KR20030047971A - 피부 관통형 글루코스 바이오센서 - Google Patents
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Abstract
채혈된 혈액을 이용하여 글루코스(포도당)를 측정하는 기존 혈당 방식과는 달리 전기적 자극을 일정시간 피부에 가할 때 중성의 글루코스 분자가 체내의 양이온들과 함께 음극으로 유도되는 현상인 역이온 전기삼투압(reverse iontophoresis)을 이용하는 새로운 형태의 글루코스 바이오센서를 제안한다. 이러한 바이오센서는 체내의 글루코스 농도를 통증 없이 빠르고 효율적이며, 불편함 없이 연속 측정을 가능하게 할 수 있다.
Description
지금까지 널리 알려지고 상품화가 이루어진 혈당측정기는 바늘 등과 같이 혈관을 관통하는 도구를 이용하여 혈액을 채취한 후 효소를 이용한 전기화학적인 방법으로 산화전류를 측정해 혈액내의 글루코스 분자 농도를 단속적으로 결정하는 것이다.
채혈방식의 일회용 혈당 측정기는 혈액을 얻는 과정에서 통증이 수반될 뿐만 아니라 연속적인 혈당 측정시 수동으로 해야 하는 불편함등의 많은 단점들을 가지고 있다. 그리고 몇몇 인슐린 펌프와 병행하여 사용되는 연속형 인체 삽입식 혈당측정기는 고가이며 전문 의료인을 통한 시술을 해야 사용이 가능하기 때문에 많은 기술적인 제한이 있다. 그리고 몇몇 연구진에 의해 시도가 되고 있는 역이온삼투압현상을 이용한 피부 관통형 글루코스 바이오센서의 경우, 전극의 배치가 중심에 있는 둥근 원형의 분석용 작업전극과 주위에 환형으로 추출전극이 배치되어 있는 형태를 취하는 경우가 일반적인데 전극 배치와 형태에서 오는 구조적인 한계로 인해 성능의 구현에 많은 제한이 있었다. 본 발명의 목적은 기존 혈당기들에 사용되고 연구 개발되는 바이오센서들의 단점들을 보완해 통증을 최소화하면서, 추출된 체내의 글루코스 농도를 효율적으로 측정할 수 있는 간편하고 연속적으로 측정 및 사용이 가능한 새로운 피부 관통형 바이오센서의 제안이다.
본 발명은 역이온삼투압 방법을 이용하여 피부조직을 통해 효율적으로 체내의 글루코스 분자를 단시간에 추출과 분석이 가능하게 하는 연속 사용형 바이오센서의 형태의 제안과 성능을 평가하는데 있다.
도 1은 바이오센서의 전극 구조.
도 2는 바이오센서의 글루코스 측정 순서도
도 3은 하이드로겔이 결합된 바이오센서의 구성
도 4는 도3의 바이오센서에서 검출된 피부 관통 글루코스 연속 산화 신호
도 5는 바이오센서를 응용해 측정된 전류측정값과 실제 혈당치와의 비교
피부 관통형 바이오센서는 크게 세 부분으로 나뉘어 진다. 첫째로, 피부조직을 통해 미세한 직류전류를 피부조직에 가하여 글루코스 분자를 역이온삼투압으로 추출하는 추출전극(extraction electrode,EE)과, 둘째 피부와 좋은 밀착성을 지니며, 피부와 추출전극간의 직접적인 접촉을 억제하여 전기에 의한 피부 자극을 최소화시키는 전해질 물질의 하이드로겔(hydrogel)이 있다. 하이드로겔은 글루코스 산화효소(Glucose oxidase, GOx)등을 포함할 수 있기 때문에 피부조직으로부터 추출된 세포간질의 글루코스 분자를 과산화수소(H2O2)등의 신호 발생 물질들로 전환시켜주는 반응 매개체의 역할을 하고 있다. 그리고 마지막 부분으로 과산화수소 분자가 전기화학적으로 산화될 때 방출되는 전자를 측정하는 작업전극(Working Electrode,WE)을 포함하는 3상전극계로 구성된다.
추출전극 물질로는 Ag/AgCl을 사용하는데, 이는 전도성이 좋을 뿐만 아니라 전류가 흐를 때 전극물질이 자체 반응이 일어나 pH의 변화가 거의 없어 피부 자극 없이 음극(-)에서 양이온과 함께 중성의 글루코스 분자를 추출하는데 적합한 성능을 지닌다. 추출된 글루코스 분자가 작업전극에서 전기화학적으로 산화반응이 일어나는 물질인 과산화수소(H2O2)로 전환시키는 역할을 하는 하이드로겔은 생체적합성이 뛰어난 Metacrylate 또는 카르복실기에 알콜기가 접합된 Metacrylate 계통의 고분자에 글루코스 산화효소를 넣어 중합시킨 것을 사용하였다. 그리고 전기화학적 산화반응이 연속적으로 일어나는 작업전극은 미세한 과산화수소에 대하여 우수한 감도와 안정성을 보이는 백금(Pt)와 탄소(C)를 혼합한 Pt/C 잉크를 사용하여 전극을 인쇄하였다.
