입력 2026.05.26 11:34
- 이온 처리 공정만으로 하이드로겔 공극 구조·기계적 강도·분석물 확산 특성 정밀 조절해
- 저농도 땀 글루코스부터 고농도 체내 간질액 글루코스까지 대응 가능한 전기화학 글루코스 바이오센서 소재 플랫폼 제시
연세대학교(총장 윤동섭) 신소재공학과 김자영 교수, 전기전자공학부 서정목 교수 연구팀은 하나의 하이드로겔 소재에 단순한 이온 처리 공정을 적용해 공극 구조, 기계적 강도, 물질 확산 특성을 조절할 수 있는 새로운 전기화학 바이오센서 인터페이스 기술을 개발했다.
이 기술은 땀과 체내 간질액처럼 서로 다른 바이오마커의 농도 범위와 측정 환경을 갖는 생체유체에 맞춰 전기화학 바이오센서의 성능을 조절할 수 있어, 웨어러블 헬스케어 기기와 삽입형 연속 모니터링 센서 기기에 활용될 것으로 기대된다.
웨어러블 및 삽입형 바이오센서는 땀, 간질액, 혈액 등 다양한 체액에서 포도당과 같은 생체분자를 실시간으로 측정할 수 있어 차세대 디지털 헬스케어 기술로 주목받고 있다. 특히 전기화학 기반 효소 센서는 소형화와 연속 측정이 가능해 착용형·체내 삽입형 센서 플랫폼으로 활발히 연구되고 있다. 그러나 땀과 간질액은 분석 대상 물질의 농도 범위가 크게 다르고, 기존 센서 인터페이스는 특정 환경에 맞춰 설계되는 경우가 많아 하나의 소재 플랫폼으로 서로 다른 생체유체 환경에 대응하는 데 한계가 있었다.
또한 하이드로겔 인터페이스는 생체적합성, 유연성, 항오염성 측면에서 장점이 있지만, 공극 구조를 크게 하면 물질 확산은 빨라지는 대신 기계적 안정성이 떨어지고, 구조를 치밀하게 하면 강도는 높아지지만 물질 전달이 제한되는 문제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 폴리비닐알코올과 알지네이트 기반 하이드로겔에 서로 다른 이온 처리 공정을 적용했다. 황산염 이온에 의한 염석 효과, 칼슘 이온에 의한 고분자 사슬 이온 가교, 황산칼슘 생체광물화 반응을 조합해 동일한 하이드로겔 조성에서도 공극 구조, 기계적 특성, 분석 물질의 확산 거동을 선택적으로 조절할 수 있도록 설계했다.
새로 개발된 이온 매개 구조 제어 하이드로겔은 처리 조건에 따라 다공성 구조 또는 치밀한 구조를 형성할 수 있다. 연구팀은 이 원리를 이용해 낮은 농도의 땀 포도당 검출에는 빠른 확산이 가능한 다공성 하이드로겔 인터페이스를, 높은 농도 범위의 체내 간질액 포도당 모니터링에는 확산 속도를 제한하는 치밀한 하이드로겔 인터페이스를 각각 적용했다. 이를 통해 하나의 하이드로겔 플랫폼으로 웨어러블 센서와 삽입형 센서에 모두 대응할 수 있음을 밝혔으며, 반복적인 기계적 변형과 수화 환경에서도 구조적 안정성과 생체적합성을 확인해 다양한 효소 기반 전기화학 바이오센서 및 장기 연속 모니터링 의료기기로의 확장 가능성을 제시했다.
김자영 교수는 “이번 연구는 단일 하이드로겔 소재의 이온 상호작용을 정밀하게 조절해 공극 구조, 기계적 강도, 분석 물질 확산 특성을 동시에 제어한 사례”라며 “땀과 간질액처럼 서로 다른 생체유체 환경에 맞춰 센서 성능을 조절할 수 있어 웨어러블 및 삽입형 바이오센서 인터페이스 설계에 새로운 방향을 제시할 것”이라고 말했다.
또한 “복잡한 소재 합성이나 고가의 미세공정 없이 간단한 이온 처리만으로 센서의 검출 범위와 민감도를 조절할 수 있다는 점에서, 향후 개인 맞춤형 헬스 케어 및 연속 생체 모니터링 기술의 실용화에 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF) 신진연구자 지원, 선도연구센터, 연구중심병원 육성, 국가연구소, 바이오·의료기술개발, 교육부 이공분야 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한 해당 연구 성과는 재료과학 분야의 권위 있는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, Impact Factor 26.8, JCR 상위 2.17%)’에 게재됐다.