나노바이오센서 맞춤형스마트헬스케어를 중심으로시장성장예상 산업정보분석실 Tel: 02-3299-6054 e-mail: sunny@kisti.re.kr 바이오센싱 (Biosensing) 은오래전부터과학자에서일반인에이르기까지마음을사로잡는매우뜨거운주제중하나로, 의료의패러다임이 치료 에서 예방및진단 으로바뀌면서분석대상물질을보다간편하고신속 정밀하게측정할수있어의료및환경분야등에서크게주목되고있다. 이를위한바이오센서는생물학적상호작용을이용하여물질을추정하고, 변환및전자기계적해석을통해상호작용을판독가능한형태로평가하도록특별히설계된감지장치또는측정시스템이라할수있다. 즉, 유전자, 암세포, 환경호르몬등특정물질의존재여부를파악하거나감지할수있는바이오소자를지칭하는것으로, 일반적으로특정물질과선택적으로반응및결합할수있는생체수용체 (Bioreceptor), 신호변환기 (Signal Transducer) 및검출기 (Detector) 로구성된다. 1) 바이오센서의주요기능또는목적은생물학적으로특정한물질을감지하는것으로, 이러한물질 2) 은주로항체, 항원, 효소, 단백질, 면역분자, DNA 등이다. 즉, 생물학적으로민감한다른물질을사용하여특정생물학적물질을감지하는것으로, 다양한물질을사용한다. 예를들어, 항체는항원을사용하여감지하며, 그반대도마찬가지이고, 단백질은상응하는선택성기재 (Substrate) 등을사용하여스크리닝된다. 이것이첫번째구성요소이다. 두번째구성요소는신호변환기 (Signal Transducer) 시스템으로, 이장치의주요기능은생체분석기와해당생체수용체의상호작용을전기형태로변환하는것이다. 그이름에서 Trans 는 변화 를의미하고 Ducer 는 에너지 를의미한다. 따라서변환기는기본적으로한형태의에너지를다른형태로변환하는것을말하며, 첫번째형태는본질적으로생체분석기와생체수용체사이의특정상호작용에의해생성되기때문에본질적으로생화학적인반면에두번째형태는일반적으로전기적이다. 즉, 생화학반응을전기신호로변환시키는역할을수행하는것이다. 이러한신호변환방법에는전기화학, 형광, SPR, FET, 열센서등다양한물리화학적방법이있다. 3) 세번째구성요소는검출기시스템인데, 이는변환기로부터전기 1) Nanobiosensors: Concepts and Variations,Malik, P., et. al.,, ISRN Nanomaterials, Vol. 2013, 9 pages 2) 대상바이오분자는효소, DNA, RNA, 항체와같은단일분자 / 분자복합체와세포전체, 조직, 전체기관등과같은세포계로나뉘어진다. 3) U- 헬스케어확산의도화선 (2010), KT 종합기술원 01
신호를받아적절히증폭하여해당응답을올바르게읽을수있게하는것이다. 나노바이오센서의경우매우필수적인요구조건은 생물수용체와의반응을훨씬더실현가능하고효율적으로만들기위해생물수용체를고정시킬수있는가 이다. 고정화는생물학적감지의전반적인프로세스를보다저렴하게만들고이기술을기반으로한시스템의성능은온도, ph, 오염물질에의한간섭및기타물리화학적변화에의해영향을받는다. 나노바이오센서는이러한바이오센서에감지성능을획기적으로개선시켜주는나노재료및나노기술이적용된것을말한다. 나노입자, 나노튜브, 나노막대및나노와이어에이르기까지다양한나노물질을사용함으로써훨씬빠른탐지와재현성을얻을수있다. 특히, 포인트오브케어 (Point-of-care) 5) 진단과유비쿼터스헬스케어와같은새로운의료분야의문이열리면서더욱중요성이강조되고있으며, 특히, 만성쇠약병 (Chronic Debilitating Diseases) 의조기진단, 병원체의초민감감지및생체적합통합의료기기를사용하는환자에대한장기적모니터링이가능하여의료분야의혁신을가져올것으로기대되고있다. 나노기술을바이오분야에접목하면기존의샘플채취및분석등의한계를극복하여실시간진단이가능한고기능바이오센서가가능해진다. 나노바이오센서는의료분야뿐만아니라환경, 시설유지, 에너지관리, 공업공정등다양한응용분야를가지고있다. 6) 바이오센서구성요소 Bioreceptor (material which analyzes) Biosensor components (in order) Transducer (signal conversion) Detector (reproducible response) 바이오센서의경우에는두가지기준, 즉분석대상물질의유형 과사용된신호전달메커니즘을기준으로센서를분류한다. 예를 들어, 바이오센서를통해항원이나효소를스크리닝하는경우, 분석 대상물질의성질에따라바이오센서는항원바이오센서또는효소 바이오센서로분류된다. 마찬가지로, 감지메커니즘과관련하여주 요유형은전기화학, 열량계, 광학및음향등으로구분된다. 