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바이오전자
바이오전자(Bioelectronics)는 생물의 특징적인 구조·기능에서 밝혀진 사실을 이용함으로써 종래 전자공학에서 불가능한 것을 실현되게 한 생체기술과 일렉트로닉스를 융합한 분야로 바이오센서 같은 생체 관련 물질이 있다. 이외에도 생체 신경체와 같은 생체 정보 처리계의 해명, 생체 정보 처리의 모델화 등이 연구되고 있다.
신체 정보를 전기적 신호, 광학적 신호, 기타 신호로 검출하는 센서를 말하기 도한다. DNA, 단백질, 세포, 신경 등과 같은 생체물질을 반도체와 같은 무기물 위에 조합하여 기존 반도체칩 형태로 만든 장치다.
정의[편집]
바이오전자는 생물학과 전자공학의 융합에서 발전한 연구 분야이다.
1991년 11월 브뤼셀에서 열린 첫 번째 C.E.C. 워크숍에서, 바이오전자는 '정보 처리 시스템과 새로운 장치를 위해 생물학적 재료와 생물학적 구조를 활용하는 것'으로 정의되었다. 특히 바이오전자, 구체적으로 바이오분자 전자공학(bio-molecular electronics)은 '새로운 정보 처리 시스템, 센서, 액추에이터를 구현하고 분자 제조를 원자 규모까지 발전시키기 위해 생물학적으로 영감을 받은(예: 자가 조립) 무기 및 유기 재료와 생물학적으로 영감을 받은(예: 대규모 병렬 처리) 하드웨어 아키텍처의 연구 및 개발'로 설명되었다.
미국 상무부 산하의 국립표준기술연구소(NIST)는 2009년 보고서에서 바이오전자를 "생물학과 전자공학의 융합으로 탄생한 학문 분야"라고 정의했다.
이 분야에 대한 정보는 전기전자공학연구소(IEEE)와 1990년부터 발간된 엘스비어의 학술지 "Biosensors and Bioelectronics"에서 확인할 수 있다. 이 학술지는 바이오전자의 범위를 다음과 같이 설명한다. "전자공학과 생물학을 결합하여, 예를 들어 생물학적 연료전지, 생체공학(bionics), 정보 처리 및 저장, 전자 부품 및 액추에이터를 위한 생체 재료 등 더 넓은 맥락에서 생물학을 활용하려고 한다. 주요 초점은 생물학적 재료와 마이크로 및 나노 전자공학 간의 인터페이스이다."
역사[편집]
바이오전자의 첫 번째 알려진 연구는 18세기 동안 이루어졌으며, 과학자 루이지 갈바니가 개구리 다리 한 쌍에 전압을 가했을 때 다리가 움직였고, 이는 바이오전자의 탄생을 촉발했다. 전자 기술은 페이스메이커가 발명되었을 때부터 생물학과 의학에 적용되어 왔으며, 의료 영상 산업에서도 활용되었다. 2009년에는 제목이나 초록에 '바이오전자'라는 용어를 사용하는 논문들의 발표 지역을 조사한 결과, 활동의 중심이 유럽(43%)에 있으며, 아시아(23%)와 미국(20%)이 뒤를 이었다고 보고되었다.
재료[편집]
유기 바이오전자는 유기 전자 재료를 바이오전자 분야에 적용하는 것이다. 유기 물질(즉, 탄소를 포함하는 물질)은 생물학적 시스템과의 인터페이스에서 큰 가능성을 보인다. 현재의 응용 분야는 주로 신경 과학과 감염에 초점을 맞추고 있다.
전도성 고분자 코팅은 유기 전자 재료의 하나로, 물질 기술의 발전에 있어 큰 향상을 보였다. 이는 전기 자극의 가장 정교한 형태로, 전극의 임피던스를 개선시켜 더 나은 기록을 가능하게 하고 '유해한 전기화학적 부반응'을 줄이는 데 기여했다. 유기 전기화학적 트랜지스터(OECT)는 1984년에 마크 라이트온(Mark Wrighton)과 동료들에 의해 발명되었으며, 이 트랜지스터는 이온을 운반할 수 있는 능력을 가졌다. 이를 통해 신호 대 잡음비가 향상되고, 낮은 임피던스를 측정할 수 있게 되었다.*유기 전자 이온 펌프(OEIP)는 마그누스 베르그렌(Magnuss Berggren)에 의해 개발된 장치로, 특정 신체 부위와 기관에 약물을 전달할 수 있는 기능을 제공했다.
타이타늄 나이트라이드(TiN)는 CMOS 기술에서 잘 확립된 몇 안 되는 재료 중 하나로, 의료 임플란트의 전극 응용에 매우 안정적이고 적합한 것으로 판명되었다.
주요 응용 분야[편집]
바이오전자는 장애인과 질병 환자들의 삶을 개선하는 데 사용된다. 예를 들어, 혈당 모니터는 당뇨병 환자들이 자신의 혈당 수치를 측정하고 조절할 수 있게 해주는 휴대용 장치이다. 또한 전기 자극은 간질, 만성 통증, 파킨슨병, 난청, 본태성 떨림, 실명 등의 환자들에게 치료 목적으로 사용된다. 마그누스 베르그렌과 동료들은 그의 OEIP의 변형을 개발하여 생체 내에서 처음으로 치료 목적으로 사용된 바이오 전자 임플란트 장치를 만들었다. 이 장치는 전류를 GABA(감마-아미노부티르산)로 전달했으며, GABA가 부족할 경우 만성 통증의 원인이 된다. GABA는 손상된 신경에 제대로 분배되어 진통제처럼 작용했다. 또한 미주신경 자극(VNS)은 콜린성 항염증 경로(CAP)를 활성화시켜 염증을 감소시키며, 관절염과 같은 질병을 앓고 있는 환자에게 도움이 된다. 우울증과 간질 환자는 닫힌 CAP에 더 취약한데, VNS가 이들에게도 도움이 될 수 있다. 동시에 전자 장치를 활용하여 사람들의 삶을 개선하는 모든 시스템이 반드시 바이오전자 장치인 것은 아니며, 오직 전자와 생물학적 시스템 간의 친밀하고 직접적인 인터페이스를 포함하는 장치만이 바이오전자 장치로 간주된다.
미래[편집]
세포의 상태를 세포 수준 이하에서 모니터링할 수 있는 도구와 표준의 개선은 여전히 자금과 인력이 부족하다. 이는 다른 과학 분야에서 세포 집단을 분석하는 데 발전이 시작되고 있어, 이러한 수준에서 세포를 모니터링할 수 있는 장치의 필요성이 증가하고 있다는 문제를 야기한다. 세포는 그들의 주요 목적 외에는 많은 방식으로 사용될 수 없다, 예를 들어 해로운 물질을 탐지하는 것과 같은 작업. 이 과학을 나노기술과 결합하면 매우 정확한 탐지 방법을 만들 수 있을 것이다. 인류의 생명을 보호하는 일, 예를 들어 생화학적 테러로부터 보호하는 일은 바이오전자가 다루고 있는 주요 영역이다. 각국 정부는 화학 및 생물학적 위협을 탐지할 수 있는 장치와 재료를 요구하고 있다. 장치의 크기가 줄어들수록 성능과 기능은 향상될 것이다.
참고자료[편집]
- 〈바이오전자〉, 《손에 잡히는 IT 시사용어》
- "Bioelectronics", Wikipedia
같이 보기[편집]
