이택 교수(화학공학과) 연구팀, 마이크로니들 패치를 활용한 최소침습 연속 혈당 모니터링 광학 바이오센서 개발

- 키토산 기반 마이크로니들과 광학 검출 시스템을 결합한 최소침습 혈당 모니터링 플랫폼 개발 -

- 블루투스 기반 실시간 광학 신호 분석을 통해 간질액 내 혈당의 고감도 검출 성능 입증 -

- 국제 저명 학술지 Small Structures (IF : 11.3, Advanced Materials 분야 Q1) 게재 -

본교 화학공학과 이택 교수 연구팀의 권나연 석사생과 홍예린 박사과정생이 채혈 없이 간질액(interstitial fluid, ISF) 내 혈당을 실시간으로 모니터링할 수 있는 광학 기반 마이크로니들 바이오센서를 개발하였다. 본 연구는 기존 연속혈당측정기(CGM)의 침습성과 생체적합성 문제를 개선하기 위해, 효소 기반 광학 검출 메커니즘과 최소침습 마이크로니들 플랫폼을 융합한 차세대 웨어러블 진단 시스템을 제시하였다는 점에서 의미가 크다.

마이크로니들 기반 광학 혈당 모니터링 바이오센서의 개략도

당뇨병은 만성 고혈당으로 인해 혈관, 신경, 신장 및 망막 손상 등 심각한 합병증을 유발하는 대표적인 대사성 질환이다. 국제당뇨병연맹(IDF)에 따르면 2045년에는 전 세계 당뇨 환자 수가 7억8천만 명에 이를 것으로 전망된다. 이에 따라 지속적인 혈당 모니터링 기술의 중요성이 커지고 있으나, 현재 상용화된 연속혈당측정기(CGMs)는 피부 삽입형 전극 기반의 전기화학 센서를 활용하기 때문에 통증, 장기 사용 시 생체적합성 저하, 매개체 누출에 따른 독성 문제 등의 한계를 가진다. 특히 기존 전기화학 방식은 전극 기반 신호 증폭 구조와 효소 고정화 공정이 필요해 시스템 구조가 복잡하며 장기 안정성 확보에도 어려움이 존재한다.

이에 이택 교수 연구팀은 생체적합성이 우수한 키토산(chitosan)과 아세트산(acetic acid)을 기반으로 한 마이크로니들(A.C. MN) 패치를 제작하고, glucose oxidase(GOx)를 패치 내부에 직접 포함시켜 별도의 효소 고정화 과정 없이 혈당을 검출할 수 있는 광학 바이오센서를 구현하였다. 제작된 마이크로니들은 15 × 15 array 구조와 약 700 μm 길이를 가지며, 피부 신경 및 혈관층까지 도달하지 않는 최소침습 구조로 설계되어 통증 없이 간질액을 추출할 수 있도록 개발되었다. 또한, 패치 내부의GOx가 glucose와 반응하며 황색에서 투명 상태로 변화하는 색 변화(colorimetric change)를 광학적으로 분석함으로써 혈당 농도를 정량화하였다.

연구팀은 광학 검출을 위해 RGB 기반 반사광 측정 시스템과 Bluetooth Low Energy(BLE) 모듈을 결합한 휴대형 광학 디바이스를 구축하였다. 특히 blue wavelength 영역의 반사 신호를 주요 분석 지표로 활용하여 혈당 농도에 따른 색 변화 민감도를 극대화하였으며, 측정된 데이터는 실시간으로 외부 장치에 무선 전송될 수 있도록 설계되었다. 개발된 센서는 100–500 mg/dL 범위에서 우수한 선형성(R² = 0.997)을 나타냈으며, 23.9 mg/dL의 검출한계(LOD)를 확보하였다. 또한 요산(uric acid), 아스코르브산(ascorbic acid), 아세트아미노펜(acetaminophen)과 같은 간질액 내 간섭 물질에 대해서도 높은 선택성을 입증하였다.

추가적으로 연구팀은 agarose 기반 피부 모사 환경과 nude mice 동물 모델을 이용해 플랫폼의 실제 적용 가능성을 검증하였다. 당뇨 유도 마우스에서는 정상 마우스 대비 현저하게 증가한 광학 신호 변화를 확인하였으며, 상용 혈당측정기와 비교한 결과 높은 상관관계(R² = 0.967)를 나타냈다. 조직병리학적 분석(H&E staining)을 통해서도 마이크로니들이 피부 표피층만 일시적으로 통과하며 출혈이나 진피 손상 없이 간질액을 효과적으로 추출함을 확인하였다. 이러한 결과는 개발된 플랫폼이 최소침습·무채혈 기반의 차세대 연속 혈당 모니터링 시스템으로 활용될 수 있음을 시사한다.

본 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원(RS-2026-25473418, RS-2024-00416117), 산업통상자원부 소재·부품기술개발사업(RS-2024-00507931), 그리고 산업통상자원부(MOTIE)의 지원(RS-2023-KT226565)을 받아 수행되었다. 연구 결과는 재료·바이오융합 분야의 국제 저명 학술지Small Structures (Advanced Materials 분야Q1)에 “Fabrication of Transparent Microneedle Patch for Minimally Invasive Glucose Monitoring Optical Biosensor”라는 제목으로 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1002/sstr.70437