작성자: 이서현
1. 인공 췌장
1형 당뇨는 선천적으로 췌장의 기능이 망가져있어 인슐린 결핍으로 혈당이 조절되지 못하는 것으로, 식습관 관리와 인슐린 투여가 필요하다. 2형 당뇨는 건강 이상으로 인슐린 분비가 원활하게 되지 않는 것이다. 이 역시 고착화되면 인슐린 투여가 필요하다. 때문에 당뇨 환자들은 정해진 시간마다 혈액 속 포도당 양을 계산해 인슐린을 투여해야하는 불편함을 가지고 있다.
이런 불편함을 해결하기 위해 등장한 것이 인공췌장이다. 인공 췌장은 연속혈당측정기, 인슐린 펌프, 인공지능 알고리즘으로 구성된 체내 이식형이 아닌 환자가 착용하는 웨어러블 기기이다. 그렇다면 인공 췌장의 발전은 어떤 식으로 이루어졌을까?
2. 인공 췌장의 발전
메드트로닉 사가 처음으로 인공 췌장 시스템을 구축했다. 인슐린 펌프를 체외에 부착하여 24시간 정상 혈당 유지를 위해 기초 주입량을 계속 주입하거나 식후 고혈당을 방지하기 위해 석전에 주입하는 방식으로 정상 혈당을 유지할 수 있도록 도왔다.
인슐린 조절을 도와 췌장 기능의 개선을 돕고, 혈당을 지속적으로 관리하여 합병증 발생을 차단하는 장점이 있으나, 기계 오작동, 소독 부주의로 인한 감염, 기계 조작 어려움 등의 단점도 있다.이를 보완하기 위해 신세대 인공 췌장이 개발되었다. 본 연구에선 전기삼투펌프를 중심으로 알아보려 한다.
3. 전기 삼투 펌프
삼투란 저농도의 용매가 고농도의 용매쪽으로 이동하는 현상을 의미한다. 물질 수송 과정에서 에너지 소모가 없다. 체내에서 세포막을 통한 기체 교환이 이루어지는 원리도 삼투이다. 삼투압 약물주입펌프는 약물을 주입하는 동안 일정한 압력변화를 가지며 동력 없이도 이루어진다는 특성을 살려 제작되었다. 전기 삼투 펌프 역시 이와 비슷하게 삼투 현상을 이용하여 제작되었다.
전기 삼투란 모세관 또는 다공성막의 양끝에 전압을 걸었을 때 유체가 이동하는 현상이다. 다공성막은 비유동성 고체 물질 사이에 유체가 흐를 수 있는 구멍이 존재하여 고체와 유체의 결합으로서 이루어진 물질이다. 전기화학 반응이 지속적으로 일어나면 전자 전달에 따른 전하의 불균형으로 이온의 이동이 일어난다. 즉, 다공성막 양끝에 걸린 전압에 의해 전극 반응, 이온의 이동, 용액의 이동이 동시에 발생하는 것이다.
하단 왼쪽의 그림은 다공성막을 통한 전기삼투현상에 의한 유체의 이동을 나타낸 것이고, 오른쪽 그림은 그 중 한 채널에서 일어나는 현상을 도식적으로 표현한 것이다.
4. 실제 사례
기존 제품은 피스톤 방식으로 인슐린을 주입하여 세밀한 용량 조절이 어려운데 반해 서강대 화학·융합의생명공학과 신운섭 교수 연구팀이 제작한 ‘케어레보’는 전기 삼투 펌프로 마이크로리터 단위까지 정확하게 주입할 수 있으며 기존 제품보다 작고 가벼우면서도 인슐린 탑재 용량을 1.5배 늘려 사용자들의 편의를 보장했다.
5. 의의
이처럼 인공 췌장의 발전이 계속 된다면, 질병으로 고통받는 사람들이 줄어들어 사회 복지에 큰 기여를 할 것으로 보인다. 또한 인공 췌장 개발을 위해 과학 기술이 발전하면서 다른 분야의 연구에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망 된다.
6. 참고 문헌
신운섭, 전기 삼투 펌프의 전기화학적 접근, 서강대 산업협력단, 2016
홍지영, 당뇨병 돋보기 III - 인공췌장 인슐린펌프, 그것이 궁금하다, 월간 당뇨, 2007