그래핀 타투의 미래 These Graphene Tattoos Are Actually Biosensors
유연한 스티커형 패치로 혈압, 스트레스 등을 모니터링할 수 있습니다.
테이블 위에 놓인 손의 네 번째 손가락에는 반지와 투명한 플라스틱처럼 보이는 거의 눈에 띄지 않는 밴드가 둘 다 끼어 있습니다.
2040년이라고 상상해보세요. 당뇨병이 있는 12살 아이가 입에 껌을 넣습니다. 팔뚝에 새긴 임시 문신은 혈류의 설탕 증가를 기록하고 그 정보를 휴대전화로 전송합니다. 이 건강 모니터링 문신의 데이터도 클라우드에 업로드되어 그의 엄마가 그를 계속 지켜볼 수 있습니다. 그녀는 자신만의 임시 문신을 가지고 있습니다. 하나는 운동할 때 땀에 있는 젖산을 측정하기 위한 것이고 다른 하나는 혈압과 심박수를 지속적으로 추적하기 위한 것입니다.
지금 당장은 그런 문신은 없지만, 핵심 기술은 전 세계 연구실에서 연구되고 있으며, 그중에는 매사추세츠 대학교 애머스트 캠퍼스의 제 연구실 도 있습니다 . 이점은 상당합니다. 전자 문신은 사람들이 심혈관, 대사, 면역 체계 , 신경 퇴행성 질환을 포함한 복잡한 의학적 상태를 추적하는 데 도움이 될 수 있습니다 . 미국 성인의 거의 절반이 지금 당장 이러한 질환 중 하나 이상의 초기 단계에 있을 수 있지만, 아직은 그것을 알지 못합니다.
심각한 문제가 나타나기 훨씬 전에 조기 검진과 건강 추적을 가능하게 하는 기술은 더 나은 결과로 이어질 것입니다. 우리는 식단, 신체 활동, 환경 노출, 심리적 상황과 같은 질병과 관련된 요인을 살펴볼 수 있을 것입니다. 그리고 우리는 겉보기에 건강한 개인의 중요한 징후 와 환경의 매개변수를 추적하는 장기 연구를 수행할 수 있을 것입니다. 그 데이터는 혁신적일 수 있으며, 더 나은 치료와 예방적 관리로 이어질 수 있습니다. 하지만 몇 주 또는 몇 달이 아니라 몇 년 동안 개인을 모니터링하는 것은 공학적 혁신, 즉 일반인이 일상적으로 사용할 수 있는 저렴한 센서를 통해서만 달성할 수 있습니다.
이 기술을 구축하는 것이 저의 2D 생체 전자 연구실 에서 그래핀 과 같은 원자적으로 얇은 재료를 연구하는 작업의 동기입니다 . 저는 이러한 재료의 특성이 고급적이고 눈에 띄지 않는 생물학적 모니터에 독특하게 적합하다고 믿습니다. 저희 팀은 누구나 화학적 또는 생리적 생체 감지를 위해 피부에 붙일 수 있는 그래핀 전자 문신을 개발하고 있습니다.
표피 전자 기술 의 부상
껍질을 벗기고 붙이는 센서라는 아이디어는 노스웨스턴 대학교 의 존 로저스 와 그의 팀 의 획기적인 작업에서 나왔습니다 .그들의 "표피 전자 장치"는 최첨단 실리콘 칩, 센서, 발광 다이오드, 안테나, 변환기를 얇은 표피 패치에 내장하여 다양한 건강 요인을 모니터링하도록 설계되었습니다.로저스의 가장 잘 알려진 발명품 중 하나는 중환자실 의 신생아를 위한 무선 스틱온 센서 세트로 , 간호사가 연약한 아기를 돌보고 부모가 아기를 안는 것을 더 쉽게 해줍니다.로저스의 웨어러블 은 일반적으로 두께가 1밀리미터 미만으로 많은 의료 응용 분야에 충분히 얇습니다.하지만 사람들이 수년 동안 항상 착용할 의향이 있는 패치를 만들려면 훨씬 덜 눈에 띄는 것이 필요합니다.
