박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 만성질환 관리를 위한 멀티센서 패치 개발

- 코어-쉘 나노구조의 하이브리드 다공성 탄소(f-HNPC) 가 포함된 레이저 탄화 그래핀 융합전극 기반 멀티센서 패치 개발 -

- 혈당, 요산, 칼륨, 심전도 실시간 모니터링을 통한 만성질환 및 대사증후군 원격 관리, 디지털 치료에 크게 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지 와일리 출판의 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials )에 논문 (IF:18.5) 게재 -

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀은 전기적, 기계적, 화학적 특성이 탁월한 코어-쉘 구조의 하이브리드 나노다공성 탄소(f-HNPC) 이 포함된 레이저 탄화 기반 그래핀 융합전극을 개발하고 이를 활용하여 피부와 땀으로부터 심전도(ECG), 포도당, 요산, 칼륨을 실시간 모니터링 할 수 있는 멀티센서 패치 개발에 성공하였다. 연구팀이 개발한 고성능의 멀티센서 패치는 만성질환 및 대사증후군 원격 관리 및 디지털 치료에 크게 활용이 기대된다.

최근 서구화된 식생활과 고령화로 인한 대사증후군 및 만성질환 관리에 대한 관심과 중요성이 지속적으로 증가함에 따라 생체신호 실시간 모니터링 기술을 이용한 웨어러블 스마트 의료 및 헬스케어 시스템의 필요성이 크게 증대되고 있다. 따라서 사용자의 화학적 생체신호(혈당, 젖산 pH 등) 와 생리학적 신호(심전도, 근전도, 뇌파 등)를 비침습적으로 실시간 모니터링할 수 있는 센서 기술 연구가 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 특히 눈물, 땀, 세포간질액 (ISF, Interstitial Fluid) 등 체액에서 혈당 측정 및 실시간 모니터링 하는 센서기술이 가장 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 지금까지 보고된 대부분의 패치센서 관련 연구들은 화학적 생체신호 또는 생리학적 신호만을 측정하는 기술로 복합 및 다중 생체신호를 필요로 하는 차세대 스마트 건강관리 및 질병 진단 시스템에 적용하기에는 한계가 있다.

본 연구팀은 Zn-NPC(ZIF-8에서 유래)의 넓은 표면적과 Co-NPC(ZIF-67에서 유래)의 높은 전기 흑연 유사 전도성을 결합하기 위해 하이브리드(코어-쉘) 구조를 합성하였고, 이는 우수한 전기 전도성과 초고표면적을 지닌 하이브리드 나노다공성 탄소(Co/Zn-NPC)를 개발하였다. Co/Zn-NPC로부터 Co 및 Zn 금속종을 화학적으로 에칭하여 공극 생성으로 인해 메조기공이 있는 높은 표면적을 갖는 코어-쉘 나노다공성 탄소(CS-NPC)를 생성하였다. 또한 금속유기골격체(MoF) 기반의 나노 다공성 탄소 물질을 하드록실기로 기능화 하였으며, 이는 전기화학적 센서의 감도, 선택성 및 생체적합성 성능을 향상시키는데 효과적인 방법이다. 히드록실기는 표적 분석물과 특이적으로 상호 작용하는 생체 분자 또는 화학 수용체의 부착을 위한 활성 부위를 제공하여 센서의 선택성과 감도를 향상시킨다. 접근 가능한 기공 구조를 가진 히드록실(-OH)기로 표면 기능화를 적용할 수 있다는 점을 감안할 때, KOH 활성화 기술은 나노다공성 탄소(NPC)가 센서 응용 분야에서 전달층으로 효율적으로 사용될 수 있는 유망한 접근 방식이 될 것으로 판단된다.

코어-쉘 나노다공성 탄소를 레이저 탄화기술로 제작한 그래핀 전극에 코팅하여 땀으로부터 포도당, 요산, 칼륨을 측정하는 전기화학 센서와 피부로부터 심전도를 측정하는 건식기반 심전도센서가 일체화된 유연 멀티센서 패치를 성공적으로 개발하였다. 고온 소성 및 KOH 활성화 단계를 통해 코어-쉘 ZIF-8@ZIF-67 MOF 결정으로부터 f-HNPC 나노 다공성 소재를 제작한 후 KOH 활성화 공정을 통해 하이브리드 나노다공성 탄소(HNPC)에 -OH를 기능화 하였다. -OH 그룹의 도입은 F 이온이 쉽게 떠나는 동시에 육각형 흑연 탄소 고리 구조에 OH- 이온을 수용한다. 제작된 멀티센서 패치를 가슴에 부착하여 심전도와 땀으로부터 포도당, 요산 및 칼륨을 측정 및 실시간 모니터링 하였다. 합성된 f-HNPC-변형 전극은 전기화학적 표면적과 전기 촉매 활성을 크게 증가시켜 포도당(103 uA mM-1 cm-2)과 요산(184 uA mM-1 cm-2)을 포함한 땀 바이오마커를 민감하고 선택적으로 검출할 수 있었으며 포도당에 대한 매우 넓은 검출 범위(최대 41.5 mM)도 가능했다. 또한, 나피온 코팅된 f-HNPC 기반 ISE는 59.49 mV/decade의 매우 가까운 네른스트 반응으로 매우 안정적인 반응을 보인 반면, ECG 센서는 높은 SNR(23.63 dB) 값으로 우수한 품질의 ECG 신호를 나타냈다. 본 연구에서 개발한 멀티센서 패치는 웨어러블 의료 및 헬스케어 플랫폼의 핵심 기술로써 u-헬스케어 DB 구축과 빅데이터 분석을 통하여 만성질환 및 대사증후군 스마트 관리 및 디지털 치료에 크게 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 한국산업기술진흥원 (P0020967, 2024년도산업혁신인재성장지원사업)과 산업기술평가원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발), 그리고 2023년 광운대학교 교내연구자 지원사업으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 18.5) 논문에 게재되었다.  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202405651

<그림 (A). f-HNPC 합성 절차의 개략적 설명, (B) HNPC의 -OH 그룹 기능화에 대한 반응 메커니즘, (C) 패치 제작 및 기능화 절차, (D) 패치 모식도를 착용한 자원봉사자, (E-I) 각각 포도당, 요산, K ISE 및 ECG에 대한 센서 성능>