혈당·안압 실시간 측정…‘스마트 콘택트렌즈용 센서’ 개발

스마트 콘택트렌즈 그래픽 이미지/사진=UNIST

미국 첩보영화 ‘미션임파서블’에 등장한 안구 속 ‘스마트 콘택트렌즈’가 실제로 나올 날이 머지않았다.


콘텍트렌즈 착용자의 혈당과 안압을 무선으로 실시간 모니터링할 수 있는 기술이 개발됐다. 소프트 콘택트렌즈에 삽입해 쓸 수 있는 투명하고 유연한 센서가 이번 연구의 핵심이다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 박장웅 교수, 생명과학부 이창영 교수, 전기전자컴퓨터공학부 변영재 교수, 경북대 의학과 안과학 김홍균 교수, 내과학 배귀현 교수로 이뤄진 공동연구팀이 그래핀과 금속 나노와이어를 기반으로 당뇨병과 녹내장 진단이 가능한 ‘스마트 콘택트렌즈 센서’를 개발했다고 27일 밝혔다.

스마트 콘택트렌즈 개념과 실제 모습/자료=UNIST

당뇨병 진단은 혈액 내 포도당(혈당) 농도를 기준으로 삼는다. 혈당이 기준치보다 높으면 고혈당증이라고 하는 데, 이 상태가 2시간 이상 지속되면 당뇨병으로 파악한다. 실명 원인 중 하나인 녹내장은 안구의 압력(안압)을 측정해 예방할 수 있다. 안압이 높은 상태가 계속되면 시신경을 압박해 녹내장이 생길 수 있다.

혈당은 눈물로도 측정 가능하기 때문에 콘택트렌즈로 당뇨병을 모니터링하려는 시도가 많았다. 하지만 기존 스마트 콘택트렌즈에 사용되던 전극들은 불투명하기 때문에 눈에 꼈을 때 시야를 가리는 문제가 있었다. 또 실제 렌즈가 아닌 렌즈 모양의 플라스틱이라 착용하기 어려웠다.

연구팀은 투명하고 유연한 재료로 센서를 만들어 2가지 문제점을 해결했다. 투명도가 높고 신축성이 좋은 그래핀과 금속 나노와이어로 전극을 만든 것. 이 센서를 이용하면 눈물 속 혈당을 감지하고 이 정보를 무선 안테나로 보내 착용자의 건강 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 무선 안테나가 전력을 이용해 센서의 정보를 읽어오기 때문에 스마트 콘택트렌즈에는 배터리 등 별도의 전원이 필요 없다.


안압 측정은 유전층을 이용한다. 유전층은 전기가 통하지 않는 층인데 양전하와 음전하가 양쪽으로 나뉘는 극성을 띠는 게 특징이다. 이 층의 두께는 안압이 높아지면 얇아지고, 낮아지면 두꺼워지는 식으로 변한다. 안압 측정 센서는 이를 감지해 안테나로 정보를 전달하게 된다.

두 센서가 동시에 적용된 스마트 콘택트렌즈 센서는 렌즈에 변형이 생겨도 무선으로 혈당이나 안압을 감지할 수 있었다. 또 사람의 눈물 속 다양한 물질에 노출돼도 센서 특성이 유지됐다. 소프트 콘택트렌즈에 전자 센서를 삽입하는 방식이라 착용감도 우수하다.

토끼 눈에 스마트 콘택트렌즈를 착용시킨 모습/사진=UNIST

연구팀은 스마트 콘택트렌즈를 살아있는 토끼에 착용시켜 혈당 모니터링에 성공했다. 연구팀은 “우수한 착용감 덕분에 토끼에게는 별다른 이상행동이 나타나지 않았다”고 말했다.

박장웅 교수는 “이번 기술은 배터리가 필요 없는 무선 스마트 콘택트렌즈 센서를 실현시킬 방법을 제시한 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 27일자에 게재됐다.

스마트 콘택트렌즈를 개발한 연구진의 모습. 앞줄에 앉은 사람이 김주희 연구원이고 뒷줄은 왼쪽부터 박지훈 연구원, 지상윤 연구원, 이창영 교수, 박장웅 교수, 변영재 교수/사진=UNIST