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감염병 대유행을 겪으면서 마스크 착용이 일상이 됐다. 바이러스가 들어오지 못하게 막던 마스크가 몸 안에서 일어나는 질병 증상을 감지하는 센서, 전자코로 발전하고 있다. 아직은 개념 입증 단계지만, 정확도가 병원에서 하던 검사와 비슷해 상용화가 되면 질병 조기 진단과 관리에 도움이 될 것으로 기대된다. 영상 촬영과 혈액 검사에 이어 음주 검사 형식의 호흡 검사가 질병 진단의 필수 단계가 될 날이 다가오고 있다.
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◇전도성 플라스틱으로 암모니아 감지
코라도 디 나탈레(Corrado Di Natale) 이탈리아 로마대 전자공학과 교수 연구진은 “마스크 원단에 특수 호흡 센서를 통합해 만성신장병과 관련된 대사 산물을 감지하는 데 성공했다”고 지난 7일(현지 시각) 국제 학술지 ‘미국화학회(ACS) 센서’에 발표했다.
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개월 이상 신장(콩팥) 기능이 감소하거나 손상이 있는 만성질환이다. 신장은 혈액에 있는 노폐물을 걸러 소변으로 배출한다. 예를 들어 간에서 단백질이 분해되면 부산물로 요소(CO(NH₂)²)가 나온다. 신장은 혈액을 걸러 요소를 소변으로 배출한다. 신장 기능이 떨어지면 요소가 타액에 축적되고 날숨에 요소 분해물인 암모니아(NH₃)가 증가한다.
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로마대 연구진은 은(銀) 전극을 전도성 고분자 물질로 코팅했다. 휘발성 화합물에 민감하게 반응하는 포르피린을 고분자 물질에 붙여 감도를 높였다. 전극을 의료용 마스크 소재 사이에 배치하고 전선을 통해 외부 판독 장치에 연결했다. 특정 가스가 고분자 물질과 반응하면 전기 저항이 달라졌다. 연구진은 공기 중에서 초기 실험을 통해 암모니아와 에탄올, 프로판올체리마스터 pc용
, 아세톤 등 만성신장병 관련 대사 산물을 센서가 잘 감지하는 것을 확인했다.



이탈리아 로마대 연구진은 만성신장병 환자에서 나오는 암모니아를 감지하는 마스크를 개발했다. 의료용 마스크 안에 은 전극과 전도성 고분자를 넣어 암모니아를 감지하면 전류가 바뀌도록 했다./ACS S무료야마토릴게임
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연구진은 100명을 대상으로 마스크를 시험했다. 참가자 절반은 만성신장병 진단을 받았다. 시험 결과 마스크 센서는 만성신장병에 걸린 환자는 84% 민감도로, 병에 걸리지 않은 사람은 특이도 88%로 식별했다. 또 센서 감지 데이터를 통해 환자가 어떤 단계인지도 추정할 수 있었다.
미국 질병통제예방센터(CDC)는 자국 만성신장병 환자가 3500만명이라고 추정했다. 의료계는 초기 단계에서 자각하지 못할 뿐이지 그보다 더 많은 환자가 있다고 본다. 현재 만성신장병은 병원에서 혈액, 소변 검사로 진단한다. 센서가 달린 마스크를 이용하면 더 쉽게 많은 환자를 가려낼 수 있다고 연구진은 밝혔다. 치료제 효과를 알아보는 데에도 사용할 수 있다.
◇코로나·암·파킨슨병도 마스크로 진단
미국 캘리포니아 공대(칼텍)의 웨이 가오(Weo Gao) 교수 연구진도 지난해 8월 ‘사이언스’에 천식과 만성폐쇄성폐질환(COPD), 만성신장병 등 다양한 호흡기 질환을 관리하는 데 쓸 수 있는 스마트 마스크를 발표했다. 이 마스크는 날숨에 포함된 화학물질을 실시간으로 분석할 수 있다. 예를 들어 천식 환자의 기도 염증을 나타내는 화학물질인 아질산염 수치를 감지하고, 만성신장병 환자의 암모니아 수치를 관리할 수 있다고 연구진은 밝혔다.
화학 센서는 액체를 더 잘 감지한다. 연구진은 날숨에 들어있는 휘발성 화학물질을 액체로 냉각했다. 마스크의 공간 제약 때문에 따로 냉각기를 둘 수 없었다. 대신 수분이 많은 말랑말랑한 물질인 하이드로겔을 증발시키면서 열을 빼앗아 날숨 성분을 냉각했다. 날숨 성분이 액체가 되면 식물 뿌리가 물을 빨아들이듯 미세관이 센서로 운반했다. 연구진은 스마트 마스크가 에어로졸(미세공기입자) 형태의 병원체도 감지한다고 밝혔다.



영국 올스톤 메디컬의 마스크형 전자코 리시바를 착용한 모습. 올스톤 메디컬은 케임브리지대와 함께 이 마스크로 대규모 폐암 진단 임상시험을 진행하고 있다./Owlstone Medical


사람이 내쉬는 날숨에는 휘발성 유기화합물이 3500여 종 들어있다. 과학자들은 장기가 병에 걸리면 그곳 세포가 특유의 휘발성 화합물을 방출하고 이들이 나중에 허파를 통해 방출된다고 본다. 바이오 업체들은 질병 고유의 화합물 특성을 파악하는 잔자코 센서를 개발해 임상시험을 하고 있다. 간과 신장 질환과 식도암, 폐암, 대장암에 이어 파킨슨병과 신종 코로나바이러스 감염증(코로나 19)까지 호흡 검사로 감지했다.
영국 의료 기기 업체 올스톤 메디컬(Owlstone Medical)은 케임브리지대와 함께 마스크 형태의 ‘리시바(ReCIVA)’란 전자코로 환자 4000여 명의 날숨 시료를 분석해 폐암을 진단하는 임상시험을 진행하고 있다. 2023년 올스톤 메디컬과 케임브리지대 연구진은 리시바 전자코로 진행한 임상시험에서 간경변 환자의 날숨에 감귤 껍질에 들어있는 리모넨 성분이 많다는 사실도 알아냈다.
2021년 네덜란드 레이덴대 연구진은 의료 기기 업체인 브레소믹스(Breathomix)의 전자코인 ‘스피로노즈(SpiroNose)’로 코로나 19 감염 여부를 확인했다고 밝혔다. 연구진은 인공지능(AI)이 코로나 감염자와 비감염자의 호흡 검사를 비교해 감염자 특유의 휘발성 유기화합물 특성을 파악하도록 했다. 실제 검사에서 AI 전자코는 감염자 34명 중 33명을 가려냈다. 1명은 바이러스양이 전염 가능성이 거의 없는 경우였다.
앞서 전자코 마스크가 일상에서 쓰기에 거추장스러웠다면 이제는 일반 의료용 마스크와 센서를 결합하는 방식으로 발전했다. 일상에서 숨 쉬며 건강을 관리할 수 있다는 말이다.



2021년 네덜란드 레이덴대 연구진은 의료 기기 업체인 브레소믹스의 전자코인 ‘스피로노즈(SpiroNose)’로 코로나 19 감염 여부를 확인했다./Breathomix


참고 자료
ACS Sensors(2025), DOI: https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03227
Science(2024), DOI: https://doi.org/10.1126/science.adn6471
Biomedicines(2023), DOI: https://doi.org/10.3390/biomedicines11112957
medRxiv(2021), DOI: https://doi.org/10.1101/2021.02.14.21251712
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