당뇨병 만성상처 추적 스마트 헬스케어 기기 개발 | 뉴스 > Bio뉴스 > 동향

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당뇨병 만성상처 추적 스마트 헬스케어 기기 개발

Bio통신원(KAIST)

등록2024.03.05
조회1000

- 상처 부위의 온도 및 열전달 특성을 지속적으로 추적하고, 상처 치유 후 자연 분해되는 생분해성 센서 기술 개발
- 당뇨병 환자 등 상처 치유가 어려운 환자들을 위한 맞춤형 치료에 활용 기대

생분해성 상처 모니터링 센서 이미지 – 저널 표지 [사진=KAIST]

KAIST 연구팀이 당뇨병 등 상처 부위의 시공간 온도 변화 및 열전달 특성 추적을 통해 상처 치유 과정을 효과적으로 모니터링할 수 있는 무선 시스템을 개발했다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 권경하 교수팀이 중앙대학교 류한준 교수와 상처 치유 과정을 실시간으로 추적해 적절한 치료를 제공할 수 있게 해주는 디지털 헬스케어 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

피부는 유해 물질로부터 인체를 보호하는 장벽 기능을 한다. 피부 손상은 집중 치료가 필요한 환자들에게 감염과 관련된 심각한 건강 위험을 초래할 수 있다. 특히 당뇨병 환자의 경우, 정상적인 혈액 순환과 상처 치유 과정에 문제가 생겨 만성 상처가 쉽게 발생한다. 이러한 만성 상처의 재생을 위해 미국에서만 매년 수백억 달러의 의료 비용이 지출되고 있다. 상처 치유를 촉진하는 다양한 방법이 있지만, 환자별 상처 상태에 따라 맞춤 관리가 필요하다.

이에 연구팀은 상처 부위와 주변 건강한 피부 사이의 온도 차이를 활용해 상처 내 발열 반응을 추적했으며, 열 전송 특성을 측정해 피부 표면 근처의 수분 변화를 관찰함으로써 흉터 조직의 형성 과정을 파악할 수 있는 기반으로 활용했다. 연구팀은 당뇨병이 있는 쥐를 통해 병적 상태에서 상처 치유가 지연되는 과정에서 실험을 진행했고, 수집된 데이터가 상처 치유 과정과 흉터 조직 형성을 정확히 추적할 수 있음을 입증했다.

해당 시스템은 상처가 치유된 후에 기기를 제거하는 과정에서 발생할 수 있는 조직 손상을 최소화하기 위해, 체내에서 자연 분해가 가능한 생분해성 센서 모듈과 통합됐다. 이 생분해성 모듈은 사용 후 별도로 제거할 필요 없이 몸속에서 저절로 분해되어 사라지므로, 추가적인 불편함이나 조직 손상의 위험을 최소화한다. 생분해성 재료를 사용한 이 장치는 사용 후 제거할 필요가 없으므로 상처 부위 내부에서도 모니터링할 수 있는 가능성을 제시한다.

연구를 주도한 권경하 교수는 "상처 부위의 온도와 열전달 특성을 지속적으로 모니터링함으로써, 의료 전문가들이 당뇨병 환자의 상처 상태를 더 정확하게 파악하고 적절한 치료를 제공할 수 있게 될 것으로 기대된다ˮ면서 "생분해성 센서를 사용해 상처 치유가 완료된 후 장치를 제거할 필요 없이 안전하게 분해될 수 있어, 병원뿐만 아니라 가정에서도 실시간 모니터링이 가능해질 것ˮ이라고 말했다.

