땀 검사로 건강 상태를 진단할 수 있는 전자소자 개발
KAIST는 전기및전자공학부 권경하 교수와 성균관대학교 화학공학과 김종욱 박사과정 연구원(지도교수:김태일 교수, 성균관대학교 화학공학/고분자 공학부)이 땀의 체적 유량 및 총 손실을 실시간으로 측정하는 무선 전자 패치를 개발했다고 6일 밝혔다.
이 기술은 미국 노스웨스턴대 존 로저스 교수, 보스턴 소재 웨어리파이(Wearifi)사와 특허 출원 진행 중이며, 해당 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 지난 3월 말 발표됐다. (논문명 : An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time)
땀은 비침습적으로 수집할 수 있는 생체 유체로, 침습적인 혈액 채취와 비교해 채취하기가 쉽다는 분명한 이점을 제공한다. 이에 일상에서 실시간으로 땀 수집 및 성분 분석을 제공할 수 있는 웨어러블 기술에 대한 수요가 증가하고 있다.
땀과 화학 시약의 변색 반응을 이용해 다양한 생체 지표 수집이 가능하지만, 정확한 측정(발색)을 하려면 땀의 유량과 총 손실을 실시간으로 측정하는 것이 핵심적으로 요구된다. 이에 연구팀은 땀의 정량적 속도 및 체적 측정이 가능한 웨어러블 무선 전자 패치를 개발했고, 변색 반응을 이용해 땀 성분 분석이 가능한 미세 유체 시스템과 통합했다.
그 결과, 연구팀은 땀 내 염화물, 포도당 및 크레아틴 농도, 수소이온지수(pH) 및 체적 유량을 동시에 측정하는 데 최초로 성공했다. 측정한 지표는 낭포성 섬유증, 당뇨병, 신장 기능 장애, 대사성 알칼리증 진단 등에 활용할 수 있다.
연구팀은 땀이 수집되는 짧고 정교한 미세 유체 채널 외벽에 저전력 열원을 배치해 채널을 통과하는 땀과 열 교환을 유도했다. 땀의 유속이 증가함에 따라 열원의 하류와 상류의 온도 차이가 증가하는 것에 착안, 상·하류 온도 차이와 땀의 배출 속도 간의 정확한 관계를 규명했다. 그 결과, 생리학적으로 유의미하다고 인정되는 0~5마이크로리터/분(μl/min) 범위의 땀 속도를 정확하게 측정하는 데 성공했다. 웨어러블 패치로 측정한 데이터는 블루투스 통신이 가능한 스마트폰 앱을 통해 실시간 확인이 가능하다.
이 패치는 미세 유체 채널을 통과하는 땀과 전자 회로가 완전히 분리되어, 기존 유속 측정 기기들의 유체와의 접촉으로 인한 부식 및 노후화에 취약하다는 단점을 극복했다. 또한, 얇고 유연한 회로 기판 인쇄 기법과 신축성 있는 실리콘 봉합 기술을 접목해 다양한 굴곡을 가진 피부 위에 편안하게 부착할 수 있도록 제작됐다. 땀 배출로 인한 피부 온도 변화를 실시간으로 감지하는 센서도 부착돼 있어 다양한 응용 분야에서 활용이 기대된다.
권경하 교수는 "개발된 무선 전자 패치는 개인별 수분 보충 전략, 탈수 증세 감지 및 기타 건강 관리에 폭넓게 활용할 수 있다ˮ면서 "피부 표면 근처의 혈관에서 혈류 속도를 측정하거나, 약물의 방출 속도를 실시간으로 측정해 정확한 투여량을 계산하는 등 체계화된 약물 전달 시스템에도 활용할 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구 배경
피부를 통해 배출되는 땀의 속도 및 총량은 체내 수분 상태, 스트레스 및 체온 조절 관련 정보를 제공하는 중요한 생리학적 건강 지표이다. 땀의 배출 속도를 정확하게 측정하기 위해 일반적으로는 엄격하게 통제된 실험실에서 전신 세척을 동원하는 방법을 사용한다. 한편, 흡수성 패드를 사용하면 국소 부위의 땀 배출 속도를 측정할 수 있지만, 실험실에서 결과를 분석해야 하므로 실시간 정보는 얻을 수 없다. 최근에는 랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술과 색 반응 화학물질을 사용하는 미세 유체 시스템을 활용, 피부 표면에 부착이 가능한 웨어러블 플랫폼이 개발되어 땀 손실 및 땀의 화학적 특성을 실시간으로 모니터링 할 수 있게 되었다. 하지만 이러한 기술들은 땀과 관련된 측정 결과를 시각적으로 판독해야 하기에, 특정 응용 분야(작업자 안전, 군사 훈련 및 스포츠 등)에서의 사용이 제한된다. 따라서, 이번 연구에서는 시각적 관측 없이 피부 표면에서 땀의 배출 속도 및 양을 실시간으로 측정할 수 있는 피부 부착형 무선 전자 패치를 개발하고자 하였다.
2. 연구 내용
본 연구진은 땀 배출 속도를 실시간으로 모니터링하기 위해 열 기반 유량 센싱 모듈(thermal flow sensing module)을 설계했다. 먼저, 땀을 수집하고 수집된 땀이 좁은 통로를 통해 흐를 수 있도록 정교한 미세 유체 채널을 제작했다. 이러한 채널 바깥쪽 표면에 열원을 놓아 채널 안쪽에서 흐르는 땀과 가열된 채널 사이에 열 교환을 유도하였다. 그 결과, 열원의 상류와 하류의 특정 위치에서 온도 차이를 전자 회로로 측정하고 이를 디지털 신호로서 변환하여 땀의 배출 속도를 실시간으로 측정할 수 있는 무선 전자 패치를 개발하였다.
이전 연구와 달리, 땀과 측정 센서 간에 직접적인 접촉이 없고, 극도로 낮은 전력만을 소모하도록 전자 회로를 설계했기 때문에, 개발된 패치는 반영구적으로 재사용이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 측정된 데이터는 저전력 블루투스 (BLE: Blutooth Low Energy) 통신을 통해 스마트폰 앱으로 전송하여 사용자가 실시간으로 손쉽게 확인할 수 있다.
개발된 패치를 팔에 붙이고 운동을 시행하여 실시간으로 측정한 땀의 배출 속도와 기존에 사용하던 방식을 활용하여 시각적으로 관측한 땀의 배출 속도를 비교하여 그 결과가 거의 정확히 일치함을 증명하였다. 또한, 기존의 색 변화를 통해 땀의 화학성분을 분석하는 미세유체 채널 시스템과 개발된 패치를 통합하여 사용할 수 있음 역시 실험을 통해 보였다.
3. 기대 효과
개발된 무선 전자 패치는 개인별로 운동 후 적절한 수분 보충, 탈수 증세의 감지 및 기타 건강 관리에 폭넓게 활용할 수 있다. 또한, 피부 근처에 위치하는 혈관에서 혈류 속도를 측정하는 등 신체에서 유량 측정이 중요한 곳에 활용하여 다른 용도로의 발전 가능성이 크다. 이 외에도 약물의 방출 속도를 실시간으로 확인하고 정확한 투여량을 계산할 수 있는 체계화된 약물 전달 시스템에도 활용할 수 있을 것이다.
의학약학 KAIST (2021-05-07)
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