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NEW 기계 최정일 교수팀, '땀'으로 건강상태 측정 웨어러블 섬유 센서 시스템 개발
- 2025-01-14
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우리 학교 기계공학과 최정일 교수팀이 인체의 땀을 분석해 건강 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 웨어러블 섬유 기반 센서 시스템을 개발했다.
기계공학과 소프트랩(SOFT Lab)의 최정일 교수(사진)는 전기화학 및 색 변화 방법을 활용해 땀 속의 다양한 물질을 분석하고 탐지할 수 있는 섬유 기반 웨어러블 마이크로플루이딕(microfluidic) 센서 시스템을 개발했다고 밝혔다.
해당 내용은 저명 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)> 1월호에 ‘다중 땀 분석을 위한 섬유 기반 전기화학 센서 및 비색 감지 어레이 통합 웨어러블 미세유체 시스템(Wearable, fabric-based microfluidic systems with integrated electrochemical and colorimetric sensing array for multiplex sweat analysis)’이라는 제목으로 게재됐다.
최정일 교수가 교신저자로, 아주대 기계공학과 박사후연구원인 세카르 마두(Dr. Sekar Madhu) 박사가 제1저자로 참여했다. 모하메드 사자드 알람(Md. Sajjad Alam) 연구원과, 스리람프라바 라마사미(Sriramprabha Ramasamy) 박사후연구원도 참여했다.
땀은 건강 모니터링을 위한 이상적인 진단 체액이다. 인체의 다양한 신진대사뿐 아니라 당뇨병, 낭포성 섬유증(CF) 등 질병의 약물 연구와 관련해 인체의 변화를 알아낼 수 있는 여러 바이오마커를 포함하고 있어서다. 이에 최근 웨어러블 센서를 통한 땀의 분석은 실시간 건강 모니터링을 위한 비침습적 방안으로 주목받고 있다.
특히 땀에서 산성도(pH)를 탐지해 신진대사와 항상성을 평가할 수 있으며, 이를 정확히 측정하면 신장 기능 장애와 당뇨병, 피부 질환과 같은 질병의 조기 진단에 도움이 된다. 일례로 땀의 염화물 농도는 유전성 내분비 질환인 낭포성 섬유증(Cystic Fibrosis, CF) 진단의 황금 표준으로, 염화물 농도의 변화를 모니터링해 질병을 조기에 진단함으로써 치료 효과를 높일 수 있다.
더불어 땀의 손실과 분비 속도를 실시간으로 파악하게 되면 운동선수나 군인, 의료 종사자들의 탈수와 고체온증, 열 관련 질환 등을 예방하고 적시에 발견할 수 있다.
기존의 땀 분석 방식은 땀의 증발과 센서 표면의 땀 분포 불균형 문제, 샘플의 희석 효과 저하 등의 이유로 여러 한계에 부딪혀왔다. 이에 아주대 연구팀은 마이크로플루이딕(microfluidic) 시스템을 적용해 개선을 시도했다. 마이크로플루이딕 시스템은 마이크로 수준에서 유체의 흐름을 조절하는 방법으로, 피부에서 나오는 땀을 바로 센서로 전달하여 민감하고 정확한 측정이 가능하며 유연한 섬유기반 센서를 이용해서 신체의 움직임 속에서도 안정적인 신호 측정이 가능하다.
아주대 연구팀이 개발한 웨어러블 섬유 기반 센서 시스템.
위 왼쪽이 웨어러블 센서의 땀 포집부와 무선 통신부, 위 오른쪽이 신체의 움직임을 고려한 유연 전극 소자 모습
아래 그림은 디바이스를 피부에 부착해 땀의 성분을 실시간으로 스마트폰으로 모니터링하는 과정을 보여준다
아주대 연구팀은 마이크로플루이딕 시스템을 이용, 소량의 땀만으로도 신속하고 정확하게 샘플링을 진행해냈다. 채취와 분석을 빠르게 할 수 있도록해, 땀이 증발하거나 오염될 가능성을 최소화한 것. 연구팀은 폴리아닐린(PANI)을 전극으로 활용해 땀의 pH를 정확하게 모니터링할 수 있음을 확인했고(pH 2~9 사이, 감도: 75.15 mV/pH, 동일 범위에서 세계 최고 민감도) 전기화학 및 색 변화 탐지 방식을 결합함으로써 하나의 샘플로 여러 바이오마커 분석이 가능할 수 있도록 했다. 연구팀이 개발한 센서는 섬유를 기반으로 제작되어 피부에 밀착이 가능하고 안정적으로 여러 번 사용할 수 있으며, 스마트폰과 같은 기기와 연동해 실시간 데이터 전송 및 확인이 가능하다.
연구를 주도한 최정일 교수는 “소량의 땀 시료로 산성도와 땀의 손실 및 분비 속도 등 신진대사를 정밀하게 실시간 측정할 수 있는 방안을 개발한 것”이라며 “비침습적 피부 부착형 건강 모니터링 기술의 혁신”이라고 설명했다.
이어 “앞으로 후속 연구를 통해 개인의 삶의 질을 실질적으로 향상시킬 수 있는 혁신적 솔루션을 제공하겠다”라고 덧붙였다.
이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업 및 해외우수신진연구자 지원사업인 브레인풀(Brain Pool) 프로그램, 아주대학교의 연구 지원을 받아 수행됐다.
연구팀이 개발한 센서로 실제 측정을 진행한 모습. 땀을 통해 pH 값과 염화이온의 농도를 측정할 수 있다