우리 대학교 신소재공학 박장웅 교수 (본교 고등과학원 IBS 연구위원) 연구팀은 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 헬스케어1) 기기를 개발했다. 우선 연구진은 2차원 구조체 ‘그래핀(Graphene)’2) 을 사용해 투명하고 유연하면서 무선 통신이 가능한 코티졸 센서를 구현하였다. 그래핀 트랜지스터(FET)구조3) 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.

[ 그림1. 스트레스 호르몬 센서가 내장된 스마트 콘택트렌즈 설계도 ] 

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

[그림2. 스트레스 호르몬 측정용 스마트 콘택트렌즈를 실제 착용한 모습 ] 

또한 1차원 전도성 물질인 은 나노와이어4) 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.

4)    나노 와이어(Nano wire) : 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 나노와이어가 불규칙적으로 연결된 박막은 뛰어난 광투과성을 가지기 때문에 투명전극으로 사용될 수 있다.

5)    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 교수는 “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. 이와 동시에 박장웅 교수는 7월 8일에 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 11.238)’에 나노기술을 이용하여 신소재와 첨단 프린팅 기법으로 제작된 여드름·염증 치료하는 투명 패치 개발에 대해서 논문 출판 됐다.

본교 고등과학원은 세계 최고 수준의 기초과학 연구와 교육을 목표로 나노의학 융합연구를 수행하며 100년을 바라보는 세계 초일류 수준의 대학 내 기초과학연구소를 지향한다. 연세 연구를 퀄리티 중심으로 전환하며 융합 분야 First Mover 및 Big Science 창출을 목표로 하며 나노과학과 의학을 융합한 나노바이오메디컬엔지니어링 전공을 통해 미래과학을 선점하는데 기여할 예정이다.

출처 : 연세소식 627호