반면에, 나노바이오센서의유형은매우다양한데, 이는바이오 센싱에포함된나노물질의특성에기인한것으로바이오센서의분 류만큼간단하지않다. 나노바이오센서의분류기준은감지메커 니즘개선을위한나노물질의성질이라할수있다. 예를들어, 나 노입자기반의바이오센서는생화학적신호를감지하는인핸서 바이오센서구성요소및감지과정 4) Biocatalyst Transducer Reference Amplifier Processor Display Converts the substrate to product Determines reaction & converts it to electrical signal Amplifies output from transducer Processes signal and compares with reference Displays result in digital form numerical 4) Analysis of the Global Biosensors Market (2015), Frost & Sullivan 5) 현장에서즉각진료가가능하도록실시간으로진료기록 처방 검사결과 투약기록등임상정보를등록및조회할수있는의료정보시스템 6) 바이오센서소재및소자기술 (2011), 유봉영, 이세은, 임재흥, 기계와재료 02
(Enhancer) 로서금속나노입자를사용하는모든센서를포함한다. 마찬가지로, 나노바이오센서가반응특이성과효율을향상시키는탄소나노튜브를포함하면나노튜브기반센서로불리며, 나노와이어를전하수송및캐리어로사용하는바이오센서는나노와이어바이오센서라고부른다. 마찬가지로광학응답을향상시키기위해조영제로양자점을사용하는양자점기반센서가있다. 여기서는지금까지개발된나노바이오센서의주요제품을제시하고자한다. 게도움이된다. 특히, 콜로이드성금나노입자는검출한계를더욱낮춰바이오센서전체의효율성을크게증가시키는금전극에 DNA 를고정화시키는데사용되며, 글루코오스, 크산틴 (Xanthine) 및과산화수소의확인을위해효소가접합된금나노입자를사용된다. 그외에도효소검출시스템에황화카드뮴 (CdS) 나노결정을, 또한생물학적탐침과결합하여혼합물로부터특정분자를검출하는데다양한금속계나노입자가사용되고있다. 바이오센서는분석대상물질의유형과사용된신호전달메커니즘으로센서를분류하는반면, 나노바이오센서의분류유형은매우다양한데, 이는바이오센싱에포함된나노물질의특성에기인한다가 ) 나노입자센서 (Nanoparticle Based Sonsor) (1) 음향파바이오센서 (Acoustic Wave Biosensor) 음향파바이오센서는감지된응답을증폭하여바이오탐지정확도한계를향상시키는것으로, 항체에대량으로결합된졸 (Sol) 입자가석영계감지플랫폼의진동주파수를변화시키며, 이변화가검출되는것이다. 일반적으로, 졸기반항체입자의직경은 5~100nm 이며, 금, 백금, 황화카드뮴및이산화티타늄의입자가일반적으로사용된다. (2) 자기센서 (Magnetic Biosensor) 자기바이오센서는특별히고안된자성나노입자를사용하는데, 주로페라이트계재료로, 개별적으로또는조합된형태로사용된다. 자기측정기 (Magnetometer) 를이용하여자기적으로표적화된특정표적을분리하는자기생체검정기술 (Magnetic Bioassay Techniques) 을이용한다. 초전도양자간섭장치 (SQUID: Superconducting Quantum Interference Devices) 와같은특수장치가자성나노입자의초상자성을사용하여생물학적표적을신속하게탐지하는데사용되는데, 이장치는자기나노입자에결합된항체를사용하여혼합물로부터특정항원을스크리닝하는데사용된다. (3) 전기화학적바이오센서 (Electrochemical Biosensor) 이센서는기본적으로향상된전기수단을통해생화학반응을촉진하거나분석하는것이다. 대부분금속나노입자를기반으로하며, 생체분자사이의화학반응은금속나노입자의도움으로용이하고효율적으로이루어지며, 이는반응물중하나를고정시키는데크 나 ) 나노튜브센서 (Nanotube Based Sensor) 탄소나노튜브는재료과학및광전자응용분야에있어서세계에서가장널리알려진나노물질중하나이다. 1990 년대에발견된이래로, 전자제품의전도성, 유연한물리적기하학적특징, 그리고높은종횡비에이르기까지역동적인물리학적특성을비롯하여탁월한특성때문에전세계에서관심이모아지고있다. 특히, 높은기계적강도와연성및매우우수한기능성등의특성으로인해단일벽나노튜브와다중벽나노튜브가고성능의바이오센서에사용되고있다. 탄소나노튜브의높은효소적재능과우수한전기전도성으로인해글루코오스산화효소를표면에고정시키면글루코오스효소검출능이현저히향상되어눈물이나타액과같은체액에서도포도당을측정할수있게된다. 탄소나노튜브는그기능의고도화가능성과 DNA, 단백질, 올리고뉴클레오타이드탐침과같은생체분자와신속하게결합하여친화되는장점으로인해바이오센서분야에서더욱더활발히응용될것으로기대된다. 