연세대학교(총장 윤동섭) 신소재공학과 김자영 교수와 전기전자공학부 서정목 교수 연구팀이 하나의 하이드로겔 소재로 서로 다른 생체유체 환경에 대응할 수 있는 전기화학 바이오센서 인터페이스 기술을 개발했다.

31일 연세대에 따르면 연구팀은 간단한 이온 처리 공정만으로 하이드로겔의 공극 구조와 기계적 강도, 물질 확산 특성을 정밀하게 조절하는 데 성공했다. 이를 통해 땀과 체내 간질액처럼 포도당 농도와 측정 환경이 다른 생체유체에 맞춰 센서 성능을 조절할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다.

웨어러블 및 삽입형 바이오센서는 포도당 등 생체분자를 실시간으로 측정할 수 있어 차세대 디지털 헬스케어 기술로 주목받고 있다. 특히 전기화학 기반 효소 센서는 소형화와 연속 측정이 가능해 활용 범위가 넓지만, 생체유체마다 분석 물질의 농도 범위가 달라 센서 구조를 각각 다르게 설계해야 하는 한계가 있었다.

하이드로겔은 생체적합성과 유연성이 뛰어나 센서 인터페이스 소재로 주목받고 있지만, 공극을 크게 만들면 물질 전달은 빨라지는 대신 구조적 안정성이 떨어지고, 반대로 구조를 치밀하게 만들면 강도는 높아지지만 물질 확산이 제한되는 문제가 있었다.

연구팀은 폴리비닐알코올(PVA)과 알지네이트 기반 하이드로겔에 황산염 이온, 칼슘 이온, 황산칼슘 생체광물화 반응을 단계적으로 적용해 동일한 소재에서도 공극 구조와 기계적 특성, 분석 물질 확산 속도를 선택적으로 제어할 수 있도록 설계했다.

개발된 하이드로겔은 처리 조건에 따라 다공성 구조와 치밀한 구조를 자유롭게 형성할 수 있다. 연구팀은 이를 활용해 낮은 농도의 땀 속 포도당 측정에는 확산이 빠른 다공성 구조를, 상대적으로 농도가 높은 간질액 포도당 측정에는 확산을 조절하는 치밀한 구조를 적용했다.

그 결과 하나의 소재 플랫폼만으로 웨어러블 센서와 체내 삽입형 센서에 모두 대응할 수 있음을 확인했다. 또한 반복적인 기계적 변형과 수분 환경에서도 구조적 안정성과 생체적합성을 유지해 장기 연속 모니터링 의료기기로의 활용 가능성도 입증했다.

김자영 교수는 “복잡한 소재 합성이나 고가의 미세공정 없이 간단한 이온 처리만으로 검출 범위와 민감도를 조절할 수 있다는 점에서 개인 맞춤형 헬스케어와 연속 생체 모니터링 기술 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구자 지원사업, 선도연구센터 사업, 연구중심병원 육성사업, 국가연구소 사업, 바이오·의료기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재됐다.