韓-美 공동연구로 피로물질 측정하는 웨어러블 바이오센서 개발

피부 위에 부착, 스마트장치로 측정 데이터를 읽어오는 패치형 센서
고려대 구자현 교수팀, 국제 저명 학술지 PNAS 논문 게재
의료용 데이터 수집 뿐만 아니라 일반인 셀프 건강관리까지 가능해질 것으로 기대



연구진


▲ 윗줄 왼쪽부터 구자현 고려대 교수(교신저자), 일리노이대학교 김성봉 박사(제1저자) 

▲ 아랫줄 : 왼쪽부터 교신저자 노스웨스턴대학교 John A. Rogers 교수(쿼레이심슨바이오일렉트로닉스연구소 소장),
일리노이대학교 Paul V. Braun 교수(재료연구소 소장, 베크멘연구소), 노스웨스턴대학교 Roozbeh Gaffari 교수(쿼레이심슨바이오일렉트로닉스연구소)

 


한국과 미국의 공동연구를 통해 피부에 부착하는 패치 형태의 플랫폼에 땀 속 피로물질 및 피부 전도도를 측정할 수 있는 웨어러블 바이오센서가 개발됐다. 

보건과학대학 바이오의공학부 구자현 교수는 의공학 및 재료공학 분야의 세계적인 석학인 John A. Rogers 노스웨스턴대 교수(의공학, 재료공학, 물리, 화학), Paul V. Braun 일리노이대 교수(재료공학, 전지, 광학, 물리)와 함께 공동연구를 기획, 진행했다. 일리노이대 김성봉 박사의 주도적인 바이오마커 개발과, 건국대 의대 이보람 박사(MD PhD), 노스웨스턴대 Jonathan T. Reeder 박사 그리고 한국전기연구원 서선희 박사의 참여로 신체의 여러 가지 피로 관련 지표(바이오마커나 호르몬 등)들을 간편하게 측정할 수 있는 IoT 기반의 웨어러블 바이오센서를 개발했다. 해당 연구는 한국연구재단 기초연구사업 기본연구 지원으로 성과를 이루었다(NRF-2020R1F1A1068083).

이번 연구 결과는 미국 동부시간 기준 10월 26일 국제 저명 학술지 PNAS(Proceedings of the National Academy of Science of United States of America, IF=9.412)에 온라인 게재됐다.

■ 피로와 코르티졸 리듬
   임상의사로 본 연구에 참여한 정신과 전문의 이보람 박사는 피로를 이해하기 위해서는 코르티졸의 하루주기리듬(circadian rhythm)에 주목해야 한다고 이야기한다. 정신적, 신체적으로 장시간 스트레스에 노출되고 그에 따른 불규칙적인 수면과 식단이 지속되면서 몸속 코르티졸 리듬이 흐트러지게 되는데, 이 과정에서 코르티졸의 비정상적인 증가나 감소가 피로의 정도를 직·간접적으로 대표하고 있기 때문이다. 코르티졸의 일변화(diurnal variation)는 정상적인 생활을 하는 사람의 경우 수면시간 내내 상대적으로 낮은 양을 유지하다가 이른 새벽-아침 시간대에 증가하는 추세를 보이며 오전 중에 최고치를 보인다. 이때, 신체는 높아진 혈중의 코르티졸 농도 때문에 낮 시간 동안에 높은 집중도를 나타내고, 그로 인해 업무나 공부에 있어 긍정적인 영향력을 미치게 된다. 코르티졸은 오후로 넘어가면서 저녁 시간에 이르기까지 지속적으로 농도가 떨어지게 되고 수면시간에 이르러 최저점을 나타낸다. 수면을 취하면서 코르티졸과 반대로 멜라토닌의 농도가 올라가고 이렇게 코르티졸-멜라토닌의 하루의 주기가 매일 반복하게 된다. 일과 휴식이 적절하게 반복되는 것이 이러한 코르티졸-멜라토닌 리듬을 유지시켜 피로가 쌓이지 않게 하는 것이다. 지속적인 업무, 운동, 신체적인 노동 등과 같은 스트레스 요인들은 뇌 시상하부를 자극하여 코르티코트로핀 분비 호르몬(CRH)을 증가시켜 시상하부 뇌하수체 부신축을 활성화 시키고 뇌하수체전엽을 자극시켜 부신에서 코르티졸의 분비를 증가시키는 결과를 낳는다. 또한 이러한 불균형이 계속될 경우 심장의 박동이 증가하고 숨이 거칠어지며, 심장에 무리를 주게 되고, 빠르게 몸을 탈수시킨다. 

