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화공/융합 차형준 교수팀, 실명 유발하는 망막 박리, 끈적한 미역으로 치료한다

[POSTECH · 동아의대 연구팀, 해조류 추출 탄수화물로 생체적합 인공 유리체 소재 개발] 미역국을 먹으면 시험에서 떨어진다는 속설이 있다. 미끌미끌한 미역을 먹고 시험에서 미끄러져서 떨어질 수 있기 때문이다. 미역이나 다시마 등 해조류의 표면이 미끄러운 이유는 알지네이트(alginate)라는 점액질 성분 때문인데, 최근 망막 박리 치료용 유리체 개발에 이를 사용한 흥미로운 연구가 발표됐다. 화학공학과 · 융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 최근호 박사, 동아의대 안과학 정우진 교수 · 박우찬 교수 · 안성현 교수의 공동 연구팀은 해조류에서 유래한 천연 탄수화물을 기반으로 망막 박리 치료용 인공 유리체를 개발했다. 이번 연구는 엘스비어(Elsevier)에서 출간하는 생체재료 분야 국제 학술지인 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’에 최근 온라인 게재됐다. 유리체는 수정체와 망막 사이의 공간을 채워 안구 형태를 유지하는 젤 상태의 조직이다. 망막 박리는 안구 내벽에서 망막이 유리체 강(공간)으로 떨어져 나와 들뜨게 되는 질환으로 심한 경우 실명으로 이어질 수 있다. 이 경우 유리체를 제거하고, 팽창성 가스나 실리콘 오일 등 의료용 눈 속 충전물로 유리체를 대체하는 것이 일반적이지만 이러한 충전물로 인해 다양한 부작용이 발생했다. 연구팀은 해조류에서 유래한 천연 탄수화물인 알지네이트를 개량하여 사용했다. 알긴산으로도 불리는 알지네이트는 식품과 의료 등 다양한 산업에서 점성이 있는 제품을 만들 때 널리 사용된다. 이번 연구를 통해 연구팀은 알지네이트를 기반으로 유리체를 대체할 수 있는 의료용 복합소재 하이드로젤을 개발했다. 이 하이드로젤은 생체 적합성이 높을 뿐 아니라 실제 유리체와 광학적 특성이 유사해 수술 후 환자가 시력을 유지할 수 있다. 또, 이 하이드로젤은 독특한 점탄성을 갖고 있어 안구 내부 유체 이동을 효과적으로 제어함으로써 망막을 안정적으로 고정하고, 내부에 생긴 공기 방울도 제거할 수 있다. 이어, 연구팀은 동물 모델 실험을 통해 하이드로젤의 안정성과 효능을 확인했다. 토끼의 눈은 사람의 눈과 구조, 크기, 생리적 반응 등이 거의 유사하다. 토끼의 눈에 연구팀의 하이드로젤을 이식한 결과, 망막 재 박리를 효과적으로 억제했으며, 장기간 사용한 후에도 부작용 없이 안정적으로 기능을 유지했다. 연구를 이끈 차형준 교수는 “망막 박리는 고도 근시와 연관이 있어 젊은 층에서도 발병률이 높고, 2017년 대비 2022년 국내 망막 박리 환자 수가 50% 증가했다”며, “후속 연구를 통해 연구팀의 하이드로젤을 실제 안과 치료에 적용할 수 있도록 기술을 개선 · 고도화하겠다“는 포부를 밝혔다. 또, 동아의대 정우진 교수는 “매년 3%씩 성장하고 있는 눈 속 충전물 세계 시장은 점차 그 규모가 확대될 것”이라며, “연구팀이 개발한 하이드로젤이 향후 망막 유리체 수술에 유용하게 사용되기를 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업단과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122459

