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상처 붙이면 실시간 진단… 당뇨 관리 새 패러다임 제시

우리 대학 기계공학과 하지환 교수 연구팀이 이번 14일 세계 최초로 ‘웨어러블 비색 당뇨 센서’를 개발하며 신체적 손상을 주지 않는 차세대 헬스케어 기술의 가능성을 열었다. 이번 연구는 KAIST, 한국기계연구원, California Institute of Technology(Caltech)와의 국제 공동연구로 진행됐다. 연구 성과는 재료과학 분야에서 세계적인 학술지 『Advanced Functional Materials』에 게재되고 전면 표지 논문으로도 선정됐다.

비색 센서란 특정 성분에 따라 일어나는 색상 변화를 감지해 물질의 존재나 농도를 측정하는 센서를 말한다. 연구팀이 개발한 기술은 당뇨 환자의 땀과 상처 부위에서 나타나는 포도당, pH(산성도), 체온 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 무선·무배터리 광전자 웨어러블 센서다. 기존의 비색 센서는 스마트폰 카메라나 육안 판독에 의존해 주변 조명과 그림자에 따른 오차가 컸고 연속 측정에도 한계가 있었다. 특히 당뇨와 직결되는 포도당 농도를 정밀하게 분석하기 어려워 실제 의료 현장 적용에는 제약이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 색 변화 드레싱과 광전자 센서를 결합한 다중 모달(Multi-modal) 시스템을 구현했다. 센서는 근거리무선통신(NFC) 기반으로 작동해 스마트폰만 가까이 대면 무선으로 전력을 공급받고 데이터를 전송한다. 별도의 배터리가 필요하지 않아 착용감이 뛰어나 장시간 사용이 가능하다.

핵심 기술은 전기방사 방식으로 제작된 두 종류의 기능성 나노섬유 드레싱이다. 포도당을 감지하는 ‘TGP PCL’ 드레싱은 TMB, 포도당 산화효소(GOx), 과산화효소 계열(Peroxidase)인 과산화효소(HRP)와 PCL이라는 고분자 재료를 섞어 나노섬유 형태로 만들었다. TMB가 색 변화를 담당하며, 포도당 농도가 높아질수록 흰색에서 남색으로 변한다.

pH를 감지하는 ‘C-PCL’ 드레싱은 커큐민(curcumin)과 PCL으로 만들어지며, 감염 등으로 상처가 알칼리성이 되면 황색에서 붉은색으로 변화한다. 그리고 센서 내부에 장착된 적색·녹색 LED와 포토다이오드가 색 변화에 따른 빛 반사량 차이를 측정해 데이터를 정량화한다. 연구팀은 이를 통해 기존 카메라 기반 분석보다 정확하고 안정적인 실시간 모니터링에 성공했다.

또한, 실제 동물실험을 통해 기술의 실효성도 입증했다. 쥐의 피부에 당뇨성 상처를 만든 뒤 대장균을 주입해 감염 환경을 조성한 결과, 센서는 상처 부위의 pH 상승과 체온 변화를 안정적으로 감지했다. 포도당 측정 결과 역시 상용 혈당측정기와 유사한 수준의 정확도를 보였다.

특히 당뇨족은 고혈당으로 인해 혈관과 신경이 손상돼 작은 상처도 심각한 조직 괴사로 이어질 수 있는 위험 질환이다. 이번 기술은 상처 보호와 진단 기능을 동시에 수행할 수 있어 괴사 위험을 낮추는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 드레싱은 교체형으로 제작돼 위생성과 경제성을 높였으며, 전자 패치는 재사용이 가능해 실제 의료 현장과 일상생활 모두에서 활용 가능성이 크다.

하지환 교수는 “매일 손끝을 찔러 혈당을 측정해야 하는 당뇨 환자들의 불편을 줄이고, 치명적인 당뇨족 합병증을 조기에 발견하기 위해 연구를 진행했다”며 “향후 다양한 만성질환의 무채혈 건강관리 플랫폼으로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 성과는 혈당, pH, 체온을 동시에 측정할 수 있는 다중 모달 시스템을 구현함으로써 당뇨 합병증 조기 진단과 지속적 건강관리 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

글 박희진 기자