MIT, 삼키면 체내에서 분해되는 종이 배터리 개발

약처럼 삼켜서 일정 기간 전력을 내고 몸속에서 서서히 사라지는 배터리가 나왔다. 섭취형 의료 전자기기의 가장 큰 걸림돌인 전원 문제에 대한 새 답이다.

마그네슘·종이 복합체 전극…최고 1.84V 발생

생체흡수성 종이 배터리는 살아 있는 몸속에서 작동하다 스스로 분해되도록 설계된 전원이다. MIT 지오반니 트라베르소 교수 연구진이 개발했고, 22일 네이처 화학 공학에 공식 게재됐다.

구조는 종이처럼 얇은 복합체가 핵심이다. 마그네슘 합금 음극과 삼산화몰리브데넘 종이 복합체 양극 사이를 염화콜린과 젖산으로 만든 생분해성 이온성 액체가 잇는다.

외피는 밀랍과 칸데릴라 왁스 이중 구조다. 밀랍이 위장관의 산과 수분으로부터 단기간 보호하고, 습기에 강하고 분해가 느린 칸데릴라 왁스가 작동 시간을 끌어준다. 이 배터리는 최고 1.84V를 발생시켰다.

일반 알칼리 전지나 리튬이온전지는 체내에서 분해되지 않는 재료를 쓰기 때문에 손상되면 전해질 누출이나 조직 손상 위험이 있다. 연구진은 회수가 필요 없는 전원으로 이 한계를 피하는 설계를 택했다.

돼지 위서 3일 작동…RFID 태그 1.5m서 판독

검증은 두 가지 전임상 실험으로 진행됐다. 배터리는 표준 000호 젤라틴 캡슐에 들어가는 지름 7.5mm 소형형과 길이 24mm, 폭 8mm 대형형으로 제작됐다.

첫 실험은 약 복용 추적이다. 소형 배터리와 무선주파수 식별(RFID) 태그를 한 캡슐에 넣어 돼지 식도에 투여했다. 외부 판독기가 1.5m 떨어진 곳에서 태그와 안정적으로 통신했고, 캡슐이 공기 중에 있을 때와 식도 안에 있을 때 신호 세기가 달라지는 점을 이용해 실제 섭취 여부도 확인했다.

두 번째 실험은 위장관 질환 치료에 쓰이는 전기자극이다. 배터리와 생체흡수성 전극을 넣은 캡슐을 돼지 위에 위치시키고 20분간 자극을 가했다. 배고픔 호르몬인 그렐린의 혈중 농도가 평균 36.3%, 최대 약 50% 올랐고 자극 부위에는 손상이 관찰되지 않았다.

배터리의 위 체류 실험에서는 3일째까지 기능이 유지됐다. 전압과 에너지 밀도는 시간이 지나며 점차 낮아졌다.

흡수 안 되는 칩은 자연 배설…체내 잔류 최소화

분해 결과도 확인됐다. 배터리와 전극, 연결선, 캡슐 등 생체흡수성 또는 생분해성 부품은 점차 분해됐고, 흡수되지 않는 RFID 칩과 회로기판은 자연적으로 배설됐다.

연구진은 이런 설계가 체내에 남는 전자부품을 줄이면서 필요한 기간만 작동하는 기기를 만드는 기반이 된다고 설명했다. 약물 전달과 생체감지, 실시간 건강 모니터링이 섭취형 기기의 주요 활용 영역이다.

사람 적용 남은 과제…장기 안전성·완전 생체흡수성

상용화 앞에는 넘어야 할 단계가 남아 있다. 연구진은 돼지 전임상 결과라는 점을 분명히 하면서 사람 적용을 위해 장기적인 안전성과 성능, 완전한 생체흡수성 확보 검증이 필요하다고 밝혔다.

전문가들은 섭취형 전자기기 시장이 실시간 모니터링과 전기약물치료 수요와 함께 커지는 만큼, 안전하게 사라지는 전원의 확보가 기기 설계 자유도를 크게 넓힐 것으로 보고 있다. 배터리 수명과 분해 속도를 용도별로 조절하는 다음 단계 연구가 관전 포인트다.