[쿠키과학] KAIST, 빛으로 약물 농도 조절하는 '스마트 치료패치' 개발

빛의 세기에 따라 약물 방출량이 자동으로 조절되는 ‘스마트 상처 치료 패치’가 등장했다.

이 기술은 기존보다 치료 속도를 2배 높이면서 별도 조작 없이 최적의 치료 강도를 유지할 수 있다.

KAIST는 전기및전자공학부 최경철 교수팀이 한국세라믹기술원, 충북대와 공동연구로 유기발광다이오드(OLED)와 약물전달시스템을 결합한 ‘자가조절형 상처 치료 패치’를 개발했다.

이번 연구는 저강도 빛으로 세포 재생을 돕는 광생물변조(PBM) 치료와 약물 치료의 장점을 통합해 환자 상태에 반응하는 지능형 맞춤 치료 가능성을 열었다.

기존 치료 방식은 연고 과다사용 시 부작용 위험이 있고, 빛 치료 역시 적정 강도를 넘으면 효과가 감소한다. 

이 기술은 이 두 치료법을 결합하면서도 자동조절 기능을 더해 과잉치료 문제를 구조적으로 해결했다.

OLED에서 나오는 빛이 피부에 조사되면 활성산소종(ROS)이 생성되고, 이 물질이 나노입자를 자극해 약물이 방출된다. 

연구팀은 빛의 세기에 따라 ROS 생성량이 달라지고, 이에 비례해 약물 방출량도 자동으로 조절되는 구조를 고안했다.

이는 치료 강도를 사람이 맞출 필요 없이 패치가 스스로 최적 상태를 유지할 수 있다.

연구팀은 630㎚ 파장의 OLED를 피부 밀착형으로 구현했다. 

이 패치는 세포 재생을 유도하는 PBM 효과를 내는 동시에 병풀 추출물 기반 항산화 약물을 필요한 만큼만 방출하도록 설계됐다. 

특히 피부 곡면에 밀착되는 구조로 빛 손실을 줄였고, 장시간 사용 시에도 온도를 약 31℃로 유지해 저온 화상 위험을 낮췄다. 

아울러 400시간 이상 안정적으로 작동하는 내구성을 확보했다.

실험 결과 세포 및 동물 모델에서 빛과 약물을 동시에 적용한 복합 치료군의 상처 회복률이 67%로, 대조군(35%) 대비 2배 빠른 회복 속도를 보였다. 

또 피부 두께와 장벽 단백질 형성 역시 정상 수준에 가깝게 회복돼 치유의 질도 개선됐다.

연구팀은 다중 자극에 반응하는 약물전달 구조를 적용해 실제 의료 환경에서도 활용 가능성을 높였다. 

이는 웨어러블 형태로 제작해 환자가 패치를 부착하는 것만으로 지속적인 치료를 생성, 다양한 질환에 맞춘 맞춤형 치료 플랫폼으로 확장할 수 있을 전망이다.

최 교수는 “OLED 기반 빛 치료가 단순 조사 수준을 넘어 약물 방출을 제어하는 역할까지 수행하도록 확장했다”며 “환자 상태에 따라 스스로 반응하는 지능형 치료 기술로 발전시킬 계획”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 전기및전자공학부 연혜정 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난 1월 국제학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’에 게재된 데 이어 지난달에는 표지논문으로 선정됐다.
(논문명: A self-regulating wearable OLED patch for accelerated wound healing via photobiomodulation-triggered drug delivery)