국내 연구진이 채혈 없이 소량의 땀으로 혈당을 측정하고 혈당 수치에 따라 단계별로 적정량의 약물전달이 가능한 피부부착형 당뇨패치를 개발했다. 지난해 선보인 전기화학센서와 미세 약물침을 결합한 전자당뇨패치에서 진일보했다. 당뇨병 환자들이 혈당측정을 위해 채혈하고, 혈당을 낮추려 인슐린 주사를 맞으며 겪는 고통과 번거로움을 덜어줄 수 있을 것으로 기대된다.
김대형 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 연구위원 연구팀은 기존 당뇨패치보다 적은 양의 땀으로도 혈당측정이 가능하도록 소형화하고 당센서 정확도를 높였다. 센서로 측정된 혈당에 따라 단계별로 적정량의 약물전달이 가능하도록 해 채혈 없이 혈당진단과 약물치료가 가능한 통합 시스템을 구현했다. 사용자 편의를 위해 당 수치만 간편히 측정할 수 있는 스트립(막대)형 센서도 추가 개발했다.
측정을 위해 인위적으로 땀을 발생시키는 것이 번거롭다는 점에 착안한 연구진은 다공성 금으로 당센서를 만들어 민감도를 높이고 소형화했다. 다공성 금 구조는 나노 크기 금 구조체다. 넓은 전기화학적 표면적으로 전기화학 센서 민감도를 높일 수 있다. 연구팀은 전기도금을 활용해 선택 영역에 다공성 금 구조를 만들어 민감한 당센서를 구현할 수 있었다. 금속을 사용하면 이전 연구에서 사용한 그래핀보다 반도체공정으로 쉽게 제작가능한 장점이 있다.
센서는 매우 적은 양인 1㎕(마이크로리터)의 땀으로도 혈당측정이 가능하다. 물 한 방울 크기가 30~50㎕, 가습기에서 나오는 증기 수준 물 한 방울 크기가 2~5㎕인 걸 비교하면 소량이다. 센서 여러 개를 집적해 땀 속 당 농도를 측정한 후 습도·온도·산성도 측정을 활용한 보정으로 정확한 혈당수치를 얻을 수 있다.
연구팀은 두 종류의 상변화 나노입자로 혈당수치에 따라 단계별로 적정량의 약물전달이 가능하도록 했다. 상변화 나노입자는 피부온도보다 높은 온도에서 약물이 전달되도록 한다. 각각 40℃, 45℃에서 약물전달이 가능한 두 종류의 상변화 나노입자를 사용해 혈당수준에 따라 여섯 단계로 약물전달이 가능토록 했다. 미세 약물침에 상변화 나노입자를 넣고 온도센서와 전기히터를 결합한 약물전달 시스템을 당센서와 결합해 통합 시스템을 만들었다.
당뇨는 크게 1형 당뇨와 2형 당뇨로 나뉜다. 제1형 당뇨는 `소아당뇨`라고도 불린다. 인슐린을 전혀 생산하지 못하는 것이 원인이 돼 발생하는 질환이다. 인슐린이 상대적으로 부족한 제2형 당뇨는 혈당을 낮추는 인슐린 기능이 떨어져 세포가 포도당을 효과적으로 연소하지 못하는 `인슐린저항성`이 특징이다. 성인이 주로 걸리는 것으로 고열량·고지방·고단백 식단, 운동부족, 스트레스 등 환경 요인이 크게 작용한다.
연구팀은 실제 2형 당뇨병을 유발시킨 실험용 쥐를 이용해 혈당조절을 확인하고 미세 약물침을 이용한 단계별 혈당조절에 성공했다. 또 사용자 편의성을 고려해 기존 피부부착 패치형 외에도 스트립형 센서를 추가로 개발했다. 피부부착형 당센서는 운동을 하면서 혈당 수치를 측정할 수 있고, 스트립형 당센서는 사용자가 일회용으로 간편하게 측정할 수 있다.
김대형 연구위원은 “환자가 보다 손쉽게 사용할 수 있고 상용화가 가능하도록 기존의 당뇨패치를 개선했다”면서 “당센서와 치료에 적용된 다양한 기술들은 당뇨병 치료 외에도 다양한 질병 모델의 진단과 치료에 광범위하게 활용 가능할 것”이라고 말했다.
연구팀은 향후 당뇨패치 시스템의 안정성과 정확성을 보다 향상시키고 소자단계뿐만 아니라 개발된 모바일 기기와 연동돼 편리하게 사용할 수 있는 비침습적 혈당관리 시스템을 개발할 계획이다.
연구성과는 국제 학술지 사이언스 어드밴시즈(Science Advances) 9일자에 온라인 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
