화학공학과 방창현 교수 연구팀(이지현 박사과정, 송진호 연구원, 백상열 박사, 김다완 박사과정, 이헌준 박사과정 참여)은 수컷 물방개의 점착컵을 모사한 점착소재와 이를 기반으로 무전원 방식의 체액 포집과 피부 모니터링이 가능한 피부 부착형 패치 개발하였다.

[1] Science Advances 6월 16일 (IF: 14.136); 무전원 방식의 체액 포집과 피부 모니터링이 가능한 피부 부착형 패치가 개발; Diving beetle–like miniaturized plungers with reversible, rapid biofluid capturing for machine learning–based care of skin disease; 이지현, 백상열 (1저자)/방창현 교수 (교신저자)
[2] Chemical Engineering Journal 5월 7일 (IF: 13.273); 마이크로 크기의 체액 담지 가능한 물방개 점착 모사 피부 및 장기 부착형 패치 개발 “Wet soft bio-adhesion of insect-inspired polymeric oil-loadable perforated microcylinders; 송진호 (1저자)/방창현 교수 (교신저자)

피부의 체액을 이용한 바이오마커 진단은 비침습형으로 주사나 수술 등에 의한 고통과 불편함을 수반하지 않고 감염의 위험을 낮출 수 있어, 많은 주목을 받고 있으며 관련 산업 또한 크게 성장하고 있다. 하지만 피부 계면의 체액을 정확하게 분석하기 위해서는 굴곡지고 거친 피부 표면에도 유격 없이 부착되고, 분석 지표로 사용되는 체액을 손실 없이 빠르게 포집하여 정량적인 분석이 가능하도록 해야 한다. 현재까지 개발된 비침습형 체액 진단 기기들은 대부분 미세유체칩 형태로 이루어져 있는데, 이는 정밀 분석을 위한 개별적인 체액 포집 구조가 없고 반복 사용이 어렵다는 문제가 있다. 또한 외부 전원이 필요한 분석 방법과 고가의 전용 분석 장비를 이용하기 때문에 개인이 이용하기엔 한계가 존재한다.

연구팀은 [1]번 연구에서에서 체액을 분석하는 기존 진단 시스템의 한계점을 해결하고 개선하기 위해, 물방개의 점착 컵을 모사한 무전원 기반의 빠른 체액포집 및 스마트 분석 모니터링 패치를 개발하였다. 또한 점착 컵 내부에 체액 흡수력이 높고, 산성도 변화에 따라 색이 변하는 하이드로젤을 담지해 포집된 체액의 산성도를 별도의 전원장치 없이 분석할 수 있도록 하였다. 또 머신러닝 기반 분석 어플리케이션 개발을 통해 모바일기기로 이미지를 촬영하고, 촬영한 하이드로젤의 색 이미지 데이터(RGB)를 기계 학습하여 피부 산성도를 높은 정확도로 추적할 수 있도록 했다. 나아가 연구팀은 연세대 조승우 교수팀과 공동 연구를 통하여 개발된 패치를 산성도 변화가 동반되는 여드름 질환 모델에 적용, 육안관찰을 바탕으로 약물 처치시점을 판단한 경우보다 더욱 빠른 피부 정상화가 가능함을 확인했다.

또한 연구팀은 [2]번 연구에서 물방개의 앞발에 존재하는 점착컵의 구조와 원리를 밝히고 물방개의 점착 컵을 과학적으로 분석·설계하여 마이크로 크기의 인공 점착 컵을 제작하였고 점착 컵의 내부 흡인력을 극대화하고, 다양한 장기들(피부, 소장, 간 등)에 점착력 높이는 연구를 진행하였다. 또한, 점착 컵 내부 공간에 장기의 점액을 제어하여 장기의 표면에 손상 없이 장시간 점착이 가능한 점착소재를 개발하여 청정 장기 점착소재 및 미끄러지지 않고, 상처를 주지 않는 수술용 그리퍼를 개발하였다. 

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업 및 보건복지부 피부과학 응용소재·선도기술개발사업의 지원으로 진행된 이번 연구의 성과는 Science Advances (Impact Factor 14.136)와 Chemical Engineering Journal (IF: 13.273)에 게재되었다. 

* 좌측부터 방창현 교수, 이지현 박사과정, 송진호 연구원

그림1. 무전원 방식의 체액 포집과 피부 모니터링이 가능한 물방개 점착컵 모사 피부 부착형 패치

그림2. 마이크로 크기의 체액 담지 가능한 곤충 점착 모사 피부 및 장기 부착형 패치