저전력 인슐린 펌프 및 당뇨 센서를 결합해 혈당 수치를 연속 모니터링 가능한 헬스케어 시스템 구현
연세대학교 김우철 교수(기계공학과), 박진우 교수(신소재공학과), 윤준영 교수(기계공학과)는 1형 당뇨병 환자를 위한 연속 헬스케어 시스템 기술을 구현했다. 이 기술은 연속적인 전원 공급을 통해 환자의 혈당 수치를 연속 모니터링하고 적시에 인슐린 주입이 필요한 환자들에게 큰 도움을 줄 것으로 예상된다.
1형 당뇨병은 인슐린을 생산하는 베타 세포를 파괴해 인슐린에 의한 혈당 조절이 이뤄지지 않는 자가면역성 질환으로, 정상적인 혈당 조절, 생체 에너지 공급, 과도한 혈당 상승 억제를 위해 외부에서 인슐린을 주입할 필요가 있다. 심각한 합병증을 초래할 수 있는 만성질환이므로, 혈당 수치를 모니터링하고 인슐린을 제때 공급하는 것이 중요하다. 그러나 연속적인 모니터링과 인슐린 펌프 작동으로 인해 배터리가 방전될 경우 심각한 문제를 초래할 수 있다.
연세대 연구팀은 이를 해결하기 위해 저전력 인슐린 펌프, 전력 소모 없는 당뇨 센서, 그리고 체온을 전기로 변환해 배터리를 충전할 수 있는 열전발전기를 통합해 1형 당뇨 헬스케어 시스템 기술을 개발했다. 실험 결과, 체온만으로 당뇨 센서와 인슐린 펌프를 구동하고 남는 전력을 배터리에 충전하는 것을 보여, 연속 헬스케어 시스템의 실현 가능성을 보였다.
인슐린 펌프는 대기전력 소모 없이 전자기력으로 작동하는 저전력 기술을 바탕으로 기존의 상용 인슐린 펌프 패치보다 662배 효율적으로 에너지를 소모했다. 당뇨 센서는 포도당 산화효소를 코팅해 혈당과 산화환원 반응을 통해 발생하는 전자를 포획해 스스로 신호를 만들어서 에너지를 소모하지 않았고, 데이터를 처리하는 데에만 전력을 사용해 저전력 헬스케어 시스템을 구현할 수 있었다.
또한, 헬스케어 시스템을 연속적이고 안정적으로 사용할 수 있도록 복사냉각 효과가 있는 열전발전기를 통해 실내외에서 많은 체열 에너지를 회수했다. 이는 높은 방열 효과로 인해 열전소자에 큰 온도 차이를 만들고, 비례해서 발생하는 기전력이 향상되기 때문이다. 실험 결과, 신체에 착용해 수집한 에너지는 헬스케어 시스템의 소모 전력을 충당할 수 있음을 확인했다.
이번 연구 결과는 진정한 의미에서 연속 헬스케어를 실현할 수 있는 토대를 마련한 것으로, 김우철 교수는 “앞으로 연구개발을 통해 시스템 성능을 향상해 만성질환으로 고통받는 환자들의 삶의 질에 긍정적인 변화를 불러오기를 기대한다”고 말했다.
본 연구는 한국연구재단 기초연구실사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 다학제 연구 상위 5%의 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy, IF 19.069)’에 6월 7일 온라인 게재됐고, 8월 중 정식 출간될 계획이다.