시료로 보관 중인 벤토나이트.[한국지질자원연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국지질자원연구원(KIGAM) 포항지질자원실증연구센터 김재환 박사는 캐나다 캘거리대학교 김기경 교수 연구팀과 공동으로 국내 동남권산 천연 점토광물 벤토나이트를 활용한 차세대 전기화학 바이오센서 개발에 성공했다.

벤토나이트는 천연 층상 점토광물로, 국내 동남권에서 안정적으로 채취할 수 있다.

▷넓은 비표면적과 다공성 층상 구조 ▷우수한 생체적합성 ▷단백질 흡착 억제 특성을 갖추고 있어 바이오센서 소재로서의 잠재력이 높다. 그러나 전기전도성이 낮다는 단점이 있어, 단독으로는 전기화학 센서에 적용하기 어려웠다.

연구팀은 높은 전기전도성과 넓은 비표면적을 지닌 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs)와 벤토나이트를 결합한 나노복합체를 제작하고 에어브러시 스프레이 공정으로 전극에 균일하게 증착한 뒤 요산분해효소(Uricase)를 고정화했다.

개발된 센서는 통풍·신장질환 진단에 필요한 요산 농도 범위(10~2,000μM)를 광범위하게 검출하며, 인공 혈청 환경에서도 높은 정확도를 유지했다. 특히 생체오염에 따른 신호 감소율을 기존 대비 27.6%에서 10.0%로 크게 낮추고, 60일 이상 안정적인 성능을 확인했다.

한국지질자원연구원 연구진이 국내산 점토광물을 이용한 효소 고정화 실험을 하고 있다.[한국지질자원연구원 제공]

이번 연구는 그간 바이오센서 분야에서 활용이 제한적이었던 국내산 천연 광물 벤토나이트가 고성능 전기화학 센서의 핵심 기능성 소재로 쓰일 수 있음을 처음으로 체계적으로 입증한 성과다. 특히 생체오염 저항성과 장기 안정성을 동시에 확보했다는 점에서 실제 의료현장 적용 및 상용화 가능성을 한층 높였다는 평가다.

연구팀은 향후 포도당, 콜레스테롤, 크레아티닌 등 다양한 질병 바이오마커로 검출 대상을 확장하고, 웨어러블 기기·스마트 헬스케어 플랫폼과의 연계를 통해 실용화 연구를 이어갈 계획이다.

김재환 박사는 “국내산 천연 광물의 과학적 가치를 첨단 의료기술 분야로 확장한 융합연구 성과”라며 “지질자원 기반 소재의 고부가가치화를 통해 바이오·헬스케어, 차세대 진단기기 등 신산업 분야를 선도해 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 바이오센서 분야 국제학술지 ‘Biosensors and Bioelectronics’에 게재됐다.