[논문 리뷰] A Review on Bio-Cyber Interfaces for Intrabody Molecular Communications Systems

Yevgeni Koucheryavy, Anastasia Yastrebova외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 30.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 85인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 신체 내 나노네트워크의 분자 간 통신과 기존 전자 네트워크 사이의 필수 번역기로 생체-사이버 인터페이스를 제안하며, 실시간 원격 건강 모니터링 및 제어를 가능하게 한다. 분자 신호를 전기적 데이터로 변환함으로써, 이 인터페이스는 나노스케일 생체 센서를 인터넷과 통합할 수 있도록 하여, 이식 가능하거나 섭취 가능한 나노장치를 활용한 개인 맞춤형 실시간 치료진단의 길을 열어준다.

ABSTRACT

The recent advancements in bio-engineering and wireless communications systems have motivated researchers to propose novel applications for telemedicine, therapeutics and human health monitoring. For instance, through wireless medical telemetry a healthcare worker can remotely measure biological signals and control certain processes in the organism required for the maintenance of the patient's health state. This technology can be further extended to use Bio-Nano devices to promote a real-time monitoring of the human health and storage of the gathered data in the cloud. This brings new challenges and opportunities for the development of biosensing network, which will depend on the extension of the current intrabody devices functionalities. In this paper we will cover the recent progress made on implantable micro-scale devices and introduce the perspective of improve them to foster the development of new theranostics based on data collected at the nanoscale level.

연구 동기 및 목표

• 분자 수준의 신체 내 통신을 외부 전자 및 인터넷 기반 네트워크와 연결하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 건강 모니터링을 위한 이식 가능하고 섭취 가능한 나노스케일 장치의 발전 과정과 현재 상태를 검토하기 위해.
• 신뢰성 있고 안전하며 확장 가능한 신체 내 나노네트워크를 실현하기 위한 주요 기술적 및 생물학적 과제를 규명하기 위해.
• 생체-사이버 인터페이스가 원격으로 자율적이고 개인 맞춤형 치료진단 응용을 가능하게 하는 잠재력을 탐색하기 위해.
• 다음 세대 원격의료를 위한 나노네트워크를 6G 및 클라우드 기반 인프라와 통합하기 위한 향후 연구 방향을 제시하기 위해.

제안 방법

• 기존 컴퓨터 네트워크와 호환되는 전기 신호로 분자 신호(예: 화학적, 음향적, 전자기적 신호)를 변환하는 번역기 역할을 하는 생체-사이버 인터페이스를 제안한다.
• 전자기 자극을 사용한 나노패시브메이커, 생체 센서, 유전자 조절 시스템을 포함한 신체 내 나노스케일 장치의 기존 설계를 검토한다.
• 체내 내부의 나노스케일 간 통신을 위한 확산, 유량, 필드 기반 전파 기반의 분자 통신 시스템을 분석한다.
• 합성 생물학과 나노재료(예: 금 나노결정, 자성 나노입자)를 활용해 제어 가능하고 가역적인 분자 작동을 가능하게 한다.
• 생체 친화성 장치로 구성된 나노네트워크가 분자 신호를 통해 통신하고, 생체-사이버 인터페이스를 통해 인터넷과 연결되는 '생체-나노사물 인터넷(IoBNT)'의 개념을 도입한다.
• 나노네트워크를 클라우드 인fra구처와 통합하여 지속적인 원격 모니터링과 데이터 기반 치료 개입을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 신체 내에서 생성된 분자 신호를 어떻게 신뢰성 있게 전기 신호로 변환하여 기존 통신 네트워크를 통해 전송할 수 있는가?
• RQ2 신체 내 나노스케일 장치와 그 연결 고리의 안정성, 수명, 안전성을 확보하기 위한 주요 기술적 및 생물학적 과제는 무엇인가?
• RQ3 생체-사이버 인터페이스는 어떤 방식으로 나노스케일에서 생리적 과정의 실시간 원격 모니터링 및 제어를 가능하게 하는가?
• RQ4 신체 내에서 신뢰성 있고 저지연, 확장 가능한 나노스케일 간 통신을 지원하기 위해 분자 통신 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ5 신체 내 나노네트워크를 6G 및 클라우드 기반 시스템과 통합하는 데 있어 향후 전망은 무엇인가?

주요 결과

• 생체-사이버 인터페이스는 신체 내 분자 간 통신 네트워크를 외부 전자 및 인터넷 기반 시스템과 연결하는 데 필수적이다.
• DNA 분자에 연결된 금 나노결정에 전자기 자극을 가하면, 몇 초 내로 DNA 가닥의 탈하이브리드화가 가역적으로 일어나 정밀한 유전자 제어가 가능해진다.
• 전자기파를 이용한 나노패시브메이커는 심장 세포를 자극해 칼슘 이온의 교환을 조절할 수 있으며, 이는 목표 지향적 심장 치료의 잠재력을 보여준다.
• 섭취 가능한 생체 센서는 화학적, 음향적, 전자기적 신호를 사용해 장내 박테리아의 군집 감지 반응을 유도하여 장 건강을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
• 나노네트워크를 클라우드 인fra구처와 통합함으로써 분자 수준에서 수집된 생리적 데이터에 지속적이고 원격의, 실시간 액세스가 가능해진다.
• 세포 사멸, 세 cytoskeleton 파손, 장치 수명 등 과제들은 장기적인 안전성과 신뢰성을 확보하기 위해 철저히 관리되어야 한다.