스마트 피부패치 개발

- 포도당, 젖산, 요산, 전해질, pH, 온도 등 7종 바이오 마커를 원격으로

감지 및 실시간 모니터링 가능한 스마트 피부패치 센서 개발 -

- 만성 상처 및 질환 원격 스마트 관리 와 치료에 크게 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지, 엘시비어 출판의 케미컬 엔지니어링 저널에 논문(IF: 13.3) 게재 -

본교 박재영 교수(전자공학과) 연구팀은 대사산물(포도당, 젖산, 요산), 전해질(Na+, K+), pH, 온도 등 질병 진단 및 치료에 필요한 핵심 7종 바이오 마커들을 실시간 모니터링 할 수 있는 다중모드 하이브리드 유연 센서 패치 개발에 성공했다.

연구팀은 개발한 패치를 만성 창상 혹은 상처의 관리 및 치료에 적용하기 위하여 상처 액을 효율적으로 센서에 전달 할 수 있는 화살촉 모양의 미세유체 체널을 센서 패치와 집적화 하였고, 자체 제작한 센서 신호처리 회로가 내장된 모바일 플랫폼과 연동하여, 쥐 동물 시험을 성공적으로 수행 및 시연하였다. 만성 상처는 당뇨병이나 장기간 부동과 같은 질환으로 인해 발생하는 경우가 많으며, 감염과 같은 합병증을 예방하기 위해 세심한 모니터링이 꼭 필요하다. 만성 창상은 정상적인 창상 치유 과정을 거쳐도 일정 기간이 지난 후에도 치유되지 않는 상처로, 4주 이상이 지나도 치유되지 않으면 만성 창상으로 간주된다. 만성 창상은 혈액순환이 좋지 않거나 영양 상태가 좋지 않은 경우에 잘 발생하며, 특히 하지나 족부에 잘 생긴다. 욕창, 족부 궤양, 다리 궤양 등이 만성 창상에 해당된다.

<박재영 교수(좌)와 세림 박사과정(우)>

웨어러블 센서는 우리 삶의 다양한 측면에 혁명을 일으키고 있으며, 의료 분야에서도 그 중요성이 날로 커지고 있다. 상처 치유 과정을 실시간으로 모니터링하고 관리하는 데 있어 웨어러블 패치 센서는 획기적인 도구로 자리매김하고 있다. 이러한 센서 정보는 상처 치유 과정을 정확하게 파악하고 적절한 치료 방침을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 특히, 만성 상처 환자들은 웨어러블 센서를 통해 상처 상태를 지속적으로 확인하고 감염이나 합병증 발생을 미리 예방할 수 있다. 현재의 스마트 웨어러블 상처 치료 바이오센서 장치는 유망한 기술임에도 불구하고, 새로 분비된 분석물과 이전에 분비된 분석물들이 섞이면서 센서 반응이 지연되고 감지 해상도가 손상되기 때문에 상처액에서 바이오센서의 장기적인 연속 작동 안정성이 보장되지 못했다. 따라서 연속적인 상처액 샘플링 및 순환, 그리고 여러 매개변수를 동시에 모니터링하기 위해서는 마이크로유체 채널이 완전히 통합된 고감도의 유연 패치 기술 개발이 필요하다.

본 연구팀은 유연한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 바이오센서 전극을 금 박막으로 패턴을 형성 한 후 금 나노와이어가 주입된 환원된 그래핀 산화물(rGO@AuNWs) 나노복합체를 증착 하였다. 백금 나노입자(PtNP)를 나노복합체 위에 증착 후 효소인 포도당 산화효소(GOx), 유리카제(UOx), 락테이트 산화효소(LOx)를 코팅하고 네피온 패키징 멤브레인을 형성하였다. 모든 화학 센서에 공통적인 기준 전극으로 Ag/AgCl 전극을 전기도금으로 형성 한 후 폴리비닐 부티랄(PVB)을 증착하여 상처 액체의 구성 변동에 관계없이 일정한 전위를 보장하였다. 화살촉 모양의 미세패턴이 형성된 SU-8 미세유체 채널을 센서들과 집적화 하여, 상처액이 센서 챔버로 효율적으로 포집 및 지속적으로 전달되도록 하여 현장 바이오마커 감지의 시간적 해상도를 크게 개선하였다. 미세유체 채널을 통합한 결과 화살촉 미세패턴의 유체 다이오드 효과로 인해 유체 포집 효율이 약 6.5배 더 높아졌다. 7종의 센서 어레이는 3가지 대사산물 (포도당, 젖산, 요산), 2가지 전해질 이온 (Na+, K+) 및 만성 상처 상태와 관련된 pH와 온도를 모니터링하는 데 사용되었으며, 센서 반응은pH 및 온도 보상 알고리즘으로 보정되어 농도를 정확하게 정량화 했다. 포도당, 젖산, 요산 센서의 감도는 각각 29.57, 12.85 및 53.48 μA/mM cm2이며, 전해질 이온 센서(Na+및K+)와 pH센서에 대한 각각의 감도는 57.83 및 61.68 mV/dec, -59.85 mV/pH이며 견고한 선형성을 나타냈다. 센서 신호처리 회로와 모바일 플랫폼을 이용하여 수집된 데이터는 머신러닝과 인공지능 기술을 활용하여 분석 가능하며, 데이터 패턴 분석을 통하여 상처 치유 과정의 변화를 예측하고, 필요한 경우 의료 전문가에게 알림을 보내 적시에 치료가 가능하기 때문에 만성 상처 및 질환 원격 스마트 관리 와 디지털 치료에 크게 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업 (RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발), 한국 경찰청과 한국 관세청의 지원을 받은 한국경찰기술연구원(KIPoT)의 프로그램 (RS-2024-00406234, 불법 약물 대응을 위한 현장 기술 개발), 그리고 광운대학교 교내연구 지원사업으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 인용지수: 13.3)'에 게재되었다.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157673

<상처 관리를 위한 다기능 바이오센싱 패치의 개략도 : (A) 상처 바이오마커를 모니터링하는 데 사용되는 패치의 개념 설계 및(B) 프로토타입. (C, D) 상처 액체 수집을 개선하도록 설계된 미세유체 채널. (E) 쥐 상처 모델에서 제작된 패치의 평가. (F, G) 여러 날에 걸쳐 여러 상처 바이오마커를 동시에 모니터링하고, 실시간 모니터링을 위한 무선 데이터 전송>