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진단 검사의 진화, '스마트 문신'
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진단 검사의 진화, '스마트 문신'
  • 김지연 기자
  • 승인 2021.02.18 20:55
  • 댓글 0
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당 센서와 유사한 약물 측정 센서 개발
땀 센서와 일시적 문신, 하이브리드 미세유체 전기화학 패치 개발
피부 아래 진피질에 주입되는 문신 센서

기원전 400년경 히포크라테스가 소변을 땅에 뿌려 곤충이 모여들 경우 종기로 진단하거나, 만성 신장 질환 환자들의 소변에서는 거품이 있다고 판단하는 등의 이러한 소변검사는 진단검사의학 사상 가장 최초의 체외 검사로서 의미를 가진다. 

소변검사 외에도 진단혈액학, 임상화학, 임상미생물, 수혈의학, 면역과 현재 코로나19 바이러스를 진단하는 PCR(중합효소연쇄반응) 등을 이용한 검사법과 같은 분자유전, 세포유전 등 진단검사의학은 지속적인 발전을 거듭해왔다.

붙이는 센서나 스마트 문신 등의 소식도 들려오는데 개발이 진행되고 있는 현대의 진단검사의학을 들여다본다.

당 센서와 유사한 약물 측정 센서 개발

2010년대 중반에 도입된 플래시 포도당 모니터는 당뇨병 치료의 변화를 가져왔고, Abbott's Freight Libre Flash Glocus 모니터링 시스템은 팔에 붙이는 전기 화학 센서다. 35mm 직경의 전자 패치로 작은 와이어가 피부를 관통해 그 아래의 체액에 도달한다. 이 장치는 2주에 한 번씩 교체하며 스마트폰을 패치에 올려놓고 판독할 수 있다.

이런 플래시 포도당 센서와 비슷한 디자인의 센서를 개발하고 있는 미국 산타바바라 캘리포니아 대학의 케빈 플락스코 그룹은 혈당 수치 측정이 당뇨병 환자를 위한 것만큼 편리하게 혈액 내 약물 수치를 측정하는 모니터링을 제공하는 것이다. 

플래시 포도당 모니터링 시스템 장치 /화학세계 갈무리

플락스코의 센서는 외부에 3mm의 얇은 와이어에 부착된 전자 패치가 피부 표면의 정맥에 배치되어 외형적으로나 기능면에서 플래시 포도당 모니터를 그대로 가져오기 위해 노력하고 있다. 반면 감지를 수행하는 분자에 주목한다. 포도당 시스템과 같이 효소를 사용하는 대신 감지 분자로 압타머(aptamers, 짧은 단일 가닥의 DNA분자)를 사용하고 있다.

이 압타머는 수용성 목표물에 대한 인식이 가능하다. 또한 접이식 압타머가 이미 설계된 약물에 화학요법제 2가지와 항생제 3가지가 포함되어 있어 펌프를 이용해 필요한 복용량을 방출한다. 플락스코는 이러한 센서를 임상 테스트에 적합한 프로토타입으로 개발하기 위해 상업적으로 협력하고 있지만 아직 일정은 정해진 바 없다고 한다.

땀 센서

우리 몸의 여러 정보를 담고 있는 또 다른 체액인 땀을 이용한 센서가 시장에 출시되기 시작했다. GX 스웨트 패치는 일회용 패치로 수분 공급 상태를 결정하며 올해 말에 판매될 예정이다. 에피코어 바이오시스템스가 미국 스포츠 음료 브랜드 게토레이와 협업해 만들고 있다.

게토레이 패치는 땀방울이 뿜어져 나오는 천연 압력이 유체를 채널 내부로 유도하기에 충분하도록 설계되었다. 땀 속도를 측정하는 스테이킹 채널과 염화물이온 손실에 대한 직접적 채널로 땀 비율이 물로 냉각하면 색이 변하는 색 측정 지표가 포함되어 있어 착용자의 땀 속도에 대한 정량적 정보를 제공한다. 

염화물이온과 혼합되어 뚜렷한 색을 내는 이 지표는 스마트폰 앱이 색 변화를 분석하고 착용자에게 운동 중에 어떤 게토레이 음료가 수분을 최적화하는지 알려준다. 또한 육안이나 스마트폰 카메라만으로 색 변화 반응을 더 정확하게 분석할 수 있는 추가 전기 화학 구성요소를 사용해 이 장치의 수정된 버전을 개발되기도 했다. 피트니스 모니터링 이상의 응용분야가 열릴 가능성이 있다.

