개발한 플렉서블 마이크로니들 생화학센서의 개요도(위)와 실제 사진(아래). 소프트하고 유연한 기판위에서 마이크로니들이 센서 간격에 맞춰 배열된 모습을 볼 수 있다.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 하지의 말초동맥질환은 관상동맥질환, 뇌졸중에 이어 세 번째로 흔한 혈관 질환이다. 증상이 심한 경우 사지를 절단할 수도 있다. 문제는 대다수의 환자가 질병의 발생이나 진행을 인지할 수 있는 임상증상을 나타내지 않는다.

한국과학기술원(KAIST)은 배병수 교수가 한국과학기술연구원(KIST) 이원령 박사와 함께 유연한 기판상에 기계적으로 안정적인 마이크로니들이 접합돼 말초동맥질환 진단에 응용할 수 있는 메디컬 센서 플랫폼 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 이번 기술을 통해 일반적인 웨어러블 진단 기기의 한계점이던 바이오 체액의 접근 제한성을 마이크로니들을 이용해 최소 침습으로 해결, 이는 생화학적 질병 진단을 가능하게 했다. 이번 연구에서는 웨어러블 마이크로니들 센서를 활용해 말초동맥질환 모델의 pH(산성, 알칼리성의 정도) 분포도를 측정해 진단 가능성을 확인했다.

웨어러블 진단 기기는 부드러운 기판 소재 위에 얇은 막 형태의 센서를 제작해 생체 전기신호(심전도, 근전도, 뇌파 등)와 생화학 신호(포도당, 젖산, pH 등)를 측정해 심장질환, 뇌 질환, 당뇨병, 대사질환 등 다양한 질병의 진단에 활용이 기대되고 있다. 하지만 접근할 수 있는 체액이 땀, 눈물 등으로 제한됨에 따라 상시 모니터링에 대한 제한점이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 자체 개발한 실록산(Si-O-Si)골조 기반의 폴리머를 마이크로니들 소재로 활용해 웨어러블 디바이스 플랫폼에 적용, 마이크로니들을 통해 상시 체액 모니터링이 가능한 웨어러블 마이크로니들 생화학 센싱 플랫폼을 완성했다.

연구팀은 웨어러블 마이크로니들 생화학센싱 플랫폼의 유용성을 보여주기 위해 마이크로니들에 pH에 대해 표면에너지의 변화를 보이는 폴리어날린을 증착해 독립적인 pH 센서 어레이로 응용 가능한 것을 확인했다. 폴리어날린을 이용한 마이크로니들 pH 센서는, 돼지 피부 1000번 삽입 실험, 1.5 mm의 굽힘 변형 실험 후에도 80% 이상의 센서 감도를 유지하는 높은 기계적 안정성을 보여주었다.

또 말초동맥질환 모델의 피부 근접 체액의 pH 분포도를 측정해 질병 진단기기로서의 유용성을 검증했다. pH 변화를 모니터링하면 저산소증으로 인한 젖산증을 감지할 수 있고, 결과적으로 허혈성 손상으로 인한 조직 손상을 적절히 감지할 수 있다.

웨어러블 마이크로니들 pH 센서 어레이를 활용한 유사 말초동맥질환 모델에서의 pH 분포 측정. 말초동맥질환 환자는 신체의 말단으로 갈수록 동맥 혈류가 좋지 않아, 산성화 되는 것이 특징. 이를 검증하기 위해 쥐의 우측 대퇴골 말단으로 가는 대동맥을 묶음 실로 혈류를 막아, 말초동맥질환 모델을 만듦(왼쪽 그림). 웨어러블 마이크로니들 센서를 통하여 말단으로 갈수록 산성화된 체액 분포를 측정하는데 성공(오른쪽 그림).[KAIST 제공]

연구팀은 우측 다리로 이어지는 고관절에 위치한 동맥혈을 수술용 실로 조인 다음 혈류를 인공적으로 악화시켜 말초동맥질환 모델을 만들었다. 이후 마이크로니들을 통해 피하 체액의 pH를 측정한 결과 말단으로 갈수록, 산성화된 결과를 보여줌으로써, 웨어러블 마이크로니들 센서의 활용성을 증명했다.

배병수 교수는 “딱딱한 마이크로니들을 부드러운 유연한 기재에 접합시킨 질병 진단 마이크로 니들 필름을 피부에 부착해서 말초동맥질환은 물론 당뇨병, 대사질환 등에 생화학 진단을 하는 웨어러블 디바이스로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 최신호에 게재됐다.