과학기술정보통신부	보도자료

보도시점	2024. 4. 3.(수) 12:00 (2024. 4. 4.(목) 조간)	배포	2024. 4. 3.(수) 09:00

4월 과학기술인상, 성균관대 손동희 교수 선정

- 주사 방식으로 생체조직에 이식하여 손상 조직 재생 돕는 조직보철 연구

- 바느질 없이 심장에 부착하는 전자스티커로 심혈관질환 정밀 진단 및 치료

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 4월 수상자로 성균관대학교 전자전기공학부 손동희 교수를 선정했다고 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.

손동희 교수는 손상된 신경 및 근육, 심혈관 조직에 간편하게 접착하여 장기간 안정적인 인터페이싱*이 가능한 신축성 바이오 전자소자 시스템을 개발하여 로봇보조 기반의 보행재활기술을 최초로 구현한 공로를 인정받았다.

*인터페이싱(interfacing): 신경·근육 등 생체조직에 부착한 전자소자가 이들 조직의 움직임을 방해하지 않고, 생체신호를 고민감도로 측정하거나 전기신호를 보내 조직의 재생을 돕는 일련의 작용을 의미함.

근육과 신경이 심각하게 손상된 경우 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 기능적 결손과 장애가 발생할 수 있다. 이에 손상 조직의 회복을 촉진하는 체내 이식형 소자와 보행보조로봇 같은 웨어러블 장치를 통합한 바이오 전자소자 시스템 개발이 활발하다. 하지만 기존 시스템은 소재의 유연성과 내구성이 부족하여 이식 후 생체조직에 염증을 유발하는 등 어려움이 있었다.

손동희 교수는 생체조직처럼 부드럽고, 신축성과 접착성이 우수하며, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 신호를 잘 전달하는 하이드로젤 전극소재 및 전자소자를 개발하였다. 나아가 이들을 주사로 생체에 이식하는 방법과 바이오 전자스티커로 피부에 부착하는 두 가지 방법으로 ‘생체조직에 인터페이싱 가능한 신축성 바이오 전자소자 시스템’을 개발하였다.

먼저 주사형 시스템으로 앞다리 근육이 심하게 손상된 실험쥐에 전도성 하이드로젤을 주사한 후 근조직 재생 효과를 확인하였다. 또한 근조직이 손상된 실험쥐의 말초신경에 전기 자극을 주고, 이때 발생한 근전도 신호로 보행보조로봇을 작동시켜 재활을 돕자 실험쥐는 3일 만에 정상적 보행이 가능해졌다. 연구내용은 네이처(Nature)에 2023년 11월 발표되었다.

또한 스티커형 시스템으로 수축과 이완을 반복하는 동물의 심외막에 수술을 통한 바느질 없이 접착성이 우수한 바이오 전자스티커를 장기간 부착하는 데 성공하였다. 실험결과 바이오 전자스티커는 한 달 동안 안정적으로 심전도를 계측하여 부정맥 등 심전도 진단과 전기자극을 통한 효과적인 심박조율이 가능함을 증명하였다. 관련성과는 2023년 9월 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 소개되었다.

손동희 교수는 “주사형과 스티커형 바이오전자소자 시스템 원천기술을 개발하고 실험을 통해 심혈관계와 신경근계 중증 질환 정밀 진단과 재생·재활 치료 효과가 향상됨을 확인하였다”라며 “향후 장시간 안정적인 전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 갖는 차세대 전자약으로 발전시켜 체내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료에 도움을 주고 싶다”라고 밝혔다.

붙임 1. '24년 4월 수상자 주요 연구성과 설명

2. '24년 4월 수상자 이력

3. '24년 4월 수상자 인터뷰

담당 부서	미래인재정책국	책임자	팀 장	김형수	(044-202-4850)
	과학기술안전기반팀	담당자	사무관	남민우	(044-202-4851)
관련 기관	한국연구재단	책임자	실 장	강동환	(042-869-6110)
	홍보기획팀	담당자	연구위원	최향미	(042-869-6111)

참고1		'24년 4월 수상자(손동희 교수) 주요 연구성과 설명

<생체조직 인터페이싱 가능한 신축성 바이오전자소자 시스템 개발>

ㅇ 주사형 신축성 바이오전자시스템 이용한 조직 보철과 조기보행재활 기술 개발

히알루론산 소재에 금 나노입자를 투입해 높은 전기전도도를 갖는 하이드로젤 소재를 개발하였다. 주사 방식은 기존에 이식이 어려웠던 복잡하고 작은 신경 및 근육 조직에 효과적으로 적용 가능해 조직 재생 효율을 극대화하였다. 또한, 자가치유성 신축성 전자소자 표면에 코팅하여 신경 및 근육에서 전기자극 및 생체신호 계측이 용이하며, 이를 기반으로 조직 보철 및 로봇 기반의 조기보행재활이 가능하게 하였다.

