콘택트렌즈로 당뇨병과 녹내장을 진단하는 일이 가능해진다. 소프트 콘택트렌즈에 삽입해 쓸 수 있는 투명하고 유연한 센서(sensor)가 개발된 덕분이다. 이 기술이 적용된 스마트 콘택트렌즈(smart contact lens)를 착용하면 착용자의 혈당과 안압을 무선으로 실시간 모니터링할 수 있다.

UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 박장웅 교수가 주도한 공동연구진은 그래핀과 금속 나노와이어를 기반으로 당뇨병과 녹내장 진단이 가능한 ‘스마트 콘택트렌즈 센서(smart contact lens sensor)’를 개발해 4월 27일자 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표했다. 이번 연구에는 UNIST의 이창영 교수(에너지 및 화학공학부)와 변영재 교수(전기전자컴퓨터공학부), 경북대학교(총장 김상동) 의학과의 김홍균 교수(안과학)와 배귀현 교수(내과학)가 함께 참여했다.

당뇨병 진단은 혈액 내 포도당(혈당) 농도를 기준으로 삼는다. 혈당이 기준치보다 높으면 고혈당증이라고 하는데, 이 상태가 2시간 이상 지속되면 당뇨병으로 파악한다. 실명 원인 중 하나인 녹내장은 안구의 압력(안압)을 측정해 예방할 수 있다. 안압이 높은 상태가 계속되면 시신경을 압박해 녹내장이 생길 수 있기 때문이다.

혈당은 눈물로도 측정 가능하기 때문에 콘택트렌즈로 당뇨병을 모니터링하려는 시도가 많았다. 하지만 기존 스마트 콘택트렌즈에 사용되던 전극들은 불투명하기 때문에 눈에 꼈을 때 시야를 가리는 문제가 있었다. 또 실제 렌즈가 아닌 렌즈 모양의 플라스틱이라 착용하기 어려웠다.

박장웅 교수팀은 투명하고 유연한 재료로 센서를 만들어 두 가지 문제점을 해결했다. 투명도가 높고 신축성이 좋은 그래핀과 금속 나노와이어로 전극을 만든 것이다. 이 센서를 이용하면 눈물 속 혈당을 감지하고 이 정보를 무선 안테나로 보내 착용자의 건강 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 무선 안테나가 전력을 이용해 센서의 정보를 읽어오기 때문에 스마트 콘택트렌즈에는 배터리 등 별도의 전원이 필요 없다.

안압 측정은 유전층을 이용한다. 유전층은 전기가 통하지 않는 층인데 양전하와 음전하가 양쪽으로 나뉘는 극성을 띠는 게 특징이다. 이 층의 두께는 안압이 높아지면 얇아지고, 낮아지면 두꺼워지는 식으로 변한다. 안압 측정 센서는 이를 감지해 안테나로 정보를 전달하게 된다.

두 센서가 동시에 적용된 스마트 콘택트렌즈 센서는 렌즈에 변형이 생겨도 무선으로 혈당이나 안압을 감지할 수 있었다. 또 사람의 눈물 속 다양한 물질에 노출돼도 센서 특성이 유지됐다. 소프트 콘택트렌즈에 전자 센서를 삽입하는 방식이라 착용감도 우수하다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 김주희 UNIST 신소재공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “개발한 스마트 콘택트렌즈를 살아있는 토끼에 착용시켜 혈당 모니터링에 성공했다”며 “우수한 착용감 덕분에 토끼에게는 별다른 이상행동이 나타나지 않았다”고 말했다.

연구를 주도한 박장웅 교수는 “스마트 콘택트렌즈에 적용할 수 있는 두 종류의 투명 전자센서를 구현함으로써 질병(당뇨와 녹내장)을 진단할 길을 열었다”며 “이 기술은 배터리가 필요 없는 무선 스마트 콘택트렌즈 센서를 실현시킬 방법을 제시했다”고 연구의의를 밝혔다.

그는 이어 “영화 ‘마이너리티 리포트’나 ‘미션 임파서블’에서 볼 수 있었던 스마트 콘택트렌즈 구현에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 연구”라고 덧붙였다. (끝)

• 논문명: Wearable Smart Sensor Systems Integrated On Soft Contact Lenses For Wireless Ocular Diagnostics

그림1. 스마트 콘택트렌지의 구조와 실제 사진: 왼쪽은 소프트 콘택트렌즈 위에 투명 안압센서와 혈당센서가 적용된 모습이고, 오른쪽은 이 센서가 적용된 콘택트렌즈를 착용한 토끼 사진이다. 왼쪽 사진에서 ‘필드 이펙트 센서(feild-effect sensor)’는 혈당을 감지하는 부분이다. 그래핀-금속 나노와이어 하이브리드 구조를 하고 있는데, 혈당에 따라 전기적 신호가 달라진다. 유전층은 안압에 따라 두께가 달라지는 특성을 가지는데, 이를 이용해 안압을 감지한다. 혈당이 달라지면 수신 안테나의 저항이 변하고, 안압이 달라지면 수신 안테나의 주파수가 변한다. 이 정보는 안테나를 통해 모니터로 전달된다.