땀으로 혈당을 정확히 측정하는 비침습 바이오센서 개발

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 웨어러블 바이오 장치는 다양한 센서를 고집적화하기 어렵고, 여러 요인으로 인해 측정 신뢰성이 낮아 상용화에 한계가 있었습니다.
• 고령화 사회, 잘못된 생활 습관 등으로 당뇨병 유병률이 증가하면서 혈당을 정상적으로 유지하는 것의 중요성이 커지고 있습니다.
• 기존의 혈당 측정기는 대부분 혈액을 채취하는 침습적인 방식으로, 환자에게 고통과 불편함을 줍니다.

기술의 필요성

• 채혈 없이 혈당을 측정하는 비침습적 혈당 측정기 개발에 대한 요구가 높아지고 있습니다.
• 정확한 혈당 측정과 동시에 혈당을 조절할 수 있는 통합적인 혈당 조절 장치 개발이 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 피부에 부착된 장치가 땀을 흡수하여 땀 속에 포함된 글루코오스(포도당) 농도를 측정하는 방식입니다.
• 글루코오스 센서의 글루코오스 분해 효소가 땀 속 글루코오스를 분해하여 과산화수소를 생성하고, 이로 인해 발생하는 전기 신호를 분석하여 농도를 측정합니다.
• pH 센서와 온도 센서를 함께 사용하여 땀의 pH와 온도 변화에 따른 측정 오차를 실시간으로 보정하여 측정의 정확도를 높입니다.

구체적인 구현 방법

1. 기본 구조: 지지층, 스페이서, 바이오 센서, 커버층으로 구성되며, 이들 사이에 땀을 모으는 '땀흡수 갭'을 형성합니다.
2. 바이오 센서: 글루코오스 센서, pH 센서, 온도 센서를 포함합니다. 이 센서들은 소형화되어 작은 면적에 고집적화됩니다.
3. 글루코오스 센서: 작업 전극(다공성 금층, 과산화수소 분해층, 글루코오스 분해층), 상대 전극, 기준 전극으로 구성됩니다. 특히 다공성 금층은 넓은 활성 표면을 제공하여 적은 양의 땀으로도 정확한 측정을 가능하게 합니다.
4. 정확도 향상 기능: 스크린층이 땀 속의 이물질을 걸러내고, 방수층이 외부 수분의 침투와 측정에 사용된 땀의 외부 유출을 방지하여 측정의 신뢰도를 높입니다.

기술의 장점

• 높은 신뢰성 및 정확도: pH 및 온도 센서를 통한 측정값 보정으로 정확한 생체 신호 측정이 가능합니다.
• 비침습적 방식: 땀을 이용하므로 채혈로 인한 고통과 불편함을 근본적으로 해결합니다.
• 고집적화 및 소형화: 바이오 센서를 소형화하여 작은 면적에 다양한 센서를 집적할 수 있으며, 약 1㎕의 아주 적은 양의 땀으로도 측정이 가능합니다.
• 사용 편의성: 스트립 형태로 제작 가능하며, 땀흡수 갭을 통해 땀을 쉽게 수집하여 1회용으로 간편하게 사용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따른 바이오 센싱 장치가 땀의 pH와 같은 외부 요인 변화에도 불구하고 글루코오스 농도를 정확하게 측정하고 보정할 수 있는지 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 글루코오스 농도를 0.3mM로 일정하게 유지합니다.
2. 용액의 pH를 5에서 4로, 그리고 5에서 6으로 변화시키며 글루코오스 센서의 측정값 변화를 관찰합니다.
3. pH 센서로 측정한 pH 값을 기반으로 글루코오스 농도 측정값을 실시간으로 보정합니다.

실험 결과

실험 결과, 땀의 pH 변화는 글루코오스 센서의 측정값에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 그러나 pH 센서를 통해 측정된 값으로 실시간 보정을 수행했을 때, 실제 글루코오스 농도에 가깝게 정확한 값을 얻을 수 있었습니다.

pH 변화에 따른 글루코오스 농도 측정값 보정 결과

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 당뇨병 환자의 일상적이고 지속적인 비침습적 혈당 모니터링에 활용합니다.
• 실시간 혈당 측정 데이터와 연동된 자동 약물 주입 시스템(인공 췌장) 개발에 적용할 수 있습니다.
• 땀 속의 다른 바이오마커(젖산, 코르티솔 등)를 측정하는 센서로 확장하여 종합 건강 모니터링 플랫폼으로 발전시킬 수 있습니다.
• 운동선수의 컨디션 관리 및 일반인의 피트니스 분야에도 적용 가능합니다.

기대효과

• 채혈의 고통 없는 혈당 관리를 통해 당뇨 환자의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.
• 지속적인 혈당 모니터링을 통한 합병증 예방 및 관련 의료비용 절감에 기여합니다.
• 웨어러블 헬스케어 기기 시장의 성장을 견인하고, 관련 산업 생태계를 활성화할 수 있습니다.
• 정밀 의료 및 개인 맞춤형 건강관리 서비스의 핵심 기반 기술로 활용될 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전 세계적으로 당뇨병 유병률이 증가하고 건강 관리에 대한 관심이 높아지면서 웨어러블 바이오센서 시장, 특히 비침습적 혈당 측정 기술 시장이 빠르게 성장하고 있습니다. 연속 혈당 모니터링(CGM) 시장은 2024년 116억 3,000만 달러에서 2029년 213억 4,000만 달러 규모로 성장할 것으로 전망되며, 이는 연평균 12.89%의 높은 성장률입니다. (출처)

• 글로벌 혈당 모니터링 시장 전체는 2030년 357억 9,000만 달러에 이를 것으로 예측됩니다. (출처)
• 비처방(OTC) 시장과 가정용 시장의 성장세가 두드러지며, 사용자 편의성을 높인 비침습 기술의 중요성이 부각되고 있습니다.
• 국내 혈당 측정기기 시장 역시 연평균 17.44% (2011-2017 기준)의 높은 성장률을 기록하며 빠른 성장을 보였습니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 최소 침습 연속혈당측정(MI-CGM) 시장은 Medtronic, Dexcom, Abbott 등 소수의 글로벌 기업들이 높은 기술력을 바탕으로 시장을 선도하고 있습니다. 이들 기업은 정확도와 사용자 편의성을 지속적으로 개선하며 경쟁하고 있으며, 최근에는 비침습(NI-CGM) 기술 개발에 다수의 스타트업이 도전하며 새로운 경쟁 구도가 형성되고 있습니다. (출처)

주요 연속혈당측정(CGM) 시장 플레이어

산업 동인 및 기회 요인

1. 당뇨병 유병률 증가: 고령화와 생활 습관 변화로 전 세계 당뇨 환자가 증가하며, 혈당 모니터링에 대한 근본적인 수요가 확대되고 있습니다.
2. 비침습 기술에 대한 요구: 채혈의 고통과 불편함을 해소하려는 사용자의 요구가 기술 개발의 가장 큰 동력으로 작용하고 있습니다.
3. 기술 발전과 융합: 인공지능(AI)과 머신러닝, 웨어러블 기술이 헬스케어와 융합되면서 실시간 데이터 분석, 개인 맞춤형 코칭 등 새로운 부가가치 창출이 가능해졌습니다. (출처)
4. 정부 및 규제 기관의 지원: FDA의 비처방 CGM 승인과 같이, 자가 건강 관리 및 조기 발견을 장려하는 정책들이 시장 성장을 촉진하고 있습니다. (출처)