과학자들이 문신을 만들다

Apr 23, 2023

"산소 센서는 우리가 만들 수 있는 다양한 센서에 대한 개념 증명입니다."라고 David Kaplan은 말했습니다. 일러스트: 셔터스톡

피부 아래의 실크 기반 물질은 산소에 반응하여 색상이 변하며, 미래에는 포도당 및 기타 혈액 성분을 추적하도록 조정될 수 있습니다.

사람들은 사건이나 사람을 기념하기 위해, 성명을 발표하기 위해, 또는 단순히 미학적 장식으로 문신을 합니다. 하지만 운동할 때 얼마나 많은 산소를 사용하고 있는지 알려주고, 하루 중 언제든지 혈당 수치를 측정하고, 다양한 혈액 성분이나 환경 독소에 대한 노출을 모니터링하는 등 기능적인 문신을 상상해 보세요.

이제 터프츠 대학(Tufts University)의 엔지니어들은 혈액 내 다양한 ​​수준의 산소에 노출될 때 램프 아래에서 더 밝거나 더 어둡게 빛나는 실크 기반 물질을 피부 아래에 배치하여 이를 실현하기 위한 중요한 단계를 밟았습니다. 그들은 Advanced Functional Materials 저널에 연구 결과를 보고했습니다.

현재 산소 수준을 읽는 것으로 제한되는 새로운 센서는 피브로인이라고 불리는 실크의 단백질 성분으로 형성된 젤로 구성됩니다. 실크 피브로인 단백질은 특히 이식 가능한 물질로 적합하게 만드는 독특한 특성을 가지고 있습니다.

젤이나 필름으로 재조립되면 피부 아래에서 몇 주에서 1년 이상 지속되는 구조를 만들 수 있도록 조정될 수 있습니다. 실크가 분해되면 신체와 호환되며 면역 반응을 불러일으킬 가능성이 거의 없습니다.

실크 필름 산소 센서의 작은 디스크는 자외선과 산소에 노출되면 보라색으로 빛납니다. 감지기는 보라색 빛의 밝기와 지속 시간을 통해 산소 수준을 확인할 수 있습니다. 오른쪽: 일반 실크 센서 소재와 UV 노출 실크 센서 소재를 나란히 비교한 모습. 이미지: Thomas Falcucci/터프츠 대학교

포도당, 젖산염, 전해질, 용존 산소와 같은 혈액 내 물질은 신체의 건강과 활동에 대한 창을 제공합니다. 의료 환경에서는 혈액을 채취하거나 환자를 대형 기계에 연결하여 추적합니다. 어떤 환경에서든 비침습적으로 수준을 지속적으로 모니터링할 수 있다는 것은 특정 조건을 추적할 때 엄청난 이점이 될 수 있습니다.

예를 들어, 당뇨병 환자는 무엇을 먹을지, 언제 약을 복용할지 결정하기 위해 종종 매일 혈당을 읽기 위해 혈액을 뽑아야 합니다. 대조적으로, Tufts 팀이 제시한 비전은 문자 그대로 사람의 상태에 빛을 비추어 모니터링을 훨씬 쉽게 만드는 것입니다.

"실크는 많은 훌륭한 특성의 놀라운 융합을 제공합니다"라고 공과대학의 Stern Family 교수이자 이번 연구의 수석 연구원인 David Kaplan이 말했습니다. "우리는 이를 필름, 스펀지, 젤 등으로 형성할 수 있습니다. 생체적합성일 뿐만 아니라 화학적 변화 없이 첨가제를 보유할 수 있으며 이러한 첨가제는 환경에서 분자를 감지하는 감지 기능을 가질 수 있습니다. 산소 센서는 증거입니다. 우리가 만들 수 있는 다양한 센서에 대한 개념입니다."

실크 단백질의 화학적 성질 덕분에 특성을 바꾸지 않고도 첨가제를 더 쉽게 집어 들고 담을 수 있습니다. 산소 센서를 만들기 위해 연구진은 특정 파장의 빛에 노출되면 빛을 내는 PdBMAP라는 첨가제를 사용했습니다. 그 빛은 환경의 산소 수준에 비례하는 강도와 지속 시간을 갖습니다.

실크 젤은 주변 체액에 투과성이 있으므로 PdBMAP는 주변 혈액의 동일한 산소 수준을 "인식"합니다. PdBMAP은 또한 피부를 관통할 수 있는 빛에 노출되면 빛을 발하거나 인광을 발산하기 때문에 유용합니다. 다른 센서 후보는 피부를 통과할 수 없는 빛의 파장에만 반응할 수 있습니다.

연구원들은 산소 수준을 정량화하기 위해 인광의 "지속 시간" 구성 요소에 더 많이 의존합니다. 그 이유는 빛의 강도가 임플란트의 깊이와 크기, 피부색 및 기타 요인에 따라 달라질 수 있기 때문입니다. 빛의 지속 시간은 산소 수준이 증가함에 따라 감소합니다.