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학술

스트레스 수치 측정하는 스마트 콘택트렌즈 개발

'Science Advances'에 7월 10일 1시(한국시간) 게재

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IBS 나노의학 연구단, 
스트레스 관리 돕는 기기 개발로 모바일 헬스케어 산업 활용 기대 





기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단(단장 천진우) 박장웅 연구위원(연세대 신소재공학과 교수) 연구팀은 연세대, 명지대 공동 연구진과 눈물 속 스트레스 호르몬을 감지하여 정확히 측정할 수 있는 스마트 콘택트렌즈를 개발했다. 이 렌즈는 스마트폰과 연동되어 일상에서 손쉽게 스트레스를 관리할 수 있다.

스트레스는 현대인의 적이라 불릴 정도로 일상화되어있으며, 적절히 관리하지 못하면 각종 만성질환으로 이어질 수 있다. 그러나 스트레스 측정은 병원, 연구실 등 전문 시설을 이용해야했다. 또한 기존 측정 센서는 주로 전기화학 분석법, 흡광 분석법 등 복잡한 방식을 사용했기 때문에 일상적인 실시간 측정이 어렵다는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 눈에 착용하여 눈물 속 스트레스 호르몬 ‘코티졸(Cortisol)’ 수치를 실시간 측정하는 콘택트렌즈 형태의 모바일 헬스케어 모바일 헬스케어(Mobile health care)1) 기기를 개발했다. 

우선 연구진은 2차원 구조체 ‘그래핀(Graphene)2) ’을 사용해 투명하고 유연하면서 무선 통신이 가능한 코티졸 센서를 구현하였다. 그래핀 트랜지스터(FET)구조3)로 이뤄진 센서는 그래핀 표면에 결합하는 코티졸 농도를 실시간 분석할 수 있다. 즉 센서가 눈물 속 코티졸 농도에 따른 그래핀의 미세한 저항 변화를 읽어내어 스트레스 수치를 실시간으로 정확히 검출해내는 것이다.

또한 1차원 전도성 물질인 은 나노 와이어(Nano wire) 4)를 그물망 구조로 만들어 신축성이 뛰어난 투명 전극과 안테나를 제작하였다. 나아가 초정밀 3D 인쇄 공정으로 제작한 신축성 있는 회로로 전극, 안테나, NFC칩 등 각 부품들을 연결하여 소프트 렌즈에 내장하였다. 렌즈 속 NFC칩은 센서에서 읽어낸 코티졸 농도를 스마트폰으로 무선 전송한다. 렌즈 착용 후 스마트폰을 눈 가까이 가져가면 스트레스 수치를 실시간으로 확인할 수 있다.

연구진은 개발한 스마트 콘택트렌즈의 착용 실험을 통해 성능과 안전성도 입증하였다. 실험 결과 착용 상태에서도 렌즈가 정상 작동하고 렌즈에서 발생하는 열과 전자기파가 인체에 무해한 수준임을 확인하였다. 제작한 렌즈는 보관액에 담긴 후에도 형태와 기능이 그대로 유지되었다. 스마트 콘택트렌즈의 상용화 가능성을 보여준 것이다.



박장웅 연구위원은 “스트레스 수치를 실시간으로 정확히 측정해 일상 속 스트레스 관리를 돕는 스마트 콘택트렌즈를 개발했다.”며 “4차 산업시대에 주목받는 모바일 헬스케어 산업 뿐 아니라 의료분야까지 다양하게 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.116)’에 7월 10일 1시(한국시간) 게재됐다.


[참조]
1) 모바일 헬스케어(Mobile health care) : 스마트폰과 의료 측정 액세서리·앱 등을 이용해 스스로 운동량 심전도·심장·상태·혈당 등 개인의 신체 상태를 측정하며 건강을 관리하는 것. 환자와 병원 사이 매개체 역할을 하여 건강관리를 도울 것으로 기대된다. 주로 웨어러블 형태로 제작되고 있어 신축성과 무선통신 기능을 보유한 모바일 헬스케어 기기 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
2) 그래핀(Graphene) : 흑연의 한 층에서 떼어낸 벌집 모양 2차원 물질로, 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 '꿈의 신소재'로 불린다.
3) 그래핀 트랜지스터(FET) 구조 : 두 개의 전극으로 비교적 간단히 구성된 구조
4) 나노 와이어(Nano wire) : 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 나노와이어가 불규칙적으로 연결된 박막은 뛰어난 광투과성을 가지기 때문에 투명전극으로 사용될 수 있다.


연구 추가 설명

논문명
Smart, Soft Contact Lens for Wireless Immunosensing of Cortisol

저자정보

Minjae Ku, Joohee Kim, Jong-eun Won, Wonkyu Kang, Young-Geun Park, Jihun Park, Jae-Hyun Lee, Jinwoo Cheon*, Hyun Ho Lee*, Jang-Ung Park*


연구이야기

[연구 배경] 

스트레스를 적절히 관리하지 않으면 각종 질병의 원인이 된다. 기존에 스트레스 측정을 위해서는 병원, 연구실 등 전문시설을 직접 방문해야하고 많은 시간이 소요되었다. 이 문제를 해결하고자 스트레스를 일상에서 손쉽게 실시간 측정할 수 있는 센서 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.


