 심지어는 영화

매트릭스에서처럼 인간을 이용하여 전기를 만들 수 있어 응용분야가 매우 광범위합니다.

바이오 연료전지 연구의 효시는 1960년대 우주개발을 주도하던 미국이었습니다. 우주폐기물을 우주

로 배출하거나 지구로 되가져올 수 없는 문제를 해결하고자 연구를 시작하였으나, 미생물이나 효소의

매개체가 갖는 문제점과 전지 출력의 한계로 인하여 그간 연구가 활발하지 않았습니다. 그러나 환경친

화적이고 다양한 응용이 가능한 바이오 연료전지는 무한한 잠재력을 갖고 있습니다.

생명체로부터 전기를 얻는 SF영화 속 장면을 현실로 구현할 수 있는 새로운 전력공급원!

바이오 연료전지에서부터 시작합니다.

늙어가는 세계




1 문제제기

기타

노후

자산관리

건강

36.6

높아지는 건강에 대한 관심1

= 1. 문제제기

늙어가는 세계

65세 이상 인구 추이<출처: 통계청>

14.3

20.3

41.4

46.1

UN의 고령화 사회 분류 기준

초고령 사회

고령 사회

고령화 사회 7% 이상

14% 이상

20% 이상

65세 이상인구 비율

이와 같은 고령화 현상으로 인해 건강에

대한 관심이 높아지고 있다. 한국표준협회

가 발표한 ‘2018년 소비 트렌드’에 따르면

소비자들이 평소 가장 관심 있는 분야

는 ‘건강(36.6%)’으로 조사됐다. 지난해

같은 조사에서 자산관리(30.9%). 건강

(20.6%), 노후(10.3%)였던 것에 비춰볼

때 건강에 대한 소비자들의 관심이 더욱

높아지고 있는 것으로 해석된다. 2018년 소비 트렌드 <출처: 한국표준협회>

우리나라의 고령화는 전세계적으로 유례없이 빠른 속도로 진행되고 있다. UN이 정한고령화의 판단 기준에 의하면, 한국은 이미 ‘고령 사회’에 진입했다.

통계청에 따르면 지난 2018년 우리나라의 65세 이상 인구는 738만 명으로 전체 인구의 14.3%로 집계됐다. 이 비율은 빠르게 늘어나 2025년에는 20%에 도달한 후2055년에는 41.4%, 2065년에는 한국 인구가 4,302만 명으로 지금보다 800만 명가량 적지만 노인 인구는 1,800만 명을 넘어서 지금보다 1,000만 명 이상 많을 것이란 전망이다.

2018 2025 2055 2065

건강에 대한 관심 증가는 의료기기의 수요 증가로 이어지고 있다. 식품의약품안전처에서 발간한‘2018년 의료기기 생산 및 수출·수입 실적 통계 자료’에 따르면 국내 의료기기 시장 규모는 2014년 5조 199억에서 2018년에는 6조 8179억으로 4년간 35.8% 증가했다. 연평균 성장률은8.0%이다.

의료기기 수요 증가2

생산 – 수출 + 수입2조

0

4조

6조 6조8179억

시장규모

연도별 국내 의료기기 시장 규모 (단위:원) <출처: 식품의약품안전처>

8조

2014 2015 2016 2017 2018

5조199억

6조8179억

4차 산업 기술의 발전 의료분야정보통신기술(ICT)과 생명공학기술(BT)이 융합 → 각종 체내 삽입형 의료기기의 개발

예를 들어 부정맥을 겪는 심부전증 환자들은 심장이 멎는 것에 대비해 심장 박동의 리듬을 감지하고 심장이 제시간에 규칙적으로 뛰도록 돕는 심장 박동기의 삽입 수술을 받고 있다. 이러한 삽입형 심장박동 모니터기나 심박 조율기, 또는 척추 신경 자극기 등 인체 기관을 보조하고 모니터링하는 체내 삽입형 의료 장치가 다양하게 개발되고 있다.

식품의약품안전처는 급속한 고령화가 진행되면서 건강유지와 맞춤치료를 위하여 수요가 증가할 것으로 예상되는 6가지 의료기기 품목을 선정하여‘2018년 신개발 의료기기 전망 분석 보고서’를 발간했다. 그 6가지 의료기기 품목 중 하나가 ‘인체 삽입형 전자의료기기’이다.

기술 발전 방향

6가지의료기기품목

치과용 임플란트, 인체 삽입형 전자의료기기, 로봇 수술기, 3D 프린팅 의료기기, 의료용 레이저, 전기수술기

식품의약품안전처에서 공표한 ‘2018년 의료기기 생산 및 수출·수입 실적 통계자료’에 의하면 품목군별 생산실적에서 ‘체내 삽입용 의료용품’의 생산액 비율이 20.24%로 가장 높았다. 또한, 체내 삽입용 의료용품의 생산액은 최근 4년간 꾸준히 증가하였다.

37,620

24,641

2016 2021

8,64010,690 11,293

13,176

2015 2016 2017 2018

체내 삽입형 의료용품 생산액 현황 (단위:억원)<출처: 식품의약품안전처>의료기기 품목군별 생산액 비율

<출처: 식품의약품안전처>

삽입형 기기의 세계시장 규모는 2016년 24,641백만 달러에서 2021년에는 37,620백만 달러로 연평균 성장률8.8% 증가가 예상된다.

체내 삽입형 의료기기의 개발 현황


= 1. 문제제기

삽입형 의료기기 세계시장 규모<출처: 식품의약품안전처>

20.24% 체내 삽입용 의료용품

15.30% 생체현상 측정기기

8.38% 주사기 및 주사침류

56.08% 기타

(단위:백만달러)

1차 전지

한번 방전해버리면 충전해서 재사용할 수 없는 전지

배터리 수명의 중요성

삽입형 제세동기 ICDImplantable Cardioverter Defibrillator

비정상적으로 박동이 빠른 심실빈맥 또는 심실세동일 때 전기 충격을주어 정상적인 리듬으로 회복될 수있도록 체내에 이식하는 기구

미국 Medtronic사의 ‘Activia SC Neurostimulator’

• 환자의 상황에 따라 기기 전원의 수명이 6개월에서 6년 정도로 변화의 폭이 크다. • 증후가 가벼운 경우 : 약 7.5년 정도 사용 가능• 상태가 심각한 경우 : 1년 이내에 배터리 교체

현재 배터리의 수명은 어느 정도일까?

1. 환자의 생존기간이 점점 길어지고 있다.- 환자가 ICD를 처음 이식 받는 평균 연령은 67세 (스웨덴 기준)

- 10년 후에도 절반 이상이 생존

2 . 교체수술 비율은 사용한 기기의 수명에 따라 크게 다르다.

3. 기기교체는 첫 이식보다 합병증을 일으키기 쉽다.- 첫 이식 시 감염률 1% / 교체 시 감염률 3%- 교체할 때마다 환자는 감염의 위험에 노출

긴 수명의 주된 이점은 바로 환자가 기기 교체를 하지 않아도 된다는 것입니다. 환자는 병원 밖에 더 오래 있을 수있습니다.

일부 환자에게는 그들이 받는 하나의 장치가그들이 평생 동안 받는 유일한 장치가 될 것입니다.

전원의 문제: 체내 삽입형 의료기기 시장의 응용 범위를 제한하는 가장 큰 요인 중 하나

필수 불가결한재수술

신체의 손상된 기능을복원 혹은 유지해주는 장치

1차 전지 사용

사용 기간의 한계 존재,환자 상태에 따라사용 빈도 결정

기기 요구 기능다양화+

대표적인 삽입형 의료기기

뇌심부 자극기, 심장 박동기, 삽입형 제세동기

기기 배터리 계산에 영향을미치는 요소

자극 펄스신호의 크기, 주파수, 신호폭, 그리고 자극기의 전기적 임피던스에 의해서 사용되는 에너지계산

Medtronic사 제품의 사용량에 따른 배터리 수명


= 1. 문제제기

Fredrik Gadler 박사

“

“

장점 단점

전자기 유도 방식이미 휴대전화 충전에 쓰이는

상용화된 효율적인 방식거리가 멀어짐에 따라 효율이 급

격히 떨어짐

전자기 공명 방식 원거리 전력 송신이 가능외부 요인에 의해 공진이 유지되

지 않는 상황이 발생

전자기파 방식 원거리 전력 송신이 가능 효율이 낮고 인체에 유해

초음파 방식 인체유해성이 떨어짐 젤을 바르고 접촉

그러나 가장 큰 문제는,인체 조직에 열적, 기계적 영향을 줄 가능성이 크다는 것!

신체는 반복적 자극으로 인한 상처와 염증, 또는 외부 물질이 닿은 부위에생기는 석회화 등 자극에 매우 취약하다. 따라서 이로 인한 유해성을 해결하기 전까진 적용하기 어렵다.

손승호 주무관식품의약품안전처 의료기기심사부 첨단의료기기과

“

고점석 전문의원광대학교 의과대학병원 순환기내과

현재 사용할 수 있는 무선충전 가능한 심장박동기는 없습니다. 신뢰성 문제나 전자기파 문제 등 여러 가지 이유가 있을 수 있습니다.

““

한국전자통신연구원지능형센서연구실이성규연구원

Q. 태양광 발전, 압전 등 다른 충전방식과 비교해 무선충전의장단점은 무엇인가요?

주변에 있는 에너지를 모아서 이차전지에 충전하는 방식은 기본적으로 좋은 기술입니다. 하지만 빛이 들어오지 않거나 진동이 없는 조용한 곳에서는 에너지원이 존재하지 않기 때문에 에너지를 모을 수 없게 됩니다.

무선충전은 외부의 에너지원으로부터 전송하는 것이므로 단점은에너지원이 존재해야 한다는 것이고, 장점은 에너지원으로부터 직접 충전 받는 것이므로 태양이나 진동에 비해서 에너지량이 확실이보장된다는 것입니다.

Q. 여러 무선 충전기술의 장단점은 무엇인가요?


= 1. 문제제기

무선충전을 하면서 발생할 수 있는 문제에 대한 안전성이확보가 안 되어 있습니다.

“




2 해결방안

한정자원인 금속과는 달리 포도당과 효소는우리 인체 내에 있으며 쉽게 구할 수 있어

고갈의 걱정이 없고 저렴하다는 장점이 있다.

리튬 이온 배터리는 충전이 불가능해 수명이다하면 배터리 교체 시술을 해야 한다.

포도당은 지속적인 공급이 가능해교체 시술이 필요 없다.

기존 배터리의 어떤 문제점을 해결해줄 수 있을까?

인체 자체에서 에너지를 얻는다면?

삽입형 의료기기에 배터리를 달 필요도, 외부에서 전원을 연결할 필요도 없다!

