"혈액 대신 땀" KAIST, 피부 부착 '패치'로 건강 상태 진단

피부에 부착한 패치를 이용해 혈액검사 없이 땀만으로 건강 상태를 진단할 수 있는 기술이 개발됐다.

KAIST는 바이오 및 뇌 공학과 정기훈 교수 연구팀이 땀 속 대사산물을 실시간 동시 분석할 수 있는 웨어러블 센서를 개발했다고 7일 밝혔다.

(왼쪽부터) 바이오 및 뇌 공학과 전재훈 박사과정, 정기훈 교수. KAIST 제공

땀 속 대사산물을 분석해 인체의 생리학적 상태를 모니터링하는 웨어러블 센서 연구는 그간에도 활발하게 진행돼 왔다.

다만 기존 형광 또는 염색을 거치는 '표지(label)' 기반 센서와 '비표지(label-free)' 방식은 땀을 효과적으로 수집, 제어하는 데 한계를 보였다. 인체에서 시간 흐름에 따라 변화하는 대사산물을 정밀하게 관찰하는 데 제약이 생기는 까닭이다.

연구팀은 이러한 제약을 극복하기 위해 피부에 직접 부착할 수 있는 얇고 유연한 웨어러블 땀 패치를 개발했다. 이 패치에는 땀을 모으고 미세한 통로와 빛으로 땀 속 성분을 정밀분석 할 수 있는 초미세 '나노플라즈모닉 구조'가 탑재돼 1회 패치 착용으로도 땀 속 여러 대사 성분을 동시에 분석할 수 있다.

나노프라즈모닉 구조는 나노 크기의 금속 패턴이 빛과 상호작용해 땀 속 분자의 존재나 농도 변화를 고감도로 감지할 수 있도록 설계한 광학 센서 구조를 말한다.

연구팀이 개발한 패치는 빛을 머리카락 굵기의 10만 분의 1 크기(나노) 수준에서 조작해 분자의 성질을 읽어내는 '나노 광학 기술'과 머리카락보다 가느다란 채널 안에서 땀을 정밀하게 제어하는 '미세 유체 기술'을 접목해 구현됐다.

시간 순서대로 땀을 채집하는 미세 유체 기술을 패치에 적용해 다양한 대사물질의 체내 변화를 쉽게 측정할 수 있게 한 것이다. 패치 내부에는 6~17개 챔버(저장 공간)가 있으며 운동 중 분비되는 땀이 순차적으로 각 챔버에 채워지는 미세 유체 구조로 설계됐다.

연구팀은 패치를 인체에 부착해 운동 중 배출되는 땀 속에서 시간의 흐름에 따라 달라지는 성분 변화를 연속적으로 추적하는 데도 성공했다.

유연 미세유체 나노플라즈모닉 패치. KAIST 제공

특히 이번 연구에서는 대사·운동·질환과 관련된 중요 바이오마커인 요산, 젖산, 티로신 등 3가지 대사물질이 운동과 식단에 따라 변화하는 양상을 정량적으로 분석할 수 있음이 입증됐다.

이를 통해 달리기, 마라톤, 헬스 등 운동 중에 발생하는 지구력과 근육량 변화를 파악하는 것은 물론 수치 변화를 통해 통풍·간 기능 이상·신장질환 등 잠재적 위험을 감지할 수 있게 됐다고 연구팀은 강조했다.

정 교수는 "이번 연구는 혈액 채취 없이 땀 패치만으로 체내 대사 변화를 실시간 정밀 모니터링할 기반을 마련했다는 점에서 의미를 갖는다"고 소개했다.

또 "패치를 통해 일상적 건강 상태를 모니터링하는 것은 물론 운동을 즐기는 사람의 근육 변화와 질환 감지가 가능할 것으로 보인다"며 "이를 토대로 연구팀은 만성질환 관리, 약물 반응 추적, 환경 노출 모니터링, 대사성 질환의 차세대 바이오마커 발굴 등 다양한 분야에 해당 기술이 활용될 수 있길 바란다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 보건복지부, 산업통상자원부의 지원을 받아 전재훈 박사과정생이 제1 저자로 참여해 수행했다. 연구 결과는 지난달 27일 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr