당뇨 환자들이 매일 반복하는 손가락 채혈 방식의 혈당 측정에 변화의 가능성이 열렸다. 통증과 감염 위험, 측정의 번거로움이라는 한계를 극복할 수 있는 비침습(Non-invasive) 혈당 센서 기술이 한국 연구진에 의해 개발됐다.
한국생산기술연구원과 한양대학교 공동 연구팀은 마스크 공정 없이 레이저로 전극을 직접 형성하는 비효소식(Non-enzymatic) 포도당 센서 제작 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구는 생기원 신산업부품화연구부문 양찬우 수석연구원과 한양대 재료화학공학과 이화성 교수 연구팀이 수행했다.
기존 비침습 혈당 센서는 전극 제작을 위해 마스크(틀)를 만들고, 노광과 식각 등 복잡한 반도체 공정을 거쳐야 했다. 설계를 변경할 경우 처음부터 다시 틀을 제작해야 하는 한계도 있었다. 또한 포도당을 감지하는 효소는 열과 빛에 취약해 장기간 사용 시 성능 저하 문제가 지적돼 왔다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 레이저를 활용한 직접 패터닝 기술을 도입했다. 산화주석(SnO₂) 나노입자를 혼합한 플라스틱 소재에 레이저를 조사해 내부 산화주석을 표면으로 노출시킨 뒤, 이를 구리 용액에 담가 레이저가 조사된 부분에만 구리가 부착되도록 했다. 이후 구리 전극의 산화를 방지하기 위해 니켈과 금을 차례로 입혀 3중 보호 구조를 완성했다.
레이저 조사로 형성된 울퉁불퉁한 표면 구조는 포도당과 접촉하는 면적을 넓혀 감지 효율을 크게 높이는 역할을 한다. 무엇보다 고온 처리나 진공 장비 없이도 휘어지는 플라스틱 기판 위에 직접 제작이 가능하고, 전극 모양을 변경할 때는 컴퓨터에서 레이저 경로만 수정하면 된다는 점이 특징이다.
이번 기술의 또 다른 핵심은 ‘비효소식’ 방식이다. 기존 센서가 단백질 효소를 이용해 포도당을 감지했다면, 연구팀은 금속 촉매를 활용했다. 효소는 열에 약해 레이저 공정 적용이 어렵지만, 금속 촉매는 고온에서도 안정적이어서 레이저 공정과의 결합이 가능하다.
연구팀은 전극 위에 백금(Pt)과 탄소 복합체를 도포해 포도당 감지층을 형성했다. 이를 통해 금속 촉매가 땀 속 포도당과 직접 반응하며 전기 신호를 생성하는 구조를 구현했다.
실험 결과, 해당 센서는 상용 전극 대비 포도당 검출 민감도가 약 18배 향상된 것으로 나타났다. 또한 굽힘반경 5㎜ 조건에서 10만 회 반복 굽힘 시험을 진행한 결과, 전기 저항 변화율이 웨어러블 센서 내구성 기준인 25% 이내로 확인돼 높은 기계적 안정성도 입증했다.
손가락 채혈 없이 땀으로 혈당을 측정할 수 있는 기술이 상용화될 경우, 당뇨 환자의 일상 관리 부담은 크게 줄어들 것으로 기대된다. 웨어러블 기기와 결합한 실시간 모니터링 체계 구축 가능성도 제기되면서 의료·헬스케어 산업 전반에 파급 효과가 예상된다.<*>
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