수술이란 신체의 조직이나 장기를 복구하거나 제거하기 위해 특수한 장비를 사용하는 절차입니다. 특히, 의료기기와 결합된 외과적 시술은 생리적신호에 대한 실시간 모니터링, 세포 활동, 조직 및 신경 재생을 촉진할 수 있어, 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 하지만, 수술도중 심각한 출혈과 외상이 발생될 수 있으며, 이를 치료하는 도중 과도한 출혈, 감염이 발생할 수 있으며, 심지어 사망에 이르기까지 합니다. 이러한 유형의 심각한 부상을 방지하기 위해 지혈 및 상처 치료 장치의 설계는 효과적인 해결책입니다. 또한 장기간 사용이 가능함과 동시에 생체 흡수 가능하며 소형화가 가능한 장치를 개발하면, 체내삽입형 소자의 이식, 유지보수 또는 제거와 관련된 수술 부상을 줄일 수 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환이 가능하고, 간단한 구조를 가지며, 초음파에 의해 안정적이고 지속적인 고주파 전기 자극이 가능한 마찰전기 나노제너레이터(TENG)를 기술적 기반으로써 제안합니다.

본 학위논문에서는 우선 급성출혈과 누출성 부상에 대한 응급치료를 위한 기술을 제안하였습니다. 습윤환경에서 강력한 접착이 가능한 PAV 물질을 합성하고, 통제할 수 없는 출혈이나 누출성 급성 부상을 치료하기 위한 응급 의료용 소자로써 생체접착성 마찰전기 나노제너레이터(BA-TENG)를 제안하였습니다. BA-TENG는 PCL-r-PU, PEDOT:PSS, Mo, PAV 등 생체적합성 및 생분해성이 확보된 소재를 사용하여 제작되었으며, 유연한 소재를 상층부에 사용하여서 효과적인 전기 에너지 발생과 강력한 상처 봉합 기능을 제공합니다. 이를 확인하기 위하여 BA-TENG는 살아있는 쥐에 삽입된 후 간 절개 부위를 즉시(~5초) 밀봉함으로써 혈액 손실을 82% 줄일 수 있음을 확인하였습니다. 또한, BA-TENG는 쥐의 피부 상처를 효과적으로 봉합하고 초음파에 의해 약 0.86 kV m-1 수준의 강한 전기장을 생성할 수 있습니다. 체내 실험과 체외 실험을 통해 기반으로 BA-TENG로부터 발생하는 전기장에 의해 세포 이동 및 증식의 촉진됨으로써 상처치유 과정을 효과적으로 가속화할 수 있음을 증명했습니다.

또한 수술절개 및 소자 삽입과정에서의 조직감염을 최소화하기 위해 완전히 분해되고 주입 가능한 TENG(I-TENG)기반 장치를 제안하였습니다. 40 mm²의 면적, 0.5 mm의 두께를 가지는 매우 작은 크기의 I-TENG는 삽입이 용이하고 최소 부위의 절개만 필요하다는 강점을 가지고 있습니다. 1 W/cm² 세기의 초음파에 의해 구동되는 I-TENG는 안정적이고 지속적인 623 Mv 수준의 전압 출력과 12.6 V/cm 수준의 전기장을 발생할 수 있습니다. 또한 고주파의 강한 전기장은 섬유아 세포의 이동 및 증식을 가속화하는 데 사용될 수 있으며, 이는 큰 상처 치유를 가속화 할 수 있는 가능성을 보여줍니다.