- 만성질환 및 대사증후군 원격 관리 및 치료에 크게 활용 기대
- 논문, SCI급 저명 국제학술지 'Advanced Functional Materials' 표지논문 선정
[위즈뉴스] 국내 연구진이 혈당과 심전도를 실시간으로 모니터링할 수 있는 피부 패치센서를 개발했다.
광운대학교는 27일, 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 체온과 생체 화학신호(혈당, pH), 생리학적 신호(심전도, 근전도)를 동시에 측정 및 실시간 모니터링 할 수 있는 나노복합소재 기반의 다중모드 피부패치를 개발했다고 밝혔다.
이번에 개발한 피부패치는 채혈로 인한 통증과 인체에 여러 개의 센서를 부착해야 하는 불편함을 극복하는 데 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.
이번 연구 결과를 담은 논문은 기능성 소재 및 소자 분야의 SCI급 저명 국제학술지 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924)' 9월 18일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.
논문명은 'A Nanoporous Carbon-MXene Heterostructured Nanocomposite-Based Epidermal Patch for Real-Time Biopotentials and Sweat Glucose Monitoring'이며, 박재영 교수가 교신저자로, 아부(Md Abu Zahed) 박사가 제1저자로 참여했다.
"만성질환 및 대사증후군 스마트 관리에 크게 활용될 것"
연구팀은 "이번에 개발한 다중모드 피부 패치센서는 웨어러블 의료 및 헬스케어 플랫폼 기술 기반으로 수집된 다양한 복합 생체정보를 통한 u헬스케어 DB 구축과 빅데이터 분석을 통하여 만성질환 및 대사증후군 스마트 관리에 크게 활용될 것"이라고 전망했다.
최근 서구화된 식생활과 고령화로 인한 대사증후군 및 만성질환 관리에 대한 관심과 중요성이 지속적으로 증가함에 따라 생체신호 실시간 모니터링 기술을 이용한 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템의 필요성이 크게 증대되고 있다.
이에따라 사용자의 화학적 생체신호(혈당, 젖산 pH 등)와 생리학적 신호(심전도, 근전도, 뇌파 등)를 비침습적으로 실시간 모니터링할 수 있는 센서 기술 연구가 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
특히 눈물, 땀, 세포간질액 (ISF, Interstitial Fluid) 등 체액에서 혈당을 측정하고 또, 실시간 모니터링을 하는 센서기술 분야에서 가장 많은 연구가 이루어지고 있다.
하지만, 지금까지 보고된 대부분의 패치센서 관련 연구들은 화학적 생체신호 또는 생리학적 신호만을 측정하는 기술로 복합 및 다중 생체신호를 필요로 하는 차세대 스마트 건강관리 및 질병 진단 시스템에 적용하기에는 한계가 있다.
또한 땀으로부터 얻어지는 혈당은 온도와 pH에 영향을 받기 때문에 정확한 값을 얻기 위해서는 보정이 필수적이다.
최근에 높은 표면적을 갖는 나노다공성 탄소(NPC) 개발을 위하여 몇 가지 금속-유기 구조 (MOF)의 나노 신소재가 연구개발이 활발이 이루어지고 있다.
특히, 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크 (ZiF, Zeolitic imidazolate Frameworks)는 MOF의 하위 패밀리를 구성하며 매우 높은 다공성, 가변가능한 구조, 높은 표면적, 간단한 제조공정으로 인해 큰 관심을 받고 있다.
단일 ZiF 기반 MOF, 즉 ZiF-67의 직접 열분해 및 식각 공정을 통하여 공간적으로 정렬된 다공성 구조와 높은 흑연화도를 가진 NPC를 생성할 수 있다.
이 NPC는 놀라운 전기 전도도, 뛰어난 전기화학적 활동도, 높은 질소함량을 갖고 있기 때문에 전기화학적 바이오 센싱에 매우 효과적이다. 그러나 ZiF-67의 열분해 과정은 이용 가능한 친수성 결합 부위의 수를 감소시키고 용매에 분산되는 동안 NPC의 응집이 불가피하다는 단점 또한 갖고 있다.
연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 전이 금속 탄화물과 질화물 또는 탄질화물로 구성된 멕신이라는 새로운 종류의 2D 나노 물질을 NPC와 혼합한 이종 구조의 나노복합소재를 개발했다.
연구팀은 이어, 개발한 복합소재를 이용하여 생화학 및 전기생리학적 매개변수를 모두 측정 및 모니터링할 수 있는 나비 모양의 다중 모드 하이브리드 피부 패치센서를 성공적으로 개발했다.
이번에 개발한 센서는 온도와 pH 보정센서를 땀당 센서와 집적화하여 땀으로부터 정확한 혈당 검출과 연속적인 심전도 측정을 할 수 있도록 하나의 플랙시블 기판에 여러 개의 전기화학 및 생리학적 센서를 집적화한 다중 유연 패치센서이다.
나노다공성 탄소-멕신(NPC@MXene) 기반 포도당 바이오센서는 생리학적 수준(0.003-1.5mM) 내에서 100.85μAmM-1cm-2의 우수한 감도를 보여 주며, 신체 땀 모니터링 동안 pH와 온도의 변화는 교정 접근법을 사용하여 보정된다.
유연 심전도 센서는 명확한 P, QRS complex, T 파형 측정 결과로 기존의 Ag/AgCl 전극기반 상용센서와 유사한 피부-전극 접촉 임피던스 및 생체전위 신호를 나타냈다.
또한, 설계 및 제작한 모바일 플랫폼을 이용하여 인체 땀 기반의 on-body 테스트를 진행한 결과, 상용 피부 분석 장비와 비교를 통해 제작된 하이브리드 피부패치의 타당성을 입증했다.
이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업의 지원과 광운대학교 우수연구자 지원으로 수행됐다.
