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성능 업그레이드 구현 차세대 의료기 신소재 개발
자가 치유 소재 웨어러블 센서·3차원 촉각 인식 장치 등 등장
[기사입력 2020-01-23 06:42]

차세대 의료기기 상용화에 기여할 신소재 개발이 잇따라 이뤄져 기대감을 높이고 있다.

23일 업계에 따르면 초고속 자가 치유 소재의 웨어러블 센서 및 3차원 촉각 인식 장치 등이 국내 연구진에 의해 개발돼 차세대 의료기기 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

한국화학연구원 황성연·박제영 박사팀은 강원대 최봉길 교수팀과 함께 초고속 자가 치유 소재를 활용한 땀 성분 측정 웨어러블 센서를 개발했다.

의료용 웨어러블 기기는 땀, 맥박, 혈류 등 신체 정보를 측정해 질병 진단에 활용하는데, 걷기나 달리기 등으로 센서가 손상되면 성능이 떨어진다.

화학연 연구팀은 구연산과 숙신산 등 친환경 화합물로 새로운 초분자 중합체를 만들었다.

초분자 중합체는 수소결합 등을 통해 자가치유 특성을 갖는 고분자다. 수소결합은 기계적 강도가 세고 분자 간 인력이 강해 떨어졌다가도 다시 붙는 성질이 강하다.

강원대 연구팀이 이 초분자 중합체로 감싼 실 형태 땀 측정 센서를 헤어밴드에 적용하고 50분 동안 자전거 타기 실험을 진행한 결과, 땀의 전해질 농도를 정확하게 측정해 냈다.

운동 중 센서를 잘랐더니 20초 만에 자가 치유돼 정상적으로 작동했다.

평균 자가 치유 시간은 30초로, 세계 최고 속도를 보유한 중국 쓰촨대(2분)보다 4배 이상 빠른 수준이라고 연구팀은 설명했다.

황성연 박사는 "이번에 개발한 땀 측정 센서로 칼륨, 나트륨, 수소 농도를 측정해 심근경색·근육 경련·저나트륨혈증 등 진단에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

국내 연구진이 세포의 미세한 움직임까지 감지할 수 있는 3차원(D) 촉각 인식장치를 개발, 심장박동·혈압 등 모니터링 장치 개발에 한걸음 내디뎠다.

기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단 박장웅 연구위원팀이 연세대·한양대·KAIST 연구팀과 함께 큰 힘부터 초미세 압력까지 감지하는 촉각 인식장치를 개발한 것이다.

이 장치는 피부에 전극을 가해 전류를 간접적으로 측정하는 게 아니라 압력을 직접 측정하는 방식이다.

연구팀은 압력에 따라 두께가 변하는 물질을 이용해 이웃한 센서 간 간섭 없이 조밀하게 센서를 배열하는 데 성공했다.

연구팀은 사람 머리카락 굵기보다 작은 면적에 센서 400개를 배열하고 장치가 잘 작동하는지 실험했다.

특히 압력을 감지하면 스스로 빛을 내는 화학물질을 촉각 인식장치에 결합해 촉각 분포를 눈으로 볼 수 있도록 했다.

실험 결과 몸무게 50㎏인 사람이 반지름 1㎝ 굽이 달린 구두를 신고 인식장치를 밟았을 때의 압력은 사람 심장세포 하나가 박동할 때 압력의 1000배에 달하는 것으로 확인됐다.   

발걸음부터 세포 움직임까지 넓은 스펙트럼으로 힘을 감지할 수 있어 기존 인식장치보다 정밀도를 100배 이상 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

박장웅 연구위원은 "3D 촉각 인식기술을 이용해 질병 진단에 활용할 수 있는 심장 박동과 혈압 등을 모니터링하는 장치를 개발할 계획"이라고 말했다.

국내 연구진이 정밀 검사 결과가 최대 2달까지 걸리는 폐결핵을 신속히 진단할 수 있는 '슬림칩' 기술을 개발했다.

서울아산병원 감염내과 김성한 교수팀은 호흡기내과 이세원 교수, 융합의학과 신용교수, 세브란스병원 호흡기내과 강영애 교수팀과 함께 폐결핵 신속 검사 단계에서 얇은 필름 한 장으로 폐결핵을 기존보다 2배 이상 정확하게 진단해내는 '슬림칩' 기술을 개발했다.

연구팀이 슬림칩 기술을 실제 신속 검사 단계에 적용한 결과 검사의 민감도는 약 84%, 특이도는 약 87%로 나타났다.

민감도는 실제로 질병이 있을 때 질병이 있다고 진단할 확률을 의미하며, 특이도는 실제로는 질병이 없을 때 질병이 없다고 진단할 확률이다.

연구팀이 기존 신속 검사법인 분자 진단검사(Xpert MTB/RIF)로 폐결핵 환자를 진단한 결과 검사 특이도는 100%였지만 민감도가 37%인 것으로 나타났다.

슬림칩을 이용한 검사법이 기존 검사법과 특이도는 크게 차이나지 않았지만 민감도는 2배 이상 높아, 폐결핵이 있는 환자들을 2배 이상 잘 찾아낸 것이다.

연구팀이 개발한 슬림칩(SLIM assay)은 손바닥만 한 얇은 필름으로 환자의 객담(가래)을 필름에 흘려보내면 필름 내에서 결핵균이 농축되고 바로 그 농축된 결핵균에서 핵산(DNA)까지 추출해내 폐결핵 진단을 돕는다. 소요 시간도 기존 신속 검사법과 비슷한 2~3시간 정도밖에 걸리지 않는다.

폐결핵을 정밀 검사하기 위해서는 환자의 객담을 채취해 결핵균을 배양하는 객담 배양 검사를 하는데 약 6~8주라는 긴 시간이 소요되기 때문에 신속 검사도 실시한다.

하지만 그 동안 검사 민감도가 높지 않아 의사가 환자 증상을 보고 임상적 판단에 의해 약물을 처방하는 경우가 많았다.

추후 슬림칩 기술이 상용화되면 정밀 검사 결과가 나오기 전에 정확한 근거를 바탕으로 빠르게 폐결핵 치료에 들어갈 수 있을 것으로 연구팀은 기대했다.

신용 교수는 "슬림칩처럼 병원균 농축과 핵산 추출을 동시에 하는 시료전처리 기술은 전 세계적으로도 없다"며 "얇은 필름 한 장만을 이용하기 때문에 기존 분자 진단 신속 검사법과 소요 시간은 비슷하면서도 비용이 10분의 1정도로 저렴할 것으로 기대된다"고 말했다.

그는 이어 "객담 뿐만 아니라 다양한 임상 시료에서도 병원균 농축 및 추출이 가능하기 때문에 다양한 질환을 진단하는 데 적용이 가능하다"고 덧붙였다.


김양순 기자  ehealth@e-healthnews.com
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