신형 마스크 프로토타입, 첨단 센서로 90분 내 코로나19 진단

엔지니어들이 착용자 코로나19 감염 여부를 약 90분 만에 진단할 수 있는 새로운 마스크를 설계했다. 마스크에는 일회용 미세 센서가 내장되어 다른 마스크에도 장착 가능하며, 다른 바이러스 탐지용으로도 개조할 수 있다.

센서들은 연구팀이 이전에 에볼라, 지카 등 바이러스 종이 진단용으로 개발한 동결건조 세포 기계를 기반으로 한다. 새 연구에서 팀은 센서들이 마스크뿐 아니라 실험실 가운 같은 의류에도 통합될 수 있음을 보였고, 의료 종사자들의 다양한 병원체나 위협 노출을 모니터링하는 새로운 방법을 잠재적으로 제시했다.

팀은 바이러스/세균 핵산뿐 아니라 신경독소 같은 유독 화학물질을 감지하는 광범위한 합성생물학 센서를 동결건조할 수 있음을 입증했다. 마스크 센서들은 착용자가 테스트 준비가 되면 활성화되도록 설계되었으며, 결과는 사용자 프라이버시를 위해 마스크 내부에만 표시된다.

특정 표적 분자에 반응하는 합성 유전자 네트워크를 만드는 데 필요한 단백질과 핵산들을 종이에 심을 수 있다. 또 다른 세포 프리 센서 시스템인 셜록(SHERLOCK)은 CRISPR 효소 기반으로 핵산 초고감도 검출을 가능케 한다.

이 세포 프리 회로 구성요소들은 동결건조돼 수개월간 안정적으로 유지되다 물과 만나면 재수화된다. 활성화되면 표적 분자(어떤 RNA나 DNA 서열, 기타 분자 유형)와 상호작용해 색 변화 같은 신호를 생성한다. 연구자들은 이 센서들을 직물에 통합해 의료 종사자나 잠재적 병원체 노출자가 입을 실험실 가운을 만드는 것을 목표로 시작했다.

먼저 팀은 면, 폴리에스터, 울, 실크 등 수백 가지 직물 유형을 스크리닝해 이런 센서와 호환될 수 있는 것을 찾았다. 최적은 폴리에스터와 다른 합성 섬유 조합이었다. 착용형 센서를 만들기 위해 동결건조 구성요소들을 이 합성 직물의 작은 구역에 심고 실리콘 엘라스토머 링으로 둘러쌌다. 이 구획화는 시료가 증발하거나 센서에서 확산되는 것을 방지한다. 기술을 시연하기 위해 연구자들은 약 30개 센서를 심은 재킷을 만들었다.

바이러스 입자를 포함한 소량 액체 튀김(감염 환자 노출 모방)이 동결건조 세포 구성요소를 수화시켜 센서를 활성화할 수 있음을 보였다. 센서들은 육안으로 보이는 색 변화나 형광/발광 신호(휴대용 분광계로 읽기) 등 다양한 유형의 신호를 생성하도록 설계할 수 있다. 결과를 읽고 모바일 기기로 무선 전송할 수 있는 착용형 분광계도 직물에 통합되도록 설계했다.

진단용 마스크를 만들기 위해 팀은 동결건조 셜록 센서를 종이 마스크에 심었다. 착용형 센서와 마찬가지로 동결건조 구성요소들은 실리콘 엘라스토머로 둘러싸여 있다. 이 경우 센서들은 마스크 내부에 배치되어 착용자 호흡 속 바이러스 입자를 감지한다.

마스크에는 착용자가 테스트 준비가 되면 버튼을 눌러 방출되는 소량 물 저장소가 포함된다. 이 물이 SARS-CoV-2 센서의 동결건조 구성요소를 수화시키고, 마스크 내부에 축적된 호흡 비말을 분석해 90분 내 결과를 낸다.

프로토타입에는 사용자 상태 감지용 내부 센서와 환경 노출 감지용 외부 센서가 모두 있다. 연구자들은 인플루엔자, 에볼라, 지카 등 다른 병원체 센서나 유기인산 신경작용제 탐지 센서로 교체할 수도 있다.