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연구성과

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물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발

성과명 물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발 조회 290
사업명 신진연구사업 지원기관 과학기술정보통신부, 한국연구재단
연구자명 백상열, 이지현 연구기관 성균관대학교
등록일 2021-06-23 발간일 2021-06-23
내용바로가기 https://www.nrf.re.kr/cms/board/general/view?menu_no=95&page=&nts_no=158806&search_type=NTS_TITLE&search_keyword=
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4 20210618 금 조간 물방개 모사 무전원 체액포집 ...(1466.88 KB) , 다운로드 수 : 91회 바로보기

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핵심내용



물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발

데이터 기반 피부 PH와 유수분량 모니터링 패치 등으로 응용 기대


 
□ 물방개의 점착기관을 모사해 피부의 산성도(pH)나 유수분량을 모니터링할 수 있는 피부 부착형 패치가 제안됐다. 
 
한국연구재단(이사장 노정혜)은 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 개발했다고 밝혔다. 
 
□ 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 각질손상이 유발될 수 있어 반복사용이나 장시간 부착이 어렵다. 또 여러 환경들(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. 
 
□ 또 머신러닝 기반 분석 어플리케이션 개발을 통해 모바일기기로 이미지를 촬영하고, 촬영한 하이드로젤의 색 이미지 데이터(RGB)를 기계학습하여 피부 산성도를 높은 정확도로 추적할 수 있도록 했다.  
 
□ 나아가 연구팀은 이 패치를 산성도 변화가 동반되는 여드름 질환 모델에 적용, 육안관찰을 바탕으로 약물 처치시점을 판단한 경우보다 더욱 빠른 피부 정상화가 가능함을 확인했다. 
 
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업 등의 지원으로 진행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 6월 17일(한국시간) 게재되었다. 


상세내용

 

논문명

Diving beetle-like Miniatured Plungers with reversible, rapid biofluid capturing for machine-learning based care of skin disease

저널명

Science Advances

키워드

Skin patch (피부패치), Biomimetics (생체모방), Microstructures (미세구조물), Wearable device (웨어러블 디바이스), Biosensor (바이오센서)

DOI

10.1126/sciadv.abf5695

저 자

방창현 교수(교신저자/성균관대학교), 조승우 교수(교신저자/연세대학교),

백상열 박사(1저자/성균관대학교), 이지현 박사과정(1저자/성균관대학교), 전은제 석박통합과정(1저자/연세대학교), 박보용 교수(공동저자/인하대학교)


1. 연구의 필요성
 ○ 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.
※ 바이오마커(Bio-marker): 정상적인 생물학적 과정, 질병 진행 상황, 치료방법에 대한 약물의 반응성을 객관적으로 측정하고 평가할 수 있는 지표
※ 비침습형(Non-invasive): 신체표면에 손상을 주지 않고 질병을 진단하거나 치료하는 방법
 
 ○ 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. 
※ 미세유체칩(Microfluidic chip): 미세한 공간 속의 유체를 제어하는 기술을 이용해 유체 속의 분석 대상 물질을 분석 칩 위의 검출 장치를 통해 측정, 분석하는 기술
 
2. 연구내용 
 
○ 본 연구에서는 피부에서 체액을 분석하는 기존 진단 시스템의 한계점을 해결하고 개선하기 위해, 물방개의 점착 컵을 모사한 무전원 기반의 빠른 피부체액포집 및 스마트 분석 모니터링 패치를 개발하였다. 
 
