PILLSID, 삼킬 수 있는 로봇… 외부 바늘 없이 인슐린을 전달한다
대형 화물 로켓이 우주로 발사되어 국제우주정거장에 도킹하는 장면을 떠올려 보십시오. 로켓은 정거장에 접근해 기밀 잠금장치로 고정되고, 그 뒤 물자가 옮겨집니다. 이제 이 과정을 우리 몸 안에서 축소된 형태로 일어난다고 상상해 보십시오.
이탈리아 연구진은 2021년 8월, 장 내부에서 완전히 작동하는 이런 유형의 유용한 “배송” 로봇 시스템을 만들었다고 발표했습니다. 이 시스템은 수술로 복부에 이식되는 인슐린 전달 로봇과, 로봇에 인슐린을 공급하는 삼킬 수 있는 캡슐로 구성됩니다.
개발진은 당뇨병에 걸린 돼지 세 마리를 대상으로 시스템을 시험했습니다. Science Robotics에 발표된 결과에 따르면, 이 시스템은 수 시간 동안 돼지의 혈당 수치를 성공적으로 조절했습니다. 논문 저자이자 피사의 산타 안나 고등연구원 생체의공학 및 생체공학 교수인 아리안나 멘시아시는 “체내에 도킹 스테이션이 있다고 생각하면 섬뜩할 수도 있지만, 실제로 작동했습니다”라고 말했습니다.
“이번 연구에서 우리는 PILLSID 프로토타입을 설명합니다. 기기의 핵심 부품은 개별 구성요소로서, 그리고 통합된 기기 내부에서 전임상 수준으로 검증되었습니다. 우리는 재충전 메커니즘이 효과적으로 작동하며, 당뇨병 돼지의 혈당을 안전하게 조절할 수 있음을 보여줍니다. 로봇의 무게는 165g이며 크기는 78×63×35mm로, 상용 이식형 기기와 비슷하지만 저장통 재충전과 전원 공급이라는 시급하고 중요한 문제를 해결합니다”라고 과학 자료에 명시되어 있습니다.
멘시아시 팀의 시스템에서는 폴더폰 크기의 기기가 큰 벽면을 따라 수술로 이식되며, 이 벽면은 얇은 소장과 연결되어 있습니다. 로봇은 이 공간의 액체에 인슐린을 전달합니다. 저장통의 약이 떨어지면, 인슐린으로 채워진 자성 캡슐이 이동해 저장통을 다시 채웁니다.
이론적으로 사람에게서 재충전 과정은 다음과 같이 진행됩니다. 환자가 일반 알약처럼 캡슐을 삼키면, 캡슐은 소화기관을 자연스럽게 통과하여 이식된 기기가 설치된 소장 부위에 도달합니다. 이식물은 자기장을 이용해 캡슐을 끌어당기고, 회전시켜 올바른 위치에 고정합니다. 그런 다음 로봇은 신축식 바늘로 캡슐을 찌르고 인슐린을 저장통에 주입합니다. 바늘은 캡슐에 닿기 위해 얇은 장 조직층도 관통해야 합니다.
이식물에는 도킹, 바늘 천공, 저장통 용량 조절 및 흡입을 담당하는 구동장치 네 개와 펌프가 들어 있습니다. 도킹을 담당하는 모터는 자석을 회전시켜 캡슐을 제자리에 고정합니다. 저자들은 이 설계가 산업용 클램핑 시스템과 배관 점검 로봇에서 영감을 받았다고 말합니다.
인슐린을 전달한 뒤 이식물은 캡슐을 풀어주어, 캡슐이 소화관을 자연스럽게 통과해 체외로 배출되도록 합니다. 도킹과 캡슐 해제를 제어하는 자기장은 외부 프로그래밍 장치를 통해 무선으로 조절되며, 켜거나 끌 수 있습니다. 이식물의 배터리는 외부 장치를 통해 무선으로 충전됩니다.
이런 전달 시스템은 제1형 당뇨병 환자, 특히 하루에 여러 번 인슐린을 주입해야 하는 환자에게 유용할 수 있습니다. 인슐린 펌프는 시중에서 구할 수 있지만, 체내로 삽입된 관이나 바늘을 통해 약을 전달하는 외부 장비가 필요합니다. 체외로 돌출된 관을 통해 재충전해야 하는 이식형 인슐린 펌프도 있지만, 이런 관이 세균 감염을 일으켜 이런 시스템은 대중화되지 못했습니다.
멘시아시에 따르면, 알약으로 재충전되는 완전 이식형 시스템은 돌출된 관과 외부 장비의 필요성을 없앱니다. 저자들은 이런 메커니즘이 다른 질병의 약물 전달에도 유용할 수 있으며, 특히 난소암, 췌장암, 위암, 대장암 환자의 항암 치료에 쓰일 수 있다고 전합니다.
다음 단계로 저자들은 이식된 기기의 밀봉을 더 견고하게 만드는 작업을 진행하고 있습니다. 멘시아시는 “일부 돼지에서 체액이 로봇 내부로 들어가는 것을 관찰했습니다”라고 말했습니다. 그녀에 따르면 일부 누출은 바늘이 이식물에서 나올 때 도킹 과정에서 발생한 것으로 보입니다. 팀이 앞서 기기를 물속에서 시험했을 때는 누출이 없었지만, 인체는 훨씬 더 복잡합니다.
생리적 과정을 대체하거나 회복시키는 완전 이식형 로봇을 만드는 일은 의료 로봇공학에서 큰 과제입니다.
이탈리아 과학자들의 시스템이 병원에 도입되기까지는 시간이 걸릴 것으로 보이지만, 체내에서 의료 수요를 충족하는 기기는 점점 더 흔해질 수 있습니다. 예를 들어 2016년 MIT는 장 속의 물체를 수거할 수 있는 종이접기 로봇을 선보였습니다.