환경 이형주 교수팀, 락다운 기간 대기오염의 사회적 불평등 감소, 지속가능한 정책의 필요성 제시했다

[이형주 교수팀, 이산화질소 농도 감소에 따른 대기오염 노출 불평등 분석] 환경오염은 모두에게 평등하게 영향을 미칠까? 바로 이를 뜻하는 것이 1970년대 미국에서 등장한 ‘환경 정의(Environmental justice)’다. 이 개념은 특정 집단과 지역에 환경 문제가 집중되지 않는, 환경적 공평성과 공정성을 설명한다. 미국은 엄격한 규제와 정책으로 대기오염을 효과적으로 줄였으며, 이제는 대기오염에 대한 사회적 격차를 개선하는 데 집중하고 있다. 하지만 아직 우리나라에서는 환경 정의를 반영한 연구가 활발하지 않다. 환경공학부 이형주 교수팀은 미국 캘리포니아 주 정부 대기자원위원와의 공동 연구를 통해 코로나19 팬데믹 당시 미국의 락다운(lock down) 정책이 대기오염과 관련한 사회적 불평등에 미친 영향을 분석하고, 환경 정의를 위한 정책 수립 방향성을 제시했다. 이번 연구는 환경 분야 국제 학술지인 ‘대기환경(Atmospheric Environment)’에 게재됐다. 이산화질소(NO2)는 자동차 배기가스와 공장 매연에 포함된 공해 물질로 대기오염 심각성을 판단하는 주요 지표다. 이번 연구에서 연구팀은 이산화질소 농도를 분석해 락다운 정책이 대기오염에 대한 사회적 불평등에 미친 영향을 분석했다. 분석 결과, 미국 캘리포니아주 이산화질소 평균 농도는 기상 요인을 배제했을 때, 락다운 정책 이후 약 34% 감소했다. 또한, 도시 외 지역에서는 이산화질소 농도가 17%, 도시 지역에서는 50%까지 감소했는데, 이는 강력한 봉쇄 정책으로 당시 교통량이 크게 줄었기 때문이다. 이에 더해, 연구팀은 환경 정의의 관점에서 대기오염에 대한 사회적 불평등 변화를 분석했다. 교육 수준과 인종 등으로 사회적 취약계층을 분류해 대기오염 노출 정도를 비교한 결과, 그 격차가 최대 79%에서 37%로 감소했다. 미국 내 사회적 취약계층은 디젤 트럭과 같은 차량에서 배출하는 질소산화물(NOx) 농도가 높은 도로나 물류센터, 항만 등의 주변 지역에 주로 거주해 교통량 감소로 인한 영향을 더 크게 받았기 때문이다. 코로나 감염 확산 예방을 위한 락다운 정책이 평균 대기오염 수준을 낮췄을 뿐 아니라 대기오염에 대한 사회적 불평등을 줄인 것이다. 이는 내연기관에 대한 질소산화물 배출 규제 정책을 통해 이산화질소 평균 농도와 사회 계층 간 격차를 동시에 줄일 수 있음을 의미한다. 연구팀은 미국 캘리포니아 사례를 바탕으로 향후 국내 대기 정책에 대한 교훈을 얻어야 한다고 강조한다. 락다운 동안 대기오염 노출의 사회적 불평등 감소는 일시적이었지만, 대기 정책을 통한 배출원 관리는 이러한 불평등을 지속해서 낮출 수 있다. 이를 위해 국내 대기오염 물질별로 노출에 대한 사회적 불평등이 존재하는지 살펴보고, 이를 유발하는 배출원에 대한 대책을 세워야 한다. 이형주 교수는 “현재 우리나라는 대기오염의 평균 농도 수준을 낮추는 데 초점을 맞추고 있다”며, “대기오염의 전반적 감소와 사회적 불평등을 완화하는 노력은 동시에 이루어질 수 있고, 이를 위해 환경 정의를 고려한 정책 수립이 필요하다”고 강조했다. 한편, 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2023.120214

