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혈액 임피던스 측정에 사용된 실험 셋 업.

광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 양성 기계로봇공학과 교수팀이 혈액 구성성분의 유전 특성을 실시간으로 측정·분석해 혈액검사 지표를 전기적으로 정밀하게 도출할 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

양 교수팀은 혈류 상태에서 적혈구의 배열과 적혈구 내부의 헤모글로빈 수화 구조를 분석할 수 있는 새로운 센서 기술을 개발했다. 헤모글로빈의 수화 구조는 헤모글로빈 분자 주변에 물 분자가 결합해 형성되는 얇은 수분층으로 헤모글로빈의 기능과 안정성에 중요한 역할을 한다. 이 구조는 산소와 결합한 상태에 따라 변한다.

연구팀은 전기화학 임피던스 분광법(EIS)과 마이크로플루이딕 기술을 결합해 실제 혈액이 흐르는 상태에서 적혈구의 배열 방향성과 세포 내부 수분 구조를 정밀하게 측정했다. 빠르고 정밀한 혈액 진단 기술은 의료 기술 발전의 핵심 분야로 꼽힌다. EIS는 비침습적이고 민감도가 높아 혈액 성분 분석에 적합한 기술로 주목받아 왔다.

하지만 기존 연구 대부분은 정지 상태의 혈액을 분석 대상으로 사용했다. 적혈구 응집이나 침전 현상이 발생해 측정 정확도가 떨어지는 한계가 있었다. 적혈구의 배열 상태나 헤모글로빈의 수화 구조를 고려하지 않아 임피던스 스펙트럼 해석에도 제약이 있어 보다 정교한 분석을 위해 이를 개선하는 기술 개발이 필요했다.

이예성 GIST 기계로봇공학과 석박사통합과정생, 즈바노브 알렉산더 GIST 연구교수, 양성 GIST 교수(왼쪽부터).

연구팀은 실제 혈류 환경을 모사한 마이크로플루이딕 채널에서 혈액 임피던스를 측정하고, 이를 이방성 유전 특성을 반영한 유효 매질 이론과 결합해 분석을 실시했다. 적혈구 배열 상태를 정량화할 수 있는 '선호 배열 지수' 개념을 도입해 분석한 결과, 전체 적혈구 중 약 34%는 흐름 방향으로 정렬되고, 나머지 66%는 무작위로 배열돼 있는 것으로 나타났다. 적혈구 내부를 단순한 용액이 아니라 이중 수화 껍질을 갖는 헤모글로빈 콜로이드로 모델링해 세포 내부의 물리적 특성까지 고려한 보다 정밀한 EIS 해석이 가능한 것으로 판단했다.

연구팀은 이론 기반 분석으로 실제 혈액에서 적혈구와 관련된 △적혈구 수 △헤모글로빈 농도 △헤마토크릿 △평균 적혈구 용적 △평균 적혈구 헤모글로빈 △평균 적혈구 헤모글로빈 농도 등 6가지 주요 혈액학적 지표를 도출했다. 이들 지표는 실제 임상 혈액검사 결과와 비교했을 때 계산한 값과의 오차가 3.5% 미만으로 높은 정확도와 신뢰성을 입증했다.

양성 교수는 “단순히 흐르는 혈액의 임피던스를 측정하는 데 그치지 않고, 적혈구 배열 특성과 헤모글로빈 수화 구조까지 정량적으로 해석할 수 있는 분석 기법을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 스마트 헬스케어 기기나 병원용 실시간 혈액 검사기 등 다양한 의료 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

양 교수가 지도하고 즈바노브 알렉산더 연구교수와 이예성 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 화학 분야의 권위 있는 국제학술지 '애널리티컬 케미스트리' 표지논문으로 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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