국내 연구팀, 체액 속 낮은 농도의 혈당(글루코스)까지 잡아낼 압전센서 개발

비침습 방식으로 고통 없이 지속적인 혈당 모니터링 기대

▲ 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  © 특허뉴스

혈당측정을 위해 더 이상 채혈할 필요가 없을 것으로 보인다.

한국연구재단은 성균관대학교 김진웅 교수 연구팀과 포항공과대학교 정운룡 교수 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.

▲ 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   © 특허뉴스

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.

이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑서녈 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 표지논문으로 선정되었으며 8월 26일 공개되었다.