[바이오타임즈] 건강을 체크하기 위해 피부에 부착하는 맥파(심장이 박동할 때 발생하는 파동) 센서는 정확도가 생명이다.

그러나 그간 맥파 센서는 폴리머 기반의 재질로, 땀 투과도(382g/day/m2)가 피부의 일 평균 땀 배출량(432g/m2)보다 낮아 장기간 부착 시 발진과 홍조, 가려움 등의 피부 트러블을 일으킬 수 있는 문제가 지적되어 왔다. 또한 피부에 안정적으로 부착될 수 있는 접촉면적이 낮아 맥파 신호의 측정 정확도(신호대잡음비=2.67)가 낮다는 문제를 지녔다.

그런데 국내 연구진이 피부 트러블 없는 웨어러블 맥파 센서를 개발해 장기 모니터링에 활용 가능할 수 있는 길을 열었다.
 

◇카이스트 조영호 교수 연구팀, 숨 쉬는 헤어셀 구조의 피부 부착형 맥파 센서 개발

KAIST 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀은 피부에서 발생하는 땀을 실시간으로 투과시키며 피부와의 접촉면적을 획기적으로 개선한 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서를 개발했다.

헤어셀 구조란 피부의 섬모와 같이 다공성 표면 위에 여러 개의 섬모가 형성돼있는 구조다.

기존의 다공성 폴리머는 설탕 등의 고형 입자를 폴리머에 혼합한 후 용액으로 입자를 녹여서 공극(구멍)을 형성하는데, 고형 입자의 크기와 분포가 불균일하며 얇은 박막 형성이 불가능했다.

이에 연구팀은 기존 폴리머 재질이 지니고 있는 문제 해결을 위해, 폴리디메틸실록산(PDMS) 고분자 내에 구연산을 결정화 후 에탄올로 녹여 작고 균일한 공극을 형성함으로써 맥파 센서의 땀 투과도를 높였다.

이러한 다공성 고분자 표면에 헤어셀 구조를 형성해 피부와의 접촉면적을 획기적으로 넓혀 맥파 센서의 측정 정확도를 개선한 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서를 제작했다.
 

◇피부 접촉 센서의 장기 사용에 의한 피부 문제와 측정 정확성 문제 해결

이번에 개발된 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서의 땀 투과도는 하루 486g/m2을 보여 피부의 하루 평균 땀 발생량보다 많고, 기존 기술 대비 72% 증가함을 보였다. 또한 피부에 장기간 부착 시에도 피부 트러블이 발생하지 않음을 7일간의 연속 부착 실험을 통해 입증했다. 측정 정확도(신호대잡음비)는 22.89를 보여, 기존 기술 대비 측정 정확도를 약 9배 높였다.

조영호 교수는 “이번 연구를 통해 피부 트러블 없이 인간의 건강 상태를 상시 모니터링할 수 있는 웨어러블 센서를 개발했고, 인공피부로서의 상시 사용성 역시 확립했다ˮ고 말했다.

본 다공성 헤어셀 구조의 맥파센서 기술은 기존 피부 접촉 센서의 장기 사용에 의한 피부 문제와 측정 정확성 문제를 해결함으로써 인간의 건강 상태에 관한 생체신호 모니터링을 위한 웨어러블 센서의 상시 장기 사용성을 확립했다.

따라서 맥파 신호 외 피부 온도, 피부 전도도 등 타 생체신호 센서들을 결합하여 인간의 신체건강 상태뿐만 아니라 정신건강 상태를 생체신호를 통해 판별하는 웨어러블 센서 개발에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 알키미스트 프로젝트 사업의 지원을 통해 수행됐으며, 국제 학술지 `나노스케일 어드벤시스(Nanoscale Advances)' 7월 27일자 온라인판에 게재됐다(논문명: A Porous PDMS Pulsewave Sensor with Haircell Structures for Water Vapor Transmission Rate and Signal-to-Noise Ratio Enhancement)

[바이오타임즈=김수진 기자] sjkimcap@biotimes.co.kr

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