BOARD

Bio-integrated Electronics Lab.

News

[Research article] 한 번에 건강 확인·치료! 건강 모니터링부터 약물 전달까지, 만능 스마트 패치 개발

페이지 정보

작성자 최고관리자 댓글 조회 작성일 25-01-22 17:51

본문

- DGIST 장경인 교수팀, 접이식 구조를 기반으로 전기적·광학적 심혈관 건강 모니터링과 즉각적 약물 전달이 동시에 가능한 스마트 패치 개발


- 심혈관 질환부터 만성질환까지 실시간 모니터링과 치료가 가능한 지능형 헬스케어 플랫폼으로 발전 기대


연구자

[로봇및기계전자공학과 장경인 교수, 송수정 석박사통합과정생, 이혁준 석박사통합과정생]


DGIST(총장 이건우로봇및기계전자공학과 장경인 교수팀이 실시간 생체신호 모니터링과 약물 전달이 가능한 스마트 패치를 개발했다이 패치는 접이식 구조를 활용해 다양한 센서와 약물 전달 시스템을 하나로 통합했으며심혈관 건강 상태를 실시간으로 확인하고 필요 시 즉각 약물을 투여할 수 있다연구팀은 이 기술이 혈당 관리통증 완화만성질환 치료 등 여러 의료 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대하고 있다.

고령화 사회가 가속화되면서 개인 맞춤형 헬스케어의 중요성이 더욱 강조되고 있다이로 인해 실시간 건강 모니터링과 즉각 치료가 가능한 웨어러블 의료기기에 대한 관심이 높아지고 있다그러나 기존의 웨어러블 기기들은 주로 생체신호 감지나 약물 전달 중 하나의 기능만 제공해 한계가 있었으며얇고 안정적인 구조에 여러 기능을 통합하는 데 기술적 어려움이 있었다.

장경인 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전기적·광학적 생체신호 센서약물 전달 시스템무선 통신 모듈을 접이식 구조로 설계해 하나의 스마트 패치에 통합했다이 패치는 실시간으로 측정한 생체신호를 기반으로 약물을 자동 전달할 수 있어 사용자의 건강 상태에 맞춘 맞춤형 치료를 가능하게 한다.

연구팀은 스마트 패치의 성능을 검증하기 위해 실시간 생체신호 측정과 약물 전달 실험을 진행했다실험 결과심전도와 혈류량을 실시간으로 모니터링하며 심박수 변이도와 맥파 전달 시간을 성공적으로 분석했다더불어수집한 생체신호를 기반으로 자동 약물 투여 기능을 성공적으로 구현했다.

장경인 교수는 "이번 연구에서 개발한 스마트 패치는 생체신호 측정과 약물 전달을 통합한 시스템으로혈압 조절혈당 관리통증 완화만성질환 치료 등 다양한 의료 분야에 활용 가능성이 높으며실시간 맞춤형 치료를 실현할 수 있다", "앞으로 이 기술을 더욱 발전시켜 다양한 의료 분야에 적용할 수 있는 지능형 헬스케어 플랫폼으로 확장할 계획이다"라고 밝혔다.

한편이번 연구는 과학기술정보통신부의 STEAM 연구사업 등의 지원으로 수행됐으며구결과는 국제학술지인 ‘Nature Communications’에 1월 게재됐다.






연구결과개요

Vialess heterogeneous skin patch for multimodal monitoring and stimulation

(Hyeokjun Lee, Soojeong Song, Junwoo Yea, Jeongdae Ha, Saehyuck Oh, Janghwan Jekal, Myung Seok Hong, Chihyeong Won, Han Hee Jung, Hohyun Keum, Sangyoon Han, Jeong Ho Cho, Taeyoon Lee & Kyung-In Jang)

(Nature Communications, on-line published on 14 January, 2025)

본 연구는 웨어러블 의료기기 분야에서 직면한 주요 과제에 대한 혁신적인 접근을 제시합니다첫째시스템급 웨어러블 전자기기는 피부와의 밀착성을 위해 유연해야 하지만시스템급 기능 구현을 위해서는 견고하고 부피가 큰 기능성 부품들을 통합해야 하는 과제가 있습니다둘째기존의 비아홀 공정은 유연하고 신축성 있는 인쇄 전자 제품에 적용할 때 공정 복잡성과 정렬 불일치 등의 한계가 있습니다.

