- 땀샘 자극 약물 전달과 생체 상태 모니터링이 동시에 가능한 플렉서블 디바이스 개발해 낭포성 섬유증 유아 환자 대상 임상 테스트 성공
- KIST-Northwestern University의 2년간 공동 연구 성과

땀에는 당뇨병부터 유전질환까지 다양한 건강 상태를 모니터링할 수 있는 바이오마커가 포함돼 있다. 땀 채취는 혈액 채취와 달리 통증이 없어 사용자들이 선호하는 방법이지만, 검사를 진행하기 위해 충분한 영양소나 호르몬을 땀에서 얻기 위해서는 격렬한 운동을 통해 충분한 땀을 배출해야 했다. 그런데 이런 방법은 운동기능이 제한적인 사람들에게는 적용되기 어렵다는 문제가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 바이오닉스연구센터 김주희 박사, Northwestern University John A. Rogers 교수 공동연구팀은 피부 약물 전달을 통해 운동이 필요 없는 간편한 땀 모니터링 디바이스를 개발했다고 밝혔다. 운동을 통해 땀을 유도했던 기존 방법과 달리 피부를 통해 땀샘을 자극할 수 있는 약물을 전달해 땀을 유도하는 방식이다.

연구팀은 약물이 포함된 하이드로젤에 전류를 흘려 약물을 피부 밑 땀샘으로 전달할 수 있는 플렉서블(Flexible) 디바이스를 개발했다. 이 디바이스는 작고 부드러워 피부 위에 쉽게 부착할 수 있으며, 약물로 유도된 땀은 디바이스 내 마이크로 플루이딕 채널에 수집돼 바이오센서를 통해 생체 상태를 모니터링 한다. 이처럼 디바이스 부착만으로 땀 속의 바이오마커를 분석할 수 있어 병원을 방문해 검사받아야 하는 번거로움을 줄이고, 검사 과정에서 발생할 수 있는 바이오마커의 오염 가능성도 낮출 수 있어 정확도 또한 높일 수 있다.

연구팀이 개발한 디바이스를 낭포성 섬유증을 앓고 있는 아기에게 부착하고 땀 속의 바이오마커인 염소 농도를 확인한 결과, 병원에서 땀을 채취해 기존 분석 방법으로 진단한 결과와 98% 이상 일치했으며, 피부 온도 및 피부 pH 수치를 확인해 피부에 대한 디바이스 안정성을 확보했다. 낭포성 섬유증은 주로 유아기에 발현되기 때문에 질병 진행 및 신체 상태에 대한 지속적인 모니터링이 필요한데, 디바이스를 통해 집에서도 간편하게 모니터링할 수 있어 유아 환자와 보호자의 정신적·신체적 스트레스를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

이번에 개발된 디바이스는 건강한 성인도 별도의 운동 없이 간편하게 땀 속 바이오마커를 모니터링할 수 있어 비침습적 질병 모니터링 기술인 땀 기반의 디바이스 확대에 기여할 수 있다. 또한, 피부를 통해 약물을 전달하는 기술은 땀을 유도할 뿐만 아니라 피부질환, 피부 상처 등 국소적으로 약물 전달이 필요한 곳에서 약물 전달률을 높여 회복 속도를 높이는 데도 활용될 수 있다.

KIST 김주희 박사는 “Northwestern University와 2년간 공동 연구를 통해 달성한 성과로 땀 모니터링 디바이스 개발에 있어 기존의 땀 유도 방식의 한계를 해결했을 뿐 아니라, 임상 연구에도 성공함으로써 상용화에 한 걸음 더 가까워진 연구 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다. Northwestern University John A. Rogers 교수는 “앞으로 성인을 포함한 대규모 임상 연구 및 상용화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 KIST 주요사업과 우수신진연구사업(RS-2023-00211342)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Biosensors & Bioelectronics」 (IF 12.6) 최신 호에 온라인 게재됐다.

□ 논문 

  ○ 제목: A skin-interfaced, miniaturized platform for triggered induction, capture and colorimetric multicomponent analysis of microliter volumes of sweat

  ○ 학술지: Biosensors and Bioelectronics

  ○ 게재일: 2024.02.29.(온라인)

  ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116166

□ 저자 

  ○ 김주희 선임연구원(제1저자/KIST 바이오메디컬융합연구본부 바이오닉스 연구센터)

□ 내용 요약

  ○ 연구배경

사람이 배출하는 땀에는 글루코스(당뇨 지표)와 같은 질병의 바이오마커 뿐만 아니라 신체 활동에 필수적인 영양소 등 다양한 성분이 포함되어 있는 것으로 보고가 되고 있다. 또한, 땀을 기반으로 하여 생체를 모니터링 하는 방법은 비침습적인 방법이기 때문에 혈액 채취보다 사용자 거부감이 적은 방법이다. 여러 장점 때문에 많은 연구자들이 땀에 관심이 많으나 현재 피부에서 땀을 만들어내기 위해서는 사우나나 고강도의 운동을 하는 방법들을 이용하고 있다. 이러한 방법은 땀을 이용한 생체 모니터링에 한계가 되고 있다. 생체 모니터링이 필요한 사람은 건강한 사람보다 환자나 고령자일 확률이 높기 때문이다. 그러므로 기존의 땀을 내는 방법의 한계를 극복하고 생체 상태를 모니터링할 수 있는 디바이스 개발이 필수적이다.

