미래 IT 시장을 선도할 것으로 예상되는 웨어러블에 대한 관심이 증가함에 따라 이를 구현하는 센서 기술 개발의 진척도에도 관심이 쏠리고 있다.

지금까지 개발된 웨어러블 센서는 주로 인체의 움직임이나 물리적인 정보들을 모니터링하는 것이 주류였다. 따라서 인체에 부착해 눈물, 땀 등 생체 용액을 분석해 건강 지표와 관련 있는 화학적인 정보를 얻을 수 있는 웨어러블 센싱 플랫폼 기술은 상대적으로 개발 속도가 뒤쳐졌다. 웨어러블 바이오센서의 경우 선택성과 민감도 뿐 아니라 신체 안정성과 기계적 유연성이 동시에 충족돼야하기에 구현에 어려움이 있었기 때문이다.

이런 가운데 국내 연구진에 의해 개발된 ‘유연 바이오 센싱 플랫폼 기술’이 눈길을 끈다. 나노 소재와 바이오 물질을 이용해 인체 안정성이 높고 선택성과 민감도가 뛰어난 기술이다.

주인공은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)의 스핀융합연구단 이현정 박사팀이다.

연구진이 개발한 나노메쉬 효소전극은 고민감도, 고선택성, 그리고 높은 기계적 유연성을 지녀 IT 기술과 융합, 건강정보 모니터링용 차세대 웨어러블 디바이스에 핵심 센서 소재 및 소자 기술로 적용이 가능하다. 

이현정 박사팀은 고전도성 나노전자소재인 단겹탄소나노튜브와 강한 결합력을 가진 실 모양의 바이오 물질을 이용해 단겹탄소나노튜브를 나노그물 구조의 대면적 전도성 나노메쉬 전극으로 형성하고, 고분자 전해질층을 이용해 효소를 나노메쉬 전극과 결합시켜 전자전달효율이 높은 나노메쉬 효소전극을 개발했다.

나노메쉬 전극은 기계적인 유연성이 뛰어나고 수용액에서 대면적으로 형성된다. 이를 통해 단순한 공정으로 유연소자제작이 가능하다.

또한 연구진이 개발한 바이오 물질은 수용액에서 음전하를 띠고 있어서 반대 전하를 띠는 고분자 전해질 층을 이용해 효소를 나노메쉬 전극에 효율적으로 고정화시킬 수 있었다.

연구팀은 “개발한 나노메쉬 효소전극을 이용한 제3세대 글루코스센서는 그 민감도가 세계적 수준의 값을 나타냈다”며 “특히 세계 최초로 구현한 제3세대 유연글루코스센서도 비슷한 수준의 민감도를 보여 차세대 헬스케어용 웨어러블 바이오센서로 높은 적용 가능성을 보여줬다”고 밝혔다.

연구팀은 또한 개발한 나노메쉬 효소전극 기술을 적용해 루코스센서에 쓰이는 글루코스옥시다아제 효소를 비롯, 콜레스테롤 옥시다아제, 락테이트 옥시다아제 등 총 8가지 다른 효소에 대해서 전자를 직접 주고받을 수 있음을 증명했다.

또한 나노메쉬 효소 플랫폼은 바이오 플루이드 내 주요 방해 인자들로 알려진 ascorbic acid, uric acid, acetaminophen 등에는 반응을 하지 않아서 바이오센서의 가장 큰 이슈 중 하나인 선택성 측면에서도 뛰어난 특성을 나타냈다. 따라서 본 연구를 통하여 개발된 기술을 적용한 웨어러블 디바이스를 이용하면 글루코스뿐만 아니라 젖산, 콜레스테롤, 과산화수소 등 여러 건강지표 인자들을 효과적으로 모니터링할 수 있게 된다.

본 연구는 한국과학기술연구원의 주요 연구 사업으로 수행됐으며, 연구결과는 재료 연구 분야의 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)지에 게재됐다.