혈액 검사 대신 땀만으로도 우리 몸의 건강 상태를 정밀하게 진단할 수 있는 시대가 열리고 있다. 달리기, 마라톤, 헬스 등 운동 중 신체가 어떻게 반응하는지도 이제는 피부에 부착한 패치 하나로 분석할 수 있게 됐다. KAIST 연구진이 땀만으로 체내 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 ‘스마트 패치’를 개발해, 만성질환 관리와 개인 맞춤형 헬스케어 기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 땀 속 여러 대사산물을 동시에, 실시간으로 분석할 수 있는 웨어러블 센서를 개발했다고 7일 밝혔다.

최근 땀 속 대사산물을 분석하여 인체의 정밀한 생리학적 상태를 모니터링하려는 웨어러블 센서 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 형광 표지나 염색을 거치는 ‘표지(label)’ 기반 센서나 ‘비표지(label-free)’ 방식은 효과적인 땀 수집과 제어에 어려움이 있었다. 이로 인해 실제 인체에서 시간에 따른 대사산물 변화를 정밀하게 관찰하는 데 제약이 있었다.

이런 제약을 극복하고자 연구팀이 개발한 센서는 피부에 직접 부착하는 얇고 유연한 웨어러블 땀 패치다. 이 패치에는 땀을 모으고 미세한 통로와, 빛을 이용해 땀 속 성분을 정밀하게 분석하는 초미세 ‘나노플라즈모닉 구조*’가 함께 탑재돼 있다. 덕분에 한 번의 패치 착용으로 땀 속 여러 대사 성분을 동시에 분석할 수 있다.

*나노프라즈모닉 구조: 나노 크기의 금속 패턴이 빛과 상호작용하여, 땀 속 분자의 존재나 농도 변화를 고감도로 감지할 수 있도록 설계된 광학 센서 구조

이 패치는 빛을 나노미터(머리카락 굵기의 10만 분의 1 크기) 수준에서 조작해 분자의 성질을 읽어내는 ‘나노광학 기술’과, 머리카락보다 가느다란 채널 속에서 땀을 정밀하게 제어하는 ‘미세 유체 기술’을 접목해 구현됐다. 

즉, 하나의 땀 패치 안에 시간 순서대로 땀을 채집할 수 있는 미세유체 기술을 접목하여, 다양한 대사물질의 체내 변화를 쉽게 측정할 수 있다. 패치 내부에는 6개~17개까지 챔버(저장 공간)가 있으며, 운동 중 분비되는 땀이 순차적으로 각 챔버에 채워지는 미세유체 구조로 설계되어 있다.

연구팀은 실제 사람에게 적용해, 운동할 때 나오는 땀 속에서 시간이 지나며 달라지는 성분 변화를 연속적으로 추적하는 데 성공했다. 기존에 동시에 두 가지 정도 성분만 확인 가능했지만, 이번 연구에서는 요산, 젖산, 티로신 등 대사·운동·질환과 관련된 중요한 바이오마커인 세 가지 대사 물질이 운동과 식단에 따라 어떻게 변화되고 동시에, 정량적으로 분석할 수 있음을 세계 최초로 입증했다. 

이에 따라 달리기, 마라톤, 헬스 등 운동 중에 발생하는 지구력과 근육량 변화를 파악할 수 있을 뿐 아니라, 수치 변화를 통해 통풍·간기능 이상·신장질환 등 잠재적 위험도 확인할 수 있다. 특히 연구팀은 인공지능(AI) 분석 기법을 적용해, 땀 속에 혼합된 복잡한 성분들 가운데서도 원하는 대사산물의 신호를 정확하게 분리해 내는 데 성공했다.

정기훈 교수는 “이번 연구는 혈액을 채취하지 않고도 땀 패치만으로 체내 대사 변화를 시간에 따라 정밀하게 모니터링할 수 있는 기반을 마련했다”며, “이를 통해 일상적인 건강 모니터링은 물론, 운동을 즐기는 사람들의 근육 변화와 질환 감지까지 가능해졌다. 앞으로는 만성질환 관리, 약물 반응 추적, 환경 노출 모니터링, 대사성 질환의 차세대 바이오마커 발굴 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 전재훈 박사과정생이 제1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 27일자 온라인판에 게재됐다.