연구팀은 향후 이 기기를 항균 특성을 가진 재료와 통합해, 염증 반응, 박테리아 감염 및 기타 병변을 관측 및 예방하는 기술로 확장할 계획이다. 온도 및 열전달 특성 변화를 통해 감염 수준을 감지 함으로써 병원이나 가정에서 실시간으로 사용할 수 있는 항균, 범용 상처 모니터링 플랫폼을 제공하는 것을 목표로 한다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 `어드밴스드 헬스케어 머티리얼스(Advanced Healthcare Materials)'에 지난 2월 19일 발표됐으며, 표지 논문(Inside Back Cover Journal)으로 선정됐다. (논문명 : Materials and Device Designs for Wireless Monitoring of Temperature and Thermal Transport Properties of Wound Beds during Healing)

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구사업, 지역혁신선도연구센터사업 및 BK21의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

1. 연구 배경

본 연구진은 당뇨병 환자 등에서 발생하는 만성 상처의 재생이 몇 달 이상 지속될 수 있는 문제에 주목했다. 만성 상처의 치유 과정을 모니터링하는 것은 환자와 치료자에게 중요한 피드백을 제공한다. 그러나 현재는 상처의 치유 과정에 대한 정량적 측정 방법이 제한적이며, 주로 비정량적 지표를 통해 모니터링된다. 이에 연구팀은 상처 치유 과정 전반에 걸쳐 온도 및 열전달 정보를 연속적으로 캡처할 수 있는 무선 시스템을 개발하여, 시간적 공간적 온도 및 열전달 정보를 캡처하는 새로운 소재와 공학적 디자인을 제공했다. 이 기술은 상처 치유의 다양한 단계에서 발생하는 온도 변화와 열전달 특성을 통해 상처의 상태를 평가할 수 있는 기반을 마련했다.

2. 연구 내용

본 연구진은 상처 부위의 온도 및 열 전도성 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템을 설계했다. 시스템은 센싱 및 엑추에이션 모듈, 블루투스 통신 모듈, 전력 모듈로 구성된다. 센싱 및 엑추에이션 모듈은 온도 감지를 위한 음온계수 서미스터와 열 액추에이션을 위한 고정 저항을 포함한다. 블루투스 통신 모듈은 스마트폰과의 무선 통신을 가능하게 하며, 전원 모듈은 배터리나 무선 전력 전송 시스템을 통해 시스템에 전력을 공급한다. 스마트폰의 그래픽인터페이스를 통해, 치유 과정 동안 상처 영역 및 인접한 건강한 피부의 공간적 온도 맵을 제공한다. 이 시스템은 저전력 운영으로 장기간 동안 사용할 수 있다.

유한 요소 분석(FEA) 시뮬레이션을 통해 시스템의 기계적 유연성과 상처 인터페이스에서의 최소 변형을 확인했으며, 동물 실험을 통해 이 시스템으로 수집된 데이터가 상처 치유 과정과 흉터 조직 형성을 정확히 추적할 수 있음을 입증했다. 특히 당뇨병 동물 모델을 사용한 연구는 만성 상처 모니터링에 있어 이 기술의 가능성을 시사한다.

이전 연구와 달리, 생분해성 온도 센서의 사용은 상처 부위에서 장치를 제거할 때 발생할 수 있는 합병증을 피할 수 있는 전략을 제시한다. 이러한 발견은 상처 치유 과정을 모니터링하는 간단하면서도 강력한 옵션을 제공하며, 환자 치료를 개선할 잠재력을 갖는다.

3. 기대 효과

개발된 시스템은 다양한 상처 치유 과정의 모니터링에 폭넓게 활용할 수 있다. 이외에도 염증 반응, 박테리아 감염 감시 및 기타 피부 관련 질병의 진단에도 활용할 수 있을 것이다. 또한, 항균성 물질을 통합하여 감염 수준을 탐지하는 새로운 방법으로 발전시킬 수 있는 가능성을 가지며, 장기적으로는 병원 또는 가정에서 사용될 수 있는 실시간 항균성, 보편적 상처 모니터링 플랫폼으로의 확장도 기대된다.

그림 1. 실시간 상처 모니터링 시스템의 개략도. a, 상처 위에 위치한 온도 센서(8개)와 열 액추에이터의 위치를 나타낸 개략도(왼쪽)와 시스템의 작동 다이어그램(오른쪽). b, 평균 표준 편차 0.1도 미만의 정확도를 갖는 온도 측정값. c, 기기 상세 분해도. [사진=KAIST]

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