인체 삽입형 의료기기의 주요 에너지원인 배터리의 한계

문제를 해결하기 위한 다양한 연구 시도

리튬 이온 배터리

심장박동 조절 장치, 진단용 의료센서, 약물 주입 펌프 등 기존 의료기기는안정적인 전원을 공급받고,

제대로 된 전원 공급이 힘들어 실용화가 어려웠던 나노 로봇이나 인공 고막, 망막 등 인공장기의 활용도 가능하게 될 것이다.

리튬 이온 배터리의 양극재로 보통 리튬 금속산화물을 쓰는데, 리튬과 금속은 고갈의 위험이 있다. 대안으로 바다에서 추출할 수도 있겠

지만, 비용 문제가 발생한다.

실제로 상용화된다면?


= 2. 해결방안


Anode Cathode

- -

AnodeCathode

분리막

Li+

전해질

생체 촉매

수소차나 전기차는 ‘전기’에 의해 작동된다. 이때엔진과 같은 역할을 하는 곳이 바로 연료전지와 배터리이다.

여기에서 전기가 발생하면, 이들과 연결된 전기모터가 움직이면서 기계에너지로 바뀌는 것이다.

수소차에 쓰이는 연료전지와 전기차에 쓰이는 배터리는 양극과 전해질 등 그 구조가 비슷하고, 전기를 발생시켜 움직인다는 점에서 비슷한 듯 하지만, 다른 특징을 가진 장치이다.

그래서 시장에서도 연료전지와 배터리 시장이 분리되어 성장해왔다. 그렇다면 구체적으로 어떻게다른 것일까?

연료전지는 말 그대로 ‘연료’를 연소시켜 ‘전기’를 만들어내는 전지이다. 연료로는 수소(H2)가 쓰이고, 연소 반응은 내연기관과 같은 점화가 아니라 화학반응(산화)에 의해 일어난다. 연료전지의 기본 구조에는 두 개의 전극, 즉 양극(Cathode)과 음극(Anode)이 있고, 그 사이에 전해질이 있다.

전기가 가해지면 양극의 리튬(Li)이 리튬 이온(Li+)과 전자(e−)로 분리된다.

그 후 리튬 이온은 전해질을 통해, 전자는 도선을 통해 음극 쪽으로 이동하게 되고, 음극물질

에서 환원 반응(Li+ + e−)이 일어난다. 그리고 층상구조를 갖는 흑연의 층 사이사이에 리튬이

쏙쏙 저장된다.

배터리를 사용할 때(방전)에는 이 과정과 반대로 작동한다. 저장되어 있던 리튬 이온은 다시

전해질을 통해 양극으로 가고, 전자는 도선을 통해 양극으로 이동한다. 그때 생기는 전류를 가

지고 스마트 폰도 사용하고, 전기차도 움직이게 된다.


수소 연료전지

수소(H2)가 유입되어 음극과 만나면 화학반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e−)로 분해된다.

수소이온은 전해질을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 전자는 막을 통과하지 못하고 음극에 남게 된다.

양극으로 이동한 수소이온은 양극에 있던 산소와 반응을 일으키면서 물(H2O)이 된다.

음극에 남겨진 전자로 인해 음극과 양극 사이에 전위차가 생기면서 음극에 있던 전자들이 도선을

따라 양극으로 이동한다. 전자는 전위가 높은 쪽(전자가 많은 쪽)에서 낮은 쪽으로 흘러가려는 성

질이 있기 때문이다. 이렇게 전자의 이동에 따라 ‘전류‘가 발생해 전기 에너지로 사용할 수 있게 된

다.

1

2

3

4

리튬 이온 배터리는 연료전지와 구조가 거의 비슷하다. 배터리 역시 전극에서 일어나는 화학반응에 의해 작동한다.

1

2

3

CathodeAnode

H2

O2

H2O전해질

H+

-

귀금속 촉매

- -

-

= 2. 해결방안


- -

AnodeCathode

분리막

Li+

전해질

화학반응으로 전기에너지를 얻는다는 점에서

그 기본원리와 구조는 똑같다. 그러나,

리튬은 안에서!

전기차는 충전 시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 현재기술로는 완속 충전은 3~4시간, 급속 충전은 30분 정도 걸린다. 연비도 수소차보다 떨어진다.

배터리는 내부에 원료가 존재한다.

비어있는 공간 안에 전기를 저장하는 것으로, 저장한 전기를 다 쓰면 또 다시 충전해 사용한다.

수소는 밖에서, H2

O2 H2O

H2

연료전지는 화학반응의 원료가 되는수소와 산소를 외부에서 주입한다.

연료전지는 사용자가 ‘수소‘라는 연료를 때마다 채워가며전기를 사용할 수 있다.

수소차는 연료만 충전하면 되기 때문에 마치 주유하듯 사용할 수 있다. 수소 충전도 수 분이면 충분하고, 연비가 높다.

= 2. 해결방안

구성

작동원리

장점

한계

생물학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초소형 장치산화전극(Anode), 환원전극(Cathode), 전해질 / 연료, 효소

산화반응

산화전극 표면에서 포도당 산화효소(Glucose Oxidase)에 의해 포도당이산화되어 바이오 연료전지에 필요한 전자를 공급한다.

환원반응

산소가 환원전극으로부터 전자를 받아 환원된다. 이때, 두 전극 사이의 전위차로 인해 전류가 생성된다.

바이오 연료전지는 사용할 수 있는 연료가 다양하다는 장점이 있다. 우리가 ‘Food’라고 부르는 모든 것들이 ‘Fuel’이 될 수 있다. 음식으로 섭취하는 탄수화물, 단백질, 당분… 모두 연료로 사용될 수 있다. 설탕과음식쓰레기를 전기로 바꿀 수 있는 것이다. 각설탕 한 조각에는 휴대전화기용 소형 충전지가 담을 수 있는 만큼의 에너지가 들어있다. 환경 친화적이며 풍부하고 저렴한 연료 덕에 군사용으로도 사용이 가능하다.또한, 촉매로 사용하는 효소의 선택성으로 인해 분리막이 필요하지 않아기기의 소형화가 가능하다.

이러한 장점에도 불구하고 바이오 연료전지가 아직 기기에 적용되지 못한것은 전력 효율이 낮고, 안정성이 취약하다는 기술적 한계 때문이다.

세포

포도당

산소

포도당 산화효소

전자 2

1

1

2

바이오 연료전지 Biofuel Cell

= 2. 해결방안

고령화 현상은 사람들의 건강에 대한 관심으로 이어졌다.

하지만 삽입형 기기들은 배터리 교체를 위한 주기적인 시술이 필요하고

이는 환자들에게 경제적, 심리적, 신체적 부담감을 추가로 안겨준다.

그러면 무선 충전을 하면 되지 않을까?

불가능한 것은 아니나, 충전 시스템의 신뢰성이 완전히 확보되지 않았으며 전자파, 발열 등의 문제가 발생할 수 있다.

해결책은, 바이오 연료전지이다.

바이오 연료전지는 배터리 교체를 위한 재수술이 필요하지 않아 환자들의 부담을 덜어준다.

이에 따라 의료기기의 수요가 증가했고,

그 중 특히 수명 증가로 인해 기능이 저하된 신체를 대신하는 삽입형 기기의 수요가 증가하고 있다.

하지만 바이오 연료전지는 아직 극복해야 할 한계점들이 많다.

우리는 이 한계점들을 극복할 방법을 탐방을 통해 알아보려고 한다.

국내외 탐방3 1. 바이오 연료전지의 성능 향상 방법

Electrode Design


Electron Transfer

Biocompatibility

2. 바이오 연료전지의 한계를 넘어

바이오 연료전지 연구와 생체 촉매에 관한 이야기를 듣다

고체 전해질과 비생물학적 촉매를 통해 크기는 줄이고 안정성은 높이다

면섬유 전극으로 세계 최고 성능을 보이다

3. 바이오 연료전지의 조력자


체액으로 작동하는 슈퍼 커패시터의 생체적합성을 확인하다

바이오 연료전지와 슈퍼 커패시터를 합치다

4. 바이오 연료전지의 실용화


5. 바이오 연료전지의 규격화

의료기기의 안정성 기준과 사후관리에 대해 알아보다




도움 주신 분

바이오 연료전지의 성능은효소로부터 전극에 이르는 전자의 이동 능력에 의해 좌우된다.

따라서

① 높은 활성 표면적을 갖는 동시에

높은 전도 특성을 보유한 전극을 디자인하거나

② 전극에 고정되는 효소의 양을 증가시키거나

③ 효율적인 전자이동 경로를 생성하면

높은 성능의 바이오 연료전지를 만들 수 있다.

‘전극 디자인, 효소 고정, 전자 전달＇

세 가지 키워드를 통한 성능 향상 방법과 전지의 생체적합성까지!

= 3-1. 바이오 연료전지의 성능 향상 방법

유타대학교 화학과 교수Shelley D. Minteer

고려대학교 화학생명공학과 박사권정훈

조지아 공과대학교 기계공학과 교수이승우

한국생명공학연구원 합성생물학전문연구단 박사이진영

Electrode Design

Q. 바이오 연료전지에 쓰이는 전극의 종류에는 어떤 것들이 있으며 선택하는 기준은 무엇인가요?

유리질 탄소(GC, Glassy Carbon), 흑연(Graphite), 금(Gold) 전극 등이 있습니다. 전극을 선택할 때는전도성과 안정성, 부식성 등 많은 성질들을 고려합니다. 하지만 무엇보다 경제성을 무시할 수 없기에 금전극보다 비교적 저렴한 탄소전극을 많이 사용합니다.

Q. 탄소 나노 튜브(Carbon Nanotube, CNT), 그래핀(Graphene) 등 탄소계 재료들을 사용하는이유는 무엇인가요?

탄소계 재료들은 전기 전도성이 우수하여 전자이동이 원활하도록 돕고, 표면적이 넓어 더 많은 양의효소를 함유할 수 있게 하기 때문입니다.

Q. 면섬유나 탄소 펠트와 같이 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조의 전극을 사용하는 것에 대해서는어떻게 생각하시나요?

많은 양의 촉매를 함유할 수 있어 전력 성능 향상으로 인해 상당한 장점이 있겠지만, 안정성을 갖추는 것이중요합니다.

