보도자료

2022. 10. 31 (월) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

“피 뽑지 않고 혈당 측정!”… 전자기파 기반 센서 나와

변영재 UNIST 교수팀, 체내삽입형 혈당측정 시스템 개발… 연속혈당측정 기대
전자기파 기반, 수명 제한 없이 반영구 사용… Scientific Reports 논문 발표

피를 뽑지 않고도 혈당을 측정할 수 있는 새로운 기술이 나왔다. 피부 내에 측정 장치를 삽입하고 ‘전자기파’를 이용해 혈당 변화를 측정하는 기술인데, 영구적으로 쓸 수 있고 정확도도 높다. 혈당 측정을 위해 매일 수차례 바늘로 찔러 채혈하는 당뇨병 환자의 고통을 줄일 획기적인 기술로 주목받고 있다.

UNIST(총장 이용훈) 전기전자공학과 변영재 교수팀은 피를 내지 않고 혈당을 측정하는 ‘체내삽입형 전자기파 기반 혈당측정 시스템’를 개발했다. 이 시스템의 센서는 면봉의 1/5 정도의 크기를 갖고 있으며, 피부 속 세포와 세포 사이를 채우는 세포의 조직액인 간질액(interstitial fluid)의 혈당 변화를 감지한다. 기존 연속혈당측정장치의 단점인 짧은 사용 기간을 극복했을 뿐 아니라, 혈당을 반영하는 정확도도 높아 상용화 가능성이 크다.

당뇨병은 공복 시 혈액 내 당분 수치가 정상(100mg/dL)보다 높은 126mg/dL 이상으로 유지되는 질환이다. 당뇨병 환자들은 식사 등을 조절해 정상 수치를 유지해야 하므로, 하루에도 수차례 손가락 끝을 찔러 채혈하고 혈당을 확인한다. 전 세계 당뇨병 환자 4억 명 이상이 매일 채혈에 따른 고통과 불편을 겪는 것이다.

이번 연구 결과의 가장 큰 특징은 그래핀 복합체를 이용해 투명전극의 저항을 기존보다 20배 이상 낮췄다는 점이다. 이로써 휘어지는 디스플레이나 회로, 센서 등으로 활용할 수 있는 전자피부도 구현할 수 있었다.박장웅 교수는 “기존에도 전자피부나 전자타투 등의 연구가 이뤄졌지만, 회로나 패턴들이 그대로 보이는 문제가 있었다”며 “이번 연구로 구현한 전자피부는 모든 물질을 투명하게 만들었기 때문에 어디에 부착해도 보이지 않아 실용적으로 사용가능할 것”이라고 말했다.

이러한 채혈을 통한 혈당측정 방식에 대한 대안으로 효소나 형광을 기반으로 하는 혈당측정기술도 개발됐다. 그러나 혈액 내 포도당이 포도당 산화효소와 반응하면서 나오는 과산화수소가 산소로 바뀔 때 내놓는 전자(전류)를 측정하는 ‘효소 기반 방식’은 피는 안 뽑아도 되지만, 효소 수명이 짧아 시간이 지나면 정확성이 낮아진다. 혈액 내 포도당 수치가 달라지면 빛에 반응하는 파장도 달라지는 점에 착안한 ‘형광 기반 방식’도 시간이 지나면 발광량이 감소하여 정확도가 떨어진다.

변영재 교수팀은 수명에 제한이 없는 ‘전자기파’를 이용해 반영구적인 체내삽입형 혈당측정시스템을 만들었다. 효소 기반 센서처럼 매주 교체할 필요가 없어 편리하며, 연속혈당측정(CGMS) 이용단가도 획기적으로 낮출 수 있다. 이 기술은 현재 5%에 지나지 않는 CGMS의 보급률을 높일 것으로 내다보고 있다.

또 피부를 절개해 피하지방에 심은 ‘이식형’라는 부분도 강점이다. 주변의 온도와 습도, 움직임 등 외부환경에 영향을 받지 않아 혈당 측정의 정확도를 높일 수 있다는 것이다. 센서는 길이 30㎜에 원형 둘레 4㎜ 크기로 설계됐으며, 생체적합성이 뛰어난 폴리올레핀 계열의 포장재로 감싸고 있다. 변영재 교수는 “이식형의 장점 덕분에 혈당 측정의 정확도를 높일 수 있어 FDA 기준을 만족할 것”이라며 “한 번만 이식하면 반영구적으로 사용할 수 있으며, 저전력으로 구동이 가능하기 때문에 NFC(Near Field Communication) 기능을 사용하는 장치나 스마트폰으로도 언제든 혈당을 확인 가능하다”고 강조했다.

