박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 마이크로니들 패치 기반 연속혈당모니터링기술 개발

- 이중막 마이크로니들 센서와 온도보정 알고리즘 적용 고정밀 연속혈당 모니터링 기술 개발 -

- 웨어러블 디지털 헬스케어·스마트 당뇨 관리 및 운동·스포츠 증진 등 다양한 실생활 활용 기대 -

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

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 이중막 마이크로니들 센서와 온도 보정 알고리즘을 적용한 고정밀 연속 혈당 모니터링 기술을 개발했다. 연구팀은 이중 선택막 구조를 적용한 고분자 마이크로니들 센서를 통해 세포간질액(ISF)에서 포도당을 넓은 농도 범위에서 안정적으로 측정할 수 있는 기술을 구현했다. 특히 PSA@ChA–PSA 이중막 코팅을 적용해 효소 활성을 보호하고 간섭 물질을 차단함으로써, 최대 35mM 농도까지 선형 검출과 높은 민감도를 달성했다. 또한 온도센서를 집적화하고 보정 알고리즘을 적용하여 장기간 모니터링 시 발생하는 온도 영향을 최소화하고 28일 이상 안정적인 센서 성능을 확인하였다.

(좌)박재영 교수 (우)세림 박사과정생

당뇨병(Diabetes mellitus)은 전 세계 수억 명의 환자에게 영향을 미치는 대표적인 만성 대사질환으로, 효과적인 관리와 합병증 예방을 위해서는 혈당을 지속적으로 모니터링하는 것이 매우 중요하다. 그러나 현재 널리 사용되는 손끝 채혈 기반 혈당 측정 방식은 통증과 불편함을 동반하며 감염 위험이 존재하고, 혈당의 시간적 변화를 연속적으로 파악하기 어렵다는 한계가 있다.

최근 이러한 문제를 해결하기 위해 웨어러블 기반 연속 혈당 모니터링 기술이 주목받고 있으며, 특히 마이크로니들(microneedle) 기반 센서는 피부에 최소 침습으로 삽입되어 간질액(Interstitial Fluid, ISF)을 분석할 수 있어 차세대 혈당 측정 기술로 관심을 받고 있다. 간질액의 포도당 농도는 혈액과 높은 상관성을 가지기 때문에 안정적인 연속 모니터링이 가능하다.

하지만 기존 마이크로니들 센서는 효소 반응 과정에서 산소 부족이 발생해 고농도 영역에서 측정 범위가 제한되는 문제가 있다. 또한 작은 전극 면적으로 인해 효소 적재량이 제한되어 센서의 반응 속도와 성능이 저하될 수 있다. 이를 개선하기 위해 확산 제한층으로 퍼플루오로 설폰산(perfluorinated sulfonic acid, PSA) 막이 사용되지만, PSA가 효소층과 직접 접촉할 경우 효소 활성 감소와 물질 전달 저항 증가로 인해 센서 민감도와 안정성이 떨어질 수 있다. 또한 온도 변화는 효소 반응 속도에 영향을 미쳐 장기간 혈당 측정의 정확도를 낮출 수 있다.

박재영 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 이중 선택적 막 구조(task-specific permselective membrane, PSM)를 적용한 고분자 마이크로니들 기반 전기화학 포도당 바이오센서 패치를 개발했다. 이 센서는 온도 센서(T-sensor)를 함께 통합하여 간질액 포도당 농도를 무선으로 장기간 안정적으로 모니터링할 수 있는 웨어러블 플랫폼으로 설계되었다.

연구팀은 효소 표면 위에 PSA@ChA 복합막을 1차 코팅층으로, PSA 막을 2차 코팅층으로 형성하는 이중막 구조를 구현하였다. 내부 PSA@ChA 막은 이오노머와 효소의 직접 접촉을 방지해 효소 활성을 유지하며, 외부 PSA 막은 Donnan 배제 원리를 이용해 음전하 간섭 물질을 차단하는 선택적 확산 장벽 역할을 수행한다. 이러한 이중막 구조는 포도당 확산을 정밀하게 제어해 효소 포화를 줄이고 센서의 선형 검출 범위를 확장하는 효과를 나타냈다.

실험 결과 개발된 바이오센서는 최대 35mM 농도까지 우수한 선형성을 유지했으며, 18.46 μAmM⁻¹cm⁻²의 높은 민감도와 1.8μM의 낮은 검출한계를 나타냈다. 또한 실험실 환경에서 최대 28일 동안 안정적인 성능을 유지하는 것으로 확인되었다.

연구팀은 다양한 온도 조건에서 센서 성능을 분석하고 온도 보정 알고리즘을 적용하여 실시간 측정 정확도를 향상시켰다. 또한 토끼 모델을 이용한 동물 실험(in vivo test)을 통해 센서 성능을 검증한 결과, 측정된 포도당 변화는 상용 혈당 측정기와 높은 일치도를 보였다. Clarke Error Grid 분석에서도 높은 정확도가 확인되었으며, 평균 절대 상대 오차(MARD)는 9.0 ± 2%로 나타났다. 연구팀은 이번 기술이 향후 웨어러블 연속 혈당 모니터링 시스템과 차세대 비침습 당뇨/헬스케어 관리 플랫폼 개발에 중요한 기반 기술이 될 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 산업통상자원부의 한국산업기술진흥원(RS-2022-KI002581, 산업혁신인재성장지원사업)과 한국산업기술평가원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 세계적 학술지인 엘시비어(Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 인용지수: 13.3)에 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172668

<넓은 농도 범위의 간질액(ISF) 포도당 모니터링을 위한 고분자 마이크로니들(PMN) 포도당 패치 센서의 설계 및 성능>

(a)간질액 포도당을 측정하고 스마트폰을 통해 데이터를 확인할 수 있는 무선 마이크로니들 패치 시스템의 개념도

(b) 제작된 마이크로니들 센서의 사진으로, 작동 전극(WE), 보조 전극(CE), 기준 전극(RE)과 온도 보정을 위한 저항식 온도센서(RTD)가 통합된 구조를 보여줌

(c) 불소계 공중합체 막(PSA@ChA/PSA)을 센서 표면에 형성하기 위한 층별 딥코팅(layer-by-layer dip-coating) 공정 모식도

(d) 센서의 암페로메트릭(amperometric) 응답 특성으로, 넓은 범위의 포도당 농도에서 선형 검출이 가능함을 확인

(e) PBS 용액에서 0–35 mM 포도당 농도 범위에 대해 4주간 수행한 장기 재현성 평가 결과

(f) 개발된 패치 시스템을 이용한 토끼 모델에서의 실시간 간질액 포도당 모니터링을 위한 in vivo 실험 구성

(g) 패치 센서를 이용한 연속 간질액 포도당 측정 결과와 상용 혈당측정기 결과 비교

(h) PMN 기반 포도당 센서와 상용 혈당측정기 간 측정 결과의 일치도를 보여주는 Clarke Error Grid 분석 결과