기본적인 바이오 연료전지 전극 구조 예시

전극(electrode)회로 내의 도체로 전류를 흘러 들어가게 하거나 나오게 하는 단자

유리질 탄소(Glassy Carbon, GC)

폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI)효소 고정을 위해 사용하는 고분자

포도당 산화효소(Glucose Oxidase, GOx)

유리 및 세라믹 특성을 흑연과 결합한순수 탄소의 첨단 소재

Glassy Carbon Electrode

(GCE)

CNT PEI

GCE CNT/GCE PEI/CNT/GCE

GOx

GOx/PEI/CNT/GCE


Q. 탄소계 재료들을 ‘표면개질’하는 이유는 무엇인가요?

대부분 탄소계 재료들은 소수성 표면 때문에 효소와의 친화성이 떨어져고정화를 위해 표면개질을 합니다. 탄소계 재료의 응용 목적에 따라서 다양한 종류의 작용기를 표면에 도입하는데, 작용기로는 하이드록시기(-OH), 카복시기(-COOH), 아미노기(-NH2) 등이 있습니다.

Q. 여러 전기화학 분석기법들의 작동원리는 무엇인가요?

여러 분석기법들 중 CV(Cyclic Voltammetry)가 가장 많이 쓰입니다. CV 기법에서는 관심있는 반응이일어나는 작업전극에 전압을 일정 속도로 주사하고 , 이에 따른 전류의 변화를 측정하여voltammogram을 얻게 됩니다. 연료의 유무에 따라 CV를 실시하면 제조된 전극재료의 전기화학적 특성에 대해 조사할 수 있습니다.

완전지 테스트를 진행할 때에는 LP(Linear Polarization)가 일반적으로 쓰입니다. LP를 통해 주어진전류 밀도에 대해 연료전지가 얼마만큼의 전력을 출력할 수 있는지에 대해 알 수 있습니다.

전기화학 분석 방법

전압 주사 및 이에 따른 전류 변화 곡선

• 넓은 표면적의 전극, 표면개질한 탄소계 재료 등을 사용해 전극을 디자인함으로써 바이오 연료전지의 성능을 극대화 시킬 수 있다.

작용기를 도입해 표면개질하는 과정 Cyclic Voltammetry Linear Polarization

전류 밀도에 따른 전위 변화 곡선


Q. 효소의 수명은 어느정도 인가요?

효소의 수명은 각각의 효소마다 다르고, 효소가 사용되는 환경(온도, pH, 염 농도 등)에 따라 달라질 수 있기 때문에 일반적인 효소의 수명을 말하기는 어렵습니다. 또한, 효소의 종류에 따라 활성조절(Allosteric regulation, Feedback regulation)을 받는 경우도 있기 때문에 주변의 복잡하고복합적인 환경 변화에 따라 효소의 수명이 결정된다고 할 수 있습니다.

Q. 효소의 수명을 연장할 수 있는 방법이 있나요?

효소의 수명을 연장하는 방법으로 여러 방법들이 이용되고 있으며, 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 효소 자체의 안정성을 개량하는 방법으로, 효소 안정성에 영향을 미치는 잔기를 탐색하고, 돌연변이를 도입하여 안정성이 증가된 효소를 얻을 수 있습니다. 두 번째는 효소를 특정담지체에 부착 또는 가두어서 사용하는 효소 고정화 방법입니다. 효소를 담지체에 고정함으로써 효소의 안정성을 증가시킬 수 있고, 쉽게 회수가 가능하기 때문에 고가의 효소를 안정적으로재사용하고자 할 때 매우 좋은 방법입니다.

Q. 효소 고정화를 가장 성공적으로 이룬 사례가 있을까요?

고려대학교의 김중배 교수님이 가장 완성도 있게 가교결합(Cross-linking) 기술을 만든 것같습니다. 또한 텍사스 대학교의 Adam Heller 교수님은 바이오 센서 어플리케이션을 위해 포도당산화효소를 캡슐화하기 위한 고분자를 디자인했습니다.

가교 결합분자와 분자간에 공유 결합이나이온 결합처럼 완전한 화학 결합이 형성된 것

고려대학교 김중배 교수님의 Cross-linking 기술

GA (Glutaric dialdehyde) 를 가교제로 사용하여 효소 응집체를 코팅하는 과정

GA treatment



Q. 효소 고정화 방법에는 어떤 것들이 있나요?

효소를 담지체에 고정하여 이동성을 제한하는 것을 ‘효소 고정화’라고 합니다. 효소 고정화 방법에는 물리적인 방법과 화학적인 방법이 있습니다. 물리적인 방법은 흡착이나 정전기적 인력, 캡슐화 등을 이용한 방법이고 화학적인 방법은 공유결합, 가교결합 등을 이용한 방법입니다.

물리적 결합은 매우 간단하다는 장점이 있지만, 화학적 결합보다 효소와 담지체 간의 결합력이 약하다는 단점이 있습니다. 화학적 결합은 훨씬 안정적으로 효소를 고정하지만, 그만큼 효소의 자유도가 떨어져 효소의 활성이 감소할 수 있습니다.

캡슐화는 효소를 고분자 캡슐 안에 가두는 방법입니다. 캡슐화는 효과적인 방법이지만 사용하는 고분자와 효소의 종류에 따라 다릅니다. 만약 둘의 상성이 안 맞으면 효소는 변성될 것입니다.

• 물리적, 화학적 방법을 통해 효소를 안정적으로 고정화 하는 것이 중요하다.


Q. 바이오 연료전지에서 전자 전달은 어떤 과정을 통해 이루어지나요?

전자이동은 크게 직접전자 전달(Direct Electron Transfer, DET)과 간접전자 전달(Mediated Electron Transfer, MET)로 구분할 수 있습니다. DET는 매개체(mediator)없이 전자가 전극으로 직접 이동하는 기작으로, 높은 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 기대할 수 있으나 매개체가 전자를 운반하는 역할을 하는 MET에 비해 상대적으로 성능이 떨어지는 단점이 있습니다.

핑퐁 메커니즘

빠르게 환원되고 산화되는 오스뮴 촉매가 산화 환원 하이드로 겔의 가교 중합체 네트워크의골격에 묶여 있고, 전자 또는 정공의 자기 교환에 의해 전자를 전도시킨다.

Q. MET의 매개체로서 어떤 물질이 가장 좋은 성능을 보였나요?

텍사스 대학교의 Adam Heller 교수님의 핑퐁 메커니즘(Ping-pong mechanism)이 적용된 오스뮴 촉매가 정말 성능이 좋습니다.

• 매개체를 이용해 전자 전달을 용이하게 하여 바이오 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

오스뮴 촉매

GOx와 BOD의 캐스케이드전자 전달 과정

Electron Transfer


GOx

Q. 삽입형 의료기기의 전원으로 쓰이기 위해서는 어떤 조건들을 만족해야 하나요?

생체에 적용되는 전원은 특수한 조건들을 만족해야 합니다. 크기, 성능 등에 대한 조건도 중요하지만 무엇보다 생체안정성이 확보되어야 삽입이 가능합니다. 삽입 시에 부작용이 없어야 하기 때문에 생체적합적인 물질을 사용해야 합니다.

Q. 바이오 연료전지에 주로 쓰이는 탄소 나노 튜브나 포도당 산화효소는 인체에 무해한가요?

탄소계 재료는 인체에 유해할 수 있지만 포도당 산화효소는 양이 매우 많지 않은 이상 괜찮습니다.포도당과 포도당 산화효소의 생성물인 글루코노락톤과 적은 양의 과산화수소는 우리 몸 속 다른효소들에 의해서도 생성되는 물질입니다.

Q. 인체 내 포도당의 농도가 일정하지 않아 성능에 영향을 주거나, 포도당을 소비해 인체에문제가 발생할 수도 있을까요?

인체 내에는 충분한 양의 포도당이 존재하기 때문에 포도당의 농도가 조금 변한다고 해서 인체에 문제가 발생하지는 않습니다. ‘미카엘리스-멘텐 속도론’을 통해 생성되는 전력에도 큰 영향을 주지 않을 것임을 확인할 수 있습니다.

기질 농도에 따른 효소의 초기 반응속도의

그래프를 대수적으로 나타내는 방법

장기 삽입형 장치의 생체적합성바람직하지 않은 국소적 또는 전신적 효과를 유발하지 않고 의도된 기능을 수행할 수 있는 능력

포도당 산화반응

• 바이오 연료전지는 생체적합적이다.

미카엘리스-멘텐 속도론

Biocompatibility


유타대학교 화학과 교수Shelley D. Minteer

Q. 바이오 연료전지 연구는 어떤 방향으로 나아가고 있나요?

바이오 연료전지 연구는 물질적인 방법과 생물학적인 방법, 이렇게 두 가지로 나눌 수 있을 것 같습니다.

① 물질적인 방법 :

고분자 물질, 세라믹, 금속 재료 등 여러 재료에 관한 연구로, 예를들어 self-exchange electron의 특성을 가지는 산화환원 고분자를 만드는 등의 방법이 있습니다. 전도성 고분자를 사용하기도합니다. 또는 특정 나노 물질 구조를 만들어 생물학적으로 더 나은 계면을 만드는 방법도 있습니다.

Self-Exchange Electron transfer별도의 리간드 브릿지나 매개물 없이 산화수만 다르고 동일한 상태의 두분자 사이에 일어나는 전자 전달이다.

Ex) [MnO4]− + [Mn∗O4]2− → [MnO4]2− + [Mn∗O4]−

Effective Biocatalyst , 바이오 연료전지 연구와 생체 촉매에 관한 이야기를 듣다

= 3-2. 바이오 연료전지의 한계를 넘어

② 생물학적인 방법 :

생물학적인 방법은 생체 촉매인 효소를 개선시키는 방법입니다. 효소의 돌연변이를 만들어 전극과의 공유를 더 좋게 하는 방법, 살아있는 유기체에 태그를 달아 그 반응을 더 좋게 하는 방법, 유전자 조작을 통해 전자 전달의 주축인 사이토크롬과 세포막을 더 많이 갖게 하는 방법 등이 있습니다.

Q. 생체 촉매 각각의 특징이나 활용이 어떻게 되나요?

생체 촉매의 종류는 어디에 적용하느냐에 따라 다릅니다. 하나의 효소를 쓸 때도 있고 캐스케이드 효소를 쓸 때도 있습니다. 디옥시리보자임이라는 효소는 기본적으로 단백질 촉매인데, DNA 촉매로 아주 작습니다. 또는 아예 하나의 세포를 촉매로 쓸 때도 있는데, 유전자 조작을 통해 전자 전달을 높이는 전략을 적용하기 좋습니다. 미토콘드리아나 사이토크롬, 세포막 같은 세포소기관또한 산화환원 효소입니다.또한 독특한 반응을 센서로 쓰는 방법도 있어서, 박테리아 등의 유기체를 키우면서 전류가 효율적으로 생산되는 조건을 알아내거나 arsonate나 기타 중금속 등의 오염물들을 이용해 그들이 싫어하는 환경에 대해 연구하기도 합니다.

