초록 ▼

□ 연구개요
- 본 연구는 당뇨병환자 또는 건강관리용 바이오센서개발로써, 포도당을 무효소 반응을 통한 혈당측정에 응용한 BT, 이를 나노단위인 POSS 물질과 변위변화로 조절해 색변화 및 전자발생을 일으키는 NT, 읽어낸 생체신호를 DB화하고 모바일로 의료현장과 통신하는 IT 기술이 융합된 연구.
- Cage 구조의 POSS (polyhedral oligosilsesquioxane) 하이브리드 기능성
나노물질기반으로 포도당 농도에 민감하게 반응하는 하이브리드형 연속혈당측정시스템의 패치센서 제작연구.

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□ 연구개요
- 본 연구는 당뇨병환자 또는 건강관리용 바이오센서개발로써, 포도당을 무효소 반응을 통한 혈당측정에 응용한 BT, 이를 나노단위인 POSS 물질과 변위변화로 조절해 색변화 및 전자발생을 일으키는 NT, 읽어낸 생체신호를 DB화하고 모바일로 의료현장과 통신하는 IT 기술이 융합된 연구.
- Cage 구조의 POSS (polyhedral oligosilsesquioxane) 하이브리드 기능성
나노물질기반으로 포도당 농도에 민감하게 반응하는 하이브리드형 연속혈당측정시스템의 패치센서 제작연구.

□ 연구 목표대비 연구결과
‣ 본 연구성과계획 : 국내외논문발표 4회, SCI 논문 4편 이상, 특허출원 4건 목표달성
○ 미량의 Glucose를 선택적으로 반응하는 POSS 기반 감지소재 중합
- POSS에 d-glucose 와 ester 결합을 하는 phenyl boronic acid계 분자 및 bioreceptor의 합성 : grafting, branching, blend 등 [현 특허 출원완료 및 논문투고완료 :Sensitive D-glucose recognition by phenylboronic acid functionalized POSS Fluoresence probe,biosensor and bioelectronic, 2018. 현 심사중] 기존 유기화합물 형광염료와 달리 Si-O-Si 구조를 가지고 있어 체내 안정성이 우수하여, 장기적인 진단염료 및 반침습 센서로 사용가능.
- FRET quenching 을 통한 형광발색원리 연구
- Quantum Dot 연구 : nano Zn, Cu, Tin 또는 이들의 화합물을 POSS base probe와의 회합을 통해 고감도 센싱능 연구
POSS-polymer 나노 섬유화 : 전기방사 (Electrospinning) 작업의 최적화
a) 방사용액변수 : 용매, 농도, 첨가제 등의 효과
b) 방사공정변수 : nozzle, 전압, 압력, 온도 등의 효과
-coelectrospinning 법을 이용한 약물전달체 나노섬유의 제조 : core-shell 형태의 나노섬유제조 [6]
- 무효소 센싱기능을 갖는 금속산화물 (Tin Oxide, Titanium oxide, Cooper oxide BaTiO₃ 등) 에 POSS로 합성하여 POSS 기공의 분자쇄를 따라 특이적 전자이동을 유도하여 높은 센싱능을 갖는 형태로 제조
- Layer-by-layer (LBL) 자기박막제조법의 표면형태제어 : 기재 표면에 코팅하는 기술이며, 기재의 형상에 관계없기 때문에 매우 효과적인 기술이다. 나노코팅은 코팅과 구조적인 측면에서 나노입자 또는 나노박막 (다층/복합구조, 층상화합물)을 포함함.

○ 무효소형 자가변색 형광염료 감지제 합성기법 개발
효소를 이용한 센서의 경우, 공기 중에 효소가 산화되거나 활성이 저하되어 센서의 정확성을 낮추는 원인이 됨. 이런 문제를 해결하고자 산화무기물 등 무효소타입의 바이오감지물질이 연구되고 있음. 본 연구에서는 효소를 사용하지 않고, 글루코스와 선택적으로 반응하는 염료 프루브를 합성하고, 미량의 샘플과 반응하도록 나노소자인 POSS 및 그라핀을 이용하여 전기화학적 방식이 아닌 형광발광법 및 색차계를 이용한 바이오센서물질을 연구개발함.
- 글루코오스와 반응하는 기능성 염료 합성, 다양한 R기에 따른 흡수범위 변경
5-(2-Amino-ethylamino)-naphthalene-1-sulphonic acid + aldehyde group
- POSS, Graphene oxide 의 작용기에 염료 부착 : POSS- epoxy group의 개환중합으로 염료와 합성 진행
- On-Off 거동의 센싱능 분석
- Dye-glucose 반응시간의 최소화를 위한 소자 설계진행 (10 sec 이하)
- 색변화를 밤과 낮 시간대에 조명의 종류와 밝기에 관계없는 정확도 부여: 광원이 셀수록 색이 선명하게 나타나는 현상으로 색상 (Hue)의 변화가 최소화되기 위한 레퍼런스 연구 필요함.
- RGB로 표현되는 색변화를 HSV 로 변화시키는 알고리즘 개발 및 광원 세기에 따른 광도 보정 연구 진행

