최근 젊은층에서 대사증후군 유병률이 급증하면서 사회적·의학적 문제로 대두되고 있다. 대사증후군은 신진대사 과정에 문제가 생겨 복부비만, 고혈압, 고혈당, 낮은 고밀도 콜레스테롤, 고중성지방혈증 등이 복합적으로 나타나는 질환이다. 대개 눈에 띄는 증상은 없지만 방치하면 심혈관계질환이나 당뇨병, 지방간 등 여러 합병증을 일으킬 가능성이 높다.

대사증후군은 심혈관질환과 혈액 내 포도당 수치가 높아지는 만성질환인 제2형 당뇨병 발생과 밀접한 관련이 있기 때문에 혈당과 젖산, 심전도 등을 정기적으로 체크해주는 것이 좋다. 과거 초소형정밀기계기술^MEMS을 이용한 무효소 혈당센서 연구를 수행한 바 있는 박재영 광운대학교 전자공학과 교수는 만성질환과 대사증후군 관리·예방을 위해 보다 고도화된 성능을 지닌 패치 센서 기술의 필요성을 느꼈다.
즉 유연하지 못한 소재, 낮은 정확도, 약한 접착력 등의 기능적 한계를 지닌 기존 바이오센서의 성능을 보완하는 한편, 다양한 생체 정보를 측정하기 위한 차별화된 기술을 개발할 필요가 있었던 것이다. 이에 박 교수는 한국산업기술평가관리원^KEIT 산업핵심기술개발사업에 참여, ‘비혈액 기반 대사증후군 모니터링용 패치형 나노멀티센서 혁신기술 개발’ 과제를 수행했다.

흔히 혈당측정기로 불리는 혈당센서는 자가혈당측정기^BGM와 연속혈당측정기^CGM로 나뉜다. 자가혈당측정기는 손끝 채혈로 혈당을 측정하는 기기로 높은 정확도와 낮은 가격이 장점이다. 연속혈당측정기는 복부나 팔뚝에 센서를 부착, 혈당을 실시간으로 측정하는 기기다. 혈당 추이를 지속해서 분석할 수 있고, 무엇보다 손끝을 바늘로 찔러야 하는 자가혈당측정기에 비해 간편하게 혈당을 측정할 수 있어 최근 시장이 급성장하고 있다. 실제로 기존 모세혈관의 혈액을 이용한 일회용 스트립 센서 기반 혈당측정기에서 벗어나 세포간질액^❶을 이용한 연속혈당측정기로 옮겨가는 추세다. 특히 급성장 중인 당뇨 및 비만치료제 시장과 더불어 혈당측정기 시장의 성장세가 가팔라 블루오션으로 꼽힌다.

현재 연속혈당측정기 시장은 애보트, 덱스콤, 메드트로닉 등 글로벌 기업들이 선도하고 있으며, 국내 업체로는 아이센스가 올해 자체 개발한 연속혈당측정기 제품을 선보이며 점유율을 높여가고 있다. 이와 함께 현재 땀으로부터 혈당과 젖산을 모니터링할 수 있는 기기의 연구개발도 국내외에서 활발히 이뤄지고 있다. 박 교수는 2008년 실리콘 기반의 무효소 나노혈당센서에 관한 연구 결과물을 내놓은 바 있다. 당시 당뇨병 환자가 급격하게 증가했다. 박 교수는 혈당을 모니터링할 수 있는 초소형 고감도 혈당센서 연구개발을 통해 기존보다 작고, 집적도가 높으며 재사용이 가능한 센서를 완성해냈다.
그러한 성공 경험을 바탕으로 이번에는 혈당, 젖산, 심전도, 온도, pH 등의 센서들을 하나의 유연 기판에 집적화해 동시에 여러 생체 정보를 확인할 수 있는 비혈액 기반의 패치형 멀티센서를 개발하는 데 초점을 맞췄다. 다양한 생체 정보를 비교·활용함으로써 대사증후군 관리와 예방에 탁월한 효과를 발휘하도록 하는 것이 연구의 주목적이었다.

박 교수 연구팀은 ▲대사증후군 모니터링을 위한 고감도 센싱 소재 개발 ▲인체친화형 점착 소재 및 최소 침습형 마이크로니들 개발 ▲멀티센서 집적 공정 및 유연센서 개발에 목표를 두고 단계적인 연구를 진행했고, 그 과정에서 괄목할 만한 성과를 낼 수 있었다. 연구에서 가장 중점을 둔 부분은 생체 정보 측정에 필요한 여러 센서를 하나의 기판에 집적화하기 위한 공정 기술, 성능 고도화, 그리고 소형화에 적합한 소재를 개발하는 것이었다.