Q. 포도당이나 젖당 등을 연료로 하는 비생물학적 촉매는 어떻게 생각하시나요?

여러 연구소와의 협업을 통해 연료를 완전히 산화 시킬 수 있는 촉매 캐스케이드를 찾고 있습니다. 따라서 유기 분자 또한 촉매로서 관심이 있습니다. 백금 합금이나 팔라듐 합금, TEMPO 등 여러 물질에 대한 연구를 계획 중입니다.

Q. 바이오 연료전지 연구를 통해 이루고자 하는 최종목표는 무엇인가요?

현실적인 목표는 안정적이고 높은 전력밀도가 나오는 전극을 만드는 것입니다. 지금은 두 특성이 서로 상충하기 때문에 안정적인전지는 전력밀도가 낮고 높은 전력밀도를 가지면 안정적이지 않습니다. 그리고 이상적인 목표는 완전히 산화시키려면 20개의 효소가 필요한 포도당 같은 연료들을 단 하나의 효소를 통해 완전히 산화 시키는 것입니다.

사이토크롬

세포막의 전자 전달계에 포함된 단백질로 세포간의 커뮤니케이션을 돕는다.

ArsonateCH3AsNa2O3 제초제의 성분이다.,

• 단백질 공학, 유전자 공학 등을 통해 바이오 연료전지 촉매의 성능을 높이기 위한 노력들이 이루어지고 있다.


Q. 포도당 바이오 연료전지의 어떤 한계를 극복했나요?

먼저, 고체 전해질을 사용해 기기의 두께를 약 100배 정도줄였습니다. 이 최초의 전-고체 포도당 연료전지는 서브 마이크로미터 범위로 축소가 가능합니다. 뿐만 아니라 생체 촉매가 아닌비생물학적 촉매를 사용함으로써 장기간 안정성도 높였습니다. 대부분의 고체 상태 촉매의 경우, 촉매 고정과 충분한 전자 전달은큰 문제가 되지 않습니다. 또한 삽입형 기기에 직접 전력을공급하기에 적합한 ‘칩’ 형태로 제작하였습니다.

Q. 기존 전지와 다르게 고체 전해질을 사용한 이유는 무엇인가요?

기존 전지는 주로 나피온(Nafion)과 같은 중합체를 전해질막으로사용합니다. 그리고 이렇게 사용된 나피온 분리막은 전해질의소형화를 제한하게 됩니다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하고자고체 전해질을 사용하였습니다.

메사추세츠 공과대학교 재료공학과 박사Philipp Simons


All-Solid-State Glucose Fuel Cell, 고체 전해질과 비생물학적 촉매를 통해 크기는 줄이고 안정성은 높이다

제작 과정 및 완성된 전지 단면도

• 고체 전해질과 비생물학적 촉매를 사용해 ‘작고, 강력하고, 오래 지속되는’포도당 연료전지를 꿈꾸다.

포도당 흐름

산소

실리콘실리콘 산화막감광제산화세륨촉매

Q. 전고체 포도당 연료전지는 어떻게 제작되나요?

표준적인 반도체 제조 기술을 이용해 제작됩니다. 포토리소그래피(Photolithogrphy), 이온 에칭(Ion etching), 그리고 펄스 레이저증착(Pulsed Laser Deposition, PLD) 등 다양한 기술들을 사용합니다. 최근에는 효소를에어브러시를 이용해 스프레이(Spray)하는 방법과 효과적인 스퍼터링(Sputtering)방법을 연구하고 있습니다.

Q. 크기와 두께는 정확히 어느 정도 인가요?

디바이스의 두께는 250nm정도이고, 크기는 만들기에 따라 다르지만22.3mm * 22.3mm 정도입니다.

Q. 앞으로 어떤 점을 더 보안해야 하나요?

비생물학적 촉매는 생체 촉매보다 안정적이지만 활성도와 선택성이 비교적 떨어집니다. 따라서 양극 음극 각각의 촉매에 대한 연구가 추가적으로 필요하며, 성능을 충분히 올린후엔 장기간 안정성 및 생체적합성에 대한 테스트가 필요합니다.

실리콘 산화막 증착

촉매 증착

포토리소그래피(Photolithography)

활성 이온 에칭

활성 이온 에칭 금속 산화물 증착 비등방성 wet 에칭


고려대학교 화학생명공학과 박사권정훈

Q. 포도당 바이오 연료전지의 어떤 한계를 극복했나요?

전자 전달 방식 중 MET는 성능이 높다는 장점이 있지만,매개체가 독성을 갖고 있어 생체적합성이 떨어진다는 문제점이있습니다. 그래서 생체적합성을 높이고자 매개체를 사용하지않는 DET를 채택하였습니다. DET의 낮은 성능 문제를 해결하기 위해 전도성 나노 입자를부착해 전자 전달을 용이하게 하려고 했지만, 탄소 섬유의 경우층이 많이 쌓이면 부서지는 성질이 계속적으로 발견되었습니다. 결국, ‘면섬유’에 molecule ligand exchange induced LbL기법을 이용해 전도성 나노 물질 층을 쌓았고, 결과적으로좋은 생체적합성으로 세계 최고 성능까지 보일 수있었습니다.

Q. 어느 정도의 성능이 나왔나요?

3.7mW/cm2의 전력을 얻었고. MET에서 세계 최고성능보다도 더 높은 값을 ‘DET’로 냈다는 게 큰 성과라고생각합니다.


Cotton Fiber Electrode, 면섬유 전극으로 세계 최고 성능을 보이다

피브릴 하나의 단면 구조

면섬유 전극 전자 전달

GOx

TREN

금 나노 입자

PEI

섬유

피브릴 하나에 금 나노 입자 부착을 위해 PEI를 부착하고 금 나노 입자와 TREN을

번갈아가며 120겹 정도 공유결합으로 붙였습니다. 충분한 양의 금 나노 입자의 부착

후 전기 화학 반응을 위한 GOx와 TREN을 정전기적 인력으로 부착했습니다.면섬유 나일론

V

A R

금 나노 입자 침투 정도 비교

양극에는 금 나노 입자와 GOx를 붙여포도당을 산화시키고,음극에는 금 나노 입자만을 붙여산소를 환원시켰습니다.

Q. 면섬유 전극의 장점은 무엇인가요?

면섬유가 수많은 피브릴로 이루어져 있고, 내부에 빈 공간이 많은 구조라 전도성 나노 입자를부착해 전도성 지지체로 만들기에 용이했습니다. 피브릴 하나 하나에 전도성 나노 물질(금나노 입자)들이 붙어 높은 전도성을 얻을 수 있었으며, 나노 물질 부착 후에도 모양을변화시키기 쉬웠습니다. 또한 생체적합성도 좋습니다.


면섬유 전극 디자인

단분자 리간드 층상 자기조립법

Molecule Ligand Exchange induced LbL→ 물질간의 친화도 차이가 리간드 치환을 일으킨다.

벌크 금속은 기계적 변형에 의한 전극 파단 현상이 있고 기존의 LbL은 접촉저항에 의한낮은 전기 전도성이라는 문제가 있었다.

금 나노 입자에 부착된 리간드가 그대로 고분자 링커에 붙는 게 아니라 TREN으로 교환되면서 높은 전기 전도성과 기계적 안정성이라는 상충되는 두 가지 물성을 성공적으로 함께 구현했다.

고분자가 아닌 단분자 TREN을 사용한 이유

(GOx/PEI)30: 분자량이 높아 기공이 다 막히고 피브릴 사이사이가 모두 붙어버린다.

(GOx/TREN)30: 기공이 남아있고 피브릴들이 각자 분리되어 있다.

→ 구조를 잃지 않은 채로 효소를 많이 쌓을 수 있어 높은 성능을 낸다.

• 면섬유 전극과 리간드 치환을 이용한 LbL 기법을 통해 MET보다 더 높은 성능의 DET를 구현해냈다.

(+)와 (-)로 대전된 입자가고분자 물질과 결합한 상태로 증착

ToA-AuNP 2개가 만날 때분자 간 거리

ToA-AuNP 2개를 PEI 고분자를 이용해 붙이는

일반적인 방법

리간드 치환을 통해AuNP 분자가

매우 가깝게 만남

일반적인 LbL장점 : 기계적 변형 용이

단점 : 입자 간 거리가 멀어전기 전도성이 낮음

리간드 치환 LbL : 둘의 장점을 모두 가지고 있다.높은 전기 전도성 + 기계적 변형 용이

덩어리 금장점 : 높은 전기 전도성

단점 : 기계적 변형에 취약

일반적인 LbL(Layer by Layer) 기술

박막 제조 기술로 (+)와 (-)로 하전된 물질을 세척과 함께 교대로 붙이는 방법이다. 간단하고 저렴하게 박막을 조립할 수 있으며 폴리 이온, 금속, 세라믹, 나노 입자 등 여러 물질에 증착할 수 있다. 쉽게 두께를 제어할 수 있다는 장점이 있으며 단백질 정제, 부식 제어, 생의학에 응용이 가능하다.

기판 폴리 양이온 세척 폴리 음이온 세척


GOx/PEI, GOx/TREN 30층 쌓은 모습 비교

안정적인 에너지 공급을 위한 장치

기존 바이오 연료전지는 전력을 생산하지만 저장하지는 않는다. 따라서 바이오 연료전지가 생산한 에너지를 저장할 수 있는 시스템이 추가적으로 필요하다.

그렇다면, 에너지를 저장할 수 있는 장치에는어떤 것들이 있을까?

• 현재 삽입형 의료기기에 많이 사용되고 있는 배터리이다.• 가장 가벼운 금속인 리튬을 사용해 에너지 밀도가 크다. • 문제점 : 불안정성과 배터리 팽창

- 전해액에 불순물이 들어있을 시 리튬이 반응해 기체로 바뀌는데, 이때부피가 증가하면서 ‘스웰링 현상’이 일어난다.

- 누액으로 인해 2차 오염이 발생할 수 있다.- 리튬 이온 배터리에 사용되는 리튬, 코발트, 니켈 등은 자원이 지구상에

한정적으로 존재해 자원의 가격 변동이 심하고 지속적인 사용이 불가능하다.

• 기존의 리튬 이온 배터리를 대체하기 위해 개발중인 배터리이다.• 리튬보다 매장량이 500배 이상 많아 고갈의 염려가 없다.• 전력 보존 시간이 길고 가격경쟁력이 높다.• 2019년 6월, KAIST 신소재공학과 육종민 교수 연구팀은 황화구리를 음극

재료로 사용해 용량과 수명이 늘어난 나트륨 이온 배터리를 개발했다.


나트륨 이온 배터리

이차 전지

장거리 마라톤 선수 = 이차전지마라톤 선수는 속도가 빠르지는 않지만 오랜 시간동안 일정한 힘을 유지하며 꾸준히 달린다. 이차전지도 이처럼 전압이 거의 일정하게 유지된다.

