KIST, 당뇨병 진단용 스마트 콘택트렌즈 시제품 가시화

- 콘택트렌즈형 당뇨병 진단 스마트 플랫폼 개발
- 요소 기술별 시제품 제작 현실화

 

  국내 연구진이 혈액이 아닌 눈물을 분석함으로써 당뇨병에 대해 보다 간편하고 정확한 자가 진단 및 관리가 가능한 콘택트렌즈형 센서 플랫폼을 개발했으며, 실제 제품 제작을 가시화하였다고 밝혔다. 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 눈물을 이용한 당뇨병 진단이 가능하도록 콘택트렌즈형의 진단기기를 개발했으며, 전체 기기를 이루는 각 요소기술에 대한 시제품 제작에 성공했다고 밝혔다. 구글을 포함하여 세계 다수의 그룹에서 그동안 개념적으로만 발표를 했던 콘택트렌즈형 센서를 실물로 제작하게 된 것은 큰 기술의 진보로 평가 되고 있다.

  콘택트렌즈형 당뇨센서의 실제 작동을 위해서는, 눈물 속 미량의 글루코스를 검출해 낼 수 있는 높은 감도와 눈물 속 여러 가지로 혼재 된 표지자 중 글루코스만 선별적으로 검출할 수 있는 높은 선택도*가 보장된 센서가 필수적이다. 또한, 인체 정보를 갖고 있는 Basal tear**를 눈에 자극 없이 안정적으로 포집할 수 있는 기술, 센서 운용 및 측정 데이터의 외부 통신을 위한 집적 회로 설계/제작 기술, 그리고 전원 공급을 위한 박막 2차전지 기술이 동반 되어야 한다.

 

* 선택도 (selectivity): 눈물 속에는 당뇨병의 척도가 되는 글루코스 뿐 아니라 ascorbic acid나 uric acid와 같은 다른 표지자도 같이 존재하게 된다. 이러한 다른 표지자와 섞여있는 글루코스만을 골라서 측정을 해야 정확한 당뇨병 진단으로서 실질적 가치가 있게 된다.
** Basal tear: 눈물에는 항상 안구를 감싸면서 보호하는 basal tear와, 물리적/감정적 자극에 의해 많은 양이 ‘분출되는 눈물’이 있다. 우리 몸 상태의 정보를 갖고 있는 눈물은 basal tear이며 다른 자극에 의해 basal tear 이외의 눈물 생성으로 질병 표지자의 농도 변화를 제어할 수 있어야 눈물에 의한 정확한 진단이 가능 하다.

 

스마트 렌즈의 기술적 특징은 다음과 같다. 

■ 인체내 또는 피부 내층에 이식/삽입하지 않고, 사용자의 접근성과 편의성을 고려하여 당뇨병을
    지속적으로 체크 할 수 있는, 비침습형 자가구동 인체친화/호환형 모니터링 플랫폼.
■ 기존의 혈액을 이용하는 방식의 한계를 극복하기 위해, 눈물 내의 표지자를 이용한 모니터링
    방식으로, 콘택트렌즈 상에 초소형, 초고감도 센서 플랫폼을 구현하여 질병 등의 건강 상태를
    모니터링.
■ 인체의 정보를 갖는 눈물은 항상 안구를 코팅하고 있는 basal tear로서 이의 안정적 포집을
    위해 콘택트렌즈상에 미세 배관 구조를 도입하여 약 7 μL의 눈물을 15초내에 포집이 가능.
■ 센서의 감도는 현재 110 μA/mM․cm2이상을 달성했으며, 글루코스의 센싱은 다른 눈물내
    표지자와 완전히 다른 전압에서 이루어지므로 높은 선택도가 확보 됨.
■ 초소형 플렉서블 박막 2차전지를 렌즈상에 적합화 하여, 센서의 자가 구동과 지속적인 
   모니터링을 가능하게 하며, 초소형 집적 모듈에 전력을 공급하여 센싱 신호의 외부 통신이 
   가능하게 함.
■ 2차전지의 용량은 현재 25 μAh/cm2․μm가 확보된 상태이며, 전지의 두께의 조정을 통해 
   최적화된 작동 조건 도출.
■ 센서 운용 및 외부 통신 모듈은 최종적으로 1 x 1 mm의 칩으로 제작될 예정이며, 현재
    4 x 4 mm의 테스트용 칩 제작을 마침.
■ 개발된 플랫폼은 투명 소재/소자와의 융합으로, 궁극의 휴대용 디스플레이로서의 확장이 가능하며,
   컨텐츠의 장착이 가능한 형태로 진화 가능함.

  KIST의 차세대반도체연구소를 기반으로 하는 해당 연구팀은, 센서, 재료, 시스템 등 다양한 분야의 전문가들이 참여한 BT/NT/ET/IT 융합 연구팀으로 2011년부터 스마트 콘택트렌즈 개발을 위한 기술을 기획/연구해 오고 있다. 연구팀은 현재, 구현된 각 요소 기술에 대한 시제품들이 결합된 전체 플랫폼 구성과 전체적 성능향상에 대해 연구를 계속하고 있다. 약 2년 후 결합된 플랫폼 시제품이 도출되게 되면 상용화를 목표로 식약처 인증 절차를 진행 할 예정이다. KIST 송용원 박사는 “이번 연구결과는 스마트 콘택트렌즈의 현실화에 대한 가능성을 보여주어, 우리나라의 관련 분야 세계 기술 선도 및 신시장 창출이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 “개발된 콘택트렌즈는 다양한 질병진단과 신약개발 등을 위한 플랫폼으로 진화할 예정이며, 정보통신 기술 연계로 응용 분야를 확장 할 계획”이라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)에서 지원하는 ‘바이오의료기술개발사업’의 일환으로 수행되었으며, 제작된 시제품은 7월 13일(수)부터 3일간  일산 KINTEX에서 열리는 <2016 NANO KOREA>에 전시될 예정이다.

* 전시제목: 당뇨병 진단을 위한 KIST 스마트 렌즈.

 

○ 참여 연구진
■ Dr. 송용원, 책임연구원, 광전소재연구단, KIST
■ Dr. 최지원, 책임연구원, 전자재료연구단, KIST
■ Dr. 김진석, 책임연구원, 바이오닉스연구단, KIST
■ Dr, 이현정, 선임연구원, 스핀융합연구단, KIST
■ Dr. 이지연, 선임연구원, 화학키노믹스연구센터, KIST
■ Dr. 박재현, 선임연구원, 광전소재연구단, KIST
■ Prof. 강자헌, 안과교수, 강동경희대학교병원
■ Prof. 정인경, 내과교수, 강동경희대학교병원
■ Prof. 김영균, 안과교수, 강동경희대학교병원
■ Prof. 김병섭, 전기전자공학과, 포항공과대학교