'플로우 인버터(Flow inverter)'는 동맥류낭의 혈액 방향을 전환하는 소형 이식장치다. 혈류의 상태를 모니터하는 것은 상당히 까다로운 일이며, 영상 촬영으로도 진단하기 힘들다. 한 의료공학 연구팀은 혈관의 혈액 역학을 추적할 수 있는 플로우 인버터용 센서를 개발했다.
이번 연구는 조지아공과대학과 한국재료연구소(KIMS), 피츠버그대학이 공동으로 진행했다. 이로 인해 플로우 인버터 임플란트를 이식받은 사람들을 보다 편리하게 모니터할 수 있으리라고 전망된다.
플로우 인버터 전용 신축성 센서
동맥벽이 근본적인 원인으로 인해 약화되면, 일부가 비정상적으로 부풀어 오르거나 팽창돼 동맥류가 생긴다. 미국심장협회에 따르면, 동맥류는 진행되는데 여러 해가 걸리지만, 터지게 되면 어지러움과 메스꺼움, 구토, 냉습 피부, 통증, 심장박동 증가 같은 증상을 유발한다.
파열된 동맥류는 저혈압과 쇼크의 원인이 되며, 치명적일 수 있다. 파열됐는지 여부는 혈관 조영술이나 CT 스캔, 초음파 촬영으로 감지할 수 있으며, 파열을 예방하는 방법은 플로우 인버터 이식이다. 인버터는 동맥류 속 혈류의 방향을 전환하는 기능을 한다.
한편, 조지아공과대학의 공학자들은 개념입증 연구를 통해 신축성이 있는 센서를 개발했다. 임상의들은 이 센서를 사용해 기존에 사용하던 도구보다 편리하고 비용 효과가 높으며 효율적인 방식으로 플로우 인버터와 혈류를 모니터할 수 있게 됐다.
"나노 구조의 센서 시스템으로 환자들은 비침습적 동맥류 치료를 받을 수 있게 됐으며 모니터 기능도 강화할 수 있게 됐다. 통합 시스템으로 수술 후 혈액 역할을 관찰해 의사들은 원활하게 후속 치료를 진행할 수 있다"고 이번 연구의 공동 저자인 조지아공과대학 기계공학과 여운홍 부교수는 설명했다.
센서 시스템의 구성
백금 소재의 코일은 최소한의 침습적 수술을 포함해 혈관 내 치료에 사용되는 기본 소재다. 그러나 플로우 인버터는 혈관 내 수술에 새로운 방법을 도입했다. 뇌동맥류를 위해 특별하게 고안됐는데, 툭 튀어나온 동맥류낭에서 혈류를 전환하기 위해 다공성 스텐트를 동맥류의 연결부에 설치했다.
연구팀은 개념입증 연구에서 니티놀(nitinol)이라는 다공성인 얇은 막으로 신축성이 높은 플로우 인버터를 만들어냈다. 니티놀 또는 형상기억합금은 니켈-티타늄 금속합금으로 만들었으며, 생물 호환 가능성과 높은 장력, 높은 유연성 같은 특별한 특성이 있다.
센서는 유전체로 둘러싸인 두 겹의 금속으로 구성된 단일 마이크로 막으로 되어 있으며, 신축성 있는 플로우 인버터 주위를 감싸고 있다. 연구팀은 나노 제작과 소재전달인쇄기법을 사용해 센서를 제작한 후 탄성 중합체형 소재로 감쌌다.
"기존의 플로우 인버터는 뇌동맥류낭 속에서 혈류 역학을 실시간으로 모니터하지 못했다. 하지만 이번 협업을 통해 수술 시 혹은 수술 후 혈류의 변화를 관찰할 수 있는 스마트 플로우 인버터를 개발하게 됐다"고 연구의 공동저자인 피츠버그대학 공학과의 천영재 부교수는 말했다.
동물 혈관으로 스마트 플로우 인버터 테스트
뇌동맥류를 위한 표준 모니터링 시스템에는 혈관 조영술과 MRI 같은 값비싼 진단 도구가 포함되어 있다. 반면, 스마트 플로우 인버터는 무선 유도 코일을 사용해 혈관을 모니터할 수 있다.
연구팀은 혈류를 모니터할 수 있는 기능을 확인하기 위해 금과 마그네슘, 니티놀 등 다른 소재를 사용해 세 가지 버전의 센서를 만들었다. 그리고 동맥류 혈류를 측정하기 위해 돼지의 대동맥을 사용해 체외 테스트를 실시했다. 연구 결과에 따르면, 센서는 혈류에서 발생하는 변화에 매우 민감하게 반응했다. 그리고 초당 0.032m 정도로 적은 검출 한계를 보였다.
세 가지 다른 센서가 체내에서 사용될 수 있을 정도로 민감하고 안전한지 확인했으나 마그네슘 기반 센서만이 혈류에서 분해 가능성을 보였다.
연구팀은 센서를 테스트하면서 가이드 와이어에 적절하게 연결하는 방법도 고안해야 했다. 그리고 현재는 살아있는 동물 모델에서 무선 버전의 이식을 테스트하는 중이다. 위치로 인한 압박이나 혈관 내 적절한 위치 같은 뇌 이식 센서로 인한 문제점도 검토하고 있다.
동맥류는 즉각적인 의료적 개입으로 치료할 수 있지만, 사람들은 스스로 혈압을 낮추고 건강한 식단을 따르며 규칙적인 운동을 통해 위험성을 낮춰야 하는 질병이다.
[메디컬리포트=김성은 기자]