물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발
물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발
  • 문채영 기자
  • 승인 2021.07.08 17:12
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성균관대학교 방창현 교수, 연세대학교 조승우 교수
■ 물방개의 수중 점착 컵을 모사한 피부 모니터링 패치의 개념도 ■
(A) 물방개의 앞발을 관찰하여 보면 흡착 구조를 가진 점착 컵을 확인할 수 있다.
(B) 이 점착 컵은 점착면에 부착되어 고정할 수 있는 단단한 지지체와 거칠거나 굴곡진 표면에도 밀착되어 부착될 수 있도록 하는 부드러운 점착 컵으로 구성되어 있다.
(C) 연구팀은 이를 모사하여 탄성고분자-하이드로젤 기반의 점착패치를 제작 하였다. 또한 체액 포집을 위한 하이드로젤을 점착컵 내부에 설계하여 무전원 피부 모니터링 패치를 제작하였다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수]

최근 물방개의 점착기관을 모사해 피부의 산성도(pH)나 유수분량을 모니터링할 수 있는 피부 부착형 패치가 제안됐다.

 

피부의 체액을 이용한 바이오마커 진단은 비침습형으로 주사나 수술 등에 의한 고통과 불편함을 수반하지 않고 감염의 위험을 낮출 수 있어, 많은 주목을 받고 있으며 관련 산업 또한 크게 성장하고 있다. 하지만 피부 계면의 체액을 정확하게 분석하기 위해서는 굴곡지고 거친 피부 표면에도 유격 없이 부착되고, 분석 지표로 사용되는 체액을 손실 없이 빠르게 포집하여 정량적인 분석이 가능하도록 해야 한다. 현재까지 개발된 비침습형 체액 진단 기기들은 대부분 미세유체칩 형태로 이루어져 있는데, 이는 정밀 분석을 위한 개별적인 체액 포집 구조가 없고 반복 사용이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 외부 전원이 필요한 분석 방법과 고가의 전용 분석 장비를 이용하기 때문에 개인이 이용하기엔 한계가 존재한다.

 

이에 방창현 교수(성균관대학교), 조승우 교수(연세대학교) 연구팀은 수컷 물방개 앞발에 있는 점착컵의 구조 원리를 밝히고, 이를 본떠 무전원 방식의 신속 체액 포집 피부 모니터링 패치를 개발했다.

 

수중곤충인 물방개는 암수를 구별할 수 있는 독특한 특징을 가지고 있는데, 바로 물방개의 앞발에 존재하는 둥근 점착 컵이다. 이 점착 컵은 수중 교미 과정에서 암컷의 둥글고 거친 등 표면에 잘 달라붙고 교미과정 중 필요한 화학물질을 감지하는 역할을 하며, 수컷 물방개 종만이 가지는 고유한 진화의 산물이다.

 

피부상태 모니터링(산성도, 유수분량 등)을 위해 체액(눈물, 땀 등)을 수집하는 피부부착형 웨어러블 패치들이 개발되고 있으나, 체액포집 속도와 모니터링 정확도를 높이기 위한 별도의 전원이 필요했다.

화학점착제는 체액포집시 피부자극 및 각질 손상이 유발될 수 있어 반복 사용이나 장시간 부착이 어렵다. 또 여러 환경(습윤환경, 굴곡진 피부표면, 신체활동 등)에서도 부착력을 유지하는 것이 숙제였다.

 

이에 연구팀은 물방개의 점착 컵을 모사, 내부 흡인력을 이용하여 피부에 점착됨과 동시에 체액을 포집하고 모니터링 할 수 있는 마이크로 크기의 인공 점착 컵을 제작하였다.

또한, 점착 컵 내부에 체액 흡수력이 높고, 산성도 변화에 따라 색이 변하는 하이드로젤을 담지해 포집된 체액의 산성도를 별도의 전원장치 없이 분석할 수 있도록 하였다.

 

■ 피부 모니터링 패치의 점착성능 분석과 수분 포집 거동 ■
(A) 피부 모니터링 패치를 피부에 부착한 뒤 탈착하는 모습으로, 점착성능은 사람의 피부와 유사한 돼지피부를 이용해 건조하거나 젖은 표면에서의 점착성능을 측정하였다.
(B) 그 결과 점착 컵을 가진 물방개모사 패턴의 패치가 패턴이 없는 패치에 비해 우수한 점착성능을 가졌다.
(C) 체액 포집을 위한 하이드로젤을 점착 컵에 담지한 모습을 나타낸 개념도이다.
(D) 점착 컵 내부에 삽입된 하이드로젤에 의해 수분(체액)이 컵 내부로 포집될 수 있는 것을 공초점 현미경을 통해 확인하였다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수]

물방개 점착 컵의 구체적인 점착 원리는 설명하자면 탄성을 갖는 점착 컵을 점착 표면에 부착할 때, 외력에 의해 그 구조가 변형되고 다시 복원될 때엔 컵 내부 공간에 음압이 형성되어 진공 상태가 된다. 탈착 시에는 당기는 힘으로 컵 구조의 내부 공간에 응력이 집중되어 높은 점착력이 형성된다. 연구진은 이러한 물리적 현상을 시뮬레이션으로 재현하고 수학적 모델로 제시하였다.

또한, 담지된 하이드로젤은 피부 계면의 체액과 닿는 동시에 흡수하였고, 이는 증발이나 신체 움직임으로 인한 손실을 최소화하고 10초 이내의 빠른 분석이 가능하다는 장점이 있다.

포집된 체액의 pH 분석을 위해, pH 반응성 하이드로젤을 제작하여 점착 컵 내부에 용액공정으로 삽입하였다. 점착 컵 내부 pH 반응성 하이드로젤 은 pH 변화에 따라 5초 이내에 반응하여 색 변화를 보였고, 반복적으로 사용할 수 있으며 별도의 전원장치 없이도 체액 분석이 가능하였다.

연구팀은 모바일기기를 이용한 자가진단 시스템으로의 개발을 위해 머신러닝을 기반으로 한 pH 분석 소프트웨어를 개발하였다. 이를 이용해 여드름 질환 모델에 대한 pH 모니터링 피드백을 제공하여 효과적인 치료효율을 확인하였다.

또 머신러닝 기반 분석 어플리케이션 개발을 통해 모바일기기로 이미지를 촬영하고, 촬영한 하이드로젤의 색 이미지 데이터(RGB)를 기계 학습하여 피부 산성도를 높은 정확도로 추적할 수 있도록 했다.

 

■ 하이드로젤을 이용한 체액의 pH 분석과 여드름 질환 모델을 통한 피부 모니터링 패치의 효과 ■
(A) 체액의 pH를 측정하기 위해 pH 변화에 반응성을 가지는 하이드로젤을 합성하였다. 하이드로젤은 pH에 반응해 수 초 내에 색 변화를 보였다.
(B) 제작한 머신러닝 기반의 소프트웨어를 통해 pH에 반응하여 변화한 색을 정량적인 수치로 나타냈다.
(C,D) 실제 여드름 질환 모델을 설계하여 pH 모니터링을 통해 조기 진단 및 치료를 진행하였고 대조군에 비해 빠른 피부정상화가 이루어졌다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 방창현 교수]

연구팀은 실제 질환 모델에 적용하여 연구에서 개발한 점착 소재의 효과를 검증하였고 향후 환자맞춤형 피부질환 치료 패치와 의료용 부착 소재와 체외 진단을 위한 데이터 기반 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다이번 연구의 성과는 국제학술지사이언스 어드밴시스(Science Advances)617(한국시각) 게재되었다.

 

 


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