Special 창간 37주년 기념 특집 : 첨단 바이오 융합소재 개발 동향과 미래 전망(2)

내부 장기를 모니터링하는 최신 웨어러블 연구 동향

구자현_고려대학교 바이오의공학과 교수 

한승훈_고려대학교 바이오의공학과 석박통합과정

김수민_고려대학교 바이오의공학과 석박통합과정 

1. 서론

피부는 신체의 가장 바깥쪽 기관으로, 신체와 외부 환경 사이의 첫 번째 장벽 역할을 한다. 피부는 질병과 외상을 유발하는 외부 물질로부터 신체를 물리적, 생물학적, 화학적으로 보호하는 중요한 장벽 역할을 한다. 또한 피부는 체온 조절을 돕고 심박수와 같은 필수 대사 활동을 유지하며, 생명 유지에 필수적인 수분 증발을 방지하는 데 중요한 역할을 한다. 더불어 체내 칼슘 흡수를 촉진하는 중요한 영양소인 비타민 D를 생성하여 신경계와 면역계의 기능을 지원한다. 다양한 센서와 외부 기기를 이용하여 체내 정보를 관찰하는 기술적 측면에서 피부는 신체의 가장 바깥쪽에 위치하고 넓은 표면적을 지니고 있어 웨어러블 측정에 매우 이상적인 기관이다. 피부를 모니터링하는 웨어러블 기기는 침습적 시술 없이도 질병의 조기 진행을 감지하여 적절한 치료를 시작할 수 있으며, 이러한 조치는 치료 기간을 효과적으로 줄이고 잠재적인 부작용을 최소화하며 환자의 전반적인 삶의 질을 향상시킬 수 있다. 따라서 피부를 관찰하는 것은 신체의 건강 정보를 이해하는데 매우 중요하다.

  과거에는 내부 장기에 문제가 생기면, 생리적 현상들에 의해 혈압, 체온 등의 변화가 발생하고, 피부를 통해 혈압, 체온 등의 병리현상의 결과들을 피부에서 관찰함으로써, 간접적으로 어떤 장기의 문제가 있을 것이라고 예측했다면, 최근에는 내부 장기를 직접 모니터링하는 방향으로 확장되고 있다. 이에 따라 다양한 방식의 기술이 피부에서 내부 장기를 모니터링하는 데 개발되고 있다. 예를 들어, 심장이나 뇌처럼 전기생리학적 신호를 생성하는 기관은 이 신호를 측정함으로써 장기의 상태를 평가할 수 있다. 위나 방광처럼 저장 기능을 하는 기관은 전극 배열을 통해 서로 다른 위치에서 임피던스를 측정함으로써 부피 변화를 정량화할 수 있다. 한편, 산소나 소변 등 물질의 운반을 담당하는 폐나 신장 같은 기관은 이동하는 물질을 분석하여 상태를 확인할 수 있다. 이처럼 장기들은 고유한 물리적, 화학적 변화를 두므로, 해당 장기의 환경에 맞는 웨어러블 센서의 설계가 매우 중요해지고 있다.

2. 내부 장기의 정밀측정 필요성

이처럼 피부를 통해 내부 장기의 건강 정보를 지속적으로 얻는 것이 가능해지고, 웨어러블 기기를 통한 지속적인 모니터링은 기존 임상 진단의 패러다임을 변화시켜 조기 진단과 정밀 의료를 가능하게 할 것이다. 예를 들어, MIT CSAIL 연구소의 연구팀이 개발한 “MuscleRehab” 시스템은 웨어러블 전기 임피던스 토모그래피(Electrical Impedance Tomography, EIT) 센서와 동작 추적 가상현실 (Virtual Reality, VR) 수트를 결합하여, 웨어러블 옷의 표면에서 측정되는 신호를 이용하여 사용자의 심부 근육 활성도와 움직임을 동시에 3차원으로 시각화하였다. 본 착용형 기기는 환자 맞춤형 골·근육계의 재활 치료에 사용할 목적으로 개발되고 있으며, 실제로 이 시스템을 사용한 결과, 비전문가의 운동 정확도를 15% 향상 시킨다는 흥미로운 연구 결과가 발표 되었다.

그림 1. 착용자가 VR상 아바타 옆에서, 다리 근육(예: 대퇴사두근, 햄스트링 등)의 활성 부위를 색상으로 시각화하여 보여주는 실험 결과 (MIT CSAIL, October 11, 2022).

