KR102031669B1 - 생체신호 측정 및 약물 전달이 동시에 가능한 바이오센서 및 그 제조방법 - Google Patents

생체신호 측정 및 약물 전달이 동시에 가능한 바이오센서 및 그 제조방법

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Abstract

생체신호 측정 및 약물 전달이 동시에 가능한 바이오센서 및 그 제조방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 바이오센서는, 플렉시블한 형태를 가지고 체내에 삽입되어 센서를 통한 생체신호 측정 및 체내로의 약물 전달이 동시에 가능한 니들과, 플렉시블한 형태를 가지며 니들에 마련되어 생체신호를 측정하는 센서를 포함한다.

Description

생체신호 측정 및 약물 전달이 동시에 가능한 바이오센서 및 그 제조방법 {Biosensor capable of measuring biological signals and delivering drugs simultaneously and manufacturing method}
본 발명은 체내에 침습하여 생체신호를 모니터링하는 기술에 관한 것이다.
혈당, 젖산, 콜레스테롤, Na+ 및 Ka+ 등과 같은 다양한 종류의 생화학 물질의 농도와 ECG, EMG, 혈압 등의 생리학적 정보를 실시간으로 모니터링하기 의료용 생체정보 측정 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 종류의 생체신호를 높은 정확도를 가지고 측정하기 위해서는 센서를 플렉시블(flexible) 하게 제작하여 체내로 삽입하여야 한다. 그러나 기존에 연구되고 있는 박막 형태의 센서는 너무 유연한 특성을 가지므로, 피부를 뚫을 수 있는 강도를 가지지 못한다. 따라서, 이러한 종류의 센서를 체내로 삽입하기 위해서는 별도의 수술 과정이 필요하기 때문에, 병원을 방문해야 하는 시간뿐만 아니라, 별도의 비용이 추가로 발생할 수 있다.
KR 10-2016-0034246 KR 10-2017-0040918 KR 10-2016-0034246
일 실시 예에 따라, 별도의 수술 과정 없이 손쉽게 체내에 삽입할 수 있는 바이오센서 및 그 제조방법을 제안한다.
일 실시 예에 따른 바이오센서는, 플렉시블한 형태를 가지고 체내에 삽입되어 센서를 통한 생체신호 측정 및 체내로의 약물 전달이 동시에 가능한 니들과, 플렉시블한 형태를 가지며 니들에 마련되어 생체신호를 측정하는 센서를 포함한다.
니들은 체내에 삽입되는 의료용 피하바늘 또는 의료용 카테터일 수 있다. 니들은 속이 빈 중공을 가질 수 있다. 이때, 속이 빈 중공은, 체내에서 체액을 채취하기 위한 체액 수집 통로와, 체내로 약물을 주입하기 위한 약물 주입 통로를 포함하며, 체액 수집 통로 및 약물 주입 통로는 물리적으로 동일한 공간이거나 물리적으로 분리된 공간일 수 있다.
센서는 플렉시블 박막과, 플렉시블 박막의 상부에 형성된 전극과, 플렉시블 박막 및 전극 상부에 부분적으로 코팅된 코팅층과, 코팅된 플렉시블 박막을 니들 상부에 장착하여 고정하기 위한 접착층과, 니들을 보호하기 위한 보호층을 포함할 수 있다.
바이오센서는 니들과 센서로 구성되는 센서부와 연결되는 바디부를 더 포함하며, 센서부는 바디부와 탈부착 가능하여 새로운 것으로 교체 가능하다.
바디부는, 센서를 통해 감지된 생체신호를 신호처리하여 생체정보를 획득하는 제어부와, 약물을 수용하며 니들의 약물 주입 통로와 연결되어 니들에 약물을 전달하는 약물 보관부와, 약물 보관부에 약물을 주입하며 주입되는 약물 주입량을 결정하는 약물 주입부를 포함할 수 있다. 약물 보관부는 교체 가능하다.
제어부는, 센서의 전기적 신호를 측정 및 제어하고, 약물 주입을 제어하면서 전기적 신호 처리가 가능할 수 있다.
바이오센서는 니들에 센서를 부착하기 위한 접착층을 더 포함할 수 있다.