단거리 달리기 선수 = 커패시터단거리 달리기 선수는 짧은 시간에 폭발적인 힘을 내서 단거리를 매우 빠르게 돌파한다. 돌파 후에는 한번에 폭발시켰던 힘이 다 떨어지게 되는데, 커패시터도 이처럼 작동되는 순간 전압이 급격하게 증가했다가 감소하는 경향을 보인다.

= 3-3. 바이오 연료전지의 조력자


전기 이중층* 현상을 이용하여 전하의 흡〮탈착 반응으로 전기에너지를 저장하는 커패시터전극의 손상이 작아 반영구적인 수명 특성을 가지며, 높은 출력으로충〮방전이 가능하다.

* 전기 이중층 (Electric Double Layer, EDL)액체에 노출된 고체 입자, 기체 거품, 액체 방울 또는 다공성의 물체 표면에나타나는 구조로서 물체를 감싸는 두 개의 평행한 전하층

전극과 전해질이 산화-환원 반응을 하면서 생기는 유사 용량(Pseudo Capacitance)을 응용한 전기화학적인 슈퍼 커패시터유사 커패시터는 전기 이중층 커패시터에 비해 축전 용량이 3~4배 정도 크지만, 전극 활물질이 고가의 금속산화물이며, 생산 난이도가 높고, 등가 직렬 저항이 높은 단점을 가지고 있다.

전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)

유사 커패시터 (Pseudo-Capacitor)전기 이중층 커패시터와 유사 커패시터의 특성을 혼합한 슈퍼 커패시터하이브리드 커패시터의 한 쪽 전극에는 고용량 특성을 가지는 리튬 금속산화물을 사용하고, 다른 쪽 전극에는 고출력 특성을 가지는 활성탄소를사용한다. 하이브리드 커패시터는 환경 친화적이며, 전기 이중층 커패시터보다 에너지 밀도가 높고 충전과 방전이 빠른 장점을 가지고 있다.

하이브리드 커패시터 (Hybrid Capacitor)

• 바이오 연료전지가 생산한 에너지를 저장할 수 있는 시스템이 추가적으로 필요하다.


커패시터

Q. 커패시터가 어떻게 인체의 체액을 통해 구동되나요?

인체 체액 속에 존재하는 Na+(나트륨), K+(칼륨), Ca2+(칼슘), Cl−(염소) 이온 등이 전지의 전극에 흡〮탈착하는 과정에서 생성되는 전자의 흐름을 통하여 구동됩니다.체액을 전해질로 사용함으로써 기존 전해액으로 인한 2차적인 생물학적독성유발 등의 문제점을 해결하고자 했습니다. 체액 그대로를 사용했기 때문에 어떤 전해액보다도 인체에 무해하다고 할 수 있습니다.

Q. 에너지 저장 장치 중 슈퍼 커패시터를 선택하신 이유는 무엇인가요?

에너지 저장 장치 중 슈퍼 커패시터는 산성, 중성, 알칼리 등 다양한 전해액을 사용하고 있기에 선택의 폭이 넓었고, 체액이 중성인 점을 고려할 때인체에 삽입하기 적합할 것이라고 생각하였습니다.

조지아 공과대학교 방문 연구 교수허윤석


Biocompatible Implant Supercapacitor operating in body fluids, 체액으로 작동하는 슈퍼 커패시터의 생체적합성을 확인하다

Q. 바이오 연료전지와 결합하기 가장 적절한 에너지 저장 장치는 무엇일까요?

바이오 연료전지와 같이 쓰기 가장 적절한 에너지 저장 장치는 슈퍼 커패시터인것 같습니다. 연료전지는 계속해서 에너지를 생성해낼 수 있으므로 에너지 밀도가가장 높습니다. 따라서 배터리같이 에너지 밀도가 높을 필요가 없으며 배터리는충전하는 데 비교적 큰 전압을 필요로 하기 때문에 바이오 연료전지에는 그다지적합하지 않습니다. 또한, 슈퍼 커패시터는 일반 커패시터보다 저장 용량이 크고충전이 빨라 바이오 연료전지와 같이 쓰기 좋을 것 같습니다. 그 중에서도 생체적합성 측면에서 봤을 때, 전기 이중층 커패시터가 가장 적절할 것 같습니다.

Q. 삽입형 슈퍼 커패시터의 생체적합성은 충분했나요?

산화망간(MnO2)은 슈퍼 커패시터의 중성전해질에 사용되는 대표적인 물질입니다. 하지만약간의 독성이 있기 때문에 독성을 줄이고자 산화망간과 나노 입자(Nanoparticles)의 복합물질을 탄소 나노 튜브로 감쌌습니다. 금속산화물이 떨어져 나오는 것을 가장 걱정했었는데, 1차원 소재인 탄소 나노 튜브가 안정적으로 망간의 침출을 막아줬습니다. 5000번의 cycle 동안 유출된 망간의 농도는 0.180 ppm으로 매우 낮았습니다. 세포 수준에서 생체적합 여부를 시험해본 결과 세포 독성이 없고 생체적합성이 우수하게 나타났으며 실제 쥐에삽입해봤을 때 소자의 충전과 방전도 안정적으로 이루어졌습니다.

Q. 앞으로의 연구계획은 무엇인가요?

첫 번째 연구에서 유사 커패시터를 이용해서 충분한 생체적합성과 성능을 얻었지만, 아무래도 망간이 침출될 수 있는 안전성 문제가 있기 때문에 이를 해결하기 위해 탄소 소재만 사용하는 전기 이중층 커패시터를 이용해 두 번째 연구를 하고 있습니다. 체내에서 쓰이기 위해서는 무엇보다 안전성이 가장 중요합니다.

• 생체적합성 측면에서 바이오 연료전지와 결합하기 가장 적절한 에너지 저장 장치는 ‘전기 이중층 커패시터’이다.


고려대학교 화공생명공학과 박사권정훈

Q. ‘바이오 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드’란 무엇인가요?

Self-charging 바이오 커패시터를 말합니다. 바이오 연료전지에서자가 에너지를 생성하고, 슈퍼 커패시터로 저장이 가능한 one-body 시스템을 의미합니다. 즉, 에너지 생성과 저장이 동시에 가능합니다. 금속 나노 입자 기반의 피브릴 소자를 사용하여 높은 에너지 밀도와 전력 밀도를 구현해냈습니다.

Q. 어떤 종류의 커패시터를 사용하셨나요?

전기 이중층 커패시터를 기반으로 했습니다. 전도성 고분자인PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene))을 이용해서 유사 커패시터 기반으로도 실험해보았고, 둘 다 성능이 좋았습니다.


Biofuel Cell-Supercapacitor Hybrid, 바이오 연료전지와 슈퍼 커패시터를 합치다

일반 커패시터보다 슈퍼 커패시터는 출력 밀도는 낮지만 에너지 밀도가 높다.→ 체내에서 사용하기 때문에 커패시터만큼 고출력을 필요로 하지 않는다.→ 따라서, 고출력보다는 안정적으로 전력을 유지할 수 있는 에너지 밀도가더 중요하고 생체 친화적인 재료로 만들기 용이하기 때문에 바이오 연료전지의보조 에너지 저장 장치로는 슈퍼 커패시터가 적합하다.

Q. 전기 이중층 커패시터와 유사 커패시터 중 어느 것이 더 사용하기 좋은가요?

성능 면에서는 유사 커패시터가 좋습니다. 하지만 안정성 측면에서 봤을 때는, 전기 이중층 커패시터가 좋습니다. 전극을 한 달 뒤에 다시 테스트해보면 전기 이중층 커패시터는 크게 영향을 받지 않고동일한 성능이 나오지만, 유사 커패시터의 경우는 성능이 낮아집니다. 따라서 전기 이중층 커패시터로 시스템의 가능성을 먼저 확인해보고, 다음에 다른 커패시터로도 다양하게 시도해보는 것이 좋다고 생각합니다.

Q. 바이오 연료전지를 실제로 삽입형 의료기기에 사용할 수 있을까요?

제가 만든 시스템으로 페이스메이커는 확실히 가능하다고 자부할 수 있습니다. 페이스메이커는8μW밖에 필요하지 않는데, 저는 3.7mW의 성능을 냈습니다. 하지만 안정성 문제가 남아있기 때문에 당장은 어렵다고 생각합니다.효소의 수명을 연장해 안정성을 높이는데 성공한다면, 지금보다 훨씬 작은 형태의 페이스메이커가 가능할 것입니다. 현재 제가 쓰는 전극의 굵기는 20μm로, 평균 100μm 정도인 머리카락보다도 얇습니다. 전극 5개는 합해야 머리카락 하나가 나옵니다.

음극

Nafion

Glucose oxidase

양극

Self-charging이 가능한, 바이오 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드 형태의 전극구조

• 바이오 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드를 통해 바이오 연료전지의 단점을 보완할 수 있다.


슈퍼 커패시터를 선택한 이유

텍사스 대학교 화학공학과 교수Adam Heller

Q. 바이오 연료전지가 실용화될 수 있을까요?

저는 현재는 Abbott Diabetes Care에 인수된 ’Therasense’를 설립했으며, 그 외에도 다양한 분야의 사람들과 함께 혁신적인 의료기기와 상품들을 제안했고 많은 특허를 냈습니다. 이처럼 새로운 아이디어를 제시할 때는 용도를 정확하게 파악하는것이 중요합니다. 따라서 바이오 연료전지의 실용화를 위해서는 먼저, 특성에 알맞게 적용 가능한 기기를 찾아야 할것입니다.

= 3-4. 바이오 연료전지의 실용화


Q. 바이오 연료전지처럼 생체 촉매를 사용한 Therasense의 FreeStyle™은 어떻게상업화에 성공했나요?

FreeStyle™ 은 모기가 한번 빠는 양의 1/8인 300nL의 혈액만으로 혈당을 측정할 수 있고많은 바이오 연료전지들처럼 ‘포도당 산화효소’를 사용합니다. 이 기기는 최초의 ‘통증 없는혈당 측정기’였습니다. 이후 같은 원리를 차용한 연속형 혈당 측정기, FreeStyle Libre™는 어떤 이에겐 편리한 기술이고 어떤 이에겐 필수적인 기술입니다. 100달러의 가격과 2주라는 짧은 유지 기간에도불구하고 소비 타겟이 분명한 기기이기에 큰 매출을 올리고 있습니다. 생체 촉매가 가지고있는 침출 문제에 대해서는 고분자를 덧씌워 선속도를 조절함으로써 해결했습니다.