[연구 과정]

2차원 구조체인 그래핀에 스트레스 호르몬 ‘코티졸’의 단일항체를 결합하여 눈물 속 코티졸 농도 범위까지 미세하게 측정할 수 있는 센서를 구현했다. 기존 센서는 주로 전기화학 분석법, 흡광 분석법 등 회로 구성이 어려워 측정 방식이 복잡했다. 본 연구에서 개발된 센서는 두 개의 전극으로 비교적 간단히 구성된 그래핀 트랜지스터(FET) 구조를 사용했다. 그래핀 표면에 코티졸 항체를 결합하여 눈물 속 코티졸 농도에 따른 그래핀의 저항 변화를 읽어 낸다.

또한 은 나노섬유와 은 나노와이어를 혼합하여 신축성과 투명성을 겸비한 무선통신용 안테나를 제작하였다. 센서, 안테나, NFC칩 등 각 장치를 3D 인쇄 공정을 통해 신축성 배선으로 연결하여 소프트렌즈에 내장하였다. NFC칩은 센서에 연결되어 항원-항체반응에 따른 코티졸 농도 수치를 스마트폰으로 무선 전송한다. 착용자의 눈 근처에 스마트폰을 가져간 후 태그하면 눈물 속 스트레스 호르몬 농도를 실시간으로 정량 측정할 수 있다.


[어려웠던 점] 

신축성이 있는 소프트렌즈 물질 안에 유리처럼 딱딱하고 깨지기 쉬운 재료들과 전극을 통합해 구동하는 것은 매우 어려운 과제였다. 이를 해결하기 위해서 모든 구성요소를 정밀하고 유연하게 제작해야했다. 우선 은 나노와이어를 미세한  그물망 구조로 형성하여 신축성이 우수한 전극과 안테나를 구현했다. 또한 전극, 안테나 등 개별 부품들을 신축성이 우수한 전극배선들로 연결하여 소프트 콘택트렌즈 내부에 집적화하였다. 그 결과 렌즈를 실제 착용한 상태에서도 정상 구동하여 스트레스 호르몬 농도를 실시간 분석해내는 스마트 콘택트렌즈를 개발하는 데 성공하였다.


[향후 연구계획] 

본 연구에서 개발한 웨어러블 형태의 스마트폰 호환 센서는 모바일 헬스케어 기기의 새로운 플랫폼을 제시하며 헬스케어 산업, 의료 분야 등 다양하게 활용될 것으로 기대한다. 향후 연구에서는 스트레스뿐 아니라 혈당, 콜레스테롤 등 보다 다양한 신체 상태를 측정할 수 있는 센서 개발에 집중할 예정이다.



그림 설명



그림 1. 스트레스 호르몬 센서가 내장된 스마트 콘택트렌즈 설계도
       
본 연구에서 개발한 스마트 콘택트렌즈는 소프트 렌즈에 코티졸 센서, 전극, 안테나 등을 내장한 구조로 설계하였다. 내장된 NFC 칩은 스트레스 호르몬 센서의 전기적 신호를 처리하여 안테나를 통해 스마트폰으로 전송한다.



그림 2. 스트레스 호르몬 측정용 스마트 콘택트렌즈를 실제 착용한 모습 
       
본 연구에서 개발된 스마트 렌즈는 실제 소프트 콘택트렌즈 제작에 사용되는 물질로 제작되어 이물감이 적으며 안전하다. 스마트 렌즈를 착용한 후 스마트폰을 눈 주위로 가져가 태그하면 정확한 스트레스 호르몬 수치를 실시간으로 확인할 수 있다.



연구진 이력사항


[박장웅, IBS 나노의학 연구단 연구위원, 공동교신저자]   

1. 인적사항             
·  소속 :  IBS 나노의학연구단, 연세대학교 신소재공학과 교수
·   전화 : 02-2123-2851
·   이메일 : jang-ung@yonsei.ac.kr

2. 학력
·   2000 : 한양대학교 학사 (세라믹공학)
·   2003 : 한국과학기술원(KAIST) 재료공학과 석사
·   2009 : 미국 University of Illinois at Urbana-Champaign(UIUC) 박사 (재료공학)

3. 경력사항
·   2009 ~ 2010 Harvard 대학 박사후 연구원
·   2010 ~ 2014 UNIST 신소재공학부 조교수
·   2014 ~ 2018 UNIST 신소재공학부 부교수
·   2018 ~ 현재 연세대학교 신소재공학과 부교수 및 IBS 나노의학연구단 연구위원 





[구민재, 연세대 신소재공학과 학생 연구원, 제1저자]   

1. 인적사항
·   소속 : 연세대학교 신소재공학과
·   이메일 : gmj1901@wearablelab.net

2. 학력
·   2018 : 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학 학사

3. 경력사항
·   2019 – 현재 연세대학교 신소재공학과 석사과정



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