바이오센서 제조방법은, 기판 상부에 플렉시블 박막이 코팅되는 단계와, 플렉시블 박막 상부에 전극이 형성되는 단계와, 플렉시블 박막 및 전극 상부에 부분적으로 코팅층이 코팅되는 단계와, 전극 및 코팅층이 형성된 플렉시블 박막이 기판으로부터 박리되는 단계와, 박리된 플렉시블 박막이 니들 위에 장착되어 고정되는 단계와, 보호층이 형성되는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면 별도의 수술 과정 없이 센서를 손쉽게 체내에 삽입할 수 있다. 예를 들어, 기존의 가이드 니들을 통한 카테터 삽입과정을 통해 센서를 삽입할 수 있다. 기존의 피하바늘 또는 의료용 카테터와 같은 니들에 센서를 부착하기 때문에 복잡한 공정 방법 없이 제작이 용이하다.
나아가, 생체신호를 측정하면서 동시에 약물 전달이 가능하다. 예를 들어, 니들의 속이 빈 중공을 통해 체내로부터 체액을 채취하여 생체신호를 측정하면서 약물을 체내에 전달할 수도 있다. 또는 체내에 약물을 전달하면서 생체신호를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서의 구성을 도식적으로 보여주는 구조도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 센서부의 구성을 도식적으로 보여주는 구조도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서를 체내에 삽입했을 때의 모습을 보여주는 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서 제조방법을 도시한 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서 제조방법에 의해 제조되는 바이오센서를 보여주는 구조도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서의 구성을 도식적으로 보여주는 구조도이다.
도 1을 참고하면, 바이오센서(1)는 센서부(10)를 포함하며, 센서부(10)는 니들(100)과 센서(102)를 포함한다. 바이오센서(1)는 바디부(12)를 더 포함할 수 있고, 센서부(10)는 바디부(12)에 탈부착 가능하다.
니들(100)은 체내에 삽입될 수 있도록 마이크로 단위의 크기를 가진다. 또한 니들은 플렉시블한 형태로서 유연한 소재로 이루어진다. 이때, 니들(100)은 유연한 특성을 가지되 피부를 뚫을 수 있는 강도를 가진다. 니들(100)은 체내에 삽입되는 의료용 피하바늘 또는 의료용 IV 카테터일 수 있다. 카테터는 체내에 삽입하여 체액을 끌어내거나 약물을 주입하려고 할 때 쓰는 도관이다.
일 실시 예에 따른 니들(100)은 속이 빈(hollow) 중공(hole)(104)을 가진다. 중공(104)은 체내의 체액을 채취하기 위한 체액 수집 통로와 생체 내 약물을 주입하기 위한 약물 주입 통로로 사용된다. 체액 수집 통로 및 약물 주입 통로는 물리적으로 동일한 공간일 수 있고 물리적으로 분리된 공간일 수도 있다.
센서(102)는 플렉시블한 형태로 니들(100)에 마련된다. 센서(102)는 도 1에 도시된 바와 같이 니들(100) 위에 마운트 될 수 있다. 이를 위해, 센서(102)는 전극이 형성된 플렉시블 박막이 니들(100) 상부에 장착되어 고정될 수 있다. 센서(102)는 생체신호를 측정한다. 예를 들어, 혈당, 젖산, 콜레스테롤, 전해질 등의 생체물질을 검출하거나 생체물질에 의한 전기적인 신호를 측정한다. 이하, 설명에서 전기신호를 생체신호라 총칭한다. 니들(100)이 신체의 피부로 침습하여 체액을 채취하면 체액은 니들(100)의 내부를 통해 센서(102)로 전달되며, 센서(102)는 체액 내 생체물질을 검출하거나 생체물질에 의한 생체신호를 측정한다. 생체물질은 혈당, 젖산, 콜레스테롤, Na+ 및 Ka+ 등일 수 있다. 니들(100)을 통해 채취한 세포 간질액을 가지고 생체물질을 얻을 수 있다. 또한, 센서(102)는 생체물질에 의해 발생하는 전기신호인 생체신호를 측정할 수 있다. 생체신호는 생체물질의 농도일 수 있다. 예를 들어, 혈액 내 포도당. 즉, 혈당이라는 생체물질에 의해 센서(102)에서 발생하는 전기적인 신호 값인 혈당 수치를 생체신호로 얻을 수 있다. 센서(102)는 생체물질의 농도뿐만 아니라, ECG, EMG, 혈압 등의 생체신호를 측정할 수 있다. 생체신호를 측정하기 위해 센서(102)는 복수의 전극을 포함할 수 있다.