Q. 바이오 연료전지의 실용화가 당면한 과제는 무엇일까요?

예를 들어, 소변 조절에 어려움을 겪는 노인들이 많은 만큼 바이오 연료전지를 비뇨기계 삽입형 기기를 위한 전력 공급원으로 사용한다면 매우 좋을 것입니다. 전력이 mW 정도 밖에필요하지 않고 충전용 커패시터를 충∙방전하면 되기 때문입니다. 그러나 그 전원은 오랜 시간 동안, 최소 1년은 버텨야 합니다. 그런데 우리는 아직 그렇게 오래가는 바이오 연료전지를 만드는 방법을 모릅니다. 충분한전력을 내는 전극을 위해서는 FreeStyle™ 포도당 센서처럼 선속도를 조절해서도 안될 것입니다. 따라서 오래가는 바이오 연료전지를 만들기 위한 노력이 필요합니다.

선속도질량/(넓이∙시간)=질량 속도/넓이

FreeStyle™ 전극금 전극을 폴리아미드 막으로 싸고, GOx, Flux이동 제한막, 코팅을 차례로 깔았다.

천골신경 자극기골반 신경을 통한 부교감 신경계 자극으로 방광이 비워지고, 하복부 신경을 통한 교감 신경계 자극으로 방광이 비워지는 것을 막는다.음부 신경은 요도 괄약근의 골격근을 자극한다.또한 방광 근육과 유해한 자극을 감지해 공극을

유발하는 기능과 과잉 활동을 막아주는 기능이있다.

금 전극wired GOxFlux 이동 제한막생체 비활성 코팅폴리아미드

• 바이오 연료전지의 실용화를 위해서는 특성에 알맞게 적용 가능한 기기를 먼저 찾아야한다.

= 3-4. 바이오 연료전지의 실용화

Q. 의료기기 검증에는 어떤 항목들이 포함되나요?

재료 성질이나 안전성, 품질, 효능을 포함하여 기기별로 다양한항목들을 검증합니다.

Q. 촉매처럼 생물학적인 재료가 들어간 기기의 안정성 평가는다른 기기와 비교하여 어떤 다른 점이 있나요?

동물, 식물, 박테리아 등 조직이나 세포를 포함하는 의료기기는원칙적으로 비활성이어야 하지만, 안전성에 문제가 없으면서도기기의 성능이 저하되는 등의 사례가 있어 경우에 따라 다릅니다. 또한 그런 기기들의 생물학적인 기원을 가지고 있는 구성 성분은의도적으로 제어된 환경에서 유래되어야 합니다.

Center for Devices and Radiological HealthFDA-CDRH

= 3-5. 바이오 연료전지의 규격화

의료기기의 안정성 기준과 사후 관리에 대해 알아보다

Q. 의료기기의 안정성 기준은 어떻게 되나요?

각 기기는 그 성능 등이 상이하기 때문에 안정성 기준을 기기별로 세워야 하며 이를 위해 관련 데이터들을 모두 수집해야합니다. 또한, 제품이나 시스템에 대한 실무 지식이나 인체 행동 연구 및 인체 측정 데이터, 기준과 관련된 다양한 출처, 관련 이해 관계자로부터의 전문 지식과 과학적 조언 등을 통해 전문적인 기준의 개발이 필요합니다.

Q. 안정성 기준에서 ‘안전’에 관련된 부분은 어떤 항목들이 있나요?

예측 가능한 편차, 고장 특성, 유지 보수 관리, 사용별 요구, 환경호환성 등 많은 세부 항목들이 있습니다. 조립 설명서나안전 지시 같은 라벨링 등도 포함되어 있습니다.

Q. 사후 안전 관리는 어떻게 되나요?

사후에는 사업체를 위한 공정이나 위생, 데이터 수집 관련 수칙들이 있습니다. 만약 심각한 부작용이 발생했거나 기기의설계 및 개발 단계에서 수행된 위험 분석에서 고려되지 않은 사고로 문제가 발생할 경우에는 조치를 취하게 됩니다. 장치를 회수하거나 수정하거나 교환하거나 시판을 멈추는 등 여러 가지 조치방식들이 있습니다.

Q. 기기에 관한 데이터는 기업에서 관리를 하나요?

정부 대리 기관이 특정 기기나 그 기기 그룹에 대한 정보를 요청하고 공유할 수 있습니다. 이전에 보고된 것에 대한 심각성이나 빈도가 증가하면 기기의 규제 상태를 변경하는 경우도 있습니다. 이때, 심각하게 공중 보건을 위협하거나 다른 국가에도 영향을 미칠 수 있습니다.

명시된 심각한 부작용-신체 기능 또는 구조의 영구적인 손상-신체 기능 또는 구조의 영구적인 손상을 방지하게 위해 의료 또는외과적 개입이 필요한 상태-생명을 위협하는 질병이나 부상

NCAR 교환 프로그램정부 대리 기관이 의료기기 사업체의 행위를 감사하는 것으로 미국, 러시아, 유럽, 중국, 캐나다, 일본, 브라질, 호주에서 참여하고 있다.


Q. 의료기기마다 배터리의 규격이나 성능이 어떻게 다른가요?

의료기기의 배터리로는 보통 리튬 계열 배터리가 기본적으로 사용되고, 추가되는 것들에 차이가 있는데 이는 제조사마다 다릅니다. 현재 배터리 관련 규격은 따로 없는 상태입니다. 의료기기 상품을 허가할 때에는 배터리의 종류는 따지지는 않고, 실질적으로 이식한 후의 배터리 사용기간이나 용량 등 성능을주로 봅니다.

Q. 배터리 승인에는 어떤 절차가 필요한가요?

배터리 수준이 아닌 기기 수준에서 승인을 하는데, 국내에서 허가를 받으려면 GMP규격을 만족해야 합니다. 또 식약처에서 허가를 진행할 때 제품에 대한 기술 요약서와 시험 성적서, 주의사항, 추가시험자료 필요에 따라 임상자료를 제출해야 합니다. 이시험 성적서는 크게 안정성에 대한 시험과 성능에 대한 시험으로나눠져 있습니다.

식품의약품안전처 의료기기심사부 주무관손승호



Q. 삽입형 의료기기에 적용되는 규격은 무엇이 있나요?

삽입형 기기에 들어가는 공통 규격으로는 ‘ISO 14078’이 있습니다. 이는 능동형 의료기기*에대한 전반적인 공통 기준 규격입니다.

*능동형 의료기기: 그 목적을 위해 인체에서 생성된 것이 아닌 에너지원 또는 중력에 따라 작동하고 그 밀도를 변경하거나 그 에너지를 변환함으로써 작동하는 장치

Q. 규격에서는 어떤 항목들을 다루나요?

대부분은 본체의 출력 등 전기적인 특성을 다루고 있습니다. 누설 전류처럼 환자에게 위험요소가 되는 사항들을 고지하고 있고, 그 외에도 화재예방을 위한 소재나 기본적인 성능의 최소 요구사항을 정해 놓고 있습니다.

Q. 의료기기의 크기나 직경을 다루는 규격도 있나요?

혈관처럼 삽입되는 위치가 정해져 있거나 디바이스의 종류에 따라 규격이 정해진 경우도 있습니다. DF 1, DF 4, IS 1, IS 4 등의 규격이 있지만 이보다 더 중요한 것으로 인장강도나 삽입 적합성 등을 주로 평가하고 있습니다.

Q. 사후에는 어떤 모니터링이 이루어지나요?

저희의 의료기기 관리는 사전과 사후로 나뉩니다. 사전에는 GMP에서 제작이나 시술 과정들이얼마나 잘 정립되어 있는지, 또 어떻게 관리되는지 기획, 제작, 판매에 대한 부분을 검증합니다. 그 후 중요한 건 사후 과정인데, 사실 부작용이 없는 의료기기는 없다고 보면 됩니다. 부작용이발생하면 부작용에 대한 보고서를 제출하게 되는데, 먼저 업체에서 분석 후 등급을 나누고 적절한 조치를 취하는지를 모니터링하고 있습니다. 그 외에도 재평가나 수거 검사가 있는데 삽입형기기같은 경우에는 수거가 어렵기 때문에 GMP에서 정/수시 검사를 통해 확인하고 있습니다. 또 기기의 판매실적이나 이식환자, 유통경로를 기록 및 추적하고 있습니다.

Q. 의료기기, 특히 페이스메이커의 부작용 사례에는 어떤 것들이 있었나요?

출력 조율문제, 신호 감지 부분, 배터리 조기 방전 등의 문제가 있었습니다. 조기방전도 사실 환자가 조율하는 부위도 다를 수 있고, 여러 곳을 자극해야 할 수도 있어서 차이가 있습니다. 또 이식 후에 조직 부위에 석회화가 일어나면서 전기 감지도가 떨어지기 때문에 출력 값을 높이면서 정해져 있는 배터리 용량에 한계가 오는 속도 차이가 있는 것입니다.


의료기기 허가 전후 모니터링 모식도

제품개발허가

(업체, 제품)GMP적합

시판 후안전관리

(수거, 검사, 재평가, 추적관리, GMP 갱신심사 등)

사후관리사전관리

- 의료기기법- 의료기기법 시행령- 의료기기법 시행규칙- 의료기기 관련 고시- 관련 국내외 규격(KS, IEC, ISO 등)

1. 질병을 진단ㆍ치료ㆍ경감ㆍ처치 또는 예방할 목적으로 사용되는 제품2. 상해 또는 장애를 진단ㆍ치료ㆍ경감 또는보정할 목적으로 사용되는 제품3. 구조 또는 기능을 검사ㆍ대체 또는 변형할 목적으로 사용되는 제품4. 임신을 조절할 목적으로 사용되는 제품

의료기기란?

1) 인체와 접촉하고 있는 기간2) 침습의 정도3) 약품,에너지를 환자에게 전달하는지에 대한 여부4) 환자에게 생물학적 영향을 미치는지에 대한 여부

다 같은 의료기기가 아닙니다.인체에 어떤 영향을 주는지에 따라 등급이 나뉘게되고 다른 허가절차와 평가를 거치게 된다.

1등급

3등급

2등급

4등급

잠재적위험성

인체 내에 영구적으로 이식되는 의료기기심장, 중추신경계, 중앙혈관계 등에 직접 접촉되어 사용되는 의료기기동물조직/추출물 이용 또는 안전성 등의 검증을 위한 정보가불충분한 원자재를 사용한 의료기기

인체 내에 일정 기간 삽입되어 사용되거나, 잠재적 위험성이 높은 의료기기

사용 중 고장이나 이상으로 인한 인체에 대한 위험성은 있으나 생명의 위험 또는 중대한 기능장애에 직면할 가능성이 적어 잠재적 위험성이 낮은 의료기기

인체에 직접 접촉되지 아니하거나 접촉되더라도 잠재적 위험성이 거의 없고, 고장이나 이상으로 인하여 인체에 미치는 영향이 경미한 의료기기

의료기기 분류 기준

체내 삽입형 의료기기는 어디에 속할까?