○ 물방개 점착 컵의 구체적인 점착 원리는 다음과 같다. 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 힘에 의해 컵 구조의 내부 공간에 응력이 집중되어 높은 점착력이 형성된다. 연구진은 이러한 물리적 현상을 시뮬레이션으로 재현하고 수학적 모델로 제시하였다.
※ 음압(negative pressure) : 물체 내부가 외부와 단절되어 있을 때, 물체 내부의 기압을 감소될 때 나타나는 외부기압과 압력 차이로 흡인력이라고도 함.
※ 탄성고분자 : 외력(外力)을 가해서 잡아당기면 몇 배나 늘어나고, 외력을 제거하면 원래의 길이로 돌아가는 성질을 가지는 고분자 화합물
※ 응력 : 물체에 외력이 작용할 때, 그 크기에 대응하여 물질 내에 생기는 저항력
 
○ 또한 점착 컵 내부 공간에 하이드로젤 소재를 삽입하여 체액의 손실 없이 포집할 수 있는 구조를 제작하였다. 담지된 하이드로젤은 피부 계면의 체액과 닿는 동시에 흡수하였고, 이는 증발이나 신체 움직임으로 인한 손실을 최소화하고 10초 이내의 빠른 분석이 가능하다는 장점을 가진다.
 
○ 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 사용이 가능하며 별도의 전원장치 없이도 체액 분석이 가능하였다. 
 
○ 연구팀은 모바일 기기를 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.
  
3. 연구성과/기대효과
 
○ 수중 곤충인 물방개의 3차원 점착 컵 구조를 모사하여 수분이 있는 표면에서도 반복적으로 탈부착이 가능하고 독특한 구조를 통해 체액을 포집하여 분석할 수 있는 피부 진단 플랫폼을 개발하였다. 
 
○ 무전원 방식의 저가의 고분자 모니터링 패치와 모바일기기의 이미지 촬영과 어플리케이션 분석을 통하여 피부진단 시스템의 복잡성을 해소하였다. 
 
 ○ 실제 질환 모델에 적용하여 본 연구에서 개발한 점착 소재의 효과를 검증하였고 향후 환자맞춤형 피부질환 치료 패치와 의료용 부착소재와 체외 진단을 위한 데이터 기반 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
 
연구 이야기
                                        <작성 : 성균관대학교 방창현 교수>
 
□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 
 
체외진단기술은 질환의 발병이나 예후, 피부에 부착하여 건강 상태를 진단하는 기술로 기존의 주사기 삽입과 같은 침습형 진단 기기와는 다르게 통증이나 감염에 대한 부작용이 적습니다. 특히 피부를 통한 진단은 피부에 존재하는 미량의 체액을 통해 피부 질환을 포함한 여러 질환들을 진단하고 예측할 수 있습니다. 최근 마스크의 장기간 착용으로 인해 염증성/접촉성 피부질환 발병률이 높아지고 있는데, 이런 질환에 대해 피부 상의 체액을 포집하고 질환을 조기에 진단하고 조치할 수 있는 피부 모니터링 패치를 개발하게 되었습니다.
  
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
 
기존의 체액을 통한 체외진단시스템들은 분석 대상인 체액을 포집하기 위한 구조가 없거나 고가의 포집, 분석 장비를 이용한다는 한계점을 가지고 있습니다. 또한 피부 계면을 통한 분석을 진행하기 위해 화학적 점착 소재를 이용하기 때문에 피부에 부담을 주어 반복적인 사용이 어렵습니다. 
본 연구는 이런 구조적, 기능적 이슈들에 대해 자연에서 얻은 아이디어를 이용하고 발전시켜 새로운 개념의 간편한 진단 시스템을 제안하였습니다. 
  
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
 
본 연구 결과를 기반으로 하여 다양한 바이오 마커들의 현장진단을 가능하게 하는 의료정보 제공 플랫폼으로 활용할 수 있을 것으로 기대합니다. 향후 더욱 개인화 된 맞춤형 진단의 실용화를 위해 생체신호를 측정하고 피드백을 제공하는 데에 있어 성별, 나이, 인종 등의 다양성을 고려한 분석이 요구됩니다. 
  
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 
 
환경에 적응하고 살아남기 위한 생물들의 지혜로운 방식을 관찰하고 분석하여, 우리가 가진 다양한 문제들을 해결하고 또 여러 의료 및 산업분야에 적용할 수 있는 연구들을 하고자 합니다.
 

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