1) 고감도 센싱 소재와 멀티센서 집적화
연구팀은 2022년 저가형의 유연 탄소나노섬유 소재를 개발하고, 이를 이용해 피부에 무해하고 통기성이 우수하며 재사용이 가능한 생체전위 감지 전자문신 센서를 개발하는 데 성공했다. 이러한 방식은 피부 자극과 전류 이동의 불안정성 같은 문제가 있는 습식 전극 방식이나 기존 건식 전극 방식보다 성능과 신뢰성 면에서 우수하고, 연속적이고 장기적인 생체 신호를 모니터링할 수 있다는 장점을 지녔다.

지난해에는 땀 속 포도당과 젖산을 검출해 실시간으로 모니터링할 수 있는 유연 전극 기술과 멀티센서를 성공적으로 개발했다. 고분자 유연 기판 위에 레이저유도 그래핀^LIG에 코어-쉘 구조를 갖는 하이브리드 나노다공성탄소^H-NPC 소재를 코팅해 전기적·기계적·화학적 특성이 탁월한 유연 생체전극과 사람의 땀 속 당과 젖산을 검출 및 실시간 모니터링할 수 있는 고성능 패치형 바이오센서를 개발한 것이다. 연구팀은 전기전도성이 높고 표면적이 넓은 나노다공성탄소 소재를 개발해 고성능의 멀티센서 제작에 활용했다. 이와 함께 온도와 pH 보정 센서를 동일한 유연 기판 위에 함께 제작해 땀 센서의 정확성을 크게 향상시켰다. 혈당과 젖산은 온도와 pH에 따라 그 값이 변할 수 있어 이를 보정하기 위한 온도 센서를 집적화하는 것이 필수였다. 이렇게 제작된 멀티센서는 우수한 재현성, 반복성, 선택성 등 여러 방면에서 안정적인 성능을 나타냈다.

2) 나노 소재의 마이크로니들
혈당 측정에 필수적인 마이크로니들 공정 기술을 최적화하고 센서 제작 공정의 재현성을 확보하는 데에도 공을 들였다. 마이크로니들은 미세한 바늘을 이용해 몸속에 약물을 주입하거나 신체 성분을 측정하는 데 쓰인다. 마이크로니들에 전기적 신호를 주면 피부 아래에 있는 간질액의 포도당 농도를 측정해 혈당을 확인할 수 있다. 연구팀은 폴리머 기반의 최소 침습형 마이크로니들 공정 기술과 저차원 나노융복합소재 전극 기술을 개발했다. 저차원 나노 소재는 얇은 두께에서 비롯된 물리적 강인함, 그리고 넓은 표면적과 기능성 그룹을 갖는다는것이 특징이다.

나노 소재를 이용한 멀티센서 제작 기술을 개발하는 과정은 녹록지 않았다. 성능 고도화와 소형화를 위한 소재와 센서 기술 개발도 어렵지만 해당 공정의 재현성 확보가 쉽지 않았던 탓이다. 혈당을 측정하기 위한 마이크로니들형 센서는 세포간질액을 이용하는 만큼 한국식품의약품안전처^KFDA 승인을 받아야 하며, 추후 임상시험도 요구된다. 이를 위해 센서의 성능 검증 후 동물을 이용한 전임상시험을 실시했으며, 실험 조건과 공정설계, 실험 실습을 반복적으로 수행함으로써 재현성을 확보할 수 있었다.

박 교수 연구팀이 개발한 비혈액 기반의 패치형 나노멀티센서 기술은 대사증후군과 만성질환 관리를 비롯해 건강 상태 모니터링과 각종 질병 예방에 유용하게 쓰일 것으로 기대를 모으고 있다. 박 교수는 2022년 설립한 ㈜에스앤이솔루션을 통해 기술 고도화와 상용화를 추진 중이기도 하다. 활발한 연구로 발전을 거듭하고 있는 바이오센서 기술이 개인의 건강관리와 질병 예방에 기여하는 동시에 의료 진단 및 치료 분야 전반에 더 많은 혁신을 가져오길 기대해본다.