텍사스 오스틴 대학 의 데지 아킨완데 와 난슈 루 교수는 더 얇은 착용형 센서를 찾고 2017 년에 그래핀 전자 문신 (GET)을 개발했습니다. 두께가 약 500나노미터인 최초의 GET는 아이들이 하는 장난기 어린 일시 문신과 똑같은 방식으로 적용되었습니다. 사용자는 폴리머로 지지된 그래핀을 피부로 옮기기 위해 종이에 물을 적시기만 하면 됩니다.
그래핀은 탄소 원자의 단일 층으로 구성된 놀라운 물질입니다. 매우 전도성이 뛰어나고 투명하며 가볍고 강하며 유연합니다. 전자 문신에 사용하면 눈에 띄지 않습니다. 사용자는 피부에서 그래핀의 존재를 느낄 수도 없습니다. 1원자 두께의 그래핀(다른 재료 층과 결합)을 사용한 문신은 인간 머리카락 두께의 약 1/100입니다. 부드럽고 유연하며 모든 홈과 능선을 따라 인체 해부학에 완벽하게 부합합니다.
일부 사람들은 그래핀이 생체적합성이 없고 생체전자 응용 분야에 사용할 수 없다고 잘못 생각합니다. 10년 이상 전, 그래핀 개발 초기 단계에 일부 예비 보고서에서 그래핀 플레이크가 주로 크기와 특정 유형의 그래핀 제조에 사용된 화학적 도핑 때문에 살아있는 세포에 독성이 있다는 것을 발견했습니다 . 그러나 그 이후로 연구 커뮤니티는 산화 시트, 화학 기상 증착을 통해 성장된 그래핀 , 레이저 유도 그래핀을 포함하여 적어도 12가지의 기능적으로 다른 형태의 그래핀이 있으며 그 중 다수는 독성이 없다는 것을 깨달았습니다 . 예를 들어, Nature Nanotechnology 에 게재된 2024년 논문에서는 그래핀 산화물 나노시트를 흡입했을 때 독성이나 부작용이 없다고 보고했습니다 .
우리는 전자 문신을 만드는 데 사용되는 1원자 두께의 그래핀 시트가 완전히 생체적합성이라는 것을 알고 있습니다. 이 유형의 그래핀은 이미 독성의 징후 없이 신경 임플란트 에 사용되었으며, 심지어 신경 세포의 증식을 촉진할 수도 있습니다 . 우리는 수십 명의 피험자에게 그래핀 기반 문신을 테스트했으며, 그들은 부작용을 경험하지 않았고, 사소한 피부 자극도 없었습니다.
Akinwande와 Lu가 2017년에 첫 번째 GET를 만들었을 때, 저는 독일 연구 기관 Forschungszentrum Jülich 에서 생체 전자학 박사 학위를 막 마쳤습니다 . 저는 Akinwande의 연구실에 합류했고, 최근에는 Amherst에 있는 제 연구실에서 작업을 계속했습니다. 저와 협력자들은 GET의 성능을 개선하는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 2022년에 버전 2.0에 대한 보고서를 발표했고 , 기술을 계속해서 발전시켜 왔습니다.
심장병을 위한 전자 문신
세계보건기구 에 따르면 , 심혈관 질환은 전 세계적으로 사망의 주요 원인 이며 , 원인 요인에는 식단, 라이프스타일, 환경 오염이 포함됩니다 . 사람들의 심장 활동(특히 심박수와 혈압)을 장기적으로 추적하는 것은 문제의 징후를 보이는 사람들을 파악하는 간단한 방법이 될 것입니다. 당사의 전자 문신은 이러한 목적에 이상적입니다.
