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착용 가능한 일체형 건강 모니터: 심혈관 신호, 생물학적 수준을 추적하는 새로운 스킨 패치

기사승인 2021.04.06  10:08:02

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캘리포니아 대학교의 연구원들이 개발한 착용 가능 건강 모니터는 휴대가 편한 작은 크기의 기계로 건강 신호들을 측정할 수 있다. 환자들의 상태를 지속해서 감시 가능한 이 장치는 중환자들과 바이러스에 취약한 환경에 노출해 있

는 사람들을 도와줄 수 있을 것으로 예상된다. 2021년 2월 26일, Scitechdaily가 이를 설명하고 연구원들의 입장을 보도했다.

 

 

샌디에이고의 캘리포니아 대학의 기술자들이 목에 부착 가능한 부드럽고 유연한 스킨 패치를 개발했다. 포도당과 알코올 수치, 카페인 농도로 혈압과 심장 박동을 추적할 수 있는 이 패치는 인체의 심장혈관 신호와 여러 가지 생물학적 수치를 동시에 감시 가능할 수 있는 최초의 장치이다.

 

캘리포니아 대학의 학생이자, 올해 2월 15일 네이처 바이오 메디컬 엔지니어링에서 (Nature Biomedical Engineering, 자연 생명 공학) 발표된 연구의 공동 제1 저자인 나노 기술 박사 루 인(Lu Yin)은 “이런 종류의 장치는 현재 질병을 앓고 있는 사람들이 자신의 건강 상태를 정기적으로 검사할 수 있게 해준다.”라고 설명하며 이 장치에 대해 “특히 코로나바이러스의 악화로 직접 병원에 방문하는 사람들이 줄어들고 있는 요즘, 원격으로 환자들의 상태를 감시할 수 있는 훌륭한 도구가 될 것.”이라고 덧붙였다.

 

이러한 장치는 고혈압이나 당뇨병을 앓고 있는 사람처럼 코로나바이러스에 걸릴 위험도가 높은 기저질환자들에게 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이는 또한 빠른 혈압의 감소와 젖산의 증가로 나타나는 패혈증을 초기에 발견하는 데 사용될 수도 있다.

 

모든 것이 가능한 이 부드러운 패치는 더 나아가 혈압 및 중요한 징후를 계속해서 감시해야 하는 신생아 집중 치료실의 유아들을 포함하여, 중환자실의 환자들에게 편리한 대안을 제공한다. 이러한 이점에는 환자의 동맥 깊숙한 곳에 카테터를 삽입하고 이들을 여러 병원 모니터에 연결하는 작업이 포함된다.

 

샌디에이고 캘리포니아 대학의 나노 공학 교수이자 이 연구의 공동 저자인 조지프 왕 (Joseph Wang)은 “참신한 점은 우리가 다른 센서들을 완전히 하나로 합쳐 우표처럼 작은 장치로 만들어 냈다는 것”이라고 말했으며 “부착 가능한 패치 하나만으로 일상생활에 방해를 주지 않고, 균이 침습할 수 없는 방법을 사용해 여러 가지 정보를 수집할 수 있다.”라고 설명하였다.

 

새 패치는 조지프 왕이 감독하는 부착 가능 센서를 위한 연구소에서 행해진 두 가지 선구적인 노력의 결과이다. 조지프의 연구실은 신체에서 화학, 물리, 그리고 전기 생리학적으로 여러 신호를 동시에 모니터링 가능한 장치들을 개발하였다. 나노 공학 교수 솅 주 (Sheng Xu)의 연구실 학자들은 체내 깊은 곳의 혈압을 감시할 수 있는 패치를 고안했다. 서로 힘을 합쳐, 그들은 혈압 모니터링을 결합한 최초의 신축성 있는 화학적 감지 (포도당, 젖산, 알코올, 카페인) 장치를 개발했다.

 

“각각의 센서는 물리적, 또는 화학적인 변화를 나타내는 별도의 사진을 제공한다. 하나의 패치에 이 모든 걸 통합하여 신체에 무슨 일이 일어나고 있는지 알려주는 포괄적인 개요를 얻을 수 있다.”라고 연구의 공동 교신 저자이기도 한 솅 주는 말했다.

 

다재다능한 패치

이 패치는 피부에 알맞고, 신축성 있는 얇은 폴리머 (polymers) 소재의 시트로,

혈압을 측정하는 혈압 센서와 두 개의 화학 센서로 이루어져 있다. 화학 센서의 경우 하나는 젖산과 땀 속의 카페인, 알코올 수치를 측정하는 용도로 사용되고, 다른 하나는 포도당 수치를 측정한다.

 

이 패치는 혈압, 포도당, 젖산, 알코올, 카페인의 세 가지 매개 변수를 한 번에 측정할 수 있다. “이론적으로 우리는 모든 것을 동시에 감지할 수 있지만, 이를 완벽히 수행하기 위해서는 다른 디자인을 필요로 할 것”이라고 왕 교수 연구실의 박사 과정에 있는 학생인 인(Yin)이 말했다.