이러한 하이브리드 장치 설계는 부피가 큰 배터리 없이도 스마트폰으로 전기 화학 데이터를 전송하는 프로세스에 전력을 공급하는 방법이 중요한데 연구팀은 바이오 연료 전지에서 영감을 얻어 자가 동력 시스템을 개발했다. 

효소의 반응으로 땀에 존재하는 바이오 마커 농도에 비례하는 전압 신호를 자발적으로 생성하고 이 신호는 쉽게 배터리 없이 근거리 통신 기술을 통해 착용자의 스마트폰에 무선으로 전송된다. 이러한 패치는 현재 신생아의 낭포성 섬유증 진단에 사용되는 땀 검사 장치의 경량 대안으로 시험되고 있다. 낭포성 섬유증 환자의 경우는 땀에 일반인보다 더 많은 염화물이 있다고 한다.

일시적 문신, 하이브리드 미세유체 전기화학 패치 개발

미국 샌디에이코 캘리포니아 대학의 조셉 왕의 연구팀은 땀 모니터링을 위한 하이브리드 미세 유체 및 전기 화학 패치를 개발하고 있다. 일회용 미세 유체 구성 요소와 재사용이 가능하고 유연한 전자 섹션이 있지만 이것은 색 변화 반응을 사용하지 않고 대신 효소에 의한 포도당과 다른 종의 산화를 모니터링 한다. 

관련 효소가 용해 가능한 전분·덱스트린 종이에 인쇄된 센서에 고정되는 일회용 부품의 대체 버전을 만들고 있다. 이런 용해성 종이는 아이들이 좋아하는 '판박이'나 '타투'와 같은 임시 문신에 사용되는 것과 동일한 물질이다. 피부에 대고 물에 적셔 녹말 성분을 녹이고 접착제를 활성화시킨다.

생산 비용도 저렴한 이런 임시 문신 전달 센서는 미세유체 센서보다 훨씬 유연하고 가볍다. 지금까지 만들어진 프로토타입에는 알코올 산화효소, 알코올 농도 검출용, 비타민C 관리를 위한 아스코르브산 산화효소 등이 있다.

주근깨가 되기 전에 햇빛에서 색깔을 바꾼다 /화학세계 갈무리

미국 샌프란시스코에 있는 로직잉크사는 임시 문신 전달 센서를 개발하는 또 다른 기업으로 누적된 UV 노출을 모니터링하는 UV 센서를 출시했다. 이 센서는 착용자가 진한 파란색으로 된 문신이 세계보건기구(WHO)가 정한 수준에 도달하면 밝은 분홍색으로 변한다. 

이 디자인과 비슷한 대기오염 센서를 시제품으로 제작하고 땀으로부터 정보를 제공하는 센서도 제작되고 있다. 임시 문신 전달 장치는 신체에서 전기생리학 정보를 수집하는 데 사용될 수도 있다. 

그레코 그룹에서 개발한 이 문신은 매우 얇고 신체의 전기적 활동을 모니터링하도록 설계되었다. /화학세계 갈무리

이 문신은 1µm 미만으로 매우 얇고 유연하며 피부 표면에 꼭 맞아 편안하고 정확하다는 특징이 있다. 또한 전도성 폴리머 잉크가 혼합 전도체이다. 

피부 아래 진피질에 주입되는 문신 센서

안료 입자가 피부 아래에 주입되는 전통적인 문신처럼 진피에 들어가서 기능적 건강상의 이점을 부여하는 현미경 임플란트가 개발되고 있다. 미국 콜로라도 볼더 대학의 나노물질 연구를 하고 있는 카슨 브런스는 UV 노출을 모니터링하기 위해 진피에 주입되는 플라스틱 껍질에 싸여있는 UV 감지 분자 기계를 포함하는 기능성 문신을 개발했다.

자외선이 많을수록 문신이 더 파랗게 변한다. 돼지의 피부와 브론스 교수의 피부에 테스트됐으며, 올해 설치류 모델에서 테스트될 예정이라고 한다. 

신체의 정량적 정보를 제공하기 위해 피부 내부에 직접 문신 센서가 가능하거나 세포 외 기질의 바이오 마커와 상호작용할 수 있는 화합물 라인이 만들어지고 있다. 그러나 이러한 스마트 문신 센서가 사용 승인을 받으려면 10~20년이 걸릴 것으로 전문가들은 말한다. 

[케미컬뉴스=김지연 기자]



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