  하지만 각 장기는 뼈로 보호되거나 주변 장기의 움직임, 신호 등의 간섭 등으로 인해 정밀한 측정에는 여전히 한계가 있다. 이를 극복하기 위해, 각 장기에 맞는 기술과 소재를 활용한 다양한 웨어러블 장치들이 연구되고 있으며, 필요한 경우 내부 장기를 손상하지 않고, 내시경 등을 이용하거나 최소 침습적으로 장기의 표면(epi-organ)에 접근하여 부착하고 나오는 센서 등이 개발되고 있다.

2.1 순환기 계통

인체의 순환계는 심장을 중심으로 혈액을 순환시켜 온몸에 산소와 영양분을 공급하고 노폐물을 제거하는 중요한 역할을 한다. 그중에서 심장은 혈액을 공급하는 역할뿐만 아니라, 심박수를 조절하여 대사 조절에도 중요한 역할을 한다. 스트레스나 운동 시에는 심박수가 증가해 빠르게 산소와 영양분을 인체 구석구석 공급할 수 있게 된다. 이처럼 중요한 심장 활동을 모니터링하는 가장 기본적인 방법은 심전도(electrocardiogram, ECG)이다. 그러나 피부의 거칠기로 인해 전극과의 접촉이 불량해지고 노이즈가 신호에 유입되어 정확한 진단에 방해가 된다. 따라서 피부에 밀착되어 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise Ratio, SNR)를 제공할 수 있는 유연한 장치가 필요하다. 일반적인 금속 전도체는 강성이 있어 이에 적합하지 않아, 이를 해결하기 위해 최근 액체 금속 기술이 주목받고 있다. 액체 금속은 특정 온도 이상에서 액체 상태를 유지하는 금속으로, 고유의 유연성과 자가 치유 특성, 내구성이 우수한 특징을 지니고 있다. 상온에서 사용하기 위해서는 녹는점이 낮아야 하며, 갈륨(Ga)은 낮은 녹는점(30℃)을 가진 대표적인 액체 금속이다. 더욱이 갈륨에 인듐(In)이나 주석(Sn)을 혼합하면 순수 갈륨보다 낮은 녹는점을 구현할 수 있다. 또한, 갈륨은 낮은 독성과 낮은 증기압 덕분에 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 수은(Hg) 등 다른 낮은 녹는점을 가진 액체 금속보다 취급이 안전하다. 

  이를 이용하여, Alberto[1]는 액체 금속을 활용한 전자 타투를 개발하여 ECG를 측정했다(그림2). Eutectic Gallium–Indium (EGaIn)을 기반으로 한 회로는 타투 종이에 패터닝 되었다. EGaIn 액체 금속 전극은 높은 계면 정전용량과 낮은 계면 저항을 제공하여 우수한 신호 민감도를 구현하였다. 심박수 신호 및 분당 심박수(beats per minutes, BPM)는 블루투스를 통해 전송되었다 (그림 2). 

그림 2. 액체 금속을 프린팅하여 피부에서 심전도(ECG) 신호와 심박수를 관찰하는 배터리 없이 무선으로 측정하는 센서 [1].

  액체금속 이외에도 그래핀은 높은 전기전도성과 유연성을 가지고 있어 ECG 전극으로 사용되기 적합하다. 그러나 복잡한 제조 공정으로 인해 여전히 비용이 높아 상용화 장벽이 있었다. Rachim[2]는 간단한 레이저 가공법을 이용해 그래핀 전극을 제작했다. 폴리이미드(polyimide, PI)는 CO₂ 레이저 조사 시 흑색의 그래핀으로 변환되는 성질이 있어, 이를 이용해 전극을 형성한 후, 인간 피부와 유사한 탄성을 가진 실리콘 재질인 드래곤 스킨 위에 전극을 부착했다. 해당 그래핀 패치로 측정한 ECG는 기존 Ag/AgCl 전극과 유사한 결과를 보여주었다.

  폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)는 투명하고 유연하며 생체적합성이 뛰어나 웨어러블 장치의 캡슐화 층으로 주로 활용되고 있다. 그러나 전기전도성이 없어 전극으로 사용하기 위해서는 금속 입자나 탄소 나노소재를 혼합해야 한다. Chung[3]은 탄소 블랙과 PDMS를 혼합하여 신생아 및 소아 집중치료실에서 정밀하게 ECG를 측정할 수 있는 유연 전극을 개발하였다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>