[과학을 읽다]눈물·땀 생체정보…웨어러블로 분석

국내 연구팀, 바이오센서 핵심 기술 개발…차세대 헬스케어용 웨어러블에 활용

▲나노전극으로 사용한 나노메쉬소재와 나노구조의 개략도.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 자신의 건강정보를 분석할 수 있는 웨어러블 바이오센서 시대가 성큼 다가오고 있습니다. 땀이나 눈물 등의 생체정보를 분석해 건강 상태를 확인할 수 있는 것이죠. 국내 연구팀이 지금의 바이오센서 기능을 한 단계 높인 웨어러블 바이오센서 핵심 기술을 개발했습니다.

이번에 개발한 센서는 고감도, 고선택성, 높은 기계적 유연성을 지닙니다. IT기술과 융합해 건강정보 모니터링용 차세대 웨어러블 디바이스에 핵심 센서 소재와 소자 기술로 적용이 가능합니다. 최근 신체에 착용하거나 부착해 생체 정보를 모니터링하고 건강을 관리할 수 있는 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

지금까지 개발된 웨어러블 센서는 주로 인체의 움직임이나 물리적 정보들을 모니터링하는 것이 대부분이었죠. 인체에 부착해눈물, 땀 등 생체 용액을 분석하고 이를 통해 건강지표와 관련 있는 화학적 정보를 얻을 수 있는 웨어러블 센싱 플랫폼 기술은 상대적으로 그 개발 속도가 뒤쳐졌습니다. 웨어러블 바이오센서의 경우 선택성과 민감도뿐만 아니라 신체 안정성과 기계적 유연성을 동시에 만족해야 합니다. 이를 구현하는 데 기술적으로 어려움이 있었기 때문입니다.

생체 내 바이오 마커와 결합하는 효소들은 바이오 마커와 전자를 직접 주고받을 수 있는 산화환원센터를 가지고 있는 경우가 많습니다. 기존에 널리 사용되는 효소 기반 바이오센서는 화학적 매개체를 통해 효소의 이런 산화환원센터로부터 전자를 전극으로 전달 받았습니다. 이 같은 전자 매개체로 사용되는 물질은 대게 독성이 높은 화학 물질이어서 인체에 적용하는 웨어러블 디바이스에 적용하는데 한계가 있었습니다.

이 보다 한 단계 발전한 시스템은 효소의 산화환원센터와 전극이 매개체 없이 직접적으로 전자를 주고받는 직접-전자-전달 (Direct-Electron-Transfer, DET) 방식입니다. 제 3세대 바이오센서로 부르는데 화학적 매개체를 이용하지 않기에 인체 안정성이 높죠, 동작 전압이 낮아 방해요소인자들에 대해 둔감하기 때문에 선택성도 매우 높습니다.

DET 방식의 제 3세대 바이오센서는 효소의 산화환원센터와 전극 간의 저항이 높아 그 전자 전달 효율이 낮은 것이 큰 단점 중 하나입니다. 눈물, 땀, 타액 등의 생체 용액 내에 있는 건강지표 인자들은 혈액 내에 존재할 때 보다 그 농도가 수십 배 이상 낮은 경우가 많아 전자 전달 효율이 낮은 DET 방식을 적용하기는 더욱 어려웠던 것이죠.

국내 연구팀은 이 같은 단점을 보완하기 위해 고전도성 나노전자소재인 단겹탄소나노튜브와 강한 결합력을 가진 실 모양의 바이오 물질을 이용하해 단겹탄소나노튜브를 나노그물 구조의 대면적 전도성 나노메쉬 전극으로 형성했습니다. 이후 고분자 전해질 층을 이용해 효소를 나노메쉬 전극과 결합시켜 전자전달효율이 높은 나노메쉬 효소전극을 개발했습니다.

나노메쉬 전극은 기계적 유연성이 뛰어나고 수용액에서 대면적으로 형성되므로 단순한 공정으로 유연소자제작이 가능합니다. 연구팀이 개발한 바이오 물질은 수용액에서 음전하를 띄고 있어 반대 전하를 띄는 고분자 전해질 층을 이용해 효소를 나노메쉬 전극에 효율적으로 고정화시킬 수 있었습니다.

연구팀이 개발한 나노메쉬 효소전극을 이용한 제 3세대 글루코스센서는 그 민감도가 세계적 수준의 값을 나타냈습니다. 높은 수준의 민감도를 보였는데 차세대 헬스케어용 웨어러블 바이오센서로의 높은 적용 가능성을 보여주었습니다.

연구팀은 개발한 나노메쉬 효소전극 기술을 적용해 글루코스센서에 쓰이는 글루코스옥시다아제 효소를 비롯, 콜레스테롤 옥시다아제, 락테이트 옥시다아제 등 총 8가지 다른 효소에 대해서 전자를 직접 주고받을 수 있음을 증명했습니다. 이번 연구를 통해 개발된 기술을 적용한 웨어러블 디바이스를 이용하면 글루코스뿐 아니라 젖산, 콜레스테롤, 과산화수소 등 여러 건강지표 인자들을 효과적으로 모니터링 할 수 있을 것으로 기대됩니다.

이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST)의 이현정 박사가 수행했고 제1저자는 한국과학기술연구원 이승우 박사입니다. 연구결과는 재료 연구 분야 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)지에 12월 14일자(논문명: Direct Electron Transfer of Enzymes in a Biologically Assembled Conductive Nanomesh Enzyme Platform)에 실렸습니다.