바이오 연료전지는 체액 속의 포도당을 연료로 이용하므로 체내에서 사용할 수 있다는데 이점이 있다.

인체 내에서 사용되는 의료기기에는 인체 삽입형 전자 의료기기나 나노 로봇 등이 있다.

현재 인체 삽입형 전자 의료기기로는 보조심장장치, 삽입형 인공심장박동기, 삽입형 보행신경근 전기자극장치, 삽입형 심장충격기,

삽입형 보청기 등 19개 품목이 등록되어 있으며, 인체에 이식되어 반영구적/영구적으로 접촉하고 있다는 특성 때문에 3~4등급으로 판정되어 관리되고 있다.



⚫ 심사기관과 식약청 협조심사⚫ 서류 및 현장 검토

이 기준은 「의료기기법」 제19조 규정에 따라 품질에 대한 기준이 필요하다고 인정하는의료기기에 대하여 그 적용범위, 형상 또는 구조, 시험규격, 기재사항 등을 기준규격으로정하여 의료기기의 품질관리에 적정을 기하는데 그 목적을 두고 있다.

의료기기 규격 기준GMP

의료기기 제조, 수입업자 및 임상시험용 의료기기 제조, 수입자에 대한 GMP 적합성 평가에 있어평가절차 및 내용을 명확히 하여 투명성,공정성을 확보하고자 하는 것

의료기기 품질관리 심사 대상

의료기기 품질관리심사의 종류• 최초심사 : 제조 또는 수입 의료기기가 이 기준에 적합함을 인정받기 위해 최초로 받아야 하는 심사• 정기심사 : 최초심사 후 3년 주기로 실시하는 사후 관리 심사

(유효기간 만료일 3개월 전까지 이전에 신청하여야 함.)• 추가심사 : 별표 3에 따른 다른 품목군의 의료기기를 추가하는 경우 새로이 받아야 하는 심사• 변경심사 : 제조소의 소재지 변경에 따라 적합성평가를 새로이 받아야 하는 심사

다만, 제품의 품질과 관계가 적은 보관소, 시험실의 변경은 제외

시험기관 : 한국산업기술시험원(KTL), 한국기계전기전자시험연구원, 한국화학융합시험연구원, 한국생활환경시험연구원

행정규칙 현황 (기술문서 심사 관련 고시 10개)

- 의료기기 허가․신고․심사 등에 관한 규정

- 의료기기 품목 및 품목별 등급에 관한 규정

- 의료기기 전기․기계적 안전에 관한 공통기준규격

- 의료기기 전자파 안전에 관한 공통기준규격

- 의료기기 생물학적 안전에 관한 공통기준규격

- 전자의료기기 기준규격

- 의료기기 기준규격

- 의료기기의 안정성시험 기준

- 의료기기 임상시험 계획 승인에 관한 규정

- 의료기기 임상시험 기본문서 관리에 관한 규정

의료기기 개발 기술문서 심사신청 제조품목허가/신고 신청

허가품목 제조제조/수입

품질관리(GMP)심사 신청

제품 판매

허가

⚫ 수요조사⚫ 소비자 요구사항

정의 및 연구개발

⚫ 성능 및 안정성⚫ 임상시험⚫ 표준화문서 작성

⚫ 기술문서 심사⚫ 품목류별, 품목별 신고

• 의료기기를 제조 또는 수입하는 경우• 임상시험용 의료기기를 제조하는 경우



4적용 디바이스 제안


작동 원리





제조 공정도

이식 위치

제안

적용할 디바이스는 크게 ① 소모성 삽입형 의료기기와 ② 반영구적 삽입형 의료기기로나뉜다.

바이오 연료전지는 현재 적은 전력을 필요로 하는 몇몇의 디바이스들에 적용하기 충분할 정도의 성능을 보여주고 있다. 아직 실용화하기 위해서는 많은 연구가 필요하지만,가능성을 토대로 바이오 연료전지를 적용할 디바이스를 제안하고자 한다.

비뇨기계 삽입형 의료기기

노령 인구 중 많은 사람들이 비뇨기계에 문제를 겪고 있어 전망이 좋다.페이스메이커처럼 직접 전기자극을 주기 때문에 필요한전력 밀도와 위험도가 낮다.

적용 디바이스 제안

환자 모니터링 센서용 전원

수술이나 치료 이후에 짧은 기간 동안 환자 상태의 변동을 모니터하기 위한 센서로 이용할 수 있다.수명 문제에서 비교적 자유롭고, 센싱과 전원공급을 모두 수행할 수 있다는 장점이 있다.

약물 전달용 녹는 배터리

이 분야에서 바이오 연료전지는 뛰어난 생체적합성을 가진 전력공급원이 될 것이다. 그러나 전지 뿐만 아니라 회로 등의 부품들도 생체적합성을 가지고 있어야 한다.

군사용 디바이스

특수한 환경에서도 사용 가능한 연료를 쉽게 구하고구동할 수 있다.또한 척박한 환경에서 작고 간단한 소모성 의료기기로서 적절할 것으로 보인다.

페이스메이커

낮은 전력을 필요로 하기 때문에 바이오 연료전지로 충분히 구동 가능하며 기존 배터리의 수명문제를 해결해줄 수 있어 선택했다.

물론 지금보다 기술이 더 발전되어야 하지만, 체액으로 작동하는 바이오 연료전지가 실용화되면 페이스메이커를 이용하는 환자들의 신체적, 정신적, 경제적 부담을 크게 덜어줄 수 있을 것이다.

= 4. 제안

전극으로는, 생체적합성과 전기적 성능 그리고 물리적 성능까지 모두 만족하는 면섬유를 선택했다. 산화전극에는 커패시터 역할을 해주는 고분자(Polymer) 층을 쌓아 ‘바이오 연료전지-슈퍼 커패시터 하이브리드’ 형태의 전극을 제안할 것이다.

꼬인 형태

직물 형태와 마찬가지로 양극과 음극이 서로 붙어있어 쇼트가 발생하기 쉽다.

직물 형태

직물 형태는 제작이 어렵다는 단점이 있다.또한 쇼트가 발생할 가능성이 큰데, 이를 방지하기 위해 나피온 막을 쌓으면 전력 효율이 떨어진다.

단일 전극

가장 기본적인 형태이다.길이 1cm, 머리카락 굵기의 면섬유 단일전극만으로도현재의 페이스메이커 구동에 충분한 전력이 나온다.

병렬 연결

병렬 연결로 좀 더 안정적인 전력 공급이 가능하다. 전압은 단일 전극과 동일하지만 전력은 더 크다.

직렬 연결

페이스메이커를 구동하는 데에는 단일 전극이면충분하지만, 다른 삽입형 의료기기에도 사용할 수있을 만큼 충분한 전압을 생성할 수 있다는 것을보이기 위해 선택했다.

= 4. 제안


페이스메이커의 작동원리, 센싱 + 페이싱

페이스메이커는 느리거나 불규칙적인 심장박동을 전극을 통한 전기자극을 통하여 정상

상태로 유지해준다. 심장의 리듬에 이상이 생기면 페이스메이커는 이를 감지하여 규칙

적으로 박동할 수 있도록 전기자극을 내보내고, 전기자극은 심장 안에 삽입된 전극을 통

해 심장에 전달된다.

“현재 바이오 연료전지로 낼 수 있는 전력은페이스메이커를 구동하는데 충분합니다”

페이스메이커가 요구하는 전력: 8μW

바이오 연료전지가 생산할 수 있는 전력 : 3700μW/cm2

작동 원리

= 4. 제안

BFC-SC Pacemaker

센싱

서/부정맥 감지

순간출력

페이싱 정상파 회복

에너지 생산바이오 연료전지

잉여 에너지

에너지 저장슈퍼 커패시터

Cathode (MCF) Anode (GOx/MCF)

• 효소포도당 산화효소 (Glucose Oxidase, GOx)향후 단백질 공학을 통한 새로운 효소 개발 가능성 있음

• 효소 고정화 방법Ligand Exchange LbL, TREN과의 정전기적 인력

= 4. 제안


제조 공정

면섬유 전극 구조

O

H

O

H

N

H HN

H H

PEI

PEI

MCF를 GOx/PBS에침지 후 PBS로 세척해

약하게 흡착된 GOx 제거GOx는 MCF에

정전기적 인력으로 흡착

O

H

O

H

N

H HN

H H

PEI

PEI반복

MCF/GOx를 TREN에침지시킨 후 PBS로 세척원하는 수의 층이 얻어질

때까지 반복

GOx/MCF (Anode)

• 전극금 나노 입자를 코팅한 면섬유 (Metallic Cotton Fiber, MCF)

MCF (Cathode)

PEI

PEI

Ethanol

O

H

O

H

N

H H

PEI

N

H H

PEI

Ethanol

O

H

O

H

N

H H

PEI

N

H H

PEI

NH2기로 치환된PEI의 에탄올 용액에

OH기로 치환된면섬유를 침지

PEI의 NH2기와면섬유의 OH기가

수소결합

TOA-Au NP용액에 침지Au NP의 TOA 리간드가PEI의 NH2기로 대체됨

톨루엔 워싱

약하게 흡착된TOA-Au NP 제거 후TREN 용액에 침지

O

HO

H

N

H H N

H H

PEIPEI

O

H

O

H

N

H HN

H H

NH2

O

H

O

H

N

H HN

H H

PEI

PEI

과량의 TREN 제거TOA-Au NP용액에침지 후 톨루엔 워싱

에탄올 워싱

O

H

O

H

N

H HN

H H

PEI

PEI

원하는 수의 층이얻어질 때까지연속적 반복

반복PEI

수소결합

TREN

금 나노 입자

TOA

바이오 연료전지-슈퍼 커패시터하이브리드

에너지 밀도가 높은 연료전지의 장점과전력 밀도가 높은 슈퍼 커패시터의 장점을 모두 가질 수 있다.

면섬유로 만든 산화전극에 전도성 고분자,

PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))

을 쌓는다. 이때 PEG(Polyethylene glycol)는

PEDOT의 전자 전달을 더 용이하게 해준다.

면섬유 전극을 사용해 하이브리드 전지를 만들자!

하이브리드 원리

산화전극에 전도성 고분자를 쌓으면,

고분자 표면에 전하를 저장할 수 있어

커패시터의 역할을 하게 된다.

또한, 효소 고정을 돕는 효과도 있다.

