1-Dimensional Soft Bioelectronic Sensors for Healthcare Applications

Abstract

의료 수요의 급격한 발전은 신체의 생리적 신호를 모니터링 하기 위한 첨단 기술 개발을 이끌어 왔습니다. 특히, 유연 생체전자장치는 기존의 단단한 재료 기반 장치들이 가진 한계를 극복할 수 있는 유망한 대안으로 주목받고 있습니다. 유연 생체전자 센서는 그들 고유의 유연성, 금속이나 플라스틱에 비해 상대적으로 높은 생체 적합성, 복잡한 인체 곡률에 대한 적응성을 활용하여 장기적인 생체 신호 모니터링, 적절한 치료적 개입, 환자들을 위한 편의성 향상을 가능하게 합니다. 이러한 특징들은 유연 생체전자 센서를 차세대 의료 시스템의 필수 구성 요소로 자리매김하게 하며, 이식형 장치의 이물 반응 문제와 개개인의 생체 신호에 기반한 맞춤형 치료와 같은 주요 의료 과제에 대한 해결책을 제공합니다. 이러한 유연 생체전자 센서들 중, 특히 유망한 하위 센서 그룹은 1차원 （1D） 구조를 가진 유연 생체전자 센서입니다. 1D 유연 생체전자 센서는 가볍고 적은 부피를 가진 구조, 우수한 유연성, 섬유 기반 시스템과의 높은 호환성을 포함한 독특한 장점들을 제공합니다. 구체적으로, 1D 센서의 얇은 기하학적 구조는 복잡한 생체 환경으로의 원활한 통합을 가능하게 하며, 최소 침습 수술을 용이하게 합니다. 또한, 센서의 매우 작은 표면적으로 인해 이물 반응을 최소화할 잠재력을 가집니다. 따라서 생체 적합성이 높은 섬유 기반 전극과 센서를 발전시키는 것은 필수적입니다. 본 학위 논문은 1D 유연 생체전자 센서의 개발 및 응용에 초점을 맞추고 있으며, 의료 모니터링 및 치료 분야에서 이 센서가 지닌 잠재력을 조명하고자 합니다. 먼저, 첫 번째 주제（III장）에서는 in-situ formation이라 알려진 화학적 환원기법을 통해 전도성 섬유 전극을 제작하는 다양한 접근법을 다룹니다. 이 연구의 기여는 기존 연구에서 사용된 유독성 물질을 배제하고 오직 무해한 물질만을 사용하는 제작 공정에 있습니다. 또한, 전도성 섬유 전극 제작과 관련된 다양한 파라미터에 대한 영향을 체계적으로 조사하였습니다. 제작된 전도성 섬유 전극은 저항식 혹은 정전식 유연 센서로 활용되었으며, 이는 다양한 의료 응용 분야에서의 잠재력을 입증했습니다. 두 번째 주제（IV장）에서는 변형 감지 기능과 필요에 따른 약물 전달 기능을 통합한 전자 봉합사 시스템을 소개합니다. 전자 봉합사는 전도성 섬유 지지대와 열 반응성 폴리머 쉘로 구성되어 있으며, 전도성 섬유 지지대를 흐르는 전류에 의해 생성되는 줄 열을 이용하여 폴리머 쉘 내부에 포함된 약물을 방출합니다. 개발된 전자 봉합사 시스템은 상처 부위에 직접 봉합되어 상처의 개방 정도를 모니터링합니다. 이후, 상처 벌어짐을 감지하는 즉시 약물을 방출하여 상처 치유 과정을 가속화합니다. 세 번째 주제（V장）에서는 상처 치유 과정을 모니터링하기 위해 설계된 섬유 기반 생체전자 pH 감지 봉합사를 설명합니다. 이 pH 감지 봉합사는 상처 건강의 중요한 바이오 마커인 pH 수준의 변화를 추적하여, 감염을 조기에 감지하고 치유 진행 상황을 평가할 수 있도록 합니다. 또한, 생체전자 봉합사의 지속적이고 안정적인 모니터링 기능은 마우스 모델에서 수행된 생체 내 실험을 통해 입증되었습니다. 마지막 주제（VI 장）에서는 체내 염증 부위에 직접 봉합되어 무선 전기 자극을 통해 염증 반응을 조절하는 봉합사형 전자약 시스템을 소개합니다. 이 봉합사형 전자약은 전도성 섬유 기반 구조와 유도 결합 방식의 무선 전력 전달 시스템을 활용하여, 외부 배선 없이 안정적인 전기 자극 인가가 가능하도록 설계되었습니다. 또한 목표 조직에 직접 봉합되어 국소 부위에 선택적으로 자극을 전달함으로써 염증 반응을 감소시키고 조직 회복을 유도합니다. 이를 통해 장기적이고 효과적인 치료가 가능한 차세대 치료 플랫폼으로서의 가능성을 제시합니다. 본 논문에서 연구된 다양한 1D 유연 생체전자 센서는 높은 유연성, 우수한 전기적 성능 및 높은 생체 적합성을 보여주며, 생체전자 분야 및 의료 분야에서의 실용적인 응용 가능성을 제공합니다. 이러한 시스템들은 미래 의료 기술 발전과 환자들의 치료 성과 향상에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.|The rapid evolution of healthcare demands has driven the development of advanced technologies for monitoring the physiological signals of the body. Especially, soft bioelectronics have emerged as a promising alternative to overcome the limitations of traditional rigid material-based devices in healthcare applications. Soft bioelectronic sensors leverage their intrinsic flexibility, relatively high biocompatibility compared to the metals or plastics, and adaptability to complex human body curvatures, enabling long-term biosignal monitoring, adequate therapeutic interventions, and improved patient comfort. These features facilitate soft bioelectronic sensor as essential components of next-generation healthcare systems, offering solutions to critical challenges such as foreign body reaction of implantable devices and individual treatment based on the detection of biological signals. A particularly promising subset of soft bioelectronic sensors is 1-dimensional （1D） structured soft sensors. These 1D soft bioelectronic sensors provide unique advantages, including lightweight structure, excellent flexibility, and compatibility with fiber-based