■ 개발된 디바이스의 특징 (1)
   이번 연구개발한 웨어러블 바이오센서는 땀 속에서 피로도의 지표 호르몬인 코르티졸의 농도를 정량적으로 측정하는 면역측정법의 메커니즘을 포함하고 있다. 땀이 수집되고 면역측정용 패드에 흡수가 되면 코르티졸 안티바디가 결합된 골드나노입자와 1차적으로 반응하게 되어서 니트로셀룰로스 멤브레인 위 테스트라인에서 IgG 안티바디를 통해 코르티졸과 결합된 특정 안티바디를 걸러내는 2차 반응을 일으켜 매우 미량의 수 나노몰(nM) 코르티졸의 농도까지의 정량적으로 발색시키는 방식이다. 이 바이오센서는 폴리우레탄 폴리머를 가공한 구불구불하게 위치시킨 마이크로 채널 (0.6 mm x 0.4 mm 횡단면 채널 크기) 플랫폼 끝단에 위치하여 땀샘에서 분비되는 즉시 채널로 수집된 오염되지 않은 땀을 분석할 수 있다. 전체 채널은 실리콘재질로 감싸서 디바이스 전체가 유연하고 스트레칭이 가능하며, 피부위에 부착 시 움직임에 있어 착용자가 불편을 느끼지 않을 정도의 물성을 가지고 있다. 

■ 개발된 디바이스의 특징 (2)
   또한 마이크로채널 따라 안쪽에 초박막의 전극(약 3 마이크론)이 위치해 있어 채널을 통과하는 땀의 전도성을 측정할 수 있고, 그와 동시에 피부의 전도도(GSR, galvanic skin response)도 함께 측정함으로써 탈수의 징후를 사람이 느끼기 전에 먼저 알려주는 전기화학적 바이오센서의 메커니즘도 포함되어 있다. 탈수현상의 경우 땀에서 나트륨의 재흡수정도를 통해 알 수 있다. 일반적으로는 땀의 분비량이 증가하면서 초반에 땀 분비가 정상화되기까지 나트륨 이온의 농도가 조금 증가하지만 전체적으로는 농도가 일정한 경향을 갖게 된다. 몸의 항상성을 위해 생리적 기작이 나트륨이온 분비와 재흡수를 조절하기 때문이다. 그렇지만 어떠한 이유에서든 몸속의 수분이 부족해지면 등장성(isotonic)을 회복하기 위해 근부위분비코일(Proximal secretary coil)에서의 나트륨 이온 분비속도가 재흡수 속도를 앞서게 되면서 결과적으로 분비된 땀 속 나트륨이온의 농도가 증가하게 된다. 개발된 웨어러블 바이오센서는 이 순간을 포착하여 알려주며 수분섭취의 시기를 적절하게 알려주는 경보기 역할을 하게 된다. 나트륨의 계속된 분비는 저장성(hypotonic) 탈수를 가속화 시키며 그 결과 사람은 구토, 경련, 혈압의 저하를 수반하기도 하며 심해질 경우 사망에 이르게 하기 때문에 피로함을 동반하고 땀을 많이 흘리는 상황에서 주목해야 하는 증상이다.

■ 개발된 디바이스의 주목할 점
   바이오마커나 신체 지표 등을 측정 하는 것은 연구실 수준에서 가능했던 일들이지만, 과학기술과 공학의 발전에 따라 전문 연구시설이 아닌 현장에서의 측정과 분석이 가능해 지고 있다. 이러한 웨어러블 바이오센서는 스포츠경기나 군대훈련 시에 동반되는 격렬한 움직임에 따른 피로와 탈수를 사전에 막기 위해 활용될 수 있다. 실제로 이번 연구는 유명 스포츠 음료회사 연구소(Gatorade Sport Science Institute)와 미 공군 연구소(Air Force Research Lab)에서 선수나 군인들을 보호하기 위한 목적과 필요에 의해 공동연구로 처음 시작됐다. 2016년 Science Translational Medicine에 처음 이러한 웨어러블 콘셉트가 소개된 이후 많은 관련 연구가 이루어졌고, 이번 연구개발에 이르면서, 미세한 호르몬의 양을 증폭하여 정량적으로 측정할 수 있는 수준까지 발전하게 되었다. 특히, 실시간으로 피부의 전도도 및 땀 손실에 대한 측정결과를 디지털화하여 전문적인 인력이 없이도 사용자가 측정한 데이터를 볼 수 있게 하는 IoT기술을 활용했다는 점을 주목할 만하다.   

