침, 땀, 눈물로 혈당 측정 가능한 압전센서 개발!

침, 땀, 눈물로 혈당 측정 가능한 압전센서 개발!

– 비침습 방식으로 고통 없이 지속적인 혈당 모니터링 기대 –

혈당측정을 위한 채혈의 불편함을 해소할 실마리가 나왔습니다. 국내 연구팀이 체액 속 낮은 농도의 혈당(글루코스)까지 잡아낼 센서기술을 개발했습니다. 김진웅 교수(성균관대학교) 연구팀과 정운룡 교수(포항공과대학교) 연구팀이 공동으로 타액, 땀, 눈물 등 체액으로 혈당을 측정할 수 있는 고감도·고선택성 글루코스 압전 센서를 개발했다는 소식입니다!

당뇨인구 증가에 따라 자가 혈당측정법에 대한 관심이 높아지는 가운데 알코올로 소독 후 채혈하는 침습적인 접근 대신 땀이나 눈물과 같은 체액에서 직접 혈당을 정밀하게 검출할 수 있는 연구가 지속되었습니다. 하지만 침이나 땀 같은 체액 속 글루코스 농도(50~200μM)는 혈액 속 글루코스 농도(5~20mM)에 비해 100배 이상 낮기 때문에 100배 이상의 감도를 갖는 센서기술의 개발이 요구됐습니다.

글루코스 측정 메커니즘 및 센서 작동 모식도
(a) 글루코스 분자가 이웃한 은 나노와이어들을 서로 이어주는 교량역할을 한다. 글루코스 분자의 특정 작용기(diol functional group)가 은 나노와이어(노란색 막대모양으로 표시) 표면에 코팅된 4-MPBA의 특정 작용기(보론산기)와 선택적으로 화학결합, 은 나노와이어들을 서로 이어준다.
(b) 압력을 가하면 탄성입자 변형이 일어나면서 입자의 중앙 표면에 코팅된 나노와이어가 탈락된다. 글루코스 농도가 증가할수록 은 나노와이어를 서로 연결하는 글루코스 교량이 많아지고 따라서 입자 표면을 고르게 둘러싼 전도성 은 나노와이어가 많아져 결과적으로 전류가 증가한다.

이에 연구팀은 은 나노와이어가 코팅된 전도성 마이크로입자를 제조한 후, 은 나노와이어에 다른 단당류가 아닌 글루코스와만 특이적으로 결합하는 보론산을 배열했습니다. 글루코스가 보론산과 결합하면 은 나노와이어들이 서로 연결되는 데 글루코스가 많을수록 은 나노와이어들의 연결도 많아져 순간적으로 전류가 증가하는 것을 압전기술을 이용해서 정밀하게 검출하였습니다.

글루코스 측정 민감도 및 정확도 테스트
(a) 글루코스의 농도(0.56 μM~56000 μM)에 따라 전류량이 증가하였으며 동일 농도에서 반복적인 가압 시 균일한 전류를 나타내었다.
(b) 글루코스의 농도 범위에 전류량의 변화가 선형적임을 확인하였고, 특정 농도 이상에서 전류랑이 급격하게 증가하였다.
(c) 단당류의 종류를 달리하여 측정한 결과, 선택적으로 글루코스와 결합하는 것을 확인하였다.

기존 혈당 측정기는 효소를 통해 글루코스 분자의 산화를 유도하고, 글루코스 산화시 나타나는 전기화학적 변화에 따른 전류변화를 이용해 농도를 측정합니다. 측정가능한 농도범위는 2~20 mM 수준입니다. 하지만 전도성 입자 기반 압전센서는 글루코스 분자와 결합할 수 있는 표면적이 증가해 0.56μM~56 mM의 넓은 범위의 글루코스 농도를 측정할 수 있습니다. 결국 혈액(5~20 mM)과 체액(50~200 μM)의 글루코스 농도 범위를 모두 포함하기에 비침습적인 방법으로 체액에서 혈당측정이 가능해 집니다.

특히 0.60.6(cm2)의 크기 디바이스로 구현할 수 있고 100 마이크로리터 수준의 적은 체액으로도 글루코스 검출이 가능하다는 설명입니다. 센서는 양산화할 수 있는 기성의 부품을 이용해 제작했습니다.

한편 은 나노와이어 표면에 어떤 물질을 배열하느냐에 따라 글루코스 이외 다른 호르몬이나 단백질 같은 생체분자의 농도측정에도 응용될 수 있을 것으로 보고 있습니다.

[출처] 한국연구재단 홈페이지 및 기초공감 블로그