비침습적 인슐린 전달 기술, 주사의 시대를 끝낼 수 있을까?

당뇨병 환자들이 더 이상 주사에 의존하지 않아도 되는 날이 올지도 모른다. 최근 연구는 인슐린을 피부 크림 형태로 전달하는 새로운 방법을 제시하며, 이는 주사 없이 인슐린을 투여할 수 있는 가능성을 열어준다.

인슐린은 혈당 수치를 조절하는 중요한 호르몬으로, 현재는 주사로만 투여할 수 있다. 그러나 주사는 통증, 피부 합병증, 낮은 순응도 등의 문제를 동반한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 저장대학 연구진은 피부를 통해 인슐린을 전달할 수 있는 폴리머를 개발하였다. 이 폴리머는 poly[2-(N-oxide-N,N-dimethylamino)ethyl methacrylate] (OP)로, 피부의 pH pH
pH의 정의와 활용 목차 pH 정의 및 원리 pH 측정 및 단위 pH 지표 및 비수용액 pH의 다양한 응용 pH 계산법 추가 정보 pH 정의 및 원리 pH는 용액의 산도(acidity) 또는 염기도(basicity) 를 나타내는 무차원 수치이다. 일반적으로 수용액에서 pH는 수소 이온 농도의 역수의 상용로그 (–log₁₀[H⁺])로 정의한다 (qa.edu.vn) (time.com). 예를 들어, 25℃에서 순수한 물은 [H⁺] = 10⁻⁷ M이므로 pH = 7이 되어 중성으로 분류된다 (qa.edu.vn) (time.com). pH 척도는 로그 척도이므로 값 하나 차이는 수소 이온 농도가 10배 차이남을 의미한다. 즉 pH가 7보다 낮으면 산성, 높으면 염기성(알칼리성)이다 (qa.edu.vn) (time.com). pH의 원조는 1909년 덴마크 화학자 소렌 뇌데(S.P.L. Sørensen)가 제안한 것으로, 당시에는 p[H]라는 표기를 사용했으나 1924년부터 현재의 pH로 변경되었다 (qa.edu.vn) (qa.edu.vn). p[H]는 수소 이온 농도를 직접 측정한 것이었고, pH는 수소 이온 활동도(activity)를 기준으로 한다. 그러나 둘 사이 차이는 극히 작아 pH ≈ p[H] + 0.04로 거의 동일하다 (qa.edu.vn). 한편, ‘p’의 의미는 뇌데가 명확히 언급하지 않아 논쟁이 있어 왔다. 일반적으로 프랑스어 puissance(세기), 독일어 Potenz(멱수), 또는 영어 potential(전위) 등의 ‘힘(hydrogen ion exponent)’을 의미한다고 해석되며, 현대 화학에서는 단순히 “음의 로그(negative logarithm)”를 나타낸다 (qa.edu.vn) (qa.edu.vn). pH 측정 및 단위 pH는 수용액 속 산도를 정량화하는 척도로, 전극식 pH 미터(유리 전극 및 참조 전극)나 지시약을 이용해 측정한다 (qa.edu.vn) (qa.edu.vn). 전극식 측정에서는 시료와 동일한 성분의 완충 용액으로 장비를 보정하고, 전위차를 산출해 pH 값을 읽는다. 반면 간단한 방법으로는 다양한 색깔 변화 지시약이나 pH 시험지를 사용한다. 예를 들어, 전통적으로 리트머스 시험지는 산성에서 적색, 염기성에서 청색으로 변해 간편히 산·염기를 구별한다 (jstor.blog). pH 2∼10 범위를 커버하는 혼합형 ‘범용 지시약(universal indicator)’도 있어 다양한 용액의 pH를 대략 관찰할 수 있다 (qa.edu.vn). 단위로서의 pH는 농도 단위가 아니라 ‘무차원 수치’이다. pH는 로그 함수이므로 차원 없이 취급되며, 국제 기준에 따라 특정 완충 용액의 pH 값을 기준으로 한다 (qa.edu.vn). 물 이외의 용매에서는 중성 pH의 개념이 달라진다. 예컨대 아세토나이트릴 용매에서는 pH 중성점이 약 19이고, 순수 황산에서는 약 1.5이다 (each.ut.ee). 이러한 용매 간 비교의 불편함을 해결하고자, 수소 이온의 화학 퍼텐셜에 기초한 절대 pH 척도(pHabs)가 제안되었다 (each.ut.ee). 이 척도는 액체뿐 아니라 기체, 고체 상태에서도 일관된 척도로 산도를 표현할 수 있도록 설계되었다. 현재 실험적으로는 수소 이온의 기준 농도의 차이로 인해 쉽게 구현되지 않지만, 이론적으로 모든 용액에서 비교 가능한 산도 척도를 만든다는 점에서 업무가 진행 중이다 (each.ut.ee). pH 지표 및 비수용액 pH 지시약은 약산 또는 약염기로서 용액의 pH에 따라 색이 변하는 물질이다. 