이성환 교수팀, Science Advances 논문 게재
나뭇잎의 표피 구조를 모사한 항상성 바이오센서 세계 최초 개발

 

 

왼쪽부터 김지용 박사과정, 윤용주 교수,이성환 교수

▲ 왼쪽부터 뇌공학과 김지용 박사과정(제1저자), 윤용주 에너지환경대학원 교수(공동 제1저자), 이성환 인공지능학과 교수(교신저자)

 

 

 

인공지능학과 이성환 교수와 김지용 박사과정 학생의 연구 논문이 세계적인 과학저널 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 미국 현지시간 기준 4월 16일 게재됐다.

* 논문제목 : Leaf inspired homeostatic cellulose biosensors


연구팀은 ‘Leaf inspired homeostatic cellulose biosensors’ 논문에서 식물이 나뭇잎을 통해 수분 함유량을 일정하게 유지하는 항상성 시스템을 모방하여 인체의 피부 위에서 센서 스스로 안정적인 전기적 인터페이스를 유지하여 장시간 안정적으로 생체 신호를 측정할 수 있는 항상성 바이오센서를 개발했다. 항상성이란 생명체가 여러 가지 환경 변화에 대응하여 내부 환경을 안정적이고 상대적으로 일정하게 유지하려는 계의 특성을 말한다.


기존의 전기생리학적 신호를 측정하는 바이오센서 기술들은 피부로부터 땀이나 분비물의 발생 같은 피부의 항상성 시스템을 고려하지 못하여 장시간 안정적으로 생체 신호를 측정하지 못한다. 하지만 이번에 발표한 항상성 바이오센서 기술은 식물의 잎이 가뭄이나 장마와 같은 환경 변화에 맞추어 표피의 기공을 통해 식물 내부의 물 함유량을 스스로 조절하는 나뭇잎 항상성 시스템을 모방하여 개발됐다. 또한, 기존 기술은 항상성 센서 기술의 핵심 요소인 항상성 물질을 복잡한 합성 기술을 통해 개발했으나, 연구팀은 세포벽의 주 구성 물질인 셀룰로오스가 전해질을 흡수할 때 변화하는 전기적, 화학적, 기계적인 변화를 종합적으로 분석하여 셀룰로오스에 대한 새로운 항상성 물질로의 가능성을 발견했다. 항상성 바이오센서의 핵심 원리는 피부와 센서 표면 사이의 확산 기울기에 따른 확산 현상에 의해 피부의 상태 변화에 맞추어 센서 스스로 전기적 인터페이스를 일정하게 조절하는 새로운 인터페이스 기술이다.


논문의 교신 저자인 이성환 고려대 교수는 “피부는 바이러스나 외부 물질로부터 인체를 보호하고 환경 변화에 따라 인체의 온도, 수분 함량 등을 일정하게 조절하는 항상성의 중요한 기관”이라며 “연구팀의 항상성 바이오센서 기술은 피부에 대한 깊이 있는 이해와 통찰을 통해 피부과학적인 접근으로 피부의 건강을 지키면서 사람의 의도가 담긴 전기생리학적 신호들을 장시간 안정적으로 측정할 수 있는 새로운 인터페이스 기술”이라고 말했다. 또한, “최근 빠른 속도로 발전하고 있는 비침습적 바이오센서 기술들은 피부의 항상성 시스템을 고려하지 못하여, 장시간 부착 시 불안정한 측정 성능 및 접촉성 피부염이나 알레르기 반응 등의 문제점이 존재한다. 이번 연구는 앞으로 바이오센서 기술이 나아가야 할 새로운 기술이 될 수 있는데, 아직 많은 실험과 연구가 추가로 필요하지만, 바이오센서 기술이 생체안전성을 바탕으로 고품질의 생체 정보를 측정할 수 있는 시발점이 되는 괄목할 만한 성과”라고 연구 의의를 밝혔다. 마지막으로, 항상성 바이오센서와 뇌-컴퓨터 인터페이스의 결합은 생체 신호를 활용한 응용 시스템의 활용성을 극대화할 것이다.


이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘딥러닝을 이용하여 사람의 의도를 인지하는 BCI 기반 뇌인지컴퓨팅 기술 개발’ 과제와 ‘인공지능대학원지원사업’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.


 

[ 그 림 설 명 ]

 

그림1

그림 1. A 나뭇잎 항상성 시스템을 모사한 항상성 바이오센서 아키텍쳐


 

그림2

그림 1. B 항상성 피부-센서 인터페이스와 센서의 구성 요소 및 셀룰로오스 멤브레인의 가역적 특성 변화

 

 

그림3

그림 1. C 뇌-컴퓨터 인터페이스를 통한 바이오센서의 성능 실험 및 분석

 

 

그림4
그림 2. A 셀룰로오스 멤브레인의 전기화학적, 기계적 안정성 실험 결과

 

 

 

그림5

그림 2. B 항상성 바이오센서의 장시간 임피던스 측정 실험 결과

 

 

 

그림6

그림 2. C 생체안정성 실험 및 결과