기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단(단장 천진우) 박장웅 연구위원(연세대 신소재공학과 교수) 연구팀은 연세대, 명지대 공동 연구진과 눈물 속 스트레스 호르몬을 감지하여 정확히 측정할 수 있는 스마트 콘택트렌즈를 개발했다. 이 렌즈는 스마트폰과 연동되어 일상에서 손쉽게 스트레스를 관리할 수 있다.

스트레스는 현대인의 적이라 불릴 정도로 일상화되어있으며, 적절히 관리하지 못하면 각종 만성질환으로 이어질 수 있다. 그러나 스트레스 측정은 병원, 연구실 등 전문 시설을 이용해야했다. 또한 기존 측정 센서는 주로 전기화학 분석법, 흡광 분석법 등 복잡한 방식을 사용했기 때문에 일상적인 실시간 측정이 어렵다는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 눈에 착용하여 눈물 속 스트레스 호르몬 ‘코티졸(Cortisol)’ 수치를 실시간 측정하는 콘택트렌즈 형태의 모바일 헬스케어¹⁾ 기기를 개발했다. 우선 연구진은 2차원 구조체 ‘그래핀(Graphene)²⁾’을 사용해 투명하고 유연하면서 무선 통신이 가능한 코티졸 센서를 구현하였다. 그래핀 트랜지스터(FET)구조³⁾로 이뤄진 센서는 그래핀 표면에 결합하는 코티졸 농도를 실시간 분석할 수 있다. 즉 센서가 눈물 속 코티졸 농도에 따른 그래핀의 미세한 저항 변화를 읽어내어 스트레스 수치를 실시간으로 정확히 검출해내는 것이다.

또한 1차원 전도성 물질인 은 나노와이어⁴⁾를 그물망 구조로 만들어 신축성이 뛰어난 투명 전극과 안테나를 제작하였다. 나아가 초정밀 3D 인쇄 공정으로 제작한 신축성 있는 회로로 전극, 안테나, NFC칩 등 각 부품들을 연결하여 소프트 렌즈에 내장하였다. 렌즈 속 NFC칩은 센서에서 읽어낸 코티졸 농도를 스마트폰으로 무선 전송한다. 렌즈 착용 후 스마트폰을 눈 가까이 가져가면 스트레스 수치를 실시간으로 확인할 수 있다.

연구진은 개발한 스마트 콘택트렌즈의 착용 실험을 통해 성능과 안전성도 입증하였다. 실험 결과 착용 상태에서도 렌즈가 정상 작동하고 렌즈에서 발생하는 열과 전자기파가 인체에 무해한 수준임을 확인하였다. 제작한 렌즈는 보관액에 담긴 후에도 형태와 기능이 그대로 유지되었다. 스마트 콘택트렌즈의 상용화 가능성을 보여준 것이다.

박장웅 연구위원은 “스트레스 수치를 실시간으로 정확히 측정해 일상 속 스트레스 관리를 돕는 스마트 콘택트렌즈를 개발했다.”며 “4차 산업시대에 주목받는 모바일 헬스케어 산업 뿐 아니라 의료분야까지 다양하게 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.116)’에 7월 10일 1시(한국시간) 게재됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 스트레스 호르몬 센서가 내장된 스마트 콘택트렌즈 설계도본 연구에서 개발한 스마트 콘택트렌즈는 소프트 렌즈에 코티졸 센서, 전극, 안테나 등을 내장한 구조로 설계하였다. 내장된 NFC 칩은 스트레스 호르몬 센서의 전기적 신호를 처리하여 안테나를 통해 스마트폰으로 전송한다.

▲ 그림 2. 스트레스 호르몬 측정용 스마트 콘택트렌즈를 실제 착용한 모습본 연구에서 개발된 스마트 렌즈는 실제 소프트 콘택트렌즈 제작에 사용되는 물질로 제작되어 이물감이 적으며 안전하다. 스마트 렌즈를 착용한 후 스마트폰을 눈 주위로 가져가 태그하면 정확한 스트레스 호르몬 수치를 실시간으로 확인할 수 있다.