■ 관련 디바이스 연구개발의 전망 
   이번 연구개발에 사용되고 소개된 유연하고 늘어나는 미세유체, 전기재료 등의 플랫폼과 면역측정, 형광측정 메커니즘들 그리고 마이크로일렉트로닉스 관련 기술들은 약간의 수정으로 더 많고 다양한 바이오마커, 호르몬 등의 정량 분석 그리고 심전도(ECG), 근전도(EMG) 등 각종 신체에서 나타나는 신호와 징후를 포착하는 의공학적 활용이 가능하기 때문에 후속연구들이 진행이 되면 의료용 데이터를 간편하게 수집 할 수 있을 뿐 아니라 생활 속에서 일반인 사용자가 건강관리를 스스로 할 수 있는 시대로 도약이 가능할 것이라 전망된다.

  연구개발의 결과물은 교신저자 중 한 명인 Roozbeh Ghaffari 노스웨스턴대 교수와 미 공군 연구소가 실용화를 진행하고 있으며 오하이오 주 데이튼 시에 위치한 라이트-패터슨 공군기지에서 실용화 테스트가 이루어질 예정이다. 

■ 참여한 한국인 연구원들
   이 과제에 참여한 한국인 연구원들은 본 연구개발에 중추적인 역할을 했고 앞으로도 분야와 국가를 뛰어넘는 융합협동연구에 있어 이들 연구자들의 역할이 기대된다. 고려대 구자현 교수는 세계 최초로 생분해성 전기치료 의료기기 등의 개발을 주도하는 등 의공학 분야에서 새로운 콘셉트의 의료 진단, 치료기기의 연구개발 전문가이고, 특히, 일리노이대 김성봉 박사와 한국전기연구원 서선희 박사는 화학공학, 생명공학, 재료공학, 전기전자 등을 기반으로 바이오마커를 개발하는 중추적인 역할을 하며, 다수 의공학 융합연구를 주도하고 있다. 건국대 의과대학 이보람 박사는 신경정신과 전문의로 치매, 해마의 위축과 경도인지장애, 한국인 신체 특성에 맞는 음주운전 지표연구 등에 대한 연구에 참여해 왔고, 본 연구에서는 개발된 웨어러블 바이오센서의 임상실험에 참여하여 관련 연구자들에게 의학적인 견해를 나누었다. 



[ 그 림 설 명 ]

그림1
[그림 1] 디바이스 구성도. 
실리콘 패키징 안에 폴리우레탄 마이크로채널이 포함되어 있고 그 채널 속에 초박막의 Cu 또는 Au 전극, 면역측정용 스트립, 별도의 형광분석용 채널 그리고 마이크로일렉트로닉스가 포함되어 있는 구조이다.



그림2

[그림 2] 연구개발 된 웨어러블 바이오센서. 
ㄱ. 실리콘 패키징 속에 필요한 부분만 방수성 재료(폴리우레탄)를 사용했기 때문에 디바이스가 유연하고 몸에 착용했을 때 불편함을 최소화 되도록 디자인 했다. 

ㄴ. 디바이스에 포함되어 있는 면역측정용 스트랩, 구불구불한 채널에 땀이 모아지면 자동으로 면역측정이 개시가 되는 수동적인 시나리오로 디자인 됐다. 

ㄷ. 피 실험자 팔에 부착된 웨어러블 바이오센서의 사진, 코르티졸 하루주기를 관찰하기 위해 아침과 저녁에 피 실험자에게 시험 했다. 

ㄹ. 피부전도도 및 수분 손실 양 측정, 채널 내에 MEMS 프로세스 기술을 이용해 설치되어 있는 초박막의 전극을 통해 땀의 전기화학적 특성을 측정할 수 있으며, 별도의 전극이 의료용 접착면 아래까지 연장되어 있어 피부 전도도 (GSR)를 함께 측정할 수 있다.


커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)