니들(100) 및 센서(102)는 집적화되는데, 접착층을 이용하여 니들(100)에 센서(102)가 부착될 수 있다. 니들(100) 및 센서(102)가 집적화된 센서부(10)가 플렉시블한 형태를 가짐에 따라, 간단한 바늘 삽입과정을 통해 별도의 수술 과정 없이 손쉽게 체내로 삽입할 수 있다. 기존의 가이드 니들을 통한 카테터의 삽입과정을 통해 삽입하는 것도 가능하다. 또한, 기존의 의료용 IV 카테터 등에 센서를 부착하기 때문에 복잡한 공정 방법 없이 제작 가능하다. 의료용 IV 카테터는 별도의 가이드 니들과 함께 혈관 등에 삽입된 상태로 그 가이드 니들을 제거한 후 피부에 잔존한다. 나아가, 니들(100) 내부의 중공(104)을 통해 약물을 체내로 전달하는 것이 가능하다. 약물은 영양제를 포함한다. 센서부(10)는 필요에 따라 수명을 다할 경우, 새것으로 교체 가능하다.
니들(100)은 플렉시블한 형태로 체내에 삽입되어 센서(102)를 통한 생체신호 측정 및 약물 전달이 동시에 가능하다. 예를 들어, 니들(100)을 통해 체액을 채취하고 센서(102)를 통해 생체신호를 측정하면서 필요 시에 약물을 전달한다. 필요 시는 측정 중에 이상이 발생한 경우로, 예를 들어 생체신호 측정을 통해 혈당량에 문제가 발생했다면 혈당량을 조절할 수 있는 약물을 투입한다. 다른 예로, 약물을 전달하다가 센서(102)를 통해 체내 임피던스가 감지되면 생체신호를 측정할 수 있다. 이때 감지되는 임피던스의 변화가 미리 설정된 값 이상이거나 감지된 임피던스 크기가 미리 설정된 값일 경우 생체신호를 측정할 수 있다.
센서부(10)는 니들(100)을 고정하기 위한 고정부(106)를 더 포함할 수 있다. 고정부(106)는 지그(jig)일 수 있다. 고정부(106)는 피부에 접촉되어 니들(100)의 삽입이 원활하도록 도운다. 바디부(12)는 센서부(10)와 연결되며, 센서부(10)는 바디부(12)와 탈부착 가능하다. 일 실시 예에 따른 바디부(12)는 제어부(124), 약물 보관부(120), 약물 주입부(122) 및 하우징(126)을 포함하며, 메모리, 출력부 및 통신부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
제어부(124)는 바이오센서(1)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 구성이다. 일 실시 예에 따른 제어부(124)는 센서(102)를 통해 감지된 생체신호를 신호처리하여 생체정보를 획득한다. 제어부(124)는 센서(102)에서 생성된 신호에 기초하여 측정하고자 하는 대상 물질의 농도를 산출할 수 있다. 제어부(124)는 센서의 전극이 인가한 전압에 따른 전류를 생체신호로서 측정하면, 측정된 전류량을 이용하여 대상물질의 생체정보를 산출한다. 즉, 인가전압에 대응하여 감지된 전류량을 연산하여 대상물질의 생체정보를 산출할 수 있다. 예를 들어, 혈액 내 포도당, 즉 혈당이라는 생체물질에 의해 센서(102)에서 발생하는 전기적인 신호 값은 혈당 수치라는 생체신호 값에 해당하고, 혈당 수치를 표준 수치 등과 비교하여 상대적으로 높은지 낮은지를 나타내는 고혈당 또는 저혈당이 생체신호를 해석한 생체정보에 해당한다. 또한, 체내에 전압을 인가하지 않더라도 체내 전기적 신호, 예를 들어 ECG, EMG 등을 센서(102)를 통해 측정하는 것이 가능하다.