※논문명: All-Flexible Chronoepifluidic Nanoplasmonic Patch for Label-Free Metabolite Profiling in Sweat

※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63510-2

이번 성과는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 보건복지부, 산업통상자원부의 지원으로 이뤄졌다.

땀은 전해질, 대사산물, 단백질, 호르몬 등 다양한 생화학적 정보를 담고 있어 인간의 생리학적 상태를 비침습적으로 평가할 수 있는 중요한 체액으로 주목받고 있다. 이를 활용한 웨어러블 센서 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기존 표지 기반 방식은 특정 분자만을 인식하는 효소나 항체에 의존해 다중 분석에 한계가 있었다. 특히 땀과 같이 조성이 복잡한 체액에서는 정밀한 다중 분석이 어려웠다. 이러한 한계를 극복하기 위해 SERS 기반의 비표지 분석이 주목받고 있으며, 이는 다양한 생체 분자의 신호를 동시에 감지할 수 있는 장점을 가진다. 그러나 기존 플라즈모닉 패치는 세밀한 미세유체 채널과 호환성이 낮아 땀 수집의 정밀성이 낮고 민감도가 부족하여 실제 임상 적용에 제약이 있었다. 따라서 안정적인 땀 수집과 민감한 SERS 분석을 동시에 구현할 수 있는 새로운 웨어러블 패치의 개발이 요구된다.

본 연구에서는 비표지 땀 분석을 수행하기 위한 전유연성 나노플라즈모닉 미세유체 패치를 설계·제작하고, 실제 인간 땀에서의 SERS 신호 측정·분석을 수행하였다. 이를 통해 물리적 활동과 식이 조건에 따른 생리학적 변화를 정밀하게 파악할 수 있는 플랫폼을 제안하였다.

유연 미세유체 패치 위에 초박형 플루오르카본 층을 코팅하여 은의 저온 비젖음을 유도하고, 이를 통해 미세유체 채널 위 대면적 은 나노섬 구조를 형성하였다. 이러한 플라즈모닉 구조는 세밀한 미세유체 채널과 호환되어 피부에 안정적으로 부착된 상태에서 땀 수집과 SERS 기반 비표지 분석을 동시에 수행할 수 있도록 하였다. 제작된 패치는 유연한 특성을 지녀 다양한 피부 환경에서도 안정적인 부착과 신뢰성 있는 땀 수집이 가능하다.

땀의 복잡한 조성으로 인해 발생하는 신호 간 간섭 문제를 극복하기 위해 기계학습 기반 정량화 모델을 개발하였다. 오토인코더와 로지스틱 회귀를 결합한 모델로 다양한 배경 분자의 영향을 고려하여 1,476개의 SERS 스펙트럼을 학습시켰으며, 그 결과 생체 농도 범위 내에서 요산, 젖산, 티로신의 정확한 정량화가 가능함을 입증하였다.

제작한 패치와 기계학습 모델을 적용하여 실제 피험자의 땀 속 대사산물 농도를 분석하였다. 퓨린이 풍부한 식단 섭취 전후와 운동 조건에 따른 땀을 비교한 결과, 요산과 티로신의 농도 변화 및 운동 유발 젖산 증가를 비표지 방식으로 성공적으로 검출하였다. 상용 키트를 이용한 대조 실험에서도 정량화 정확도를 확인하였으며, 이는 본 플랫폼의 임상적 활용 가능성을 뒷받침하였다.

이 연구는 전유연성 나노플라즈모닉 미세유체 패치를 기반으로 땀 속 다양한 대사산물을 비표지 방식으로 정밀 분석할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한다. 기존 표지 기반 센서의 한계를 극복함으로써, 복잡한 땀 조성 환경에서도 다중 정량 분석이 가능해졌으며, 이는 개인 맞춤형 건강 모니터링과 조기 질환 진단에 큰 기여를 할 수 있다. 특히 운동, 식이, 스트레스 등 생리학적 변화를 비표지로 추적할 수 있어 바이오마커 발굴 분야에 핵심 기술로 활용될 전망이다. 더 나아가 웨어러블 플랫폼과 결합할 경우, 지속적이고 비침습적인 생체 모니터링을 통해 차세대 헬스케어 및 디지털 바이오마커 발굴의 중요한 기반을 마련할 것으로 기대된다.