극미량의 땀을 실시간으로 감지하는 부드러운 광학 바이오센서 점착 패치 개발

- 개구리의 발바닥을 본떠 극미량 유체도 수집분석 가능한 원격 바이오 센싱 기술 개발

- 실시간 건강 모니터링 및 초소형 생물 분석기로 사용할 수 있을 것으로 기대

▲(왼쪽부터) 성균관대 이연수 석박사통합과정생, 성균관대 신세영 석사과정생, 성균관대 화학공학부 조수연 교수, 성균관대 화학공학부 방창현 교수

화학공학부 방창현 교수 연구팀과 조수연 교수 연구팀은 공동 연구로 양서류의 발바닥을 본뜬 부드럽고 가벼운 광학 점착 바이오센서 패치를 개발하고, 이를 통해 극미량 체액을 실시간 원격 정밀 감지할 수 있는 기술을 구현하였다.

나노소재를 이용한 생체부착센서 기술은 다양한 질환의 실시간 조기 진단을 위해 가장 유망한 기술로 주목받아 왔으나, 생체표면에 미세한 유체를 빠르게 잡아 모으고 미량의 체액을 분석하는 데 어려움이 있었다. 구체적으로 기존 센서 시스템들은 예측 불가능한 간격으로 분비되는 초소량 유체*를 수집하여 실시간으로 다변량 분석할 수 있는 기술이 전무하였으며, 운동과 같은 다량의 체액 분비 환경과 이온 영동과 같은 강제적 체액의 유도와 같이 복잡한 다층 구조 및 무거운 장비가 필요하며 제한적인 상황들에만 활용될 수 있었다.

* 초소량 유체 예시: 정적인 상태에서 분비되는 미량의 땀, 식물 체액의 성장 호르몬, 미량의 생체화학 반응 등

▲양서류의 발바닥을 본뜬 극미량의 체액을 실시간 감지하는 부드러운 근적외선 광학 바이오센서 점착 패치 개발

공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 양서류 발바닥의 육각형 점착 구조와 미세 배수 기능에서 착안해 습하고 불규칙한 피부 표면에도 안정적으로 부착되며 극소량의 체액을 정밀하게 감지할 수 있는 부드럽고 가벼운 생체모사 바이오센서 점착 패치를 개발했다.

개구리 발바닥의 미세한 육각 구조와 채널을 패치에 적용해 체액을 신속히 배출하고 굴곡진 생체 표면에 긴밀한 접착력을 높였으며, 채널 내부에는 수분 흡수가 뛰어난 하이드로젤과 생체 투과성이 있는 근적외선** 대역의 발광 단일벽 탄소나노튜브** 센서를 결합해 극미량의 유체도 효과적으로 흡수하고 감지할 수 있도록 했다. 또한, 육각 구조 표면을 부드러운 재료들로의 이중층으로 구성해 땀이 많거나 움직임이 큰 피부 부위에서도 패치가 안정적으로 부착되고 센서가 정상적으로 작동할 수 있도록 설계했다.

** 근적외선: 적외선 영역의 전자파 중 파장이 짧은 0.7~1.5μm 정도의 파장 영역.

*** 단일벽 탄소나노튜브: 탄소 원자 한 층의 튜브로 이루어진 반도체성 나노소재.

연구팀이 개발한 부드럽고 가벼운 생체부착형 광학 센서 점착 패치는 전체적으로 부드럽고 유연한 소재를 적용하여 운동이나 외부 자극 없이도 최소 75 nL 수준의 극미량의 땀을 45초 내에 빠르게 실시간으로 감지 할 수 있었다. 피부의 극미량의 체액으로부터 비타민이나 스트레스 지표 같은 다양한 분자를 동시 다중 감지하는 고정밀 분석이 가능함을 확인하였다.

▲실시간 생체 정보 모니터링을 위한 고성능 센서 다중 배열의 응용과 실제 생체 내 비타민 C 농도 실시간 원격 측정 시연

공동연구팀을 이끈 조수연 교수와 방창현 교수는 “이번에 개발한 부드럽고 가벼운 생체모사 기반의 광학 탄소나노튜브 기반 바이오센서 기술은 극미량 체액을 안정적으로 유도하고 감지할 수 있을 뿐 아니라 습기나 곡면, 움직임이 많은 실제 생체 환경에서도 안정적인 부착과 작동이 가능하다는 장점이 있다”며, “향후 다양한 광학 센서와 결합해 초소형 정밀 생체 신호 모니터링 기술로 발전할 수 있으며, 웨어러블헬스케어, 미시 생명현상 분석, 정밀 의료 분야까지 확장 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 공동 연구 성과는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 기초연구실 사업 및 개인기초연구(중견연구), 우수신진연구사업, 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 보건복지부 혁신성장피부건강기반기술개발사업의 지원을 받아 진행되었다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 14.7)’에 4월 5일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Spatiotemporal molecular tracing of ultralow-volume biofluids via a soft skin-adaptive optical monolithic patch sensor

※ 저널: Nature Communications

※ 게재일자: 2025년 4월 5일

※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58425-x