일 실시 예에서, 제어부(124)는 신호처리회로와 연산부를 포함할 수 있다. 신호처리회로는 ADC(Analog Digital Converter)를 포함할 수 있다. ADC를 통해 전류 값을 입력받고 이를 디지털 값으로 변환한다. 연산부는 ADC에서 출력한 디지털 전류 값을 이용하여 대상 물질의 농도 값을 출력한다. 그리고 산출된 농도 값은 메모리에 저장될 수 있다. 니들(100) 위에 마운트되어 있는 센서(102)는 신호처리회로와 연결될 수 있다.
산출된 농도 값은 바이오센서(1)에 마련된 출력부에서 표시되거나, 바이오센서(1)의 통신부를 통해 외부 장치로 전송될 수 있다. 이 경우, 예컨대 스마트폰과 같은 장치에서 혈당량을 확인할 수 있게 된다.
제어부(124)는 체내로부터 생체신호를 측정하면서 소정의 조건에 해당하면 체내로 약물을 전달할 수 있다. 소정의 조건은 생체신호 값이 미리 설정된 범위를 벗어나거나 급격히 변화되거나 등의 상황일 수 있다. 다른 예로 체내로 약물을 전달하다가 소정의 조건이 발생하면 체내의 생체신호를 측정한다. 소정의 조건은 임피던스가 감지되거나 감지된 임피던스 값이 미리 설정된 값에 해당하는 상황 등 다양할 수 있다.
약물 보관부(120)는 약물을 수용하며 니들(100)의 약물 주입 통로와 연결되어 약물을 전달한다. 약물 보관부(120)는 교체 가능하다. 약물 주입부(122)는 약물 보관부(120)에 약물을 주입한다. 약물 주입부(122)를 통해 약물 주입량을 결정할 수 있다. 약물 주입부(122)는 약물 주입용 마이크로 펌프로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 센서부의 구성을 도식적으로 보여주는 구조도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 센서(102)는 박막 기판(1020) 위에 전극(1022)이 형성되며, 전기적 신호 검출을 위한 전극(1022)을 제외한 영역을 보호하는 보호층(1024)를 포함한다. 접착층(1026)은 니들(100)과 센서(102)를 결합한다. 접착층(1026)는 접착 가능한 소재로 구성된다. 접착층(1026)은 생체적합성을 가지는 접착소재를 이용하여 니들(100) 위에 전극(1022)이 집적된 박막 기판(1020)을 붙여서 센서(102)를 고정할 수 있다. 보호층(1024)은 생체적합성 폴리머를 사용할 수 있다. 보호층(1024)은 관(tubing) 형태일 수 있다.
바이오센서(1)는 전기화학적 방식을 이용할 수 있다. 그 측정 원리 중 하나인 전류측정법(amperometric)은 일정한 전위 하에서 전극(1022) 간에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 방식이다. 센서(102)의 복수의 전극(1022)은 효소, 백금, 금, 은, 그래핀, 금속 나노입자 등을 형성하여 혈당, 젖산, 콜레스테롤, 체내이온 등의 체내물질 농도를 측정할 수 있다. 전극(1022)은 탄소, 흑연, 백금 처리된 탄소, 은, 금, 팔라듐 또는 백금 성분 등을 이용하여 패턴화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서를 체내에 삽입했을 때의 모습을 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서 제조방법을 도시한 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서 제조방법에 의해 제조되는 바이오센서를 보여주는 구조도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 기판(500)을 준비(410)하고, 기판(500)의 상부에 플렉시블 박막(510)을 코팅한다. 기판(500)은 4" 혹은 그 이상의 웨이퍼일 수 있다. 플렉시블 박막(510)은 PI 또는 플렉시블한 특징을 가지는 막일 수 있다.
이어서, 플렉시블 박막(510)의 상부에 전극(520)을 형성한다(420). 전극(520)은 서로 이격 배치될 수 있다. 전극 형성 단계(420)에서, 전기신호 전달을 위한 전극 라인과 생체신호 측정을 위한 전극을 형성할 수 있다. 이때, 플렉시블 박막(510)과 생체신호 측정용 금속 간 접착력을 개선 시키는 중간층을 증착하고 전극용 금속층을 증착할 수 있다. 그리고 생체신호 측정을 위한 전극을 추가적으로 형성한다.