ㅇ 심혈관계 질환 정밀 진단 및 치료를 위한 심장 접착 가능한 스티커형 바이오전자소자 시스템 기술

부드럽고 응력 완화 특성이 뛰어난 네트워크 구조의 자가치유성 신축성 고분자 기판, 조직접착 하이드로젤 및 액체금속 기반 복합체 전극의 3중층 구조를 갖는 패치형 바이오전자소자 시스템을 개발하였다. 조직 접착능 및 기계적 복원력을 기반으로 바느질 없이 심장에 부착이 가능하다. 또한, 신축성이 우수한 액체금속 기반의 전도성 복합체와 하이드로젤 간의 금속배위결합을 통해 전하전달능력이 개선되는 것을 이론적 원리 및 실험으로 규명하였다. 우수한 기계적/전기적 특성을 기반으로, 심근경색 및 부정맥 진단 및 치료가 효과적으로 가능함을 입증하였다.

참고2		'24년 4월 수상자(손동희 교수) 이력

□ 인적사항
o 성명 : 손동희 o 생년 : 1983년 o 소속 : 성균관대학교 전자전기공학부 o 전화 : 031-290-7696 o 이메일 : daniel3600@g.skku.edu
□ 주요 학력
o 2012.03. ~ 2015.08.	서울대학교 화학생물공학부 박사
o 2007.03. ~ 2009.02.	서울대학교 나노과학기술협동과정 석사
o 2001.03. ~ 2007.02.	고려대학교 물리학과 학사
□ 주요 경력
o 2023.09. ~ 현재.	성균관대학교학교 전자전기공학부 부교수
o 2019.09. ~ 2023.08.	성균관대학교학교 전자전기공학부 조교수
o 2019.04. ~ 2019.08.	KIST-연세대학교 융합연구원 학연교수
o 2017.08. ~ 2019.08.	한국과학기술연구원(KIST) 의공학연구소 선임연구원
o 2016.07. ~ 2017.06.	미국 스탠포드대학교(Stanford University) 화학공학화 박사후연구원
o 2015.09. ~ 2016.06.	기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 박사후연구원
o 2009.02. ~ 2011.03.	하이닉스반도체 연구소 선임연구원
□ 전문 분야
o 신축성 자가치유성 체내 이식형 바이오전자소자 시스템 o 신축성 자가치유성 웨어러블 바이오전자소자 시스템 o 신축성 전자약 시스템 o 신축성 비휘발성 메모리 소자

참고3		'24년 4월 수상자(손동희 교수) 인터뷰

성균관대 손동희 교수는 난치성 신경질환 극복을 위한 최적의 치료시스템 개발을 목표로 생체조직 인터페이싱이 가능한 신축성 바이오 전자소자 시스템을 연구하는 젊은 과학자입니다. 기존의 한계를 뛰어넘기 위해 남들이 시도하지 않았던 주제를 발굴하고, 새로운 방법론을 찾는 과정에서 어려움도 많았는데요. 손동희 교수가 우수한 연구성과를 도출해온 원동력은 전기전자는 물론 신소재와 바이오, 의료, 기계공학 등 다양한 학문 분야 출신 실험실 구성원들이 서로의 다양한 관점과 연구 방법을 공유하며 발전시킨 연구 열정입니다. 아픈 환자들에게 희망을 주는 연구, 건강한 사회 구현에 이바지하는 연구를 위해 도전하는 손동희 교수를 소개합니다.

o 4월의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다.

- 이달의 과학기술인상을 수상하게 되어 매우 기쁩니다. 제가 부족함이 많음에도 불구하고, 신축성 바이오전자소자 시스템 융합연구를 그동안 함께 해온 연구실 학생들의 헌신과 노력, 그리고 동료 및 지도 교수님들의 귀중한 조언과 격려 덕분에 이러한 큰 상을 수상할 수 있었습니다. 이분들에게 감사의 말씀을 거듭 전하고 싶습니다.

o 전기/전자공학과 바이오를 융합하여 신축성 자가치유성 소재와 소자를 기반으로 바이오전자시스템을 개발해 오셨습니다. 주요 연구주제에 대해 소개해주세요.

