땀 눈물로 혈당측정 가능한 압전센서 개발-비침습 방식으로 고통 없이 지속적인 혈당 모니터링 기대

땀 눈물로 혈당측정 가능한 압전센서 개발-비침습 방식으로 고통 없이 지속적인 혈당 모니터링 기대

 

등록일 2020.09.07.

 

 

침, 땀, 눈물로 혈당 측정 가능한 압전센서 개발
비침습 방식으로 고통 없이 지속적인 혈당 모니터링 기대

□ 혈당측정을 위한 채혈의 불편함을 해소할 실마리가 나왔다. 국내 연구팀이 체액 속 낮은 농도의 혈당(글루코스)까지 잡아낼 센서기술을 개발했다.
○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김진웅 교수(성균관대학교) 연구팀과 정운룡 교수(포항공과대학교) 연구팀이 공동으로 타액, 땀, 눈물 등 체액으로 혈당을 측정할 수 있는 고감도·고선택성 글루코스 압전 센서를 개발했다고 밝혔다.

□ 당뇨인구 증가에 따라 자가 혈당측정법에 대한 관심이 높아지는 가운데 알코올로 소독 후 채혈하는 침습적인 접근 대신 땀이나 눈물과 같은 체액에서 직접 혈당을 정밀하게 검출할 수 있는 연구가 지속되었다.
○ 하지만 침이나 땀 같은 체액 속 글루코스 농도(50~200μM)는 혈액 속 글루코스 농도(5~20mM)에 비해 100배 이상 낮기 때문에 100배 이상의 감도를 갖는 센서기술의 개발이 요구된다.

□ 연구팀은 은 나노와이어가 코팅된 전도성 마이크로입자를 제조한 후, 은 나노와이어에 다른 단당류가 아닌 글루코스와만 특이적으로 결합하는 보론산을 배열했다.
○ 글루코스가 보론산과 결합하면 은 나노와이어들이 서로 연결되는 데 글루코스가 많을수록 은 나노와이어들의 연결도 많아져 순간적으로 전류가 증가하는 것을 압전기술을 이용해서 정밀하게 검출하였다.
□ 기존 혈당 측정기는 효소를 통해 글루코스 분자의 산화를 유도하고, 글루코스 산화시 나타나는 전기화학적 변화에 따른 전류변화를 이용해 농도를 측정한다. 측정가능한 농도범위는 2~20 mM 수준이다.
○ 하지만 전도성 입자 기반 압전센서는 글루코스 분자와 결합할 수 있는 표면적이 증가해 0.56μM~56 mM의 넓은 범위의 글루코스 농도를 측정할 수 있다. 결국 혈액(5~20 mM)과 체액(50~200 μM)의 글루코스 농도 범위를 모두 포함하기에 비침습적인 방법으로 체액에서 혈당측정이 가능해진다.

□ 특히 0.60.6(cm2)의 크기 디바이스로 구현할 수 있고 100 마이크로리터 수준의 적은 체액으로도 글루코스 검출이 가능하다는 설명이다. 센서는 양산화할 수 있는 기성의 부품을 이용해 제작했다.

□ 한편 은 나노와이어 표면에 어떤 물질을 배열하느냐에 따라 글루코스 이외 다른 호르몬이나 단백질 같은 생체분자의 농도측정에도 응용될 수 있을 것으로 보고 있다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원 사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑서녈 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 표지논문으로 선정되었으며 8월 26일 공개되었다.

주요내용 설명
<작성 : 성균관대학교 김진웅 교수>

논문명
Two-Dimensional Colloidal Array of Glucose-Conjugative Conductive Micro particles for a Pressure-Mediated Chemiresistive Sensor Platform
저널명
Advanced Functional Materials
키워드
glucose sensor(글루코스 센서), silver nanowire(AgNW, 은 나노와이어), glucose- conjugating, chemiresistive sensor(화학저항형 센서), boronic acid(보론산), microparticles
저 자
김진웅 교수(교신저자/성균관대학교), 최송이(제1저자/한양대학교), 박대환(공동 제1저자/성균관대학교), 황혜진(공동저자/포항공과대학교), 서민정(공동저자/한양대학교), 이두호(공동저자/성균관대학교), 정운룡 교수(공동교신저자/포항공과대학교)