 

혈압 센서는 패치의 중앙에 있다. 이는 전도성 잉크로 패치에 용접된 작은 초음파 변환기 세트로 구성된다. 변환기에 위치한 전압은 초음파를 인체에 전송한다. 초음파가 동맥에서 튕겨 나오면, 센서는 신호를 찾아내고 혈압 수치로 이를 전환한다.

 

화학 센서는 전도성 잉크로 패치에 인쇄된 두 개의 전극이다. 젖산과 카페인, 그리고 알코올을 감지하는 전극은 패치의 오른쪽에 인쇄되어있다. 이는 필로카핀 (pilocarpine)이라는 약을 피부에 방출하여 땀을 유도한 후 그 속에서 화학적 성분을 찾아낸다. 왼쪽의 또 다른 전극은 포도당을 감지하는데, 피부를 통해 약한 전류를 전달하여 세포 조직에서 체액을 유발하고 해당 유체의 포도당을 측정하는 방식으로 작동한다.

 

연구원들은 이러한 바이오 마커(biomarker, 인체의 중요한 성분들 – 생체표시)가 혈압에 영향을 미치므로, 이들을 계산하는 데에 초점을 맞추고 있다. 조지프의 연구실에 있는 학생이자 공동 제1 저자인 줄리언 셈피어나토 (Juliane Sempionatto)는 “우리는 보다 정확하고 신뢰 가능한 혈압 측정을 제공하는 매개 변수를 선택한다.”라고 말한다.

 

그녀는 “혈압 수치가 급증하는 것을 보고 무엇인가 잘못됐음을 깨달았다면, 이 장치에서 측정한 바이오 마커 수치는 혈압 급증의 이유가 뭔지 알려줄 수 있다. 더 나아가 이러한 센서들의 조합은 여러 가지의 건강 정보를 제공한다.”라고 덧붙였다.

 

패치의 테스트 과정에서 실험 대상자들은 목에 패치를 부착하고 자전거 운동을 하고, 당 수치가 높은 음식과 알코올, 카페인 음료를 섭취하는 등 여러 가지 활동을 진행하였다. 그 결과 패치의 측정값은 혈압측정띠(a blood pressure cuff), 그리고 젖산, 포도당, 음주 측정기와 같은 상용 모니터링 장치로 수집된 결괏값과 거의 일치했다. 착용자의 카페인 수치 또한 실험실에서 땀 샘플 카페인을 첨가한 측정으로 검증되었다.

 

기술상의 과제

패치 제작 과정에서 가장 큰 어려움 중 하나는 센서들이 서로의 신호를 방해하는 것을 제거하는 일이었다. 이를 없애기 위해 기술자들은 혈압 센서와 화학 센서 사이의 최적 거리를 알아내야 했다. 결과적으로 그들은 장치를 가능한 작게 유지하면서 적어도 1cm의 간격을 두는 게 도움을 준다는 것을 발견했다.

 

기술자들은 또한 혈압 센서에서 화학 센서를 물리적으로 보호하는 방법을 알아내야 했다. 일반적으로 정확한 판독 값을 생성하기 위해 혈압 센서에는 액체 초음파 젤이 장착되어 있다. 그러나 화학 센서에도 자체 수소가 장착되어 있고, 혈압 센서에서의 젤이 다른 액체들과 접촉하면 이는 측정의 방해 요인이 된다. 이로 인해 연구진은 고체로 된 초음파 젤을 사용해보았는데, 이는 액체를 사용했을 때와 동일하게 작동할 뿐만 아니라, 누출 문제 또한 없앤다는 것을 발견했다.

 

솅 주의 연구실에 있는 나노 공학 박사 무양 린 (Muyang Lin)은 “적합한 재료를 찾아내고, 서로 다른 장치들을 원활하게 통합하여 최대한의 결과를 만들어 내기까지 많은 시간이 걸렸다.”라고 말하며 “우리 연구실과 왕 교수의 연구실 간에 이러한 협업이 이루어진 것은 행운이다. 이 프로젝트로 그들과 함께 행할 수 있어 매우 즐거웠다.”라고 덧붙였다.

 

앞으로…

연구팀은 이미 더 많은 센서가 포함된 새로운 버전의 패치를 개발 중이다. 샘피어나토는 “다양한 질병과 관련된 또 다른 바이오 마커들을 감시할 수 있을 것, 우리는 이 장치에 더 많은 가치와 효과들을 추가하고자 한다.”라고 말했다.

 

앞으로 진행될 작업에는 혈압 센서의 전자 장치를 축소하는 것도 포함된다. 지금의 센서는 전원과 벤치 탑 기계에 유선으로 연결을 해야지만 판독 값을 표시한다. 궁극적 목표는 모든 것을 패치 위에 그대로 올려두고 이를 무선으로 작동하게 만드는 것이다.

 

린은 “우리는 완전히 착용 가능한 장치를 만들고 싶다.”라고 말하였다.

 

 

 

 

 

 

 

 

김다연/동일여자고등학교 대한민국지속가능청소년 yess@live.com

<저작권자 © 지속가능저널 무단전재 및 재배포금지>
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