광운대 박재영 교수팀, "혈당과 심전도 동시 측정" 피부 패치센서 개발

광운대학교는 최근 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 '웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템 적용을 위한 다기능 하이브리드 피부 패치센서'를 개발했다고 2일 밝혔다.

이 패치센서는 정확한 땀당 검출을 통한 비침습 혈당 모니터링과 지속적인 심전도 측정이 가능하다.


서구화된 식생활과 고령화로 인한 만성질환 관리에 대한 관심이 높아지면서 생체신호 실시간 모니터링 기술을 이용한 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템의 필요성도 증대되고 있다. 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 모니터링하는 센서기술은 가장 많은 연구가 이뤄지고 있다. 하지만 지금까지 보고된 대부분의 패치센서 관련 연구들은 화학적 생체신호 또는 생리학적 신호만을 측정하는 기술이다. 복합 및 다중 생체신호를 필요로 하는 차세대 스마트 건강관리와 질병 진단 시스템 적용에는 한계가 있다. 또한 땀으로부터 얻어지는 혈당은 온도와 pH에 영향을 받기 때문에 보정이 필수적다.
박 교수 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 개발했다.

하나의 플랙시블 기판에 여러 개의 전기화학·생리학적 센서를 집적화한 다중 유연 패치센서다. 이를 통해 온도와 pH 보정센서를 땀당 센서와 집적화해 땀으로부터 정확한 혈당 검출과 연속적인 심전도 측정이 가능하다. 연구팀은 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 최적화했다.


이 혈당 센서는 생체 유효 범위 내에서 높은 선형성(R2=0.99)과 민감도(29.10 μA mM-1cm-2)를 나타냈다. 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 입증했다.

이 피부 패치센서는 웨어러블 의료 및 헬스케어 플랫폼 기술 기반으로 수집된 u-헬스케어 DB 구축을 통해 만성질환 및 대사증후군 스마트 관리를 위한 연구에 활용될 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료 기술개발사업(NRF-2017M3A9F1031270)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 바이오센서 분야 최고 저널인 엘시비어(ELSEVIER) 출판의 바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, (IF:10.618)에 게재됐다.