광운대학교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템 적용을 위한 땀 포집 미세유체 채널 일체형 전기화학-물리 하이브리드 피부 패치센서’ 개발에 성공하였다. 본 연구팀은 잦은 채혈로 인한 통증과 인체에 여러 개의 센서를 부착해야 하는 불편함을 극복하기 위하여 체온, 생체 화학신호(혈당, pH), 생리학적 신호(심전도)를 동시에 측정 및 실시간 모니터링 할 수 있는 다중모드 피부패치를 개발하였다. 

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 센서 기술 연구가 국내외적으로 활발하게 진행되고 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 필수적이며, 땀을 효율적으로 포집하기 위해서는 미세유체 채널과 통합된 일체형 패치가 되어야 한다. 발한은 신체 훈련, 스포츠 또는 운동 중에 pH 및 온도(T)가 변동하는 복잡한 과정으로, 대상에 따라 패턴과 수준이 다양하다 (pH의 경우 약 5-7°C, 체온의 경우 27-38°C). 

본 연구팀은 땀당과 심전도(ECG)를 실시간으로 모니터링할 수 있는 새로운 웨어러블 패치를 개발했다. 유연 패치는 미세유체 채널과 여러 바이오센서가 통합되어 집적화 되었기 때문에 땀당과 심전도를 실시간으로 측정 및 모니터링할 수 있다. 환원된 그래핀 옥사이드 기반 포도당 바이오센서는 생리학적 수준(10 μM-0.4 mM) 내에서 19.97(유체 채널이 없는 경우 44.56) μAmM-1cm-2의 우수한 감도를 나타내며 장기 및 굽힘 안정성이 우수하다. 패치는 땀 pH와 온도의 변동에 따라 포도당 반응을 내부적으로 보정할 수 있다. 동시에, 레이저 연소 계층형 MXene-폴리비닐리덴 플루오라이드 기반 전도성 탄소 나노섬유 기반 건식 심전도 센서는 낮은 피부 접촉 임피던스(40.5kΩ cm2)와 고품질 전기생리학적 신호(신호 대 잡음비 = 23.4~32.8dB)를 나타낸다. 패치는 또한 센서 신호처리 및 BLE 무선통신 소형 인쇄 회로 기판과 연결되어서 혈당 및 ECG 신호를 스마트폰 앱이나 기타 장치를 통하여 실시간으로 수신할 수 있다. 연구진은 각각 세 번씩 땀을 흘린 5명의 피험자의 땀으로부터 혈당과 심전도 수치를 성공적으로 측정하였다. 또한 운동 중 피험자의 혈당과 심전도 수준을 정확하게 모니터링하였다. 본 연구에서 개발한 패치센서는 웨어러블 의료 및 헬스케어 플랫폼 기술 기반으로 수집된 다양한 복합 생체정보를 통한 u헬스케어 DB 구축과 빅데이터 분석을 통하여 만성질환 및 대사증후군 스마트 관리에 크게 활용될 것으로 기대된다. 또한 이 패치는 운동선수와 격렬한 신체 활동에 참여하는 다른 사람들의 건강을 모니터링하는 데에도 사용 가능하다.

한편,  번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 바이오의료기술사업 지원(2017M3A9F1031270) 과 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원사업으로 수행되었고, 연구 결과는  ACS에서 발행하는 화학 센서 및 분석 분야에 저명한 국제 학술지인 ACS Sensors (IF : 9.618, JCR: 4.1%)에 게재되었다. 

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