다 ) 나노와이어센서 (Nanowire Based Sensor) 나노와이어는탄소나노튜브와마찬가지로원통형구조이나, 나노미터범위의직경으로수마이크로미터에서센티미터정도의길이를가지고있으며, 매우좋은전자전도특성을갖는일차원나노구조이다. 나노와이어를기반으로한센서는그리많지않지만, 붕소로도핑된실리콘나노와이어는생물학적및화학적종의검출에사용되고, 반도체나노와이어는특이하게연결된기질 (Substrate) 를확인하기위해수많은바이오분자와결합시키는데사용되며, 바이오틴으로코팅된실리콘나노와이어는혼합물에서스트렙타비딘 (Streptavidin) 분자를검출하고분리하는데사용된다. 또한금전극에코팅한 ZnO 나노와이어는히드라진검출에사용되고있다. 03
나노와이어는높은민감도, 낮은검출한계및월등히빠른응답속도등의장점을가지고있어병원체의생물학적검출과폭넓은범위의생물학및화학종의실시간분석에이상적이어서생체내진단과정에있어서정확성을크게개선시키고있다. 앞서언급한재료외에도, 다양하고많은나노물질이있으며, 양자점, 나노시트및나노빗 (Nanocombs), 나노벨트및나노리본과같은변형된구조의형태를닯은나노도트 (Nano Dot) 가기존의감지과정을개선하는데사용되고있다. 압전 (Piezoelectric) 및캔틸레버 (Cantilever) 시스템의결합은이기술에새로운매력을더했으며, 양자점과같은나노물질은민감한염료와결합된라벨로추가되었으며, 쉽게모니터링할수있고, 매우민감한검출도가능한열변색, 광변색및전기변색물질도제조되고있다. BCC보고서 (2016 년 ) 에의하면, 나노바이오센서가포함되고있는세계의마이크로센서 ( 바이오센서, 나노센서 ) 시장은 2014 년약 99억달러에이르렀으며, 2015~2020 년에 11.7% 의연평균성장률 (CAGR) 로성장하여 2015 년에는약 109억달러, 2020 년에는 189 억달러이상규모에이를것으로예측되고있다. 7) 한편, Frost&Sulivan 보고서 (2015 년 ) 는바이오센서 ( 나노바이오센서포함 ) 시장은 2014 년 115억달러에서 2017 년 166억달러, 2021년에는 288억달러규모로연평균성장률 (CAGR) 14.0% 로성장될것으로예측하고있다. 8) 바이오센서시장중에서나노바이오센서는그기능의고도화와소형화로인해재택진단분야, 포인트오프케어 ( 현장진료 ) 분야, 환경분야및국방 보안분야등을중심으로더욱유용성이높아질것으로예상된다. 따라서나노바이오센서시장에서나노재료의침투율 9) 을감안하여나노바이오센서시장전망표를만들었다. 국내시장의경우는세계에서한국의경제비중을고려하여추정하였으며, 2021 년세계시장은 106 억달러, 국내시장은약 1조 2천억원대에이를것으로추정된다. 나노물질은감지기술을더욱고도화시켰으며, 진단및탐지절차를획기적으로도약-개선시켰다. 나노재료를통한더욱빠른분석및평가프로토콜을통해더욱정확하고신속하게진단할수있게되면서바이오센서분야에큰변화가생기게되었다. 나노바이오센서시장전망 ( 단위 : 억달러, 억원 ) 2017 년 2018 년 2019 년 2020 년 2021 년 세계시장 34 46 62 81 106 국내시장 3,901 5,321 7,101 9,339 12,144 * 주 ) 환율 1150 원 / 달러적용 바이오센서에사용되는나노소재 나노소재탄소나노튜브나노입자양자점나노와이어나노막대 주요효과 향상된효소저장능, 보다높은종횡비, 기능화되고향상된전기통신능력 고정화지원, 생체분석물질의높은저장능및우수한촉매특성 탁월한형광, 전하캐리어의양자구속및크기조정가능대역에너지 생체및화학적감지를위한다목적, 양호한전기및감지특성, 더욱우수한충전전도성 감지현상을잘결합하고크기조정가능한에너지조절을결합할수있는우수한플라즈몬물질은 MEMS 와결합될수있으며, 특정필드응답을유도할수있음 7) MEMS: Biosensors and Nanosensors (2016), BCC Research 8) Analysis of the Global Biosensors Market (2015), Frost&Sullivan 9) WinterGreen Research 의조사에따르면신규나노소재가부품 ( 성형품 ) 침투해가는비율, 즉나노침투율이 6 년간평균 6.6% 를이르는것으로발표한바있음 ( Nanotechnology: Market Opportunities, Market Forecasts and Market Strategies, 2004~2009 (2004), WinterGreen Research, Inc., ) 04