systems. Their thin geometries enable seamless integration into complex biological environments and facilitate minimally invasive surgeries. Moreover, they have the potential to minimize foreign body reactions due to the tiny surface area of the sensor. Consequently, advancing biocompatible fiber-based electrodes and sensors is essential. This dissertation focuses on the development and applications of the 1D soft bioelectronic sensors, highlighting their potential in healthcare monitoring and treatment. Here, the first topic （Chapter III） presents different approaches for fabricating conductive fiber electrodes via a chemical reduction method known as in-situ formation. The contribution of this work lies in the fabrication process that exclusively uses harmless materials, avoiding the use of toxic substances found in previous studies. Additionally, various parameters related to the fabrication process of conductive fiber electrodes have been systematically investigated. These conductive fiber electrodes were utilized in resistive or capacitive soft sensors, highlighting their potential in diverse healthcare applications. The second topic （Chapter IV） introduces a versatile electronic suture system that integrates strain sensing with on- demand drug delivery capability. The electronic suture, composed of a conductive fiber scaffold and a thermoresponsive polymer shell layer, utilizes Joule heat generated by the electrical current flowing through the conductive fiber scaffold to release the drug contained within the polymer shell. This system is directly sutured onto the wound site, where it monitors the degree of wound opening. Subsequently, it releases the drug, thereby accelerating the wound healing process. The third topic （Chapter V） describes a fiber-based bioelectronic pH-sensing suture designed for monitoring wound healing process. By tracking changes in pH levels, a critical biomarker of wound health, the pH-sensing suture enables early detection of infection and healing progress assessment. Furthermore, the continuous and reliable monitoring capability of the bioelectrical suture was demonstrated through in-vivo tests conducted on mouse models. The final topic （Chapter VI） presents a suture-type electroceutical system that is directly sutured onto inflamed tissue sites to modulate inflammatory responses through wireless electrical stimulation. This electroceutical suture is based on a conductive fiber architecture integrated with an inductive coupling-based wireless power transfer system, enabling stable electrical stimulation without the need for external wiring. The device is directly sutured onto the target tissue, where it delivers localized and selective stimulation to reduce inflammatory responses and promote tissue recovery. This approach demonstrates the potential of a next-generation therapeutic platform capable of providing effective and long-term treatment. The various 1D soft bioelectronic sensors studied in this dissertation demonstrate high flexibility, outstanding electrical performance, and high biocompatibility, providing potential for practical applications in bioelectronics and medical fields. These systems are anticipated to contribute significantly to advancing healthcare technologies and improving patient outcomes.