- 저희 연구실은 상처 발생 시 스스로 회복 가능하며, 신축성과 접착력이 우수해 인체 조직에 쉽게 부착할 수 있는 소재를 개발하고, 나아가 생체신호를 측정하는 센서 및 전기자극기와 같은‘신축성 자가치유성 전자의료보철 시스템’을 개발하고 있습니다. 또한 의과대학과 협력하여 소재-소자-시스템-전임상을 모두 아우르는 융합연구를 활발히 진행하고 있습니다. 저희 연구실은 전자전기공학부 소속이지만, 학생들의 학부 전공은 전자공학, 의공학, 신소재공학, 기계공학, 화학 등으로 다양합니다. 저의 융합연구는 신축성 자가치유성 소재 개발에서 출발합니다. 특히, 뇌, 심장, 말초신경, 피부 등 인체 내 여러 장기들의 기계적 특성과 유사하여 매우 부드러우면서 내구성이 좋고, 조직에 접착이 가능한 바이오전자소재를 제작합니다. 이러한 소재를 기반으로 개발된 신축성 자가치유성 바이오전자소자 시스템은 중추 및 말초신경, 심장, 피부 등 인체 장기에 쉽고 간편하게 부착이 가능합니다. 따라서 장기간 염증 없이 말초신경병, 심장병 및 뇌전증과 같은 다양한 난치성 질병을 진단하고 치료 하는데 적용되고 있습니다.

o 학부에서 물리학을 공부하신 후 대학원에서 나노와 바이오를 융합하며 연구 분야를 개척하셨는데요. 지금의 연구에 천착하기까지의 과정도 궁금합니다.

- 석사 때 물리학을 기반으로 나노바이오센서 연구를 하며 바이오전자소자에 관심이 생겼습니다. 이후 하이닉스 반도체연구소에서 비휘발성 저항변화메모리소자 개발에 참여했었는데요. 서울대 화학생물공학부에 박사 진학하여 신축성 메모리 소자 및 실리콘 센서 기반의 다기능 헬스케어 패치 등을 연구하였습니다. 이후 스탠포드대 화학공학과에서 자가치유성 신축성 인공전자피부를 연구하였습니다. 당시 웨어러블 소자 개발에 집중했었는데요. 한국과학기술연구원 의공학연구소 재직 시 말초신경병 진단 및 치료 연구를 시작하여 성균관대에 부임하며 인체 삽입형 바이오전자소자 연구를 본격화했습니다. 돌아보면 지도 교수님들께 배운 경험을 토대로 저만의 연구 정체성을 확고히 하기까지 시작은 어려웠지만, 연구실 학생들과 동료 교수님들의 헌신적인 노력과 도움으로 가능했던 것 같습니다.

o 지난해 9월 발표한 인체 조직에 주사로 주입 가능한‘신축성 바이오전자시스템’은 조직보철 및 조기보행재활 기술을 최초로 구현한 성과입니다. 본격적인 연구이야기에 앞서‘신축성 자가치유성 전자의료보철 시스템’이란 어떤 기술인지 설명해주세요.

- 기존의 보철의료기기는 팔과 다리 등의 신체가 결손된 경우, 의수 또는 의족을 통해 인체 기능의 회복을 도왔습니다. 또한 눈, 귀 등에 영구적인 손상이 발생할 경우 시청각 기능을 회복시키기도 합니다. 주로 손상된 신경, 심장 및 골격근 등에 부착해 인체 조직의 기능을 효과적으로 회복시켜 조기에 재활 치료가 가능합니다. 특히 각각의 센서와 전기자극기가 폐회로 시스템 내에서 유기적으로 동작하여, 환자 맞춤형 질병 치료가 가능합니다. 아울러 난치성 질병의 경우, 해당 장기에 장기간 견고하게 부착 가능해 고품질 생체신호를 정밀하게 수집/분석하여 최적의 치료를 가능하게 도와줍니다.

o 관련 연구를 시작한 계기가 있나요? 연구의 주요 내용과 성과도 소개해주세요.

- 심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 근육이 기능적으로 결손되고, 장애가 생길 수 있습니다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 회복을 돕는 재활 치료가 필요합니다. 손상된 신경 및 근육 회복을 위해 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된‘폐회로 보행재활기술’이 각광받고 있습니다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하는 소자가 커서 복잡하고 작은 조직에 이식이 어려웠습니다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증을 유발하는 문제도 있었습니다.