본 연구에서는 접힘 구조를 통해 유연 영역과 변형 강건 영역을 분리하는 개인 맞춤 헬스케어용 스마트 패치를 개발했습니다스마트 패치는 혈역학적 및 심혈관 모니터링을 위한 전기적/광학적 모달리티와 약물 전달을 위한 힘-전기 구동 마이크로펌프 및 제어부를 통합합니다각 구성요소는 약물 전달유연한 도파관 기반 광용적맥파(PPG) 모니터링심전도(ECG) 및 신체 움직임 모니터링을 통해 성능이 검증되었습니다.

특히 개발된 시스템은 생체신호 측정 및 약물 전달을 위해 피부와 접착되는 부분과 이를 처리하고 제어하기 위해 소자들이 통합된 부분을 접힘 구조를 통해 분리함으로써 생체 신호 측정 및 약물 전달 시스템을 효과적으로 통합하였습니다스마트 패치는 피부에 부착되어 변형이 되었을 때소자가 통합된 부분의 최대 변형률이 3%이하로 유지되어 높은 기계적 안정성을 가집니다이를 통해 4-12nL/s의 정밀한 유량 제어가 가능한 마이크로펌프, 70% 이상의 광 전달률을 보이는 유연한 PDMS 도파관 통합이 성공적으로 이루어졌습니다또한무선으로 데이터를 전송하고 실시간으로 측정된 생체신호에 따라 자동으로 약물을 투여할 수 있는 시스템도 구현했습니다.

이처럼 생체신호 측정부터 약물 전달까지 연계된 통합 시스템을 구현함으로써이 기술이 혈압 조절뿐만 아니라 혈당통증만성질환 관리 등 다양한 의료 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.








연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가

본 연구에서는 생체신호 측정 및 약물 전달을 위해 피부와 접착되는 부분과 이를 처리하고 제어하기 위해 소자들이 통합된 부분을 접힘 구조를 통해 분리함으로써생체신호 측정부터 약물 전달까지 연계된 통합 시스템을 개발함. 

Q. 어디에 쓸 수 있나이 스마트 패치 기술은 혈압 관리혈당 모니터링만성질환 치료통증 관리 등 다양한 의료 분야에서 활용될 수 있으며특히 개인 맞춤형 헬스케어 솔루션으로서 큰 잠재력을 가지고 있음.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는

실용화를 위해서는 다양한 산업 분야와의 연계 연구가 필수적이며개인 맞춤형 헬스케어를 위한 후속 연구가 요구됨생체 신호 데이터의 정확성을 높이기 위한 인공지능 진단 알고리즘 개발과 다양한 만성질환에 대응할 수 있는 센서 기술 고도화가 필요하며대량 생산을 위한 제조 공정 최적화와 임상 검증 연구가 병행되어야 함.

Q. 연구를 시작한 계기는

기존 웨어러블 의료기기의 한계를 극복하고유연성과 기능성을 동시에 확보하며개인 맞춤형 헬스케어에 대한 증가하는 수요에 대응하기 위해 연구를 시작하게 되었음.

Q. 어떤 의미가 있는가

이 연구를 통해 개발된 스마트 패치 시스템은 생체 신호 측정과 약물 전달을 동시에 수행할 수 있는 첨단 플랫폼으로기존 웨어러블 의료기기의 한계를 극복하고 개인 맞춤형 의료 서비스의 새로운 가능성을 제시함유연성과 기능성을 동시에 확보한 이 기술은 실시간 생체 신호 모니터링과 자동 약물 전달을 가능하게 하여향후 만성질환 관리정밀 의료원격 의료 등 다양한 의료 분야에 새로운 솔루션을 제공할 것으로 기대됨.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는

앞으로 다양한 만성질환에 대응할 수 있는 센서 기술을 개발하고개인의 생체 정보와 약물 반응성을 예측할 수 있는 정밀 의료 플랫폼을 구축할 것임개인 맞춤형 의료 관리 시스템의 표준화를 위한 연구를 지속할 계획임.








그림설명

[그림 1] 생체신호 측정 및 약물전달을 동시에 수행하는 무선, 피부 접촉식 시스템의 개략도

개략도

(그림설명) a. 스마트 패치 통합 및 접힘