국내 연구진이 땀으로 혈당을 측정하고, 손쉽게 혈당조절 약물을 피부로 투여할 수 있는 그래핀 전자피부(당뇨패치)를 개발했다.

당뇨병은 완치가 어려워 지속적인 관리가 요구되는 만성질환으로, 당뇨병 환자의 수는 국내 300만 명, 전 세계적으로는 6억 명에 달한다.
이번 성과를 활용하면, 매일 수차례씩 바늘을 찔러 혈당을 측정하고 필요시 인슐린 주사 등으로 혈당을 조절해야 하는 당뇨병 환자들의 고통과 번거로움을 덜어줄 것으로 예상된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자연구단(단장 현택환) 김대형 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 그래핀 복합체를 활용한 전기화학센서들과 미세 약물침을 결합해 당뇨병 환자들을 위한 전자피부를 개발했다.

새로운 전자피부는 피부에서 분비되는 땀 속의 당 함량과 온도‧습도‧산성도(pH) 등을 측정, 피를 내지 않고도 혈당치를 실시간으로 정확히 측정할 수 있다. 또한 혈당이 높을 경우 미세 약물침 속 조절 약물을 피부에 주입, 주사를 놓지 않고도 혈당 조절이 가능하다.

연구진은 투명도가 높은 그물망구조의 금박 위에 금으로 도핑한 그래핀을 붙이고, 산성도‧습도‧압력 및 당 측정 센서들을 결합해 혈당 측정용 전기화학센서 시스템을 만들었다.

▲ 그래핀 복합체 기반의 전기화학센서들과 미세 약물침을 이용한 당뇨패치 전자피부 시스템(i:땀 흡수층, ii: 땀 증발방지층, iii: 습도 센서, iv: 당 센서, v: 산성도 센서, vi: 상대 전극, vii: 스트레인 센서, viii: 미세 약물침, ix: 온도 센서, x: 전기히터)

▲ 그래핀복합체의 구조(xi: 전기 도금된 기능성 물질, xii: 금이 도핑된 그래핀, xiii: 그물망 구조의 금박)

여기에 혈당조절 약물을 담은 미세 약물침과 온도센서‧전기히터를 결합한 약물전달시스템을 추가, 혈당의 측정‧조절이 모두 가능한 전자피부를 구현해 냈다. 미세 약물침은 수용성 혈당조절 약물(메트포르민)로 만든 미세한 침에 42oC 이상 온도에서 녹는 코팅(tridecanoic acid)을 입힌 것으로, 고혈당이 감지되면 전기히터가 작동돼 코팅을 녹여 통증 없이 각질층 아래 피부로 약물을 전달할 수 있도록 설계됐다.

연구진은 전자피부를 당뇨병에 걸린 실험용 생쥐에 적용, 정확하고 효과적인 혈당 측정‧조절이 가능함을 확인했다. 또한 전자피부의 전기화학센서를 사람에게 부착, 땀으로 혈당을 측정하는 데 성공했다.

▲ 열 감응 미세 약물침의 구조(좌), 혈당조절약물이 담지된 미세 약물침을 활용한 당뇨 생쥐로의 약물 전달(중)과 전기히터의 열 자극을 통한 미세 약물침의 약물전달 활성화(우)

▲ 당뇨패치 전자피부의 센서 시스템을 통한 당의 측정(좌)과 피부 움직임에 따른 수축과 이완(중, 우)

이번 연구를 주도한 김대형 연구위원은 “차세대 소재인 그래핀을 활용하여 당뇨병의 진단과 피드백 치료가 모두 가능한 시스템을 만들어냈다”며, “당뇨패치 전자피부에 적용된 여러 기술들은 당 측정 외에도 전자피부 또는 패치형태의 다양한 바이오센서 시스템에 광범위하게 활용 가능할 것”이라고 내다봤다.

이번 연구성과는 과학기술분야 권위지이자 세계적인 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 34.048)에 3월 22일자로 온라인 게재되었다.

• * (논문제목) A Graphene-based Electrochemical Device with Thermo-responsive Microneedles for Diabetes Monitoring and Therapy
• * (제1저자) : 서울대학교 화학생물공학부 이현재 (석박사 통합과정생), 최태규 (석사 과정생), 이영범 (석사)
• * (교신저자) : 김대형 IBS 연구위원 (서울대학교 화학생물공학부 교수)

대외협력실 김한섭