상처 치료 상태에 대한 시기 적절하고 효과적인 모니터링은 상처 관리 및 관리에 매우 중요하다. 만성적인 상처(즉, 3개월이 지나도 낫지 않는 상처) 및 화상 후의 병적 흉터와 같은 손상된 상처 치유는 생명을 위협하는 의료 합병증을 초래할 수 있다. 이는 전 세계적으로 환자와 의료 시스템에 상당한 경제적 부담을 줄 수 있다.

현재 상처 치유는 일반적으로 임상의에 의해 육안으로 검사된다. 상처 감염은 대부분 면봉을 통해 진단되며 박테리아 배양으로 인해 긴 대기 시간이 필요하며 적시에 상처 진단을 제공하지 못한다. 이는 임상 환경에서 상처 치유에 대한 정확한 예측을 어렵게 만든다. 또한 상처 평가는 일반적으로 드레싱을 수동으로 자주 제거해야 하므로 감염 위험이 높아지고 환자에게 추가적인 통증과 외상을 유발할 수 있다.

싱가포르 국립대학교(NUS)와 A*STAR 소재연구공학연구소(IMRE)의 연구팀이 최근 개발한 발명품은 간단하고 편리하며 효과적인 방법으로 상처 회복을 모니터링하여 임상 개입을 적시에 시작해상처 치료 및 관리를 개선할 수 있게 한다. 

벤자민 티(Benjamin Tee) NUS 부교수는 "NUS 연구원들은 유연한 전자 공학, 인공 지능(AI) 및 센서 데이터 처리에 대한 우리의 전문 지식을 IMRE 연구원들의 나노 센서 기능과 결합하여 복잡한 상처 상태를 가진 환자들에게 혜택을 줄 수 있는 혁신적인 솔루션을 개발했다."고 말했다.

PETAL(Paper-like Battery-free In situ AI-enabled Multiplexed, 종이 모양 배터리 없는 현장 AI 지원 멀티플렉스) 센서 패치는 온도, pH, 트리메틸아민, 요산 및 상처의 수분 등 생체 지표 조합을 측정하여 15분 이내에 환자의 상처 치유 상태를 확인할 수 있는 5개의 비색 센서로 구성되어 있다. 이러한 바이오 마커는 상처 염증, 감염 및 상처 환경의 상태를 효과적으로 평가하기 위해 신중하게 선택되었다.

A*STAR의 IMRE인 Soft Materials Department 수석 과학자인 수 샤오디(Su Xiaodi) 박사는 "우리는 종이와 같은 PETAL 센서 패치를 얇고 유연하며 생체 적합하도록 설계하여 바이오마커 감지를 위한 상처 드레싱과 쉽고 안전하게 통합할 수 있도록 했다. 따라서 우리는 병원이나 가정과 같은 비전문가 의료 환경에서 신속하고 저렴한 상처 관리를 위해 이 편리한 센서 패치를 사용할 수 있다."고 설명했다.

센서 패치는 에너지원 없이 작동할 수 있다. 센서 이미지는 휴대폰으로 캡처되고 AI 알고리듬으로 분석되어 환자의 치유 상태를 결정한다.

이 센서의 AI 알고리듬은 치유 상태를 매우 정확하게 분류하기 위해 센서 패치의 디지털 이미지에서 데이터를 빠르게 처리할 수 있다. 이는 상처에서 센서를 제거하지 않고도 가능하다. 상처 치유를 거의 방해하지 않으면서 상처를 더 정기적으로 모니터링할 수 있다. 적시에 의료 개입을 적절하게 시행하여 불리한 합병증과 흉터를 예방할 수 있다.

PETAL 센서 패치의 설계 및 제작은 2023년 6월 16일자 과학 저널 인 Science Advances 에 보고되었다 .

배터리 필요 없는 센서, 단일 패치에서 5개의 상처 바이오마커 분석

대부분의 웨어러블 상처 센서는 하나 또는 소수의 매개변수만 측정하며 부피가 큰 인쇄 회로 기판과 배터리가 필요하다. 반면 PETAL 센서 패치는 현재 5개의 바이오마커를 측정하며 작동하는 데 배터리가 필요하지 않다. 필요한 경우 더 많은 바이오마커를 추가할 수 있다.

각 PETAL 센서 패치는 5 꽃잎 모양의 바람개비 꽃 모양의 유체 패널로 구성되며, 각 '페탈'은 감지 영역 역할을 한다. 유체 패널 중앙의 구멍은 상처로부터 유체를 수집하고 분석을 위해 5개의 샘플링 채널을 통해 유체를 감지 영역으로 고르게 분배한다. 각 감지 영역은 서로 다른 색 변화 화학 물질을 사용하여 각각의 상처 표시기(즉, 온도, pH, 트리메틸아민, 요산 및 수분)를 감지하고 측정한다.

유체 패널은 두 개의 박막 사이에 끼여 있다. 상단 투명 실리콘층은 산소와 수분 교환의 정상적인 피부 기능을 가능하게 하며, 정확한 이미지 캡처 및 분석을 위한 이미지 표시도 가능한다. 아래쪽 상처 접촉층은 피부에 센서 패치를 부드럽게 부착하고 상처 부위가 센서 패널과 직접 접촉하지 않도록 보호하여 상처 부위의 조직 파괴를 최소화한다.

충분한 상처액이 축적된 후(일반적으로 몇 시간 내 또는 며칠 이상) PETAL 센서 패치는 15분 내에 바이오마커 감지를 완료한다. 센서 패치의 이미지 또는 동영상은 자체 AI 알고리듬을 사용하여 분류하기 위해 휴대폰에 녹화할 수 있다.

실험실 실험에서 PETAL 센서 패치는 치유와 비치유 만성 및 화상 상처를 구별하는 데 97%의 높은 정확도를 보여주었다.

상처 친화적이고 다용도

4일 동안 PETAL 센서 패치와 접촉한 피부 표면에서 관찰된 이상 반응의 명백한 징후가 없었으며, 이는 이동성 상처 모니터링을 위한 PETAL 센서 패치의 생체 적합성을 입증했다.

현재 연구에서 PETAL 센서 패치의 성능은 만성 상처와 화상 상처에서 입증되었다. 이 AI 지원 기술은 당뇨병 궤양을 위한 글루코스, 젖산 또는 인터루킨-6과 같은 다양한 비색 센서를 통합하여 다른 상처 유형에 맞게 조정되고 사용자 정의될 수 있다. 검출 영역의 수는 다른 바이오마커를 동시에 검출하도록 쉽게 재구성할 수 있으므로 다양한 상처 유형에 대해 적용 범위를 넓힐 수 있다.

이 발명품에 대한 국제적인 특허가 출원되었고 연구원들은 다음 단계로 인간 임상 시험에 진출할 계획이다. PETAL 센서 패치 개발은 난양공대 데이비드 베커 교수 팀 과 싱가포르 피부연구소가 공동으로 진행했다.