장용우 (한양대학교 의과대학 약리학교실 / 공과대학 디지털의료융합학과) | 한빛사논문 > 한빛사

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한양대학교 의과대학 약리학교실 / 공과대학 디지털의료융합학과

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Small, Aug 07 2026, | https://doi.org/10.1002/smll.75148 Multifunctional Bacteria-Imprinted Polymer-Coated CNT Ribbons for Scalable Capture, Detection, and Elimination of Bacteria

Hyunsoo Kim¹, Solpa Lee², Minwoo Kim², Ryun Kang², Junsoo Bok², Junfeng Sun³, Youngkun Hong¹, Sangmin Ko¹, Sangkyun Kim¹, Young Chan Bae¹, Yongwoo Jang^2,4

¹DRB Research, DRB Industrial Co., Ltd., Busan, Republic of Korea
²Department of Medical and Digital Engineering, College of Engineering, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea
³Center For Advanced Electronics Manufacturing, State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China
⁴Department of Pharmacology, College of Medicine, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea

^*Correspondence: Yongwoo Jang

Abstract

Reliable detection, capture, and elimination of bacteria are vital for clinical diagnostics, food and water safety, and environmental monitoring. We present a multifunctional platform based on bacteria-imprinted polymer (BIP)-coated carbon nanotube (CNT) ribbons fabricated via a roll-to-roll-compatible process, enabling scalable production. In situ electropolymerization of pyrrole on continuous CNT ribbons in the presence of Escherichia coli templates and 4-formylphenylboronic acid generated structurally and chemically tailored nanocavities. The resulting BIP-coated CNT ribbons integrate three key functions: sensitive electrochemical detection, selective macroscale capture, and low-voltage electrothermal elimination. The sensor exhibited dose-dependent current suppression down to 10² CFU/mL, reversible imprinting and rebinding, excellent regeneration stability (97.3% retention at 10⁴ CFU/mL), strong reproducibility (relative standard deviation 2.12%), and mechanical durability. High selectivity was achieved, showing strong responses to E. coli, negligible signals for gram-positive bacteria, and minimal interference from other gram-negative species. Joule heating raised ribbon temperature to ∼114.5°C at 5 V, enabling complete on-strip bacterial sterilization. The platform maintained robust performance in simulated urine and environmental water samples, showing minimal background signals, and clear dose responses upon spiking. Overall, this scalable, disposable BIP-CNT ribbon system offers an integrated approach for bacterial detection, capture, and elimination suitable for point-of-care diagnostics and field-deployable biosafety applications.

논문소개전체 설명

본 연구에서는 병원성 세균을 선택적으로 검출하고 포집한 뒤, 전기적 가열을 통해 제거까지 수행할 수 있는 다기능성 테이프형 바이오센서 플랫폼을 개발하였다. 특히 연속 생산이 가능한 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT) 리본에 세균 각인 고분자(Bacteria-Imprinted Polymer, BIP)를 형성함으로써 기존의 평면형·일회성 세균 센서가 가진 생산성과 기능적 한계를 극복하고자 하였다.

연구팀은 대장균(E. coli)을 주형으로 사용하여 CNT 리본 표면에 polypyrrole 기반의 세균 각인 구조를 형성하였다. 세균을 제거한 이후에는 대장균의 형태와 표면 화학적 특성에 상보적인 미세 구조가 남아 표적 세균을 선택적으로 다시 인식할 수 있다. 특히 boronic acid와 세균 표면 lipopolysaccharide의 cis-diol 사이의 결합을 이용하여 형태적 인식과 화학적 인식을 동시에 구현하였다.

개발된 센서는 대장균 농도에 따라 전기화학적 신호가 변화하였으며, 10²–10⁸ CFU/mL 범위에서 정량적인 검출이 가능하고 검출한계는 30.3 CFU/mL로 나타났다. 반복적인 세균 결합 및 제거 후에도 높은 신호 안정성을 유지하였고, 100회의 굽힘 이후에도 98.5%의 신호를 유지하여 유연한 테이프형 센서로서의 기계적 안정성도 확인하였다. 또한 다른 그람양성균 및 그람음성균과 비교하여 대장균에 대해 높은 선택성을 나타냈다.

본 플랫폼의 중요한 특징은 단순한 세균 검출을 넘어 ‘capture–detect–kill’의 전 과정을 하나의 소재에서 수행할 수 있다는 점이다. CNT 리본을 넓은 면적으로 제작하면 세균을 선택적으로 포집할 수 있으며, 이후 5 V의 낮은 전압을 인가하면 CNT의 Joule heating에 의해 표면 온도가 약 114.5 °C까지 상승하여 포집된 세균을 효과적으로 제거할 수 있었다. 또한 모의 소변과 수돗물, 화장실 용수, 하천수 등 복잡한 실제 환경에서도 표적 세균에 대한 검출 성능을 확인하였다.

이번 연구는 대량생산 가능한 CNT 리본 소재와 세균 각인 기술을 결합하여 세균의 선택적 인식, 정량 검출, 대면적 포집 및 현장 제거 기능을 하나의 일회용 플랫폼에 통합했다는 점에서 의미가 있다. 향후 현장진단, 감염 관리, 식품 및 수질 안전 모니터링 등 다양한 바이오·환경 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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