광운대 박재영 교수팀, 만성질환·대사증후군 원격관리 위한 멀티센서 패치 개발

광운대학교는 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 전기적·기계적·화학적 특성이 탁월한 코어-셸 구조의 하이브리드 나노다공성 탄소(f-HNPC)가 포함된 레이저 탄화 기반 그래핀 융합전극을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구팀은 이를 활용해 피부와 땀으로부터 심전도(ECG)·포도당·요산·칼륨을 실시간 모니터링하는 멀티센서 패치를 개발하는 데 성공했다. 개발된 고성능 멀티센서 패치는 만성질환·대사증후군 원격 관리와 디지털 치료에 활용이 기대된다.

최근 서구화된 식생활과 고령화로 말미암은 대사증후군과 만성질환 관리에 대한 관심이 증가하면서 생체신호의 실시간 모니터링 기술을 이용한 웨어러블 스마트 의료·헬스케어 시스템의 필요성이 증대되고 있다. 사용자의 혈당·젖산pH 등 화학적 생체신호와 심전도·근전도·뇌파 등 생리학적 신호를 비침습적으로 관찰할 수 있는 센서 기술 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

특히 눈물, 땀, 세포간질액 등 체액에서 혈당을 측정하고 실시간으로 살피는 센서기술이 가장 활발하다. 하지만 지금까지의 패치센서 관련 연구는 화학적 생체신호나 생리학적 신호만을 측정하는 기술로, 복합·다중 생체신호를 필요로 하는 차세대 스마트 건강관리와 질병 진단 시스템에 적용하기엔 한계가 있었다.

이에 연구팀은 아연(Zn)-NPC(ZIF-8에서 유래)의 넓은 표면적과 코발트(Co)-NPC(ZIF-67에서 유래)의 높은 전기 흑연 유사 전도성을 결합하기 위해 하이브리드(코어-셸) 구조를 가진 나노다공성 탄소(Co·Zn-NPC)를 개발했다. Co·Zn-NPC로부터 Co, Zn 금속종을 화학적으로 에칭(반도체 표면을 산 따위로 부식시키는 방법)함으로써 공극 생성으로 인해 메조기공이 있는 높은 표면적의 코어-셸 나노다공성 탄소(CS-NPC)를 생성했다.

또한 금속-유기골격체(MoF) 기반의 나노 다공성 탄소 물질을 하드록실기로 기능화해 전기화학적 센서의 감도, 선택성·생체적합성을 향상했다. 히드록실기는 표적 분석물과 특이하게 상호 작용하는 생체 분자 또는 화학 수용체의 부착을 위한 활성 부위를 제공해 센서의 선택성과 감도를 향상한다. 접근 가능한 기공 구조를 가진 히드록실(-OH)기로 표면 기능화를 적용할 수 있다는 점을 고려할 때, 수산화칼륨(KOH) 활성화 기술은 나노다공성 탄소(NPC)가 센서 응용 분야에서 전달층으로 효율적으로 사용될 수 있는 유망한 접근 방식이 될 것으로 기대된다.

연구팀은 CS-NPC를 레이저 탄화기술로 제작한 그래핀 전극에 코팅해 땀으로부터 포도당·요산·칼륨을 측정하는 전기화학 센서와 피부로부터 심전도를 측정하는 건식 기반 심전도센서가 일체화된 유연 멀티센서 패치를 성공적으로 개발했다. 제작된 멀티센서 패치를 가슴에 부착해 심전도와 땀으로부터 포도당·요산·칼륨을 측정하고 실시간으로 모니터링했다. 합성된 f-HNPC-변형 전극은 전기화학적 표면적과 전기 촉매 활성을 크게 증가해 포도당과 요산을 포함한 땀 바이오마커를 민감하고 선택적으로 검출할 수 있었다. 포도당에 대한 매우 넓은 검출 범위(최대 41.5mM)도 보였다.

이번 연구에서 개발한 멀티센서 패치는 웨어러블 의료와 헬스케어 플랫폼의 핵심 기술로써 만성질환과 대사증후군의 스마트 관리, 디지털 치료에 크게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재·소자 전문 저널인 '어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈'에 실렸다.

이번 연구는 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 산업혁신인재성장지원사업과 산업기술평가원의 산업기술혁신사업, 2023년 광운대 교내연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.