심박수 측정은 근육이 탈분극되고 재분극되어 각 심박수를 생성할 때 심장 조직이 명확한 전기 신호를 생성하기 때문에 더 쉬운 작업입니다. 이러한 심전도 신호를 감지하기 위해 우리는 사람의 피부, 즉 심장 근처의 가슴이나 두 팔에 GET 한 쌍을 놓습니다. 세 번째 문신은 다른 곳에 놓고 기준점으로 사용합니다. 차등 증폭 프로세스라고 알려진 것에서 증폭기는 세 개의 전극 모두에서 신호를 수신하지만 기준 전극과 측정 전극 모두에 나타나는 신호는 무시하고 두 측정 전극의 차이를 나타내는 신호만 증폭합니다. 이런 식으로 우리는 인체의 주변 전기 생리학적 노이즈에서 관련 심장 전기 활동을 분리합니다. 우리는 OpenBCI 와 같은 회사의 기성품 증폭기를 무선 장치에 패키징하여 사용해 왔습니다.
문신을 통해 지속적으로 혈압을 측정하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 저희는 텍사스 A&M 대학교(현재 MIT 링컨 연구소 )의 루즈베 자파리 와 협력하여 UT 오스틴의 아킨완데와 함께 그 작업을 시작했습니다 . 놀랍게도 오늘날 의사들이 사용하는 혈압 모니터는 100년 전 의사들이 사용하던 것과 크게 다르지 않습니다. 여러분도 그런 기기를 직접 본 적이 있을 것입니다. 이 기계는 보통 상완 주위에 두르는 커프를 사용하는데, 커프가 팽창하여 동맥에 압력을 가한 후 잠시 혈류가 멈춘 다음 커프가 천천히 수축합니다. 수축하는 동안 기계는 심장이 동맥을 통해 혈액을 밀어낼 때 박동을 기록하고 최고(수축기)와 최저(이완기) 압력을 측정합니다. 커프는 의사의 진료실에서는 잘 작동하지만, 사람이 움직일 때는 지속적인 판독을 제공하거나 측정할 수 없습니다. 병원에서는 간호사가 밤에 환자를 깨워 혈압을 측정하고, 가정용 기기를 사용하려면 사용자가 적극적으로 수치를 모니터링해야 합니다.
우리는 혈압을 지속적이고 눈에 띄지 않게 측정하기 위해 부착형 GET만을 사용하는 새로운 시스템을 개발했습니다 . 2022년 논문 에서 설명했듯이 GET은 압력을 직접 측정하지 않습니다. 대신 전기적 생체 임피던스 , 즉 전류에 대한 신체의 저항을 측정합니다. 우리는 여러 개의 GET을 사용하여 소진폭 전류(현재 50마이크로암페어)를 주입하고, 이 전류는 피부를 통해 기저 동맥으로 이동합니다. 그런 다음 동맥 반대편의 GET이 조직의 임피던스를 측정합니다. 동맥 내의 혈액의 풍부한 이온 용액은 주변 지방과 근육보다 더 나은 도체 역할을 하므로 동맥은 주입된 전류에 대한 저항이 가장 낮은 경로입니다. 혈액이 동맥을 흐르면서 혈액의 부피는 심장 박동마다 약간씩 변합니다. 이러한 혈액 부피의 변화는 임피던스 수준을 변경하고 이를 혈압과 연관시킵니다.
생체 임피던스와 혈압 사이에는 명확한 상관 관계가 있지만 선형 관계는 아니므로 머신 러닝이 필요합니다. 상관 관계를 이해하도록 모델을 훈련하기 위해 GET을 사용한 피험자의 생체 임피던스와 손가락 커프 장치를 사용한 혈압을 주의 깊게 모니터링하면서 일련의 실험을 실행했습니다. 피험자가 악수 운동을 하고, 손을 얼음물에 담그고, 혈압을 변화시키는 다른 작업을 할 때 데이터를 기록했습니다.
우리의 그래핀 타투는 이 모델 훈련 실험에 없어서는 안 될 것이었습니다. 생체 임피던스는 모든 종류의 전극으로 기록할 수 있습니다. 알루미늄 전극 배열이 있는 손목 밴드가 그 역할을 할 수 있습니다. 그러나 측정된 생체 임피던스와 혈압 간의 상관관계는 너무 정확하고 섬세해서 전극을 몇 밀리미터만 움직여도(손목 밴드를 약간 움직이는 것과 같음) 데이터가 쓸모없게 됩니다. 우리의 그래핀 타투는 기록하는 동안 전극을 정확히 같은 위치에 유지했습니다.