   ○ 연구내용

본 연구에서는 먼저 기존의 땀 내는 방법의 한계를 극복하기 위해 피부를 통해 땀샘을 자극할 수 있는 약물을 이온토포레시스 방법으로 전달하는 기술을 개발하였다. 또한 자극된 땀샘에서 나오는 땀을 수집하여 센서를 통해 생체를 모니터링 할 수 있는 마이크로 플루이딕 채널을 통합하여 플랙서블한 디바이스를 개발하였다.

본 연구에서 개발된 디바이스는 아기한테 적용될 수 있을 만큼 안정성이 높은 것을 확인하였다.

  ○ 기대효과

본 연구는 약물 전달과 바이오 센서가 통합되어 피부에 부착하는 형태의 디바이스로 작고 부드러워 사용자에게 편의성을 제공한다. 특히 땀 배출 문제 때문에 지금까지 개발이 제한되었던 땀 기반의 디바이스 확대에 기여할 것으로 기대되며, 이를 통해 비침습적으로 질병을 모니터링하는 분야에 응용될 수 있다. 또한, 피부를 통해 약물을 전달하는 방법은 피부 질환이나 상처 재생 등 여러 분야에 응용될 것으로 기대된다.

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

- 땀에는 건강을 모니터링 할 수 있는 생체지표를 포함하고 있지만 기존의 땀을 내는 방법이 땀 모니터링 기기에 한계가 된다는 것을 발견함.

- 병원에서 땀을 이용하여 바이오마커를 모니터링하는 방법은 대부분 땀을 채취하여 분석 기기를 이용하여 바이오마커를 분석하는 과정을 거치게 되는데, 이 과정 중에 땀이 오염될 가능성과 시간 및 인력이 소요되는 문제점을 발견함.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

-기존의 운동이나 사우나 없이 피부 위에 약물을 포함하고 있는 하이드로젤과 무선회로를 붙이고 이후에 전류를 흘려주어 약물을 피부에 전달하는 방법을 이용함. 이 방법을 통해 전달된 약물은 피부 밑의 땀샘을 자극해 땀을 유도하게 됨.

-유도된 땀은 마이크로 플루이딕 채널을 통해 바로 수집되게 되고, 이 마이크로 플루이딕 채널안에는 이 땀 속의 질병 바이오마커나 영양 상태를 모니터링 할 수 있는 바이오센서가 있음. 

-이를 통해 하나의 통합된 디바이스로 운동 없이 땀을 유도하고, 그 땀  속의 바이오마커를 모니터링 함. 특히 이 기술은 운동이나 사우나를 할 수 없는 아기에게 적용되어 땀 속의 낭포성 섬유종의 바이오마커를 모니터링 하였고, 이는 병원에서 사용되는 방법과 유사한 결과를 보임. 이를 통해 안정성과 정확성을 보여주었음.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 

- 본 연구는 땀을 운동 없이 피부 약물 전달을 통해 유도하고 유도한 땀 속의 바이오마커를 모니터링하는 웨어러블 디바이스 개발에 관한 것임.

- 이 기술은 땀을 운동 없이 낼 수 있기 때문에 노인이나 유아에게 적용하는 것이 가능할 뿐만 아니라 건강한 성인도 운동 없이 땀 속 바이오마커를 모니터링 할 수 있음. 이는 일상 생활에서도 생체 상태를 고통없이 모니터링 하는데 활용이 가능하다는 것임.

- 피부를 통해 약물 전달을 하는 기술은 땀을 유도하는 것에만 활용되는 것을 넘어서 피부 질환, 국부적인 약물 전달에 활용될 수 있음.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

- 임상을 통해 안정성을 확인했지만 대규모 임상을 통해 피부를 통해 약물을 전달하고 땀 속 질병의 바이오마커를 진단하는 센서의 확인이 필요함.

- 기술 상용화를 위해 병원과의 협업이 필요한 단계임.

[그림 1] 땀을 유도하기 위한 피부 약물 전달과 땀 속 질병 모니터링이 동시에 가능한 웨어러블 소자의 모식도 및 실제 사진 [사진=KIST]
약물 전달 시스템과 땀 속 바이오마커 모니터링을 한 번에 할 수 있는 디바이스의 모식도와 사진

[그림 2] 그림 1의 웨어러블 소자를 아이에게 부착하여 테스트하는 모습 [사진=KIST]
아이의 왼쪽 팔에는 병원에서 기존에 쓰이는 유선 장비를 부착하고, 오른쪽 팔은 개발한 기기를 피부에 붙여 땀샘을 자극하는 약물을 전달하는 모습

[그림 3] 결과 비교 그래프와 그림 2의 테스트 시 환자가 느끼는 고통 정도를 비교한 그래프 [사진=KIST]
(왼) 환자 5명에 대하여 기존 진단 방법과 개발한 디바이스의 바이오마커 분석 결과 일치도가 98% 이상임을 보여주는 그래프
(우) 병원에서 사용하는 기존 진단 방법과 개발한 디바이스를 통해 질병 모니터링 할 때 환자가 느끼는 고통 정도를 보여주는 그래프로, 개발한 디바이스가 기존 진단 방법보다 적은 고통을 수반하는 것을 보여줌