기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 박장웅 연구위원(연세대 신소재공학과 교수) 연구팀은 연세대, 명지대 공동 연구진과 눈물 속 스트레스 호르몬을 감지하여 정확히 측정할 수 있는 스마트 콘택트렌즈를 개발했습니다. 이 렌즈는 스마트폰과 연동돼 일상에서 손쉽게 스트레스를 관리할 수 있습니다. 해당 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다.
스트레스 알려주는 코티졸 수치 읽어내는 헬스케어 기기
스트레스는 현대인의 적이라 불릴 정도로 일상화돼있으며 적절히 관리하지 못하면 각종 만성질환으로 이어질 수 있습니다. 그러나 스트레스 측정은 병원, 연구실 등 전문 시설을 이용해야했습니다. 또한 기존 측정 센서는 주로 전기화학 분석법, 흡광 분석법 등 복잡한 방식을 사용했기 때문에 일상적인 실시간 측정이 어렵다는 문제가 있었습니다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 눈에 착용하여 눈물 속 스트레스 호르몬 ‘코티졸(Cortisol)’ 수치를 실시간 측정하는 콘택트렌즈 형태의 모바일 헬스케어 기기를 개발했습니다. 우선 연구진은 2차원 구조체 ‘그래핀(Graphene)’을 사용해 투명하고 유연하면서 무선 통신이 가능한 코티졸 센서를 구현했습니다. 그래핀 트랜지스터(FET)구조로 이뤄진 센서는 그래핀 표면에 결합하는 코티졸 농도를 실시간 분석할 수 있습니다. 즉 센서가 눈물 속 코티졸 농도에 따른 그래핀의 미세한 저항 변화를 읽어내어 스트레스 수치를 실시간으로 정확히 검출해내는 겁니다.
- 모바일 헬스케어(Mobile health care)
스마트폰과 의료 측정 액세서리·앱 등을 이용해 스스로 운동량 심전도·심장·상태·혈당 등 개인의 신체 상태를 측정하며 건강을 관리하는 것을 말합니다. 환자와 병원 사이 매개체 역할을 하여 건강관리를 도울 것으로 기대됩니다. 주로 웨어러블 형태로 제작되고 있어 신축성과 무선통신 기능을 보유한 모바일 헬스케어 기기 개발 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
- 그래핀 트랜지스터(FET) 구조
두 개의 전극으로 비교적 간단히 구성된 구조입니다.
- 그래핀(Graphene)
흑연의 한 층에서 떼어낸 벌집 모양 2차원 물질로 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 '꿈의 신소재'로 불립니다.
또한 1차원 전도성 물질인 은 나노와이어 를 그물망 구조로 만들어 신축성이 뛰어난 투명 전극과 안테나를 제작했습니다. 나아가 초정밀 3D 인쇄 공정으로 제작한 신축성 있는 회로로 전극, 안테나, NFC칩 등 각 부품들을 연결하여 소프트 렌즈에 내장했습니다. 렌즈 속 NFC칩은 센서에서 읽어낸 코티졸 농도를 스마트폰으로 무선 전송합니다. 렌즈 착용 후 스마트폰을 눈 가까이 가져가면 스트레스 수치를 실시간으로 확인할 수 있습니다.
- 나노 와이어(Nano wire)
나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말합니다. 나노와이어가 불규칙적으로 연결된 박막은 뛰어난 광투과성을 가지기 때문에 투명전극으로 사용될 수 있습니다.
연구진은 개발한 스마트 콘택트렌즈의 착용 실험을 통해 성능과 안전성도 입증했습니다. 실험 결과 착용 상태에서도 렌즈가 정상 작동하고 렌즈에서 발생하는 열과 전자기파가 인체에 무해한 수준임을 확인했습니다. 제작한 렌즈는 보관액에 담긴 후에도 형태와 기능이 그대로 유지됐습니다. 스마트 콘택트렌즈의 상용화 가능성을 보여준 겁니다.
박장웅 연구위원은 "스트레스 수치를 실시간으로 정확히 측정해 일상 속 스트레스 관리를 돕는 스마트 콘택트렌즈를 개발했다"며 "4차 산업시대에 주목받는 모바일 헬스케어 산업 뿐 아니라 의료분야까지 다양하게 활용될 것으로 기대한다"고 전했습니다.
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