이어서, 플렉시블 박막(510) 및 전극(520)의 상부에 코팅층(530)을 형성한다(430). 코팅층(530)을 전극(520)의 상부 중 일부만에 부분적으로 코팅함에 따라 전극 일부는 외부에 노출될 수 있다. 전극 및 전극연결라인의 보호와 노이즈 효과를 감소시키기 위해, 생체신호 측정용 전극을 제외하고 부분적으로 플렉시블 박막을 다시 한 번 코팅할 수 있다.
이어서, 전극(520) 및 코팅층(530)이 형성된 플렉시블 박막(50)을 기판(500)으로부터 박리 시킨다(440). 그리고 기판(500)으로부터 박리된 플렉시블 박막(50)을 니들(52) 위에 장착하여 고정한다(450). 이때, 생체적합성 접착소재를 이용하여, 플렉시블 박막(50)을 니들(52) 위에 마운트하여 고정할 수 있다. 니들(52)은 바늘 또는 카테터일 수 있다.
이어서, 보호층(54)을 니들(52) 외부에 형성한다(460). 전극(520)을 제외한 영역에 형성되어 이를 보호할 수 있다. 이때, 보호용 폴리머를 코팅할 수 있다. 나아가 플렉시블 박막(50)을 니들(52)에 보다 견고하게 부착하기 위해, 생체적합성을 가지는 폴리머를 니들(52) 외부에 코팅하여 니들(52)을 보호할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 플렉시블한 형태를 가지고 체내에 삽입되어 센서를 통한 생체신호 측정 및 체내로의 약물 전달이 동시에 가능하며, 콘 형태의 끝을 가지는 니들; 및
    플렉시블한 형태를 가지고 상기 니들에 마련되어 생체신호를 측정하고, 전극에 각 체내물질의 농도 측정이 가능한 금속 나노입자를 형성하며,
    센서는
    플렉시블 박막;
    플렉시블 박막의 상부에 형성된 전극;
    플렉시블 박막 및 전극 상부에 부분적으로 코팅된 코팅층;
    코팅된 플렉시블 박막을 니들 상부에 장착하여 고정하기 위한 접착층; 및
    니들을 보호하기 위한 보호층; 을 포함함에 따라 전극의 일부를 제외한 부분이 코팅층으로 코팅되거나 보호층으로 보호되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 니들은
    체내에 삽입되는 의료용 피하바늘 또는 의료용 카테터인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 니들은 속이 빈 중공을 가지는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 속이 빈 중공은
    체내에서 체액을 채취하기 위한 체액 수집 통로; 및
    체내로 약물을 주입하기 위한 약물 주입 통로; 를 포함하며,
    상기 체액 수집 통로 및 약물 주입 통로는 물리적으로 동일한 공간이거나 물리적으로 분리된 공간인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오센서는
    상기 니들과 센서로 구성되는 센서부와 연결되는 바디부; 를 더 포함하며,
    상기 센서부는 상기 바디부와 탈부착 가능하여 새로운 것으로 교체 가능한 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 바디부는
    상기 센서를 통해 감지된 생체신호를 신호처리하여 생체정보를 획득하는 제어부;
    약물을 수용하며 니들의 약물 주입 통로와 연결되어 니들에 약물을 전달하는 약물 보관부; 및
    상기 약물 보관부에 약물을 주입하며 주입되는 약물 주입량을 결정하는 약물 주입부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어부는
    센서의 전기적 신호를 측정 및 제어하고, 약물 주입을 제어하면서 전기적 신호 처리가 가능한 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 약물 보관부는 교체 가능한 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오센서는
    니들에 센서를 부착하기 위한 접착층;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
  11. 기판 상부에 플렉시블 박막이 코팅되는 단계;
    플렉시블 박막 상부에 전극이 형성되는 단계;
    플렉시블 박막 및 전극 상부에 부분적으로 코팅층이 코팅되는 단계;
    전극 및 코팅층이 형성된 플렉시블 박막이 기판으로부터 박리되는 단계;
    기판으로부터 박리된 플렉시블 박막이 니들 위에 장착되어 고정되는 단계; 및
    보호층이 형성되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 제조방법.
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