흔히 쓰이는 리트머스, 페놀프탈레인, 메틸오렌지 등은 각각 특정 pH 범위에서 색 전환을 보인다. 예를 들어, 붉은색 리트머스는 산성에서 색이 변하지 않고 염기성에 접하면 파란색으로 탈색된다 (jstor.blog). 반대로 청색 리트머스는 산성 용액에서 붉은색으로 변한다. 이러한 성질 덕분에 리트머스만으로도 산성(pH7)을 구별할 수 있다 (qa.edu.vn) (jstor.blog). 보다 넓은 범위를 한 번에 확인하려면 여러 지시약을 혼합한 범용 지시약이 사용된다. 범용지시약은 pH 2부터 10까지 연속적으로 색이 변하므로, 용액의 색을 색온표와 비교해 근사적인 pH를 알 수 있다 (qa.edu.vn). 자연에도 pH에 반응하는 색소가 있다. 예를 들어 붉은 양배추의 안토시아닌 색소는 pH에 따라 붉은색에서 푸른색, 녹색 쪽으로 변하며, 히비스커스나 포도즙에 포함된 안토시아닌도 비슷한 지시약 역할을 한다 (qa.edu.vn). 이처럼 비수용액에서도 용매의 종류에 따라 산도의 기준이 달라지지만, 비슷한 지시약을 통해 간접적으로 산도를 평가할 수 있다. 다만 여기서 말하는 pH는 용매에 특화된 비수용액 산도 척도에 해당하며, 물이 아닌 용매에 적용된 것이므로 직접 비교할 수 없다. pH의 다양한 응용 pH는 화학 실험 뿐 아니라 농업·환경·식품·생체 등 광범위한 분야에서 중요한 역할을 한다. 토양과 작물: 토양의 pH는 식물 성장에 핵심 요소이다 (edis.ifas.ufl.edu) (www.intechopen.com). 일반적으로 대부분의 작물은 약산성(pH 6~7) 토양을 선호하며, 토양 pH에 따라 영양분의 화학적 형태가 달라진다. 예를 들어 철(Fe)은 낮은 pH에서 녹는 형태(Fe²⁺)를 이루지만, 높은 pH에서는 산화되어 불용성(Ferric) 형태가 된다. 이 경우 식물은 철 결핍 증상을 보인다 (edis.ifas.ufl.edu). 이처럼 토양 pH는 작물이 흡수할 수 있는 영양소의 양과 종류를 결정하는 마스터 변수 역할을 한다 (edis.ifas.ufl.edu). 토양 pH가 너무 낮으면 알루미늄 탈리션 등 독성 이온이 많아지고, 너무 높으면 미량원소 결핍이 생겨 생산량이 감소한다. 실제로 미국 자료에 따르면, 대부분의 채소 재배에 적합한 토양 pH 범위는 5.5~7.0이며, 이 범위를 벗어나면 양분 흡수 및 미생물 활동이 감소한다고 밝혔다 (edis.ifas.ufl.edu). 따라서 농업에서는 석회나 황 등을 사용해 토양 pH를 보정하여 최적의 생육 환경을 조성한다. 산과 바다(해양): 지구의 평균 해양 pH는 약 8.1로 약알칼리성이다 (www.noaa.gov). 그런데 화석연료 연소 등에 의해 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도가 증가하면서 해수에 더 많은 CO₂가 용해된다 (www.noaa.gov). CO₂는 물과 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 생성하고, 이는 다시 수소 이온(H⁺)과 탄산염 이온(HCO₃⁻)으로 분해되므로, 해양의 산성화(ocean acidification) 를 일으킨다. 실제로 산업혁명 이후 해수표층의 pH는 약 0.1 정도 하락했는데 이는 수소 이온 농도의 약 30% 증가에 해당한다 (www.noaa.gov). 해양 산성화가 진행되면 산호초나 조개류의 칼슘 탄산염(CaCO₃) 구조가 녹기 시작한다. 예를 들어, pH가 대폭 낮아지는 미래 상태를 모사한 실험에서 해산 달팽이(pteropod)의 조가비가 며칠 내에 용해되는 모습이 관찰되었다 (www.noaa.gov). 식품과 미생물: 식품 분야에서는 pH 조절이 보존성과 풍미에 중요한 역할을 한다 (pmc.ncbi.nlm.nih.gov) (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). 감귤류 과일처럼 자연적으로 산도가 높은 식품은 부패균이 자라기 어렵고, 김치·요구르트 같은 발효식품은 유산균이 만들어 내는 젖산으로 pH가 낮아지면 유해균 증식이 억제된다 (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). 