혈당을 측정하는 비침습적 웨어러블 센서

 

(Penn State researchers developed a prototype of a wearable, noninvasive glucose sensor, shown here on the arm. Credit: Jia Zhu)

 당뇨 환자에게 있어 혈당 측정은 가장 고역 중 하나입니다. 한 번 따끔한 것 정도는 참을 수 있는데, 지속적으로 하루에 몇 차례 바늘로 찔러서 피를 얻어야 하기 때문이죠. 그러나 여러 번 혈당을 측정해도 종종 위험한 저혈당이나 고혈당 상태에 빠질 수 있다는 것이 딜레마입니다. 따라서 아예 혈당을 지속 측정할 수 있는 장치에 대한 연구가 꾸준히 이뤄졌고 일부는 상용화된 상태입니다. 

 하지만 지속 혈당 측정 장치에는 저마다 단점이 존재합니다. 피부에 삽입하는 형태의 혈당 측정 장치는 정확도는 높은 편이지만, 결국 몸에 계속 바늘을 삽입하는 방식이라 불편합니다. 패치처럼 붙이는 형태인 경우 착용감이 편하고 부착과 제거가 쉽지만, 대힌 정확도가 떨어집니다. 결국 목표는 정확도가 높으면서도 피부를 찌르지 않는 비침습적 웨어러블 혈당 센서를 개발하는 것입니다. 

 

 펜실베니아 주립 대학의 환유 "래리" 쳉 교수 (Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor in Penn State's Department of Engineering Science and Mechanics)가 이끄는 연구팀은 레이저 유도 그래핀 laser-induced graphene (LIG) 소재를 기반으로 한 패치형 혈당 측정 장치를 개발했습니다. 

 연구팀이 개발한 센서의 원리는 혈액이 아니라 땀 속의 포도당을 측정하는 것입니다. 일반적인 웨어러블 센서의 원리 역시 비슷한데, 어치피 피부를 찌르지 않는 이상 혈당을 직접 측정할 순 없기 때문입니다. 다행히 땀 속의 포도당 수치는 혈당과 비례해서 간접적으로 추정이 가능합니다. 문제는 농도가 100분의 1 수준에 불과하다는 것입니다. 

 LIG 센서는 높은 전기 전도율과 빠른 반응을 보이면서 얇고 가벼워 웨어러블 센서나 혹은 스마트워치 같은 다른 웨어러블 기기에 통합하기에 가장 적합하나 포도당 변화에 별로 민감하지 않다는 문제점이 있습니다. 연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 니켈 - 금 합금 소재를 LIG 센서에 통합해 민감도를 높였습니다. 니켈 - 금 합금 소재는 현재 사용되는 효소식 센서보다 수명이 길고 온도나 pH 변화에 훨씬 안정적이라는 장점이 있지만, 대신 직접 피부에 접촉하기 어렵고 알칼라인 용액이 필요하다는 문제점이 있습니다. 연구팀은 모세관을 사용해 직접 접촉을 피했습니다. 

(Noninvasive glucose monitoring devices are not currently commercially available in the United States, so people with diabetes must collect blood samples or use sensors embedded under the skin to measure their blood sugar levels. Now, with a new wearable device created by Penn State researchers, less intrusive glucose monitoring could become the norm. Credit: Pennsylvania State University)

 연구팀이 개발한 센서는 충분히 작고 구부릴 수 있는 형태로 피부에 쉽게 붙일 수 있습니다. 하지만 상용화를 위해서는 아직 갈 길이 먼 상태입니다. 다만 지속 혈당 모니터링 센서에 대한 수요가 강력하고 이를 개발하려는 노력이 이어지는 만큼 이들이 아니라도 누군가 이 목표에 성공할 것이라고 생각합니다. 전 세계적으로 당뇨환자는 계속 늘어나고 있고 당뇨 환자의 생존 기간도 길어지면서 더 간편한 혈당 모니터링 및 조절방식이 요구되고 있기 때문입니다. 

 참고 

Jia Zhu et al, Laser-induced graphene non-enzymatic glucose sensors for on-body measurements, Biosensors and Bioelectronics (2021). DOI: 10.1016/j.bios.2021.113606

https://medicalxpress.com/news/2021-10-glucose-needles-required.html