물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발
물방개 수중 점착컵 본뜬 무전원 체액포집 패치 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.06.21 23:52
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물방개의 점착기관을 모사해 피부의 산성도(pH)나 유수분량을 모니터링할 수 있는 피부 부착형 패치가 제안됐습니다. 

방창현 교수(성균관대학교), 조승우 교수(연세대학교) 연구팀은 수컷 물방개 앞발에 있는 점착컵의 구조 및 원리를 밝히고, 이를 본떠 무전원 방식의 신속 체액 포집 피부 모니터링 패치를 개발했다고 밝혔는데요. 수중곤충인 물방개는 암수를 구별할 수 있는 독특한 특징을 가지고 있는습니다. 바로 물방개의 앞발에 존재하는 둥근 점착 컵입니다. 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 산물입니다. 

(그림 1) 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
(그림 1) 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

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 필요했습니다. 화학점착제는 체액포집시 피부자극 및 각질손상이 유발될 수 있어 반복사용이나 장시간 부착이 어렵습니다. 또 여러 환경들(습윤환경, 굴곡진 피부표면, 신체활동 등)에서도 부착력을 유지하는 것이 숙제였습니다. 

(그림 2) 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.
(그림 2) 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.

이에 연구팀은 물방개의 점착 컵을 모사, 내부 흡인력을 이용하여 피부에 점착됨과 동시에 체액을 포집하고 모니터링 할 수 있는 마이크로 크기의 인공 점착 컵을 제작했습니다. 또한 점착 컵 내부에 체액 흡수력이 높고, 산성도 변화에 따라 색이 변하는 하이드로젤을 담지해 포집된 체액의 산성도를 별도의 전원장치 없이 분석할 수 있도록 했습니다. 추가로 머신러닝 기반 분석 어플리케이션 개발을 통해 모바일기기로 이미지를 촬영하고, 촬영한 하이드로젤의 색 이미지 데이터(RGB)를 기계학습하여 피부 산성도를 높은 정확도로 추적할 수 있게 했습니다. 나아가 연구팀은 이 패치를 산성도 변화가 동반되는 여드름 질환 모델에 적용, 육안관찰을 바탕으로 약물 처치시점을 판단한 경우보다 더욱 빠른 피부 정상화가 가능함을 확인했습니다. 

(그림 3) 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
(그림 3) 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

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업 등의 지원으로 진행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 6월 17일(한국시간) 게재되었습니다.


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