따라서 식품제조 공정에서는 아세트산, 구연산, 젖산 등 여러 유기산을 첨가해 pH를 낮추어 저장성 및 안전성을 높인다 (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). 예를 들어 통조림 공정에서는 조리 전에 산을 첨가하여 보존 품질을 높이고, 첨가된 산과 열처리를 병행해 균 포자의 활성화를 억제한다 (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). 이 밖에 클린룸이나 플라즈마 활성화수(PAW) 기술처럼 미생물이 낮은 pH에 취약한 점을 이용한 새로운 위생 기술도 개발되고 있다. 생체 체액: 인체를 포함한 생물은 매우 엄격한 pH 균형 속에서 기능을 유지한다. 인간 혈액의 정상 pH는 7.35~7.45로 극히 좁은 범위 내에서 항상성(homeostasis)이 유지된다 (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). 이는 단백질의 구조와 효소 활성, 신경 신호전달 등 생체 기능이 일정한 pH에서만 안정적으로 작동하기 때문이다. 위액은 강산성(pH 1~2)으로, 소화 과정에서 세균을 살균하고 단백질 분해를 돕는다. 반면 침은 약한 알칼리성을 띠어 치아우식 억제를 돕고, 위산을 중화하는 역할을 한다. 소변의 pH는 보통 4.5~8.0 범위이며, 배출되는 대사산물이나 식단에 따라 변동한다. 이처럼 체내 pH는 생명활동과 밀접하여, 조금만 벗어나도 산증(acidosis) 또는 알칼리증(alkalosis)을 초래할 수 있다 (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). pH 계산법 pH 계산은 산과 염기의 종류(강산/강염기, 약산/약염기)에 따라 다르다. 강산(예: HCl) 의 경우 완전 해리하므로 용액의 [H⁺]를 바로 이용할 수 있다. 즉 pH=-log₁₀([HCl]) 이며, 예를 들어 0.01 M 염산의 pH는 –log₁₀(0.01) = 2.0이다 (qa.edu.vn). 마찬가지로 강염기(예: NaOH) 의 경우 [OH⁻] 농도로 pOH를 구할 수 있고, pH + pOH = 14(25℃ 기준)이므로 pH를 쉽게 구할 수 있다. 예컨대 0.01 M 수산화나트륨 용액은 pOH = 2 → pH ≈ 12이다 (qa.edu.vn). 약산과 약염기의 경우 해리 평형을 고려해야 한다. 약산 HA의 해리 상수 Ka가 주어지면, 평형식 Ka = [H⁺][A⁻]/[HA]를 세우고 근사치를 적용하여 pH를 구한다. 약산이 아주 산성인 경우 ([H⁺] ≫ [A⁻]) 단순화하여 $[H^+]=\sqrt{K_a C_0}$로 근사할 수 있으며, 일반적으로 가까운 값이 된다. 한편 완충용액(약산과 그 짝염기 HA/A⁻)에서는 헨더슨-하셀발흐 방정식이 자주 사용된다: [ \mathrm{pH} = pKa + \log{10}\frac{[\mathrm{A}^-]}{[\mathrm{HA}]} ] 이 방정식에 따르면 산과 그 짝염기의 농도 비율로 pH를 바로 계산할 수 있다 (chem.libretexts.org). 예를 들어 pK_a = 4.76인 아세트산 용액을 완충제로 제조할 때, HA:[A⁻] 비율에 따라 pH가 결정된다. 요약하면, 강산·강염기의 기초 공식과 약산·약염기 평형식을 통해 원하는 용액의 pH를 계산할 수 있다. 추가 정보 p 기호의 유래: pH의 ‘p’가 무엇을 뜻하는지는 완전히 명확하지 않다. Sorensen 자신은 p가 어떤 단어의 약자인지 밝히지 않았지만, 학술 문헌에서는 종종 프랑스어 puissance, 독일어 Potenz, 덴마크어 potens(모두 ‘거듭제곱’ 의미) 또는 영어 ‘potential’으로 추정한다 (qa.edu.vn). 일부 자료에서는 라틴어 pondus hydrogenii(수소의 무게), potentia hydrogenii(수소의 힘)라고도 설명하지만, 실제로 Sorensen이 이런 용어를 사용한 기록은 없다 (qa.edu.vn). 오늘날 화학에서는 pH를 “H⁺ 농도의 음의 소수 로그”로 정의하므로, p는 간단히 ‘–log’ 연산을 지칭하는 것으로 이해된다 (qa.edu.vn). 