시스템의 센서는 혈당 성분이 가진 고유한 유전율이 전자기파에 의한 변화와 연동된다. 센서가 작동하면 주변에 발생한 전자기파 영역은 유전율 변화를 감지한다. 제1저자인 김성문 UNIST 전기전자공학과 석・박사통합과정 연구원은 “만약 혈당이 높아지면 유전율이 낮아지는데, 이때 센서의 주파수는 높아진다”며 “이 점을 이용하면 실시간 혈당 측정도 가능하다”고 설명했다.

연구진은 시스템을 동물 몸에 부착하여 실제로 혈당 측정이 가능한지 검증했다. 그 결과, 정맥에 직접 포도당을 주사하거나(IVGTT) 구강으로 포도당을 주입해 소화시킨 경우(OGTT) 모두 혈당과 주파수가 같은 경향성을 보였다.

변 교수는 “새로 개발한 장치는 시간이 지나도 성능 감소가 없는 ‘전자기파’를 사용해 사실상 수명이 영구적”이라며 “향후 센서 내부에 시스템을 하나로 통합한 칩을 적용하는 등 연속혈당측정 시스템으로 발전시킬 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 UNIST 교원창업기업인 ㈜에스비솔루션과 협업으로 진행됐으며, 결과는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 발표됐다. ㈜에스비솔루션은 2017년 변영재 교수가 개발한 전자기파 혈당측정기 기술을 기반으로 창업했으며, 관련 시스템은 상용화 단계에 들어서 있다.

(논문명: Subcutaneously implantable electromagnetic biosensor system for continuous glucose monitoring)

자료문의

대외협력팀: 김학찬 실장, 박태진 담당 (052)217-1231

전기전자공학과: 변영재 교수 (052)217-2113

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

식량 증산 및 기술발전에 따라 사람들의 생활 습관이 바뀌고 있다. 이제 살기 위해서 먹는 것이 아니라 맛을 통해 삶의 질을 높이기 위해 먹는 시대가 됐다. 특히, 고령화 시대에 접어들면서 많은 사람이 건강에 관심을 기울이기 시작했고, 모두 아프지 않게 살기를 원한다. 하지만 현대사회는 음식을 쉽게 구하고 섭취할 수 있는 환경인 데다가 과도한 영양 섭취도 얼마든지 일어날 수 있다. 이는 몸의 균형을 깨트려 각종 질병을 초래하고 있으며, 만성질환 중 하나인 당뇨병도 그 대표적인 질병이다.

세계당뇨협회(IDF, International Diabetes Federation)에 따르면 전 세계에서 약 4억 명 이상이 당뇨병에 고통을 받고 있고, 발병률도 시간이 지날수록 증가하고 있다. 이러한 당뇨병 환자들은 하루에도 여러 번, 심하면 수십 번씩 자신의 혈당수치를 측정해야 한다. 현재 혈당측정기들은 대부분 채혈을 수반하고, 전기화학적 방식인 1회용 스트랩을 사용해 혈당을 측정한다. 매일 수차례 진행하는 채혈은 고통이 수반된다.

이러한 고통과 불편을 없애기 위해 효소 및 형광 물질에 기반한 CGMS(Continuously Gluocse Monitoring System)가 개발돼 실시간 혈당 관리 기능을 제공하고 있지만, 효소 및 형광 기반의 CGMS는 시간의 경과에 따라 정확도가 떨어지는 문제가 있을 뿐 아니라 팔 또는 복부등에 부착하는 방식으로 피부 트러블 등이 발생하는 문제점이 노출되었고, 시장에서는 이러한 문제점을 극복하기 위한 새로운 기술개발에 대한 요구가 점증되고 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 기기수명에 영향을 주지 않는 전자기파(EM, Electrogmanetic)를 이용한 혈당측정 기술을 개발했다. 전자기파 기반의 센서를 피하지방(Subcutanously fattly layer)에 삽입시킨 뒤 간질액(세포 바깥의 체액을 이루는 대부분의 액체)에 함유된 혈당수치의 변화를 살피는 것이다. 혈당 성분이 가진 고유의 유전율 변화를 감지하여 혈당수치를 측정하는 것이다.

연구진이 제안하는 전자기파 방식의 혈당측정기술은 주변에 전자기파 영역(EM Field)를 통해서, 영역 내의 유전율(permittivity) 변화를 감지한다. 센서는 체내삽입을 목적으로 개발돼 30㎜x4㎜ 크기로 설계됐다. 센서 외부에는 생체의 이물 반응(FBR, Foreign Body Reaction)을 고려해 생체적합성이 뛰어난 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 패키지 물질을 사용해 안정성을 확보했다.

개발된 센서는 주변 유전율 값에 따라 센서가 가진 공진주파수의 대역이 달라진다. 센서의 공진주파수는 노치 형태를 구성하고 있으며, 유전율 변화에 따라 공진주파수가 이동한다. 공진주파수의 최소점을 관찰해 혈당이 증가함에 따라 유전율은 감소하고, 센서의 공진주파수는 높은 주파수대역으로 이동하는 것을 확인했다. 이러한 센서의 특성을 이용해 중대동물(돼지, 강아지) 몸에 삽입해 유효성 평가를 진행했다.

