도입

유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어, 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통합하기 위해 다양한 분야에서 많은 노력이 기울여졌다. 이는 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇 공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신충성 E 스킨 분야에 발전을 이끌고 있다.

바이오 기반 점착 구조를 가진 생체 전자 시스템은 신체 표면에 부착되어 효과적인 사람-기계 상호작용을 개발, 특히 진단과 치료를 위한 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 점착력과 적응성 뿐만 아니라 생체액 수집 능력이 필요하다.

다양한 유기체 다중 스케일 표면 형태를 모방하는 것을 넘어 생체 기반 나노 구조를 스마트 장치 및 시스템에 통하는데 많은 노력을 했으며, 지능형 초소형 바이오 전자 공학, 나노/마이크로 구조 기계 및 로봇공학, 광전자 센서/디스플레이, 자가 치유 멀티 모달 신축성 E 스킨의 발전에 박차를 가했다. 바이오 기반 점착 구조를 갖는 생체 전자 시스템은 신체 내부/외부 표면에 부착함으로써 효과적인 사람-기계 상호작용의 개발과 관련된 광범위한 관심을 끌어왔다. 진단과 치료를 위한 첨단 바이오 전자공학을 실현하기 위해 피부-인터페이스 플랫폼은 피부에 대한 강력하고 적응력 있는 점착뿐만 아니라 생리학적 정보의 정량적, 시공간적 측정을 위해 다양한 생체액 (예) 땀, 침, 눈물, 혈액)을 포착할 수 있는 능력이 필요하다.

미세 유체 네트워크, 이온 영동 및 전기 삼투 흐름과 같은 기술을 사용하여, 생체 신호의 상세한 프로파일링을 제공하기 위해 제자리 신체 전자 시스템은 신체 땀을 수집한다. 지금까지 피부에 부드럽고 부착 가능한 패치에 조립된 수동 또는 능동 검출 성분 (예) 젖산, 크레아티닌, 포도당, NA, Cl, pH, 요산 또는 티로신)에 의한 분석을 가능하게 하는 땀 수집 미세 유체 회로의 주목할 만한 발전이 제시됐다. 특히, 사람 피부 표면 pH는 미생물 (또는 박테리아) 집략화를 방지하기 위한 피부 장벽 기능을 제어하는 생화학적 및 의학적 연구 측면에서 임상적 기준으로서 결정적인 중요성을 가지고 있다. 먼지나 햇빛에 노출되거나 과도한 호르몬 또는 보호구 착용으로 유발되는 부적절한 pH 수준의 경우, 특정 pH 의존성 효소는 사람 피부에 보호할 수 있는 막을 형성하는 기능을 할 수 없으며, 종종 인체에 염증성 피부 질병

감염과 같은 심각한 피부 질병을 일으킨다. 피부 질병의 정확한 제자리 진단과 개인화된 치료을 위해 pH 수준의 재사용 가능하고 즉각적인 정량화와 함께 생체액의 쉽고 직접적인 수집이 매우 필요하다.

pH-모니터링 피부 패치 장비의 특징은 정교한 시스템, 동적인 움직임을 통한 과도한 땀 분비 또는 다른 외부 자극 없이 사용자의 건강에 대한 간단하고 저렴하며, 믿을 수 있는 피드백을 제공할 수 있다. 추가적으로 스마트 피부 패치 시스템보다 높은 기능성을 달성하기 위해 가역성, 사람 친화적 사용과 견고한 부착성에 대한 새로운 접근법이 요구되어 있다. 아크릴 기반 점착제의 비가역적인 장기 점착은 낮은 통기성에 의해 맞물린 피부에 불편함을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수년 동안 연구자들은 진단 웨어러블 기기의 생체에 매우 적합한 피부 부착 가능한 구성 요소를 포함하여 다양한 점착 기술에 영향을 미친 동물의 버섯 모양 점착 부속물을 조사했다. 특정 표면에 대한 van der Waals 상호작용을 기반으로 하는 강력하고 가역적인 부착 능력에도 불구하고, 이러한 성능은 건조한 환경에 국한된다. 결과적으로, 최근에는 수중 생물에 의해 영감을 받은 나노/마이크로빨판이 건조하거나 젖은 표면에 매우 등각적인 부착을 위해 개발되었다. 그러나, 인공적인 빨판은 물리적 자극을 다른 방향으로 지지할 수 없는 음각 구조로 인해 인체 피부에 대한 다방향 점착성을 얻기 어렵다. 무엇보다 앞서 언급한 구조는 유체 기반 화학 바이오마커를 지속적으로 포착할 수 있는 특정 공간이 없는 구조적 특징 때문에 생체액을 포착하는 pH 센서가 아닌 등각 기계전기 센서와의 통합에 적합할 것이다. 수컷 물방개들은 습윤 및 불규칙한 표면에 강한 부착 및 위치 지정을 위해 앞다리에 흡입 컵과 같은 구조와 원형의 미세한 공간을 가진 spatula setae의 독특한 구조를 진화시켰다. 생체 기반 점착제를 개발하기 위한 생물학적 시스템의 재료 및 구조 역학은 아직 완전히 이해되지 않았다.

이 연구에서 우리는 피부 건강에 대한 지속적인 분석을 제공하기 위해 인체 표면의 각질층에서 유체를 쉽게 포착할 수 있는 부드럽고 생체에서 영감받은 plunger가 있는 영리하고 일체형인 점착제에 대한 전례 없는 디자인을 제시한다. 우리의 이종 생체 기반 나노구조는 기존 피부 계면 장치의 3가지 주요 과제를 해결한다. 1) 피부 수분 쉽게 포착 2) 빠르고 정확한 pH 분석을 위한 비색 센서와 기계 학습 프레임워크 통합 3) 건조/습윤 환경에서 불규칙적인 인체 피부에 대한 생체 적합성이 높고 가역적인 부착. 수컷 물방개 setae의 흡입 plunger에서 영감을 받아 우리는 건조/습윤 환경에서 인체 피부에 매우 견고하고 반복 가능하고 다방향성 점착력을 확립했다. 추가적으로 물방개 구조에 영감을 받은 구조 (DIA)의 공간 내에 생체액을 포착하는 하이드로겔을 내장하여 pH 분석을 쉽게 하기 위해 피부 수분을 캡슐화할 수 있는 흡입 보조 점착력을 향상시켰다. 기계 학습 기술을 통합하여 pH 반응성 하이드로겔에 의해 색상에서 자동으로 pH 수준을 정량화할 수 있는 소프트웨어 애플리케이션을 개발한다. 게다가, 우리는 여드름과 같은 피부 질환의 초기 징후를 감지하는 지능형 장치를 사용하여 신뢰할 수 있고 효과적인 치료 기회를 위한 생체 내 모델을 시연할 수 있다.