광운대학교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 β-phase가 풍부한 멕신-PDFE 나노복합섬유에 레이저 탄화기술을 적용하여 다공성 TiO2 나노 촉매가 풍부한 3차원 섬유형 탄소나노섬유 (TiO2@LCNFs) 메쉬와 이를 이용한 고성능의 전기화학-물리 하이브리드 피부 패치센서 개발에 성공하였다. 잦은 채혈로 인한 통증과 인체에 여러 개의 센서를 부착해야 하는 불편함을 극복하기 위하여 생체 화학신호(혈당, pH)와 생리학적 신호(심전도, 근전도)를 동시에 측정 및 실시간 모니터링 할 수 있는 통기성을 갖는 다중모드 하이브리드 피부패치를 개발하였다. 본 연구팀이 개발한 탄소나노섬유 (TiO2@LCNFs) 는 산화된 아나타제 TiO2와 흑연 다공성 탄화섬유로 인해 우수한 전기적, 전기화학적 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 장시간 사용에도 피부에 자극이 없고, 복잡한 장비 및 제작 공정 프로세스가 필요 없다는 장점이 있다. 

최근 서구화된 식생활과 고령화로 인한 대사증후군 및 만성질환 관리에 대한 관심과 중요성이 지속적으로 증가함에 따라 생체신호 실시간 모니터링 기술과 이를 이용한 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템 개발의 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 센서 기술 연구가 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 특히 눈물, 땀, 세포간질액 (ISF, Interstitial Fluid) 등 체액에서 혈당 측정 및 실시간 모니터링 하는 센서기술이 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 시스템에 적용하기에는 한계가 있다. 또한 땀으로부터 얻어지는 혈당은 온도와 pH에 영향을 받기 때문에 정확한 값을 얻기 위해서는 보정이 필수적이다.

본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 전이 금속 탄화물과 질화물 또는 탄질화물로 구성된 멕신이라는 새로운 종류의 2D 나노 물질을 PDFE라는 고분자와 혼합하고 전기방사기술을 이이용하여 나노복합섬유를 개발하였다. 제작된 나노복합섬유에 레이저 탄화기술을 적용하여 3차원 섬유형 탄소나노섬유 (TiO2@LCNFs) 메쉬를 제작하고 이를 이용하여 생화학 및 전기생리학적 매개변수를 모두 측정 및 실시간 모니터링할 수 있는 타투 형태의 다중 모드 하이브리드 피부 패치센서를 성공적으로 개발하였다. pH 보정센서를 땀당 센서와 집적화하여 땀으로부터 정확한 혈당 검출과 연속적인 심전도 측정을 할 수 있도록 설계 및 제작하였다. 포도당 바이오센서는 생리학적 수준(10μM-2mM) 내에서 77.12μAmM-1cm-2, 10μM 의  검출한계, 4초이내의 응답과 같은 우수한 특성을 나타냈고, 유연 심전도 센서는 명확한 P, QRS complex, T 파형 측정 결과로 기존의 상용 Ag/AgCl 전극기반 상용센서 보다 우수한 피부-전극 접촉 임피던스 및 생체전위 신호, 신호 대 잡음비 = 37.63dB를 나타냈다. 또한, 설계 및 제작한 모바일 플랫폼을 이용하여 인체 땀 기반의 on?body 테스트를 진행한 결과, 상용 피부 분석 장비와 비교를 통해 제작된 하이브리드 피부패치의 타당성을 입증하였다. 본 연구에서 개발한 다중모드 하이브리드 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 관리에 크게 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983,?저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원과 광운대학교 우수연구자 지원사업으로 수행되었고,?연구 결과는 세계최고의 기능성 소재 및 소자 분야 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials, (IF:19.92) 표지논문에 게재되었다. 1저자인 샤리프자만 박사는 2023년 3월부터 독일 키일대학교 (University of Kiel) 연구과학자로 재직하고 있다. https://doi.org/10.1002/adfm.202370131

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