심장판막 닮은 자성밸브 활용 심혈관 시뮬레이터 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국연구재단은 경희대학교 박윤석 교수 연구팀이 인간의 대동맥 판막 구조를 모사한 생체모사형 소프트 심장 밸브와 정밀한 자기장 제어로 복잡한 맥압 파형 구현이 가능한 고정밀 심혈관 시뮬레이터를 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

심혈관 질환은 전 세계 사망원인 1위 질환으로 조기 진단과 치료법 개발을 위한 생리학적 이해가 중요하다.

인체의 혈압 및 맥압 변화를 모사하는 심혈관 시뮬레이터는 이를 위한 핵심 연구 장치로 사용되고 있다. 하지만 기존 심혈관 시뮬레이터는 주로 기계식 밸브나 유압 펌프 방식으로 부피가 크고 정밀 제어가 어려운 한계가 있다.

특히 빠른 심박수, 부정맥 등과 같은 병리적 상태까지 구현하기 위해서는 응답 속도와 정밀도가 높은 밸브 시스템이 절실한 상황이다.

연구팀은 사람의 대동맥 판막 구조에서 착안한 소프트 자성 밸브와 자성 심장판막을 핵심기술로 하는 심혈관 시뮬레이터를 개발했다.

심장 대동맥 판막은 3개의 판막엽으로 돼 있어 심장 박동에 따라 혈액을 한 방향으로 흐르게 한다. 이 3엽 구조를 닮은 자성 심장판막과 소프트 자성 밸브가 외부 자기장의 세기·방향에 따라 마치 대동맥 판막처럼 자연스럽게 작동하는 시스템이다.

특히 유연성과 복원력이 우수한 탄성 고분자에 네오디뮴 자기입자를 균일하게 혼합한 복합체로 제작해 외부 자기장에 따라 형태가 변하며 밸브의 개폐 동작을 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있게 구현했다.

인공혈관 실험에서 불과 수 밀리미터의 자기장 변화만으로도 개폐 동작을 수행하는 높은 반응성을 보였고 밸브 응답 시간은 최대 150밀리초(ms)로 기존 유연 밸브보다 매우 신속한 전환 성능을 달성했다.

분당 심박수 300의 극단적 조건에서도 안정적으로 동작할 수 있는 수준으로 유아부터 성인의 혈압 파형을 1수은주 밀리미터(mmHg) 이내 오차로 정밀하게 재현 가능하다.

박 교수는 "자기장을 통해 실시간으로 유체의 흐름과 압력을 제어할 수 있는 이번 심혈관 시뮬레이터는 비정상적 맥압 파형까지도 세밀하게 모사할 수 있다"며 "생체모사 시스템과 의료용 시뮬레이터, 휴머노이드 로봇 심장 개발 등으로 확장이 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr