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피곤함 바로 알려주는 패치형 센서 개발

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고려대 구자현 교수 연구팀, 한미 공동연구
땀속 피로도 지표 '코르티졸' 농도 측정
피로와 탈수 사전에 막기 위해 활용 가능


파이낸셜뉴스

웨어러블 바이오센서를 팔에 부착한 사진(왼쪽). 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(오른쪽). 고려대 구자현 교수 제공

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[파이낸셜뉴스] 한미 공동연구진이 피곤함을 측정할 수 있는 패치형 바이오센서를 개발했다. 이 센서는 땀속 피로물질 및 피부 전도도를 측정해 바로 알려준다. 연구진은 이 센서가 스포츠경기나 군대 훈련때 격렬한 움직임에 따른 피로와 탈수를 사전에 막기 위해 활용될 수 있다고 설명했다.

고려대 바이오의공학부 구자현 교수는 26일 국내외 공동연구를 통해 신체의 여러 가지 피로 관련 지표들을 간편하게 측정할 수 있는 사물인터넷(IoT) 기반의 웨어러블 바이오센서를 개발했다고 밝혔다.

이 웨어러블 바이오센서는 면역측정법의 메커니즘을 적용했다. 즉 땀 속에서 피로도의 지표 호르몬인 코르티졸의 농도를 정량적으로 측정한다.

땀이 면역측정용 패드에 흡수 되면 코르티졸 안티바디가 결합된 골드나노입자와 1차적으로 반응한다. 니트로셀룰로스 멤브레인 위 테스트라인에서 매우 미량의 수 나노몰(nM) 코르티졸의 농도까지의 정량적으로 발색시키는 방식이다.

이 바이오센서는 땀샘에서 분비되는 즉시 채널로 수집된 오염되지 않은 땀을 분석할 수 있다. 전체 채널은 실리콘재질로 감싸서 디바이스 전체가 유연해 피부위에 부착해도 움직임에 있어 착용자가 불편을 느끼지 않을 정도다.

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실리콘 패키징 속에 필요한 부분만 방수성 재료(폴리우레탄)를 사용했기 때문에 디바이스가 유연하고 몸에 착용했을 때 불편함을 최소화 되도록 디자인 했다. 고려대 구자현 교수 제공

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또한 마이크로채널 따라 안쪽에 초박막의 전극(약 3 마이크론)이 위치해 있어 채널을 통과하는 땀의 전도성을 측정할 수 있다. 그와 동시에 피부의 전도도(GSR)도 함께 측정함으로써 탈수의 징후를 사람이 느끼기 전에 먼저 알려주는 전기화학적 바이오센서의 메커니즘도 포함돼 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.

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실리콘 패키징 안에 폴리우레탄 마이크로채널이 포함돼 있고 그 채널 속에 초박막의 구리(Cu) 또는 금(Au) 전극, 면역측정용 스트립, 별도의 형광분석용 채널 그리고 마이크로일렉트로닉스가 포함돼 있다. 고려대 구자현 교수 제공

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그렇지만 어떠한 이유에서든 몸 속의 수분이 부족해지면 등장성을 회복하기 위해 근부위분비 코일에서의 나트륨 이온 분비속도가 재흡수 속도를 앞서게 된다. 결과적으로 분비된 땀 속 나트륨이온의 농도가 증가하게 된다.

개발된 웨어러블 바이오센서는 이 순간을 포착해 알려주며 수분섭취의 시기를 적절하게 알려주는 경보기 역할을 하게 된다. 나트륨의 계속된 분비는 저장성 탈수를 가속화 시킨다.

그 결과 사람은 구토, 경련, 혈압의 저하를 수반하기도 한다. 심해질 경우 사망에 이르게 하기 때문에 피로함을 동반하고 땀을 많이 흘리는 상황에서 주목해야 하는 증상이다.

구자현 교수를 비롯해 의공학 및 재료공학 분야의 세계적인 석학인 존 A. 로저스 노스웨스턴대 교수, 폴 V. 브라운 일리노이대 교수가 함께 했다. 또 일리노이대 김성봉 박사의 주도적인 바이오마커 개발과 건국대 의대 이보람 박사, 노스웨스턴대 조나단 T. 리더 박사 그리고 한국전기연구원 서선희 박사의 참여로 진행됐다. 이번 연구 결과는 국제 저명 학술지 'PNAS'에 26일(미국 현지시간) 온라인 게재됐다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자

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