PE

DO

T

만들어진 MCF/GOx 전극을PEDOT/PEG용액에 침지

= 4. 제안


• 티타늄케이스50*40*10

• 배터리가 전체 부피의60%이상 차지

• 리튬 이온 배터리

• 티타늄케이스20*30*10

• 케이스에 BFC-SC 패치가부착되어있는 형태

Biofuel cell

Super cap

DC/DCconverter

외형 변화

회로 변화


BFC-SC Patch

= 4. 제안

BFC-SC 패치형 전지는 면섬유 전극과 고분자 코팅을 이용하여 바이오 연료전지와 슈퍼 커패시터의 기능을 동시에 하는 하이브리드 전지이다.이 패치형 전지는 기기의 기존 배터리를 대신하기 때문에 기기의 소형화가 가능하며 적용할 때 전지를 연결할 단자를설치한다는 점 외에는 추가적인 변형이 필요 없다.

BFC-SC 패치 전면

• 전면에 면섬유 전극 anode와 cathode를고정한다.

• 전극과 패치의 연결부는 에폭시 수지로 처리한다.

• 전력 효율을 높이기 위해 하나의 긴 전극을사용한다.

• 기판은 절연, 방수물질을 사용해 도선의 단선과 체액에 누설전류가 흘러 발생할 수 있는 감전을 방지한다.

• 패치는 의료용 접착제를 이용해 기기에 부착한다.

• 단자로는 전도성이 좋은 금속을 사용한다.• 전극의 말단에는 silver paste를 이용하여

단자와 연결할 수 있도록 처리한다.

BFC-SC 패치 후면

<회로 디자인>

내부

리드 부분

외부


= 4. 제안

Anode Cathode

부품 입고

커넥터 모듈 조립

커넥터 모듈 용접/환자 경보음 검증

성능 시험

압력 게이지 시험

세척, 외관검사,멸균포장

멸균

최종포장

최종 프로그래밍/프로그래밍 시험

출고 검사

부품 공급처로부터 전달받은 구성품이 공급처의 성적서/인증서 또는 직접 시험을 진행하여요구사항에 적합한지 확인한다. 적합한 부품은 모두 제품이 만들어지는 곳으로 보내진다.

커넥터 모듈이 전기 모듈에 접합된다. 각각의 feedthrough 와이어는 커넥터에 적절하게 용접되고 의료용 접착제로 보호,환자 경보음 기능을 시험한다.

제품이 출하되기 이전, 최종 성능시험을 진행한다.

기기의 커넥터가 완전한 상태인지 확인한다.

육안으로 기기의 외관이 적절한지 확인한다.

EO 가스 멸균을 진행한다.

제품의 최종 포장을 진행한다.

공장 출고 상태로 세팅되어 있는지 확인한다.

최종 출고 상태를 검사한다.

효소가 외부에 노출되어 있는 특성상 EO 말고 다른 살균 방법이 필요하다.→ 완충액에 침지 후 감마선 조사 (US20150157750A1)

BFC-SC Patch 부착

전기 모듈 조립

쉴드 케이스 용접

일반적인 페이스메이커 공정에서는 전기 모듈 조립에서 커패시터, 배터리, 회로가 한 번에조립되지만, 해당 공정에서는커패시터와 배터리 두 가지 역할이 가능한 BFC-SC 패치를부착한다.

- 커넥터 모듈 조립: 전기 모듈 어셈블리에 조립되기 전 부품을 조립하여 커넥터를 만든다.➢ BFC-SC Patch 부착: 기기의 단자 부분을 확인하여 BFC-SC 패치의 위치를 조정

하고,의료용 접착제를 이용하여 부착한다.- 전기 모듈 조립: 회로가 쉴드 어셈블리에 장착되고 feedthrough와 연결되어 최종기기의 전기적 연결

을 완성한다. desiccant 역시 용접이 진행되고 나서 쉴드 내부의 수분을 조절하기 위해 추가된다.

- 쉴드 케이스 용접: 전기 모듈 반쪽 두 개의 쉴드 조각을 밀봉 레이저 실링을 통해 하나로 합친다.

= 4. 제안

제조 공정도

고려사항 :

✓ 충분한 농도의 포도당과 산소가 포함되어 있어야 하며 빠르게 보충될 수 있어야 한다.

✓ 전기 촉매 반응은 생리학적 조건(pH 7 및 37℃)에서 최적이어야 한다.

혈관에 이식할 수 있을까? 문제는혈액적합성

혈중 포도당과 산소의 농도가 가장 높다는 점을 감안하여,이상적으로는 바이오 연료전지가 혈관에 이식되어야 한다. 그러나 외부 물질의 존재는 혈액 순환을 변화시키거나 심장이나 순환기에 문제를 일으킬 수 있다. 혈액은 다소 복잡한 매개체이다. 혈관에 이식하려면 ‘생체적합성’보다 더 어려운 ‘혈액적합성’이 필요하다.

포도당과산소는충분할까?혈액 간질액 림프

세포

적혈구

식세포 작용이있는 백혈구

림프구혈소판

백혈구

단백질

호르몬 약간의 호르몬

약간의단백질

혈장 단백질(알부민, 글로불린,

피브리노겐)

세포가 분비한단백질

지질 Lipoprotein 형태 없음식후에는혈액보다

많음

포도당 80~120mg/100ml 적음(세포가 흡수) 적음

아미노산 간질액보다 많음 적음(세포가 흡수) 적음

산소 간질액보다 많음 적음(세포가 흡수) 적음

이산화탄소 간질액보다 적음 많음(세포가 흡수) 많음

사람의 간에서는 탄수화물이 포도당으로 바뀌는전환이 안정적인 혈당의 필요로 인해 지속적으로일어난다.또한, 포도당의 산화는 포도당의 농도에 따라서 결정되므로 인체 내에서 포도당 소비에 의한 영향은 크게 걱정하지 않아도 된다. 산소의 소비도 인체에 큰 영향을 미치지 않는다.

간질액은 주변 세포에 필요한 성분들을 넘겨주는역할을 하기 때문에 혈액보다는 포도당이나 산소의 농도가 낮다. 그러나 바이오 연료전지의 연료로 사용되기에 충분한 농도이며 혈액 응고, 혈전증 등이 발생할 수 있는 혈관보다 이식하기 안전한 위치이다.

간질액의 가능성

혈액의 구성 성분

== 4. 제안

이식 위치

마무리5어떤 점이 해결되어야 할까?


연구의 필요성 인지

최근 의료기기 산업이 폭발적으로 발전하면서 다양한 전력공급원이 요구되고 있다. 따라서 이러한 요구를 만족시키기 위해‘작고, 강력하고, 오래 지속되며 생체적합적인 전원’을 찾기 위한 연구가 필요하다.

해결되어야 하는 공학적 문제들

바이오 연료전지는 현재, 소모성 삽입형 의료기기에 사용 가능할 정도의 성능을 내고 있다.

포도당 산화효소를 이용한 연속형 혈당 측정기가 성공적으로 상업화되었듯이바이오 연료전지의 장점이 필요한 적절한 디바이스가 있다면 지금도 상업화될 수 있다고 생각한다.

그러나, 다양한 반영구적 삽입형 의료기기에 쓰이기 위해서는생체적합성과 안정성, 성능 향상에 관한 연구가 선행되어야 한다.

덧붙여 바이오 연료전지뿐만 아니라 함께 사용 가능한, 생체적합성이 있는 에너지 저장 장치의 개발은바이오 연료전지의 활용을 더욱 다양하게 해줄 것이다.

이상적인 생체 삽입용 전력공급원

바이오 연료전지에서 충분한 수명과 안정성만 확보된다면, 인류의 복지에 크게 기여할 수 있을 것이다.

어떤 점이 해결되어야 할까?= 5. 마무리


= 5. 마무리

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저는 뇌-컴퓨터 인터페이스에 대해 사람들이 더 관심을 가져야 한다고 생각해요. 게임 산업뿐만 아니라장애를 가진 사람들이 인공 팔다리를 움직일 수 있게하는 시스템 같은 거요.

Adam Heller 교수님

디바이스에만 집중하지 말고 소재에도 관심을 가져줬으면 좋겠어요. 이 물질 저 물질 조립만 하면속으로는 허전할 거예요. 근데 또 물질만 알고 어플리케이션을 모르면 반쪽이에요. 물질과 계면,디바이스까지 전체적으로 알아야 경쟁력을 갖출수 있어요.

조진한 교수님

여러 분야의 전문가들이 바이오 연료전지 분야에 관심을 가졌으면 좋겠어요. 지금까지 해놓은것보다 해야 할 게 더 많은 분야인데, 바이오나화학공학 뿐만 아니라 다른 생각을 가진 연구자들의 아이디어가 있어야 여러 가지 방향으로 발전할 수 있으니까요. 좀 더 좋은 방법들을 배울수 있는 기회가 많이 생겼으면 좋겠어요.

즐겁게 하세요,

과학은 언제나 즐거워야 해요!

Shelley D. Minteer 교수님

여러 분야의 연구자들이 학문 간의벽을 세우지 말고 열린 마음으로 함께 토론하고 두려움 없이 받아들일걸 받아들였으면 해요. 젊은 과학자들이 자기의 꿈과 잠재력을 낮추는일이 없으면 좋겠어요.

허윤석 교수님

지금 4차 산업혁명 얘기가 있죠. 인공지능, 5G 네트워크나 무인자동차 등 이런 거를 생각해보면 배터리는 대부분 들어가야 되거든요. 이처럼 배터리 신기술은 굉장히 중요해요. 그리고 그걸 선도하는 산업이 있는 나라 중 하나가 한국이기 때문에 배터리 연구가 굉장히 중요해요. 그래서 젊은 연구자들이 배터리에 관심을 많이 갖고 연구를 많이 하면 학구적으로도 좋지만 한국 산업 발전에도 기여할 가능성이 많을 거예요.

이승우 교수님

권정훈 박사님

과학이 항상 긍정적인 방향으로 나아가지는 않지만,

많은 사람들이 모든 인류에게 건강하고 행복한 삶을 주기 위해

노력하고 있다는 점은 분명합니다.

바이오 연료전지는 우리 몸을 위한 이상적인 전력공급원으로서

삽입형 의료기기 시장에 큰 가능성을 열어줄 수 있습니다.

충분한 연구가 진행되어 이러한 전지가 실용화된다면

기존 생체 삽입형 기기들의 부피는 줄이면서 수명을 늘릴 수 있고,

실용화하기 어려웠던 약물전달 시스템이나 나노 로봇 등의 개발에도

기여하게 될 것입니다.

IT, BT 등 다양한 기술들이 융·복합된 새로운 의료 산업의 발전으로

모두가 건강하게 살 수 있는 날이 오길 기대하며 보고서를 마치겠습니다.

마치며

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삽입형의료기기의새운 전력공원을 찾아서 - lg...

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