훈련된 모델을 얻은 후, GET을 사용하여 동일한 피험자의 생체 임피던스 데이터를 다시 기록한 다음 해당 데이터에서 수축기, 이완기 및 평균 혈압을 도출했습니다. 이전 연구보다 10배 더 긴 기간인 5시간 이상 지속적으로 혈압을 측정하여 시스템을 테스트했습니다. 측정 결과는 매우 고무적이었습니다. 문신은 혈압 모니터링 손목 밴드보다 더 정확한 판독값을 생성했으며, 그 성능은 IEEE 의 웨어러블 커프리스 혈압 모니터 표준에 따라 가장 높은 정확도 순위를 위한 기준을 충족했습니다.
우리는 진행 상황에 만족하지만, 아직 해야 할 일이 많이 있습니다. 각 사람의 생체 인식 패턴은 고유합니다. 즉, 사람의 생체 임피던스와 혈압 간의 관계는 고유합니다. 따라서 현재 각 피험자에 대해 시스템을 새롭게 교정해야 합니다. 기계 학습 모델이 이러한 신호 간의 일반적인 관계를 설명할 수 있도록 하는 더 나은 수학적 분석을 개발해야 합니다.
다른 심장 바이오마커 추적
American Heart Association 의 지원을 받아 , 저희 연구실은 현재 또 다른 유망한 GET 애플리케이션을 개발하고 있습니다. 동맥 경직도 와 동맥 내 플라그 축적을 측정하는 것입니다. 이 둘은 모두 심혈관 질환의 위험 요소입니다. 오늘날 의사들은 일반적으로 초음파 와 MRI 와 같은 진단 도구를 사용하여 동맥 경직도와 플라그를 검사하는데 , 이를 위해서는 환자가 의료 시설을 방문하고 값비싼 장비를 활용하며, 고도로 훈련된 전문가가 시술을 수행하고 결과를 해석해야 합니다.
GET을 사용하면 의사는 신체의 여러 위치에서 쉽고 빠르게 측정하여 국소적 관점과 전역적 관점을 모두 얻을 수 있습니다. 문신을 어디에나 붙일 수 있으므로 오늘날의 도구로는 도달하기 어려운 주요 동맥(예: 목의 경동맥)에서 측정을 얻을 수 있습니다. GET은 또한 전기적 측정을 매우 빠르게 판독합니다. 그리고 우리는 기계 학습을 사용하여 생체 임피던스 측정을 동맥 경직도와 플라그와 상관시킬 수 있다고 믿습니다. 맞춤형 실험을 수행하고 필요한 데이터를 수집하는 문제일 뿐입니다.
이러한 측정에 GET를 사용하면 연구자들은 동맥 경화와 플라그 축적이 고혈압 발병과 어떻게 관련이 있는지 더 깊이 살펴볼 수 있습니다. 대규모 인구 에서 이 정보를 장기간 추적하면 임상의가 결국 주요 심장병으로 이어지는 문제를 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 그리고 아마도 이러한 질병을 예방하는 방법을 찾는 데 도움이 될 것입니다.
땀으로부터 무엇을 배울 수 있을까?
다른 작업 분야에서, 제 연구실은 땀 바이오센싱을 위한 그래핀 문신을 개발하기 시작했습니다 . 사람들이 땀을 흘리면, 액체가 소금과 다른 화합물을 피부로 옮기고, 센서는 건강이나 질병의 마커를 감지할 수 있습니다. 우리는 처음에는 스트레스, 뇌졸중 및 여러 내분비계 장애 와 관련된 호르몬인 코르티솔 에 집중하고 있습니다. 앞으로는 문신을 사용하여 땀의 포도당 , 젖산, 에스트로겐 및 염증 마커 와 같은 다른 화합물을 감지하고자 합니다 .