○ 고흡수성 나노섬유 기반 피부패치형 센싱부 개발
- 인간이 느끼지 못하는 미세한 전류를 인가 (0.25mA) → 체액추출 → 피부 체액에 포함하고 있는 미량의 당 (glucose)을 멤브레인에 흡착 → 6시간이내로 일정 수분함유율을 유지 (센싱의 유전율 및 저항값을 유지해야 정확한 측정이 가능/고감도센서를 이용한 측정 진행 및 전자전달체의 독성 최소화 기능 필요) → 전극에서 효소와 반응하여 생성된 H₂O₂ 의 전기적 신호 전송 → 디바이스에 이식된 알고리즘에 통해 신호 분석 및 변환 → 디바이스 화면에 측정치 표시
- 생체조건에서 포도당 감응하는 회절겔 제작 [11] : 다양한 Allyl amonium (AA)단량체 합성, HEMA, AAPBA, AA 합성비율 최적화
- 다양한 sugar 에 대한 회절겔 선택성 분석
- 인체친화성/고흡수성 고분자 합성 및 개질 : grafting, blocking, branching 등
: PAN계(PAN-starch acrylic acid grafted starch / Polyacrylates Copolymers of isobutylene and maleic anhydride), PU계 고분자의 합성 및 표면작용기의 친수화 처리 (ex. cellulose acetate의 deacetylation reaction 및 친수성 고분자를 이용한 표면개질)
- 전분계 고분자와 hydroxyl 계 고분자를 블렌딩 후 acrylic acid 계 가교제를 이용하여, 나노섬유형태를 유지하는 고흡수성 (160 g/g 이상, 목표 300 g/g) 멤브레인 제조
· 효소 함유된 core-shell 나노섬유형 감지소자 설계 : 효소의 산화방지를 위한 연구

° 평가지표 : 식약처 기준 (KFDA인증)
1. sensing accuracy 83% → ≥95% (높은 선형성 보임)2. beginning time (초기안정화 시간) 70 min → 10 min
3. 피부독성유무 유 → 무

○ 저혈당과 고혈당, 동시에 높은 민감도를 갖는 센서 개발
- 저, 종, 고 농도 대에 각각 민감한 센서 어레이의 개발
- 삼변색 동시측정을 통한 3자릿수 농도에 반응하는 센서 어레이의 개발
· Au, Cu/Ni, Cu/Ni/Au 등의 습식에칭 기술 개발 : 저항이 균일한 바이오센서용 하판 전극 기술개발
· Nano metal particles을 접목한 고감도 전극센서개발
· Au, Cu/Ni, Cu/Ni/Au 전극에 맞는 효소용액 제조기법 개발
· 스마트기기용 측정알고리즘 개발 및 회로설계 제작

° 평가지표 : 식약처 기준 (KFDA인증)
1. 측정정확도(Accuracy: CV) 8.0 → ≥ 4.0% 2. sensing accuracy 83% → ≥97%

○ 실시간 연속 혈당센서 프로토콜 개발 및 성능개선
- 체액 내 단백질에 의한 클로깅 방지를 위한 코팅기술 개발
- 주기적 혈당 측정 프로토콜 개발
- 바이오센서의 성능 검증시험: 전기화학적/ 형광측색용 바이오센서 설계 및 제작
· 형광측색기 를 이용한 스마트기기용 측정알고리즘 개발 및 회로설계 제작
스마트기기용 측정기와 전기화학적 바이오센서 호환성테스트 및 센싱 데이터 Fitting

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
‣하이브리드나노물질개발로 고감도, 고선택성, 초소형 및 경량화를 통한 진일보한 연속혈당센서 제작을 가능케하여 보다 쉽고 효과적인 혈당 조절에 기여함으로써 국제적 기술경쟁력 강화에 기여.
‣ 하루에 수차례 채혈하는 고통, 정기적인 병원방문 등의 불편함을 해소할 수 있음.
‣ 고, 저혈당 환자들을 위한 스마트기기 연동 바이오센서개발로 이로 인한 사망률저하, 삶의 질 개선.
‣ 혈당변화 (glycemic variability)가 삶의 질, 당뇨병성 합병증에 미치는 영향에 대한 이해를 증가시켜 이 부분의 학문적 발전을 도모함.
‣ 연속혈당센서의 대중화로 원격진료에 꼭 필요한 핵심원천기술을 제공함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 10
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4) 목표 미달 시 원인 분석(해당 시) ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 11
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 12
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 18
• 끝페이지 ... 27