본 발명에서는 작업전극과 추출전극을 도 1에서와 보듯이 나란히 반복적으로 연속 배치가 되게 하여 미세 직류 전류를 가할 때 피부를 통해 추출전극으로 유도되는 글루코스 분자가 하이드로겔에서 글루코스 산화효소에 의해 과산화수소로 전환되어 최단거리에 있는 인근 작업전극으로 보다 빠르게 이동을 할 수 있게 하여 전기신호를 빠르게 얻을 수 있는 전극 배치를 특징을 지녀 피부를 통한 저농도 글루코스 분석을 훨씬 효율적으로 하는 장점을 지닌다.
이하 첨부 도면과 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하며, 이들 도면 및 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이들에 의해 본 발명의 범위가 한정되지 않는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
도 1은 바이오센서의 전극 구조의 배치도이다. 전극인쇄용 기판 (1)에 추출용 Ag/AgCl전극 (2), 기준용 Ag/AgCl 전극 (3), 상대용 Pt/C 전극 (4), 그리고 분석용 Pt/C 작업전극 (5)으로 구성이 된다. 작업전극(5)과 추출전극(2)은 반복적으로 나란히 배치되어 글루코스 산화효소를 포함하여 중합한 HPMA재질의 하이드로겔(7)을 통해 피부와 연결시킨 다음, 미세 직류전기를 흘려주면 추출전극(2)의 음극을 향해서 여러 양이온들과 함께 유도되는 피부조직의 세포간질에 존재하는 글루코스 분자가 추출전극 (2)에 도달하기 직전에 하이드로겔내 (7)의 글루코스 산화효소(GOx)와 반응하여 과산화수소 분자가 생성되며, 이를 전기화학적으로 추출전극 (2)와 가장 근접한 작업전극(5)에서 전기화학적으로 산화되면서 발생하는 산화전류를 통해 체내의 글루코스 농도가 결정된다. 도 1의 A와 B부분이 대칭적으로 생긴 것은 피부의 글루코스 추출시에 직류전류에 의해 산화-환원되어 손상을 입는 두개의 추출전극들(2)에 대한 문제를 해결하기 위해서이다.
피부조직으로부터 글루코스분자를 추출하기 위해 A와 B 추출전극(2A,2B)에 +와 -극성의 직류전류를 일정시간 인가하는 동안 A와 B의 작업전극들(5A, 5B)은 추출된 글루코스분자의 소모를 진행시키지 않기 위해 작동을 중단하고 있다. 일정 시간이 흐른 후 B부분의 - 추출전극(2B)에 모인 글루코스 분자는 인접 작업전극(5B) 표면에서 전기화학적으로 산화되며 글루코스 신호 데이터를 발생시킨다. 이때 A부분의 + 추출전극 (2A)에 모인 글루코스 분자는 비타민 C와 같은 체내의 다른 음이온 간섭 분자들을 포함하기 때문에 글루코스의 산화에서 기인되는 신호가 좋지 않아 데이터로서의 가치가 없기 때문에 소거 한다. 다음 글루코스 농도 결정 단계에서는 -극을 A 부위의 추출전극(2A)에 가해 글루코스를 추출함과 동시에 앞 단계에서 산화되어 손상된 Ag/AgCl의 추출전극을 재생시킨다. 즉 추출전극(2A,2B)의 극성 바꿈은 전극의 수명을 연장시키기 위한 좋은 방법이 된다. 이를 반복적으로 취하여 피부를 통한 글루코스 분석을 연속적으로 가능하게 한다.
<실시예>
도 3은 도 1을 근거로 제작된 바이오센서를 나타낸다. 전극기판 (1)위에 라이너(8)를 이용하여 글루코스 산화효소를 포함하여 Metacrylate 계통의 고분자와 중합하여 합성한 하이드로겔 (7)을 전극과 고정시킨다. 피부조직과 하이드로겔간의 접합은 도 1의 전극들의 최대 테두리 보다는 작은 구멍을 지닌 양면 접합성을 지닌 라이너 (6)를 통해 가능하게 했다. 자원자의 체내 혈당치를 결정하기 위해 도 3의 바이오센서를 손목 피부에 연결하여 도 2의 순서에 의해 실험을 진행했다. 피부를 통해 체내의 글루코스 분자를 역이온삼투압으로 유도 추출하는데 사용된 직류전류의 크기는 0.5 mA였고 일정전류발생기(Current Source)를 이용하여 가했다. 일정 전위기(Potentiostat)를 이용하여 도 1의 A와 B 부위의 작업전극 (5), 기준전극(3)와 상대전극 (4)으로 구성된 3상전극계에 400mV 정도의 산화 전압를 가해 피부로부터 글루코스의 농도를 전류로 측정하였다.
