There is an increasing interest in developing next-generation wearable ultrasound patch systems because of their wide range of applications, such as home healthcare systems and continuous monitoring systems for physiological conditions. A wearable ultrasound patch system requires a stable interface to the skin, an ultrasound coupling medium, a flexible transducer array, and miniaturized operating circuitries. In this study, we proposed a patch composed of calcium (Ca)-modified silk, which serves as both a stable interface and a coupling medium for ultrasound transducer arrays. The Ca-modified silk patch provided not only a stable and conformal interface between the epidermal ultrasound transducer and human skin with high adhesion but also offered acoustic impedance close to that of human skin. The Ca-modified silk patch was flexible and stretchable (∼400% strain) and could be attached to various materials. In addition, because the acoustic impedance of the Ca-modified silk patch was 2.15 MRayl, which was similar to that of human skin (1.99 MRayl), the ultrasound transmission loss of the proposed patch was relatively low (∼0.002 dB). We also verified the use of the Ca-modified silk patch in various ultrasound applications, including ultrasound imaging, ultrasound heating, and transcranial ultrasound stimulation for neuromodulation. The comparable performance of the Ca-modified patch to that of a commercial ultrasound gel and its durability against various environmental conditions confirmed that the Ca-modified silk patch could be a promising candidate as a coupling medium for next-generation ultrasound patch systems.
초음파는 가장 오래된 질병 진단 방법 중 하나로, 비교적 적은 비용으로 효율적이고 안전한 검사를 진행할 수 있다는 장점이 있다. 기존의 초음파 진단 시스템은 크고 무거운 장비 때문에 병원에서만 사용할 수 있다는 불편함이 있으며, 최근 환자가 위치한 곳에서 즉시 질병을 진단하고 치료하는 현장진단검사에 대한 수요가 증가함에 따라 기존의 초음파 진단 시스템을 소형화하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 피부에 부착하여 일상에서 생리학적 신호를 지속적으로 관찰할 수 있는 웨어러블 초음파 패치가 차세대 초음파 진단 시스템으로 촉망받고 있다. 웨어러블 초음파 패치는 피부에 잘 부착할 수 있는 안정적인 인터페이스, 초음파를 잘 투과시키는 매질, 유연 소자 어레이, 그리고 소형화된 회로 시스템을 필요로 한다. 본 연구에서는 실크 피브로인을 녹인 포름산 용액에 칼슘 이온을 첨가하여 칼슘 변형 실크 용액을 만들고, 이 용액을 필름 형태로 굳혀서 칼슘 변형 실크 패치를 개발하였다. 물질의 접착성과 수분 흡수 능력을 활용하여 칼슘 변형 실크 패치를 초음파 소자를 피부에 완전하게 부착시킬 수 있는 안정적인 인터페이스이자 피부 계면에서 초음파의 손실을 최소화하는 우수한 초음파 매질로써 활용하였다. 칼슘 변형 실크 패치는 유연하고 잘 늘어나며 (~400% 변형률) 다양한 물질에 강한 접착력을 보임과 동시에, 피부와 비슷한 2.15 MRayl의 음향 임피던스를 가지기 때문에 초음파 손실이 약 0.002 dB 정도로 매우 적다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 다양한 온도 환경에서 패치 형태가 보존되며 시간이 지나도 일정한 기계적 특성과 음향 특성을 보인다는 점에서 우수한 내구성을 가진다. 최종적으로, 초음파 이미징과 열 발생 실험, 그리고 경두개 초음파 자극을 통한 신경 조절 실험에서 안정적인 계면이자 초음파 매질로써 우수한 성능을 보였다는 점에서 칼슘 변형 실크 패치는 차세대 초음파 패치 시스템의 인터페이스로써 적용하기에 충분한 가능성을 보인다.