1. 연구의 필요성
○ 혈중 포도당 농도를 나타내는 혈당은 주요 건강지표중 하나이며 혈당을 측정하는 많은 방법이 연구되어 왔다. 특히, 당뇨 환자들은 지속적이고 정확한 혈당 모니터링이 중요한 만큼 신속 정확한 고감도 혈당 센서 개발이 필요하다.
○ 기존의 혈당 검출방법은 효소 전극을 이용하여 포도당의 산화에 의한 전기 화학적 신호를 통해 포도당의 농도를 측정하는 방식이 주를 이루었다. 효소기반의 전기화학적 분석방법은 매우 간단하고 정량적이나 감도에 한계가 있다. 대부분의 당뇨 환자들은 손가락 끝에 피를 내어 침습 방식으로 혈당을 측정하고 있는데, 이는 당뇨 환자들에게 통증과 불편함을 초래하고 있다.
○ 최근에는 센서의 정확도 및 민감도를 해결하기 위해 비효소 기반의 비침습 (non-invasive), 화학저항형(chemiresistive) 센서의 개발이 주목받고 있다. 이러한 혈당 센서는 포도당과 선택적인 화학결합을 하는 보론산(boronic acid)을 이용하여 분석물 내 포도당 농도를 측정하는 원리에 의한 것으로, 성공적인 활용을 위해서는 혈액 뿐만 아니라 눈물, 땀, 침 등의 체액에서도 정밀하게 검출할 수 있는 기술을 개발하는 것이 필수적이다.
2. 연구내용
○ 본 연구진은 은 나노와이어가 적층된 탄성 마이크로입자를 이용해 적은 양의 글루코스를 고감도로 측정할 수 있는 화학저항형 글루코스 센서를 개발하였다. 글로코스는 은 나노와이어(AgNW) 표면에 기능화된 4-MPBA (4-Mercapto phenylboronic acid)에 양쪽으로 화학결합*하여 이웃한 은 나노와이어를 연결하고 전도도 증가를 유도한다.
* Boronic acid와 글루코스 분자의 diol기가 선택적으로 화학결합한다.
○ 이 연결효과를 극대화하기 위하여 포도당 측정 시 입자에 일정 압력을 가하여 은 나노와이어의 분리를 유도하였다. 입자가 변형될 때 적도 부근 에서 곡률이 증가하게 되고 은 나노와이어가 서로 분리되는 것을 확인하였다. 이후 스텐실을 이용해 입자를 일정 간격으로 배열 및 고정하였고 전극 사이로 글루코스 용액을 주입하여 농도에 따른 전도도를 정밀하게 측정하였다.
○ 입자 기반 글루코스 센서는 0.56μM~56mM의 넓은 범위에 대해 센싱이 가능하며 혈액(5~20 mM)과 체액(50~200 μM)의 글루코스 농도 범위를 모두 포함한다. 또한 전도도 증폭을 위해서는 4-MPBA의 보론산과 양쪽 반응을 만족해야 하기 때문에 기타 당류를 감지하지 않고 글루코스에 대해서만 높은 선택성을 보였다.

3. 연구성과/기대효과
○ 개발한 입자기반 글루코스 센서는 혈액 뿐만 아니라 땀, 눈물, 침 등의 체액 속 낮은 농도의 글루코스를 검출할 수 있는 고감도, 고선택성 비침습적 바이오센서로 응용이 가능하다.
○ 특히 0.60.6(cm2)의 매우 작은 크기로 디바이스 구현이 가능하고 100 마이크로리터 수준의 매주 적은 양으로도 정확한 글루코스 검출이 가능하다. 또한 센서의 구성물들은 모두 양산화가 가능하다.
○ 더 나아가 센싱 메커니즘을 확장, 글루코스 외 단백질, 호르몬 등 다른 생체분자들과 선택적으로 반응하는 표지를 입자에 기능화하거나 온도 감응성 입자를 이용하면 다중 기능성 센서로의 응용이 가능할 것이다.