여러 연구실에서 이미 땀 바이오센싱을 위한 수동 또는 능동 전자 패치를 도입했습니다. 수동 시스템은 땀의 특정 성분과 반응할 때 색상이 변하는 화학 지표를 사용합니다. 일반적으로 3개의 전극을 사용하는 능동 전기화학 장치는 광범위한 농도에서 물질을 감지하고 정확한 데이터를 생성할 수 있지만, 부피가 큰 전자 장치, 배터리 및 신호 처리 장치가 필요합니다. 그리고 두 가지 유형의 패치 모두 땀 수집을 위해 번거로운 마이크로유체 챔버를 사용합니다.
땀을 위한 GET에서 우리는 그래핀을 트랜지스터 로 사용합니다 . 우리는 특정 표적에 결합하도록 설계된 항체와 같은 특정 분자를 추가하여 그래핀의 표면을 수정합니다. 표적 물질이 항체와 상호 작용하면 측정 가능한 전기 신호가 생성되어 그래핀 트랜지스터 의 저항이 변경됩니다 . 이 저항 변화는 표적 분자의 존재와 농도를 나타내는 판독값으로 변환됩니다.
우리는 이미 식품 독소를 감지하고, 페리틴(철분을 저장하는 단백질)을 측정하고, COVID-19와 독감 바이러스를 구별할 수 있는 독립형 그래핀 바이오센서를 성공적으로 개발했습니다 . 이러한 독립형 센서는 칩처럼 생겼으며, 우리는 그것들을 탁상 위에 놓고 실험을 위해 액체를 떨어뜨립니다. 미국 국립과학재단 의 지원을 받아 , 우리는 이제 이 트랜지스터 기반 감지 방식을 땀과 직접 접촉하도록 피부에 붙일 수 있는 GET 웨어러블 바이오센서에 통합하고 있습니다.
또한, GET에 미세구멍을 추가하여 물의 이동을 가능하게 하여 GET를 개선했습니다. 땀이 GET 아래에 축적되어 기능을 방해하지 않습니다. 이제 땀샘에서 문신으로 충분한 땀이 나오도록 하여 표적 물질이 그래핀과 반응할 수 있도록 노력하고 있습니다.
그래핀 타투의 미래
기술을 사용자 친화적인 제품으로 전환하려면 몇 가지 엔지니어링 과제가 있습니다 . 가장 중요한 것은 이러한 스마트 전자 타투를 기존 전자 네트워크에 통합하는 방법을 알아내야 한다는 것입니다. 현재로서는 GET을 표준 전자 회로 에 연결하여 전류를 공급하고 신호를 기록하며 정보를 전송하고 처리해야 합니다. 즉, 타투를 착용한 사람은 무선으로 데이터를 전송하는 작은 컴퓨팅 칩에 연결해야 합니다. 앞으로 5~10년 동안 전자 타투를 스마트 워치 에 통합하고자 합니다 . 이 통합에는 유연한 그래핀 타투를 스마트워치의 단단한 전자 장치에 연결하는 하이브리드 상호 연결이 필요합니다.
장기적으로, 저는 2D 그래핀 소재가 완전 통합 전자 회로, 전원 및 통신 모듈에 사용되는 것을 상상합니다. Imec 및 Intel 과 같은 마이크로 전자 거대 기업은 이미 실리콘 대신 2D 소재 로 만든 전자 회로 및 노드를 추구하고 있습니다 .
아마도 20년 후에는 연조직과 통합할 수 있는 2D 전자 회로가 생길 것입니다. 피부에 내장된 전자 장치가 건강 관련 바이오마커를 지속적으로 모니터링하고 미묘하고 사용자 친화적인 디스플레이를 통해 실시간 피드백을 제공한다고 상상해 보세요. 이러한 발전은 모든 사람에게 편리하고 비침습적인 방식으로 정보를 얻고 자신의 건강을 적극적으로 관리하여 인간의 자기 지식의 새로운 시대를 열 것입니다.
These Graphene Tattoos Are Actually Biosensors
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