- 혈당과 심전도 측정이 가능한 복합 하이브리드 피부 패치센서 개발 -

- 만성질환 및 대사증후군 스마트 관리에 크게 활용 기대？

- 국제 저명 학술지 엘시비어 Biosensors and Bioelectronics 논문 (IF: 10.618) 게재 -

본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 ‘웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템 적용을 위한 다기능 하이브리드 피부 패치센서’ 개발에 성공하였다. 본 연구팀이 개발한 패치센서는 정확한 땀당 검출을 통한 비침습 혈당 모니터링과 지속적인 심전도 측정이 가능하다.

  
<박재영 교수(좌)와 윤상혁 석사 과정(우)>

최근 서구화된 식생활과 고령화로 인한 대사증후군 및 만성질환 관리에 대한 관심과 중요성이 지속적으로 증가함에 따라 생체신호 실시간 모니터링 기술을 이용한 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템의 필요성이 크게 증대되고 있다. 따라서 사용자의 화학적 생체신호(혈당, 젖산 pH 등) 와 생리학적 신호(심전도, 근전도, 뇌파 등)를 비침습적으로 실시간 모니터링할 수 있는 패치센서 기술 연구가 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.

특히 눈물, 땀, ISF(interstitial fluid) 등 체액에서 혈당 측정 및 실시간 모니터링 하는 센서기술은 가장 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 지금까지 보고된 대부분의 패치센서 관련 연구들은 화학적 생체신호 또는 생리학적 신호만을 측정하는 기술로 복합 및 다중 생체신호를 필요로 하는 차세대 스마트 건강관리 및 질병 진단 시스템 적용에는 한계가 있다. 또한 땀으로부터 얻어지는 혈당은 온도와 pH에 영향을 받기 때문에 보정이 필수적이다.

본 연구팀은 잦은 채혈로 인한 통증과 인체에 여러 개의 패치센서를 부착해야 하는 불편함을 극복하고 체온, 화학적 생체 신호(혈당, pH), 생리학적 신호(심전도, 근전도)를 동시에 측정할 수 있는 신개념의 복합 하이브리드 패치센서를 개발하였다. 온도와 pH 보정센서를 땀당 센서와 집적화하여 땀으로부터 정확한 혈당 검출과 연속적인 심전도 측정을 할 수 있도록 하나의 플랙시블 기판에 여러 개의 전기화학·생리학적 센서를 집적화한 다중 유연 패치센서이다. 미세패턴 된 전극 위에 2차원 나노소재인 rGO(reduced graphene oxide) 박막을 도포한 후 물리/화학적 특성 data(Cyclic voltammetry, FE-SEM, XPS)을 통해 표면 특성 분석과 소재 및 소자 공정 조건을 최적화하여 센서의 성능을 크게 향상시켰다.

개발된 혈당 센서는 생체 유효 범위 내에서 높은 선형성(R2=0.99)과 민감도(29.10 ？A mM？1cm？2)를 보였고, 유연 심전도 센서는 명확한 P, QRS complex, T 파형 측정 결과로 상용제품과 유사한 특성을 보였다. 또한, 인체 땀 기반의 on？body 테스트를 진행한 결과, 상용 피부 분석 장비와 비교를 통해 제작된 하이브리드 피부 패치센서의 타당성을 입증하였다. 본 연구에서 개발한 피부 패치센서는 웨어러블 의료 및 헬스케어 플랫폼 기술 기반으로 수집된 다양한 복합 생체정보를 통한 u？헬스케어 DB 구축과 빅데이터 분석을 통하여 만성질환 및 대사증후군 스마트 관리를 위한 연구에 크게 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료 기술개발사업 (NRF-2017M3A9F1031270)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 바이오센서 분야 최고 저널인 엘시비어 (ELSEVIER) 출판의 바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, (IF:10.618)에 게재되었다. https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113685

<웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 응용을 위한 하이브리드 피부 패치센서와 측정 결과>