- 이를 극복하기 위해 생체조직처럼 부드러우며 접착이 잘되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재를 개발하였습니다. 먼저 피부 미용용 필러 재료인 히알루로산 하이드로젤 소재에 금 나노입자를 투입해 전기 전도성을 높였습니다. 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 손상된 근육과 신경에 주입하였고, 즉각적으로 전기생리학적 신호를 계측하거나 전기자극을 가하는 데  성공하였습니다. 동물실험 결과 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했습니다.

o 실험쥐를 이용한 다양한 실험으로 조직의 재생 효과를 확인하셨다고요?

-   주사주입형 바이오전자소자 시스템의 즉각적인 재활 치료 가능성을 확인하기 위해 경골전방근육이 심하게 손상된 실험 쥐의 조직 손상 부위에 전도성 하이드로젤을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했습니다. 그리고 신경 전기 자극을 주었을 때, 발생하는 근전도 신호로 보행 보조로봇을 작동시켜, 실험쥐의 보행을 성공적으로 도왔습니다. 나아가, 신경 자극을 주지 않아도 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 보조로봇을 통한 보행 재활 훈련이 가능했습니다. 그 결과 근육 조직이 손상돼 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 3일 만에 정상 보행이 가능할 만큼 운동능력을 빠르게 회복했습니다.

o 이번 연구가 기존의 연구들과 다른 학문적/기술적 차별점은 무엇인가요?

- 소재 측면에서 기존 주사주입형 하이드로젤 소재는 내구성이 낮아, 손상된 조직에 장기간 안정적으로 부착이 어려워 재생 효율이 낮았습니다. 또한, 하이드로젤의 전기전도도가 낮은 것도 한계입니다. 반면 저희 연구팀이 개발한 소재는 동적결합과 공유결합하는 분자들이 모두 포함돼 내구성이 우수하며, 금 나노입자를 포함해 전기전도도 개선되어 조직 재생 시 효과가 매우 우수했습니다. 한편, 기존의 조직 보철은 단순한 기계적 형태 유지 정도의 기능만 담당하여 손상된 조직이 재생되고 재활을 시작할 수 있는 시기가 매우 길었습니다. 저희가 개발한 주사주입형 폐회로 바이오전자시스템은 신축성 자가치유성 센서/전기자극 및 로봇 보조 기능을 탑재하여 손상된 골격근을 효과적으로 재생시키면서도 조기에 재활 치료가 가능합니다.

- 주사주입형 신축성 자가치유성 바이오전자소자 시스템은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선시키고, 정밀한 전기생리학적 신호 계측 및 피드백 자극을 수반하는 폐회로 시스템 동작은 향후 환자 맞춤형으로 인체 장기의 정밀 진단 및 최소침습적인 재활 시술과 치료에 응용될 것으로 예상됩니다.

o 더불어 바느질 없이 심장 조직에 접착하여 심혈관계 질환 정밀 진단 및 치료를 돕는 바이오전자 스티커 기술도 개발하셨습니다.

- 장기간 안정적으로 심혈관계 질환을 진단·치료하려면 심장의 반복적인 수축-이완 운동에도 안정적으로 구동이 가능한 체내 이식형 전자소자가 필요합니다. 그러나, 기존의 고분자 기반 전극은 장기간 사용 시 본연의 특성을 잃어버리고 딱딱하게 변성되어, 굴곡지고 부드러운 심장 조직 표면을 압박 없이 감싸기 어렵습니다. 또한 지속하여 움직이는 심장에 소자를 고정하려면 봉합술이 필요했습니다.

- 이를 극복하기 위해, 부드럽고 신축성 있는 자가치유 고분자 기판층, 뛰어난 심장 접착성을 가지는 하이드로젤층, 내구성이 뛰어난 액체 금속 필러-자가치유 고분자 복합체 전극층으로 구성된‘바이오전자 스티커’를 개발하였습니다. 이러한 패치형 바이오전자소자 시스템은 반복적인 심장 박동에서도, 심외막에 빠르고 안정적으로 부착 가능했으며, 동물 실험 결과 한 달간 신호의 유실 없이 심전도 계측에 성공했습니다. 또한, 부정맥 및 급성심근경색을 나타내는 심전도 진단에 성공했으며 전기자극을 통해 효과적으로 심박조율이 가능함을 증명하였습니다. 나아가, 개발된 심장 패치로 소동물 모델의 심장 신호를 획득하여 부정맥과 심근경색 관련 심장 신호를 획득하고, 변화를 관찰하는데 성공하였습니다.

o 앞으로 임상용 전자의료보철 시스템이 의료현장에 보급돼 많은 난치성 장애가 극복되면 좋겠습니다. 이를 위해 어떤 노력들이 필요한가요?