참고 자료: 다양한 학술 자료와 교육자료를 참고하여 최신 정보를 반영하였다. pH 계산 관련 공식과 완충용액 사례는 일반 화학 교재를 기반으로 하였으며, 토양·해양·식품 분야의 pH 응용 예시는 최근 학술 연구 논문들을 인용하였다. 본 글에서 언급한 모든 수치와 사실은 각주를 통해 출처를 명시하였다. 자주 묻는 질문(FAQ) pH란 무엇인가? pH는 용액의 산도나 염기도를 나타내는 지표로, 수소 이온 농도의 음의 로그값(–log[H⁺])을 의미한다. pH를 어떻게 측정하는가? 유리전극과 참조전극을 이용한 pH 미터, 혹은 리트머스지·지시약 등을 사용해 측정한다. pH는 왜 0~14 범위를 넘을 수 있는가? 0~14는 물을 기준으로 한 대략적 범위이다. 강한 산이나 염기의 경우 이 범위를 넘는 pH가 나타날 수 있으며, 비수용액에서는 중성점이 크게 달라진다. pH와 p[H]의 차이는? p[H]는 초기 개념으로 수소 이온 농도를 기준으로 한 pH, pH는 수소 이온 활동도를 기준으로 한 측정치다. 실제 차이는 극소수(약 0.04)에 불과하다 (qa.edu.vn). pH 계산법은 어떻게 다른가? 강산·강염기는 해리도를 대입하여 pH를 계산하고, 약산·약염기는 평형상수(Ka, Kb)를 이용한다. 또한 완충용액의 경우 헨더슨–하셀발흐 방정식(pH = pKa + log[A⁻]/[HA])을 활용할 수 있다 (chem.libretexts.org). 참고 문헌: Sørensen, S.P.L. pH 개념 도입(1909) 관련 기록 (time.com). Wikipedia, “pH (measure of acidity or basicity)” (qa.edu.vn) (qa.edu.vn). Tobias M. Lüthi 외, “A Universal pH Scale for All Phases” (논문) (each.ut.ee) (each.ut.ee). Isidora Radulov 외, Nutrient Management for Sustainable Soil Fertility, IntechOpen (2024) (www.intechopen.com) (www.intechopen.com). Guodong Liu 외, HS1207/HS1207: Soil pH Range for Optimum Vegetable Production (UF/IFAS, 2010) (edis.ifas.ufl.edu) (edis.ifas.ufl.edu). NOAA(미국 해양대기청), “Ocean Acidification” 자료 (www.noaa.gov) (www.noaa.gov). Merve Atasoy 외, FEMS Microbiol Rev (2023), “Low pH in food preservation” (pmc.ncbi.nlm.nih.gov) (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). I. Shaw & K. Gregory, BJA Education (2022), “Acid–base balance: a review of normal physiology” (pmc.ncbi.nlm.nih.gov). LibreTexts Chemistry, “Henderson–Hasselbalch Equation” (chem.libretexts.org).
변화에 반응하여 인슐린을 혈액으로 전달한다.

연구진은 쥐와 미니피그를 대상으로 한 실험에서 OP-I가 혈당 수치를 정상 수준으로 빠르게 낮추는 것을 확인하였다. 이 과정은 주사와 유사한 속도로 진행되었으며, 혈당은 12시간 동안 안정적으로 유지되었다. 이는 기존 주사 방식보다 더 지속적인 효과를 보여준다. 연구 결과는 ‘Nature’에 게재되었으며, “OP-I는 인슐린 수용체를 활성화하고, 포도당 흡수와 대사를 촉진한다”고 밝혔다.

또한, 연구진은 OP-I가 인체에 해로운 부작용을 일으키지 않는다고 보고하였다. 하지만 장기적인 안전성을 확인하기 위해 인간을 대상으로 한 추가 연구가 필요하다. 연구진은 “OP 결합은 펩타이드, 단백질, 핵산 등 다양한 생체 거대분자의 경피 전달에 활용 가능성이 있다”고 강조하였다.

이 혁신적인 기술은 주사 없이 인슐린을 투여할 수 있는 가능성을 열어주며, 향후 다른 약물에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 체중 감량 약물의 활성 성분을 포함한 다른 약물의 경피 전달을 이미 탐구 중이다.