‘정맥 포도당 부하 검사(IVGTT, IntraVenous Glucose Tolerance Test)’를 통해, 실험동물 동맥에 일정량의 포도당을 주입하고, 인슐린 작용으로 혈당이 변화하는 것을 관찰했다. 유전율이 감소함에 따라, 혈당이 증가하면 센서의 공진주파수 또한 높은 주파수대역으로 이동한다. 혈당과 주파수는 같은 경향성을 갖는다. 연속적으로 장기간 측정을 위해 개발된 센서를 구동과 데이터 처리가 가능한 인터페이스 시스템을 적용해 ‘경구 포도당 부하 검사(OGTT, Oral Gluocse Tolerance Test)’를 진행했다. 결과적으로, OGTT에서도 혈당 변화에 따라 주파수가 이동하는 것을 확인했다.

3. 기대효과

새로 개발한 시스템은 시간이 지나도 성능 감소가 없는 전자기파 센서를 사용하기 때문에 시간의 경과에 따라 성능이 저하되는 효소나 형광 기반의 혈당측정 방식보다 장점이 크다. 특히 센서가 체내에 삽입된다는 점도 사용자에게 장점이 될 수 있다. 향후 원형의 센서 내부에 SoC(System on Chip)를 통합해 연속혈당측정 시스템을 구성함으로써, ‘체내삽입이 가능한 무전원, 초소형 크기의 전자기파 혈당측정 시스템’을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

이 기술은 UNIST 교원창업기업 ㈜에스비솔루션(SB solution)과 협업으로 개발되고 있다. 이 기업은 변영재 교수의 연구실에서 개발한 전자기파 혈당측정기 기술을 기반으로 2017년에 창업했으며, 현재까지 연속혈당측정 시스템의 개발에 박차를 가하고 있다. 현재는 논문에 언급되었던 크기보다 더 작은 크기(<20mm)의 시스템으로 개발되고 있다, 작은 크기의 시스템은 체내삽입시 이물감을 느끼지 못할 것으로 기대가 되며, 전자기파 기반 혈당측정 시스템은 상용화 단계에 들어서 있어, 머지않아 신기술이 제품에 적용될 것으로 기대된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 체내삽입형 전자기파 기반 혈당측정방식

(a) 센서가 삽입될 위치는 보통 상완(윗팔)이나 복부가 선택된다. 이런 부분은 큰 움직임이 없고 다른 장기와도 거리가 있어서 센서가 안정적으로 자리 잡을 수 있기 때문이다. 피부층 중에서도 피하지방(2번 위치)에 자리하면서 체내 간질액의 혈당 변화를 추적하게 된다.

(b) 체내삽입이 가능한 전자기파 기반 센서의 형상. 체내에 삽입해도 거부반응이 없도록 폴리올레핀 계열의 포장재를 사용했다.

(d) 혈당 변화에 따라 센서가 가진 공진주파수가 이동하는 모습을 볼 수 있다. 시간이 지남에 따라 포도당 수치는 f1에서 f2, f3으로 낮아진다. (오른쪽) 이에 따라 공진주파수의 모양이 이동하는 것을 알 수 있다. (왼쪽)

그림2. 중동물 실험에서 나타난 혈당과 공진주파수 변화의 상관관계

중동물에 전자기파 기반 혈당측정센서를 삽입하여 측정한 결과, 혈당수치(파란색 점선)가 변하면 센서의 공진주파수(검정색 실선)도 유사하게 변하는 경향이 있다. (i)은 혈당 주입 전, (ii)은 혈당 주입 후 최고값 도달 (ii)은 인슐린 작용으로 인해 혈당수치와 주파수가 감소한 상태, (iv)은 정상 상태로 진입 중인 상태다.

그림3. 중동물을 통한 경구 포도당 부하 검사 장면

강아지의 입으로 포도당을 주입하면서 혈당 변화를 측정하는 실험을 진행하는 장면이다. (1)은 포도당을 넣은 주사기이고, (2)는 체내삽입된 센서에서 주파수 등을 확인하는 인터페이스 보드이며, (3)은 인터페이스 보드에 전력을 공급해주는 배터리다.

그림4. 클라아크 에러 그리드 분석(Clarke’s Error Grid Analysis)를 통한 센서 혈당측정 예측 정확도

실험 결과가 가운데로 몰릴수록 정확도가 높으며, 여기에 가까운 A영역에 전체 실험의 92.31%가 포진돼 있다. 나머지 7.69%의 실험은 B영역에 속해 전체적으로 높은 정확도를 나타냈다.

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