표 1에서의 데이터는 일정시간(1∼10분) 추출전류를 가한 후 작업전극에서 나온 과산화수소의 산화전류 곡선의 전류차에 의해서 나온 결과를 측정 당시의 혈당측정기와 비교한 결과이다. 이때 전류차 값은 아래의 식 (3)에 의해 구했다.
안정화 전류는 각각의 산화전류가 시간이 지남에 따라 안정화가 될 때의 값을 의미하며, 초기 전류는 측정이 시작된 후 약 40초에 해당하는 값이 된다.
도 5에서 보듯 혈액내의 글루코스 농도와 피부를 통해 추출된 분석된 글루코스의 농도는 상당히 동일한 패턴을 보이고 있다. 이때 피실험자의 혈당치는 글루코스 50g을 경구 투여해 인위적으로 상승시켰다. 피부 관통형 글루코스 바이오센서는 체내의 글루코스 농도를 결정하는데 만 사용이 국한되는 것이 아니라 하이드로겔에 다양한 반응수용성 물질들과 효소를 함께 중합하면 체내의 다른 생체물질의 농도를 결정하는데 사용이 가능하다. 그리고 하이드로겔에 이온성의 약물을 투입하게 되면 피부조직을 통한 약물주입장치로 사용이 가능하다.
본 발명에서 고안한 전극을 이용하여 제작된 피부 관통형 연속형 바이오센서는 인체의 글루코스 농도를 피부를 통해 결정하기 적합함을 보인다.
Claims (4)
- 인체에 존재하는 생화학물질의 농도를 피부조직을 통해 추출하고 측정하는 바이오센서에 있어서,(1)생화학물질의 추출을 위하여 한 쌍으로 이루어진 추출전극(2)인체의 피부조직과 접합성이 있으며, 생화학물질과 반응하여 전기적 신호를 발생시키는 물질로 전환시키는 효소를 함유하고 있는 하이드로겔(3)추출된 물질 또는 추출된 물질이 변환된 물질의 양을 전기량으로 바꿔주는 측정전극용 3상 전극계(이는 반드시 작업전극, 상대전극 그리고 기준전극을 포함한다.)이며, 이들 전극들과 함께 하이드로겔로서 Metacrylate계의 고분자에 글루코스산화효소를 함께 중합하여 사용했을 경우, 인체에 1.0mA x min의 전류를 인가하여 글루코스를 추출하여 일정전위기로 분석하면 분석 개시 40초 후 0∼200nA의 전류차 값을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오센서
- 청구항 1에 있어서, 추출전극과 작업전극이 나란히 반복적으로 2쌍 이상 배치되어 있는 구조를 특징으로하는 바이오센서.
- 청구항 1에 있어서, 과산화수소를 생성할 수 있는 효소로서 글루코스 산화효소 등을 신호 발생 전환 물질로 이용된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
- 하이드로겔에 이온성 약물을 주입하여 역이온 전기삼투압을 통해 피부를 통해 체내로 주입이 가능한 바이오센서.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020030035006A KR100541267B1 (ko) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | 피부 관통형 글루코스 바이오센서 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| KR20030047971A true KR20030047971A (ko) | 2003-06-18 |
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ID=29579908
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040075301A (ko) * | 2004-07-27 | 2004-08-27 | (주) 테크포엠 | 바이오센서 또는 약물전달시스템용 하이드로겔의 보관 방법 |
| KR100740363B1 (ko) * | 2005-10-21 | 2007-07-16 | 케이엠에이치 주식회사 | 효소 고정을 이용한 생체 특성 측정 장치 |
| KR101135624B1 (ko) * | 2009-01-15 | 2012-04-17 | 한양대학교 산학협력단 | 수명연장을 위한 전기감응성 고분자층이 부착된 바이오센서 |
| WO2017057792A1 (ko) * | 2015-10-02 | 2017-04-06 | 주식회사 엔게인 | 폴리히드록시에틸메타크릴레이트계 수화겔, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 글루코스 센서 |
| CN111443007A (zh) * | 2020-04-13 | 2020-07-24 | 厦门大学附属厦门眼科中心有限公司 | 一种基于水凝胶复合膜流速测定透明质酸酶浓度的检测方法 |
| WO2024048939A1 (ko) * | 2022-08-29 | 2024-03-07 | 주식회사 케어메디 | 약물 주입 장치 및 방법 |
-
2003
- 2003-05-30 KR KR1020030035006A patent/KR100541267B1/ko active IP Right Grant
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