광운대 박재영 교수팀, 나비 모양의 혈당과 심전도 모니터링 피부패치 개발

광운대학교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템 적용을 위한 나노다공성 탄소-멕신 (NPC@MXene) 나노복합소재 기반 고성능의 전기화학-물리 하이브리드 피부 패치센서’개발에 성공하였다. 본 연구팀은 잦은 채혈로 인한 통증과 인체에 여러 개의 센서를 부착해야 하는 불편함을 극복하기 위하여 체온, 생체 화학신호(혈당, pH), 생리학적 신호(심전도, 근전도)를 동시에 측정 및 실시간 모니터링 할 수 있는 다중모드 피부패치를 개발하였다.

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. 따라서 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 혈당 측정 및 실시간 모니터링 하는 센서기술이 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.

본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 전이 금속 탄화물과 질화물 또는 탄질화물로 구성된 멕신이라는 새로운 종류의 2D 나노 물질을 NPC와 혼합한 이종 구조의 나노복합소재를 개발하였다. 개발한 복합소재를 이용하여 생화학 및 전기생리학적 매개변수를 모두 측정 및 모니터링할 수 있는 나비 모양의 다중 모드 하이브리드 피부 패치센서를 성공적으로 개발하였다. 온도와 pH 보정센서를 땀당 센서와 집적화하여 땀으로부터 정확한 혈당 검출과 연속적인 심전도 측정을 할 수 있도록 하나의 플랙시블 기판에 여러 개의 전기화학·생리학적 센서를 집적화한 다중 유연 패치센서이다. 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 입증하였다. 본 연구에서 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 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원과 광운대학교 우수연구자 지원사업으로 수행되었고,?연구 결과는 세계최고의 기능성 소재 및 소자 분야 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, (IF:19.92) 표지논문에 게재되었다.

온라인 중앙일보