- 새로운 형태의 인체 삽입형 의료기기를 임상에 적용하고자 할 때, 식약처 승인을 받기 까지 매우 까다로운 검증과정과 긴 시간이 요구됩니다. 그래서 연구를 하면서 포기하는 경우도 다수 발생하는데요. 제도적으로 최종 임상 승인을 받는 과정이 좀 더 효율적으로 간소화된다면 좀 더 과감하게 도전할 수 있을 것 같습니다. 물론, 간소화된 절차만큼 연구의 내실화도 뒷받침되어야 합니다. 외국 헬스케어 관련 기업들의 큰 질적/양적 성장을 비추어 봤을 때, 국내에서도 많은 기업들이 저희뿐만 아니라 다양한 연구 그룹에서 개발한 전자보철의료기기에 관심을 갖고 협업을 통한 기술혁신이 이뤄진다면 임상 적용이 더욱 가까워 질 것으로 기대됩니다.

o 매년 여러 편의 우수 논문을 국제학술지에 발표해 오셨습니다. 끊임없이 새로운 연구, 혁신적인 연구에 도전하는 비결 및 지속적으로 좋은 연구 성과를 도출할 수 있는 연구 경쟁력을 소개해주세요.

- 저희 연구실은 기존에 다른 분들이 하지 않은 연구주제를 놓고, 주변에 훌륭한 교수님, 학생들과 함께 많은 고찰과 실험을 통해 연구 성과를 도출하고 있습니다. 누군가 하지 않은 연구를 할 때, 참고할 부분이 적어서 어려움이 많지만, 새로운 것을 경험하고 꾸준히 노력하며 연구적 난제를 해결해 왔습니다. 우수한 저널에서도 이러한 부분을 높게 평가한 것 같습니다.

o 연구자로서 어려웠던 고비는 없으셨나요? 있었다면 어떻게 극복하셨는지 관련 경험을 나누어주세요.

- 연구하면서 늘 겪는 부분입니다. 경험하지 못한 부분을 처음 맞닥뜨리거나 잘 될 것으로 예상했지만 실패했을 때 가장 어려운 것 같습니다. 하지만, 언제나 최선을 다하고, 동료 연구자들과 상의하고 격려하며 꾸준히 노력하며 극복해왔습니다.

o 평소 연구실 학생들/ 또는 대학원생들에게 강조하는 연구자의 자세는 무엇인가요?

- 제가 학생들을 모집할 때, 강조하는 세 가지는“시간 약속”, “의사소통”, “거짓말하지 않기”입니다. 저희 연구실은 융합연구를 주로 하다보니, 서로가  도움을 주고받는 일이 많기 때문입니다. 또한, 위의 3가지 외에, “우리는 아픈 환자분들께 희망을 드리는 연구를 하는 사람들이다. 좋은 연구를 할수록 더욱 겸손하게 최선을 다하자”라고 학생들은 물론 제 자신에게도 당부합니다.

o 연구자로서 앞으로 도전하고 싶은 주제는 무엇인가요?

- 중추 및 말초신경 관련한 중증의 난치성 질병을 근원적으로 치료할 수 있는 전자약 기술을 개발하는 것입니다. 특히, 매우 미세하고 작은 신경이지만, 내부에 전달되고 있는 신경신호를 정밀하게 분석하여 전기자극을 통해 난치성 질병을 효과적으로 치료할 수 있는 연구에 매진하고 합니다.

o 교수님은 언제부터 과학자의 꿈을 키우셨나요? 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 당부 또는 조언도 한 말씀 부탁드립니다.

- 어렸을 때부터 과학이 재밌고 매사에 흥미가 많았던 것 같습니다. 아버지께서 어린 저를‘손박사’라고 불러주셨습니다. 그래서 자연스레 과학자가 되고 싶었습니다. 저도 연구실 학생들에게“나보다 훌륭한 교수 또는 연구원이 될 거야”라고 많이 이야기해주는데요. 주변 교수님들이나 선배님들께서도 학생들을 많이 격려를 해주시면 좋겠습니다. 아울러, 학생들은 과학에 대한 흥미를 갖고, 꾸준하게 최선을 다해서 성취감을 얻길 권합니다. 그러한 경험들이 모여 더 큰 과학자가 되는 밑거름이 되지 않을까 생각합니다.