성균관대학교(총장 유지범) 연구팀이 흘리는 땀이 적어도 그로부터 생체 데이터를 수집할 수 있는 광학 바이오센서 패치를 개발했다.
아주 적은 양의 땀과 분비물 분석
성균관대학교 화학공학부 방창현 교수와 조수연 교수는 공동 연구팀을 꾸려 광학 기반의 점착 바이오센서 패치를 개발했다. 이 패치는 개구리와 같은 양서류의 발바닥을 본떠 부드럽고 가볍게 만들고자 했으며, 흘리는 땀이 적어도 원격에서 실시간으로 정밀 감지할 수 있는 기술을 구현했다.
나노소재를 이용한 생체부착 방식의 센서 기술은 다양한 질환의 실시간 조기 진단을 위해 가장 유망한 기술로 주목받아 왔다. 하지만 생체표면에서 생기는 미세한 유체(Fluid)를 빠르게 잡아 모으는 것, 그리고 매우 미미한 양의 체액을 분석하는 것에 어려움이 있었다.
생물체에서 분비되는 유체는 기본적으로 매우 적은 양인 경우가 많다. 게다가 규칙적으로 분비되는 것도 아니다. 예를 들자면 정적인 상태에서는 땀을 거의 흘리지 않거나 흘리는 땀이 적을 수 있다. 혹은 체내에서 이루어지는 각종 대사 반응으로 인한 분비물도 매우 적고 불규칙하다.
연구팀의 설명에 따르면 기존의 센서 시스템들로는 이러한 ‘초소량 유체(micro-scale fluid)’를 수집하고 실시간으로 다변량 분석하는 것이 불가능했다. 보통은 운동과 같이 다량의 체액이 분비되는 환경을 필요로 하거나, 이온 영동(Ion Electrophoresis)과 같은 강제적 체액 유도 과정 혹은 복잡한 다층 구조 및 부피·크기가 큰 장비가 필요했다.
개구리 발바닥을 본뜬 바이오센서 패치
공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 양서류 발바닥의 육각형 점착 구조와 미세 배수 기능에서 아이디어를 얻었다. 습도가 높고 울퉁불퉁 불규칙한 피부 표면에도 안정적으로 부착되며, 흘리는 땀이 적어도 정밀하게 감지해낼 수 있는 부드럽고 가벼운 ‘생체모사 바이오센서 패치’를 개발한 것이다.
패치에는 개구리 발바닥의 미세한 육각 구조와 채널을 적용했다. 이를 통해 체액을 신속히 배출하고 굴곡진 생체 표면에 긴밀한 접착력을 높였다. 채널 내부에는 수분 흡수가 뛰어난 하이드로젤과 생체 투과성을 가진 근적외선* 대역의 발광 ‘단일벽 탄소나노튜브’* 센서를 결합해 극미량의 유체도 효과적으로 흡수하고 감지할 수 있도록 했다.
또한, 육각 구조 표면을 부드러운 재료들을 이중층으로 구성해, 땀이 많거나 움직임이 큰 피부 부위에서도 패치가 안정적으로 부착돼 있도록 하고 센서가 정상적으로 작동할 수 있도록 설계했다. 흘리는 땀이 적어도, 많아도 상관 없이 원활하게 분석할 수 있도록 안배한 것이다.
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* 근적외선 : 적외선 영역의 전자파 중 파장이 짧은 0.7~1.5μm 정도의 파장 영역. * 단일벽 탄소나노튜브 : 탄소 원자 한 층의 튜브로 이루어진 반도체성 나노 소재. |
초소형 정밀 생체 모니터링 기반 기술
연구팀이 개발한 점착 패치는 부드럽고 가벼운 생체부착형 광학 센서 패치다. 전체적으로 부드럽고 유연한 소재를 적용하여 운동이나 외부 자극이 없이도, 최소 75 nL(나노리터) 수준의 아주 적은 양의 땀을 45초 내에 실시간 감지할 수 있는 것으로 확인됐다.
또는, 피부에서 분비되는 극미량의 체액으로부터 비타민이나 스트레스 지표 같은 다양한 분자를 동시 다발적으로 감지할 수 있는 고정밀 분석도 가능한 것을 확인했다.
공동연구팀을 이끈 조수연 교수와 방창현 교수는 “이번에 개발한 부드럽고 가벼운 생체모사 기반의 광학 탄소나노튜브 기반 바이오센서 패치 기술은 극미량 체액을 안정적으로 유도하고 감지할 수 있을 뿐 아니라 습기나 곡면, 움직임이 많은 실제 생체 환경에서도 안정적인 부착과 작동이 가능하다는 장점이 있다”라고 이야기했다.
또한, 두 교수는 “향후 다양한 광학 센서와 결합해 초소형 정밀 생체 신호 모니터링 기술로 발전할 수 있으며, 웨어러블 헬스케어, 미시 생명현상 분석, 정밀 의료 분야까지 확장 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 공동 연구 성과는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 기초연구실 사업 및 개인기초연구(중견연구), 우수신진연구사업, 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 보건복지부 혁신성장피부건강기반기술개발사업의 지원을 받아 진행되었다. 이번 연구성과는 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 14.7)」에 지난 5일(토) 온라인 게재됐다.
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