용도별바이오센서세계시장전망 ( 단위 : 억달러 ) 연도 2013년 2014년 2015년 2016년 2017년 2018년 2019년 2020년 2021년 Other Applications 0.4 0.5 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.7 0.9 Agriculture & Plant Biology 0.5 0.6 0.6 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 Automotive Biosensors 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.1 1.3 1.7 2.0 Mobile Platform 0 0 0.4 0.4 0.5 0.6 0.9 1.0 1.2 Home Diagnostics 20.0 22.7 25.6 29.0 33.0 37.7 43.2 50.0 58.2 Point of Care 45.0 49.9 55.5 61.8 69.3 78.1 88.7 101.5 116.6 Research Laboratories 12.0 13.4 14.9 16.7 18.7 21.1 23.7 26.9 30.5 Biodefense & Security 3.0 3.5 4.0 4.8 5.5 6.4 7.6 9.0 10.7 Environmental 14.0 15.9 18.2 20.9 24.2 27.9 32.6 38.3 45.2 Process 7.8 8.6 9.7 11.0 12.4 14.1 16.2 18.7 21.6 합계 102.8 115.3 129.9 146.4 165.8 188.7 215.9 248.8 287.9 Revenue($Million) 바이오센서세계시장동향 35,000.0 17.0 Revenue 30,000.0 16.0 Growth Rate 25,000.0 20,000.0 15,000.0 10,000.0 5,000.0 0.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 연도 2013 년 2014 년 2015 년 2016 년 2017 년 2018 년 2019 년 2020 년 2021 년 Revenue 10,280.7 11,531.0 12,991.0 14,643.7 16,578.0 18,866.5 21,587.5 24,876.4 28,788.4 Growth Rate 11.6 12.2 12.7 12.7 13.2 13.8 14.4 15.2 15.7 특히, 맞춤형스마트헬스케어분야 ( 재택진단, 현장진료등 ) 에있 어서의응용품을중심으로괄목할만한성장이기대되고있다. 전세계의많은기관에서도노력을기울이고있다. 미국의 Genetech 에서는항체개발및생산기술에치중하고있으며, Northwestern 대학에서는금나노 DNA 바이오센서기술을개발중이다. 그외 GE Healthcare, Stanford 대학등에서많은연구를수행하고있다. 유럽에서는 ETH 가마이크로어레이바이오센서기술을개발하 고있으며, Imperial College London 에서는바이오마커검출기 술을개발하고있다. 일본의경우에는 AIST 에서나노바이오센서 를위한 DEP 칩을개발하고있고, NEC 에서는탄소나노튜브소재 를개발하고있다. 우리나라에서도많은기관에서나노바이오센서 를개발하고있으며, 대표적인기관으로는마크로젠, 셀트리온이다. 한국전자통신연구원, 한국생명공학연구원, 나노종합기술원등에서 연구를진행하고있다. Growth Rate(%) 유럽을포함한선진국들의경우이미 2000 년대초반부터나노바이오센서관련 R&D를시작했으며 2010 년대부터는연구된결과를바탕으로응용분야를확대하여사업화시켜나가고있다. 특히나노바이오융합기술및 ICT기술과연계하여다양한사회적수요에대응할채비를갖추고있다. 한편우리나라의경우에도 2000 년대초반부터나노기술종합발전계획, 국가중점과학기술전략로드맵, 생명공학육성기본계획등의정책을수립하여관련분야의준비를수행하여왔으며, 2010 년대에는나노안전관리종합계획, 국가나노기술지도, 국가융합기술발전기본계획, 산업융합발전기본계획이새로이만들어지며해당분야에노력을경주하고있다. 나노바이오센서는그기능의고도화와소형화로인해재택진단분야, 포인트오프케어 ( 현장진료 ) 분야, 환경분야및국방 보안분야등에있어서더욱유용성이높아질것으로예상된다. 우리나라의경우세계최고수준의정보통신기술및인프라를가지고있으므로이를바탕으로의료진단과헬스케어분야로성과가기대되고있다. 우리나라의고령화추세와더불어발생하고있는실버산업, 의료산업의성장이기대되고있으므로관련정책적지원이필요하다고판단된다. 구독및배포문의담당자 Tel: 02-3299-6106 e-mail: kh.kim@kisti.re.kr 05