성균관대 방창현·조수연 교수팀, 극미량의 땀 실시간 감지하는 광학바이오센서 패치 개발 … 정밀 생체신호 분석 가능

성균관대학교는 화학공학부 방창현 교수 연구팀과 조수연 교수 연구팀이 양서류의 발바닥을 본뜬 부드럽고 가벼운 광학 점착 바이오센서 패치를 개발하고, 이를 통해 극미량의 체액을 실시간으로 원격 감지할 수 있는 기술을 구현했다고 9일 밝혔다.

나노소재를 이용한 생체부착센서 기술은 다양한 질환의 실시간 조기 진단을 위해 주목받아 왔으나, 생체표면에 미세한 유체를 빠르게 잡아 모으고 미량의 체액을 분석하는 데 어려움이 있었다. 기존 센서 시스템은 정적인 상태에서 분비되는 미량의 땀이나 식물 체액의 성장 호르몬 등 예측 불가능한 간격으로 분비되는 초소량 유체를 수집해 실시간으로 다변량 분석할 수 있는 기술이 전무했다. 운동과 같은 다량의 체액 분비 환경과 이온 영동과 같은 강제적 체액의 유도 등 제한적인 상황과 복잡하고 무거운 장비가 필요했다.

공동 연구팀은 양서류(개구리) 발바닥의 미세한 육각형 점착 구조와 미세 배수 기능에서 착안해 습하고 불규칙한 피부 표면에도 안정적으로 부착되며 극소량의 체액을 정밀하게 감지할 수 있는 부드럽고 가벼운 생체모사 바이오센서 점착 패치를 개발했다.

채널 내부에는 수분 흡수가 뛰어난 하이드로젤과 생체 투과성이 있는 근적외선 대역의 발광 단일벽 탄소나노튜브(탄소 원자 한 층의 튜브로 이뤄진 반도체성 나노소재) 센서를 결합해 극미량의 유체도 효과적으로 흡수하고 감지할 수 있게 했다.

또한 육각 구조 표면을 부드러운 재료의 이중층으로 구성해 땀이 많거나 움직임이 큰 피부 부위에도 패치가 안정적으로 부착되도록 설계했다.

연구팀이 개발한 광학 센서 점착 패치는 운동이나 외부 자극 없이도 최소 75nL 수준의 극미량의 땀을 45초 이내에 실시간으로 감지할 수 있었다. 극미량의 체액으로부터 비타민이나 스트레스 지표 같은 다양한 분자를 동시 다중 감지하는 고정밀 분석이 가능함을 확인했다.

공동연구팀은 "이번에 개발한 바이오센서 기술은 습기나 곡면, 움직임이 많은 환경에서도 안정적인 부착과 작동이 가능하다는 게 장점"이라며 "앞으로 다양한 광학 센서와 결합해 초소형 정밀 생체 신호 모니터링 기술로 발전할 수 있으며 웨어러블 헬스케어, 미시 생명현상 분석, 정밀의료 분야까지 확장 가능하다"고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 5일 온라인 게재됐다. 이연수 석박사통합과정생, 신세영 석사과정생이 공동 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 기초연구실 사업 및 개인기초연구(중견연구), 우수신진연구사업, 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 보건복지부 혁신성장피부건강기반기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다.