Minimally invasive power-free continuous glucose monitoring sensor using full color tunable photonic gel of poly(acrylamide-co-3-fluoro-4-acrylamidophenylboronic acid) operating at physiological pH

전원 없이 작동하는 색변화 기반 연속 혈당 모니터링 센서 개발

– 생리적 조건에서 작동하는 최소침습 포토닉 젤 기술 제안

 당뇨병은 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있는 만성 질환 중 하나로, 환자들은 일상적인 혈당 관리가 필수적입니다. 특히 최근에는 통증 없이, 보다 정확하고 실시간에 가까운 혈당 감지가 가능한 연속 혈당 모니터링(Continuous Glucose Monitoring, CGM) 기술이 각광받고 있습니다.

 이러한 흐름 속에서, 최근 한 연구팀은 전원 없이 작동하며, 눈에 보이는 색의 변화만으로 혈당 상태를 인지할 수 있는 새로운 센서 기술을 개발했습니다. 해당 센서는 인체에 삽입 가능한 최소침습 구조이며, 생리학적 pH 환경(약 7.4)에서 안정적으로 작동하는 것이 특징입니다.

연구의 핵심: 전기 없이 작동하는 포토닉 젤 기반 센서

기존의 연속 혈당 측정 기술은 대부분 전기화학 반응 기반으로 작동하며, 배터리나 보조 회로가 필요합니다. 이로 인해 센서의 크기, 유지 보수, 피부 자극 등의 문제가 발생해 왔습니다.

 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 전기를 전혀 사용하지 않는, 광학 기반 센서가 제안되었습니다.

 핵심 소재는 **poly(acrylamide-co-3-fluoro-4-acrylamidophenylboronic acid)**로 구성된 **포토닉 젤(photonic gel)**입니다. 이 젤은 포도당과 직접 반응하여 구조적으로 팽윤하거나 수축하며, 그 변화는 가시광선 파장 영역의 색 변화로 이어집니다.

 즉, 포도당 농도에 따라 젤의 색이 청색, 녹색, 적색 등으로 변화함으로써 혈당 상태를 시각적으로 식별할 수 있습니다.

최소침습성 및 생체적합성

센서는 **최소침습적(minimally invasive)**으로 설계되어 있으며, 피부 아래 조직액(interstitial fluid)에 접촉하는 방식으로 작동합니다. 이 구조는 기존의 바늘을 찌르는 방식보다 훨씬 낮은 통증을 유발하며, 장기간 착용에 적합한 생체적합성을 갖추고 있습니다.

 또한 사용되는 젤은 **생리학적 pH 조건(7.4) 및 체온(약 37℃)**에서 안정적으로 반응하며, 장시간에 걸쳐 정확한 혈당 감지를 유지할 수 있도록 설계되어 있습니다.

실험 결과 및 성능 지표

연구진은 다양한 농도의 포도당 용액(1~20 mM)을 사용하여 포토닉 젤의 반응성을 평가했습니다.

 그 결과, 젤은 수 초에서 수 분 이내에 농도에 따라 반응하였으며, 다음과 같은 특성을 보였습니다:

•  정량성: 포도당 농도에 따라 반사파장이 일정하게 이동하며, 이를 통해 농도를 시각적으로 식별 가능
•  반복성: 동일한 조건에서 반복 측정 시 재현성 유지
•  감응 속도: 몇 초에서 2분 이내의 빠른 반응 시간
•  감도 범위: 다양한 혈당 구간(0~300mg/dL)에서 명확한 색상 변화 확인

사용자 응용 가능성

이 기술은 시각적 인지를 기반으로 한 방식이기 때문에, 스마트폰 앱이나 이미지 분석 알고리즘과의 연동을 통해 정량적 혈당 수치로 전환될 수 있습니다.

 특히 전기를 필요로 하지 않기 때문에, 웨어러블 기기, 마이크로니들 패치형 CGM, 저소득 국가 의료용 기기로의 응용 가능성이 높습니다.

 또한, 일회용 패치 또는 저전력 스마트 의료기기에 통합될 경우, 배터리 문제를 해결할 수 있는 대안으로 주목됩니다.

향후 과제 및 전망

 해당 기술은 상용화 관점에서 다음과 같은 개선 과제를 남기고 있습니다:

•  정확도 보완: 색 인지에 대한 개개인의 해석 차이 보완을 위한 디지털 보조 기기와의 연계 필요
•  장기 안정성: 체내에서 수일 이상 사용할 수 있는 젤 구조의 내구성 확보
•  제조 단가: 고감도 센서를 저비용으로 대량 생산할 수 있는 공정 개발 필요

 그럼에도 불구하고, 본 연구는 기존 전자식 CGM 시스템의 단점을 보완하고, 무전원/광학 기반의 새로운 혈당 측정 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의의를 가집니다.

마무리

 이번에 제안된 포토닉 젤 기반 무전원 연속 혈당 센서는 당뇨병 환자의 삶의 질 향상뿐 아니라, 의료 접근성이 낮은 지역에서도 활용 가능한 실용성을 보여주고 있습니다.

혈당 관리 기술의 새로운 방향을 제시한 본 연구는, 향후 웨어러블 헬스케어, 스마트 진단 플랫폼, 지속 가능한 의료기기 개발 등의 분야에서도 활발히 응용될 것으로 기대됩니다.

[링크]

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925400525005507