그림 설명

(그림 1) 글루코스 측정 메커니즘 및 센서 작동 모식도
(a) 글루코스 분자가 이웃한 은 나노와이어들을 서로 이어주는 교량역할을 한다. 글루코스 분자의 특정 작용기(diol functional group)가 은 나노와이어(노란색 막대모양으로 표시) 표면에 코팅된 4-MPBA의 특정 작용기(보론산기)와 선택적으로 화학결합, 은 나노와이어들을 서로 이어준다.
(b) 압력을 가하면 탄성입자 변형이 일어나면서 입자의 중앙 표면에 코팅된 나노와이어가 탈락된다. 글루코스 농도가 증가할수록 은 나노와이어를 서로 연결하는 글루코스 교량이 많아지고 따라서 입자 표면을 고르게 둘러싼 전도성 은 나노와이어가 많아져 결과적으로 전류가 증가한다.
제공: 성균관대학교 김진웅 교수

 

(그림 2) 글루코스 측정 민감도 및 정확도 테스트
(a) 글루코스의 농도(0.56 μM~56000 μM)에 따라 전류량이 증가하였으며 동일 농도에서 반복적인 가압 시 균일한 전류를 나타내었다.
(b) 글루코스의 농도 범위에 전류량의 변화가 선형적임을 확인하였고, 특정 농도 이상에서 전류랑이 급격하게 증가하였다.
(c) 단당류의 종류를 달리하여 측정한 결과, 선택적으로 글루코스와 결합하는 것을 확인하였다.
제공 : 성균관대학교 김진웅 교수

 

(그림 3) Advanced Functional Materials 표지 논문(2020. 08. 26. Issue 35)
피부 위에서 작동하는 글루코스 센서의 모습을 형상화하였다. 피부부착형 패치 등 웨어러블 디바이스 형태로 구현될 수 있을 것으로 기대된다.
제공 : 성균관대학교 김진웅 교수
출처 : Advanced Functional Materials

연구 이야기

<작성 : 성균관대학교 김진웅 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

선행연구의 후보물질 탐색 중 우연히 아이디어를 발견하게 되었다. 전도성 탄성입자를 이용해 압력에 따른 전류량을 테스트하는데 은 나노와이어가 코팅된 마이크로입자의 경우 다른 전도성입자와 달리 압력과 전류가 비례하지 않고 압력을 가할시 전기가 거의 통하지 않았다. 다른 전도성입자들에 비해 코팅된 은 나노와이어의 크기가 크고 균일하지 않아 압력에 의해 연결점이 서로 멀어질 수 있다고 생각하였고, 이 현상을 확인/응용하고자 글루코스센서 연구로 확장하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

먼저 압력에 따른 전류변화 원인을 파악하는 것에서 연구를 시작하였다. 압력이 가해졌을 때 은 나노와이어가 입자표면에서 분리되는 것을 확인하기 위해 같은 세기의 압력을 500회 반복하면서 전류량을 측정하였고, 전류량의 변화가 일정한 패턴을 유지하는 것을 확인하였다. 이후 글루코스를 선택적으로 감지할 수 있도록 양쪽 반응으로 설계하였다. 휴대용, 웨어러블 디바이스로 활용하기 위해 0.6cm×0.6cm의 크기로 소형화하였고, 글루코스 용액을 처리하여 실험법 검증 및 고감도 성능을 확인하였다. 유사한 구조의 기타 당류를 이용해 고선택도를 확인하고 디바이스의 장기안정성까지 확인 후 최종적으로 현재의 센서를 개발하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 혈당 모니터링을 위한 글루코스 센서는 비교적 높은 농도의 글루코스가 포함된 혈액을 이용하기 때문에 혈액채취가 필수적이다. 최근에 연구되는 비침습형 디바이스는 검출한계가 낮아 땀이나 눈물, 침 등에 적용하기 쉽지 않다. 본 연구진이 개발한 글루코스 센서는 넓은 측정범위에서 소량의 땀이나 눈물, 침으로도 글루코스 농도를 정확히 측정할 수 있으며, 콜로이드 입자기반의 2D 배열 기술을 적용했다는 점에서 큰 의미가 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

스마트워치 같은 소형 멀티 디바이스 안에 포함되어 바이오센서로서 기능할 수 있을 것으로 기대된다. 실용화를 위한 과제로는 입자에 일정 압력을 가하는 것과 결과를 검출하는 부분이 디바이스에 함께 포함되어야 한다. 또한 단독 디바이스가 아닌 멀티 디바이스로 활용되기 위해서는 현재 구현된 크기보다 소형화되어야 한다. 센서의 메커니즘이 복잡하지 않기 때문에 추후 융합연구를 통해 충분히 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대한다.