화공 정대성 교수팀, 100배 저렴한 센서, 자율주행 자동차 대중화 이끌까

[정대성 교수팀, 단파 적외선 신호 분석 가능한 유기 포토다이오드 개발 성공] 최근 성황리에 종료된 ‘CES 2024’에서 HD현대는 인공지능과 자율주행 기술로 운행하는 굴착기와 트럭 등을 선보였다. 이처럼 스스로 주행하는 무인 자동차의 핵심은 장애물과 주변 도로 상황을 분석하는 센서다. POSTECH 연구팀은 최근 기존 대비 최대 100배 저렴한 센서를 제작하는 기술을 개발해 자율주행 자동차 대중화에 한 걸음 더 다가갔다. 화학공학과 정대성 교수 · 통합과정 이상준 씨 연구팀은 폴라론(poalron)*1을 제어해 단파 적외선(Shortwave infrared ray)*2을 분석하는 유기 광소자(이하 OPD, organic photodiode) 센서를 개발했다. 이 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. ‘자율주행 자동차의 눈’으로 불리는 라이다(LiDAR)*3는 빛을 사용해 장애물과의 거리와 위치 등 정보를 분석하는 센서다. 가시광선보다 파장이 긴 영역의 빛인 적외선은 수증기와 먼지의 영향을 적게 받아 이를 센서에 적용하면 안개가 낀 날에도 물체를 정확하게 식별하는 센서를 만들 수 있다. 하지만, 무기 광소자를 사용한 기존 적외선 센서는 가격이 매우 비싸 실용성에 제한이 있었다. 반면, 적외선 센서 소재로 OPD를 사용하면 비용은 줄어들지만 OPD 내에 전류가 과도하게 높아져 적외선 신호를 분석하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 적외선 센서 제작 공정 중 하나인 도핑(doping) 을 새로 설계했다. 도핑은 다른 원자나 분자를 첨가해 광소자의 전기적 특성을 높이는 공정이다. 이 공정으로 OPD 내에 폴라론이 생성되는데, 폴라론이 박막에 묶여있는 경우(bound polaron) OPD에 영향을 거의 미치지 않지만, 자유로운 경우(free polaron) OPD 내 전기 전도도를 높여 전류가 잘 흐르도록 한다. 연구팀은 새로운 도핑 공정 기술을 적용해 두 폴라론 간 전환을 제어하는 데 성공했다. 그 결과, 단파 적외선을 분석하는 OPD를 개발했으며, 이를 기반으로 기존 대비 분석 성능이 약 100배 향상된 적외선 센서를 제작했다. 또, 연구팀의 센서는 1,500nm(나노미터) 이상의 적외선 감지에도 성공했다. 정대성 교수는 “이 기술을 적용하면 기상 상황이 좋지 않은 날에도 주변 도로 상황을 인식할 수 있고, 제작 비용도 저렴하다”며, “자율주행 자동차뿐 아니라 3D 센서를 활용하는 증강 · 가상현실 기기와 머신비전 등 여러 분야의 발전에도 기여할 것이다”라는 말을 전했다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202310250 1. 폴라론(polaron) 일반적으로 고체 상태의 물질에서 전자와 격자진동 간 상호작용으로 나타나는 새로운 전자를 말한다. 2. 단파 적외선(Shortwave infrared ray) 1.0~2.5μm 영역의 적외선을 말한다. 3. 라이다(LiDAR) Light Detection And Ranging

화공 손재성 교수팀, 링커 이온의 친화력으로 미세 공정의 한계를 극복하다

[POSTECH · KIST 공동 연구팀, 무기 소재 활용 가능한 3D 마이크로프린팅 기술 개발] 얼마 전 한 기업이 구인 공고에 선호하는 MBTI를 작성해 화제가 됐다. MBTI는 사람의 성향을 열여섯 가지로 구분하는데, 실제 사회는 훨씬 더 다양한 개성을 가진 사람들로 구성되어 있다. 각기 다른 특성을 가진 사람들이 모인 조직이 발전하려면 이를 아우를 수 있는 중재자의 역할이 중요한데, 화학의 세계에서도 중재자 역할을 하는 물질이 필요하다. 화학공학과 손재성 교수, KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진) 김진영 박사 공동 연구팀은 링커 이온(linker ions)을 사용해 무기(inorganic) 소재를 포함한 다양한 재료에 보편적으로 적용할 수 있는 3D 마이크로프린팅(micro-printing) 기술을 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 3D 마이크로프린팅은 전자 통신과 바이오, 의료 등 여러 분야에서 매우 작은 부품이나 센서를 제작하는 공정으로 최근 기기의 소형화 · 경량화 추세를 반영한 차세대 공정이다. 하지만 금속과 같은 무기 소재는 미세한 나노입자를 제어하기 어려워 3D 마이크로프린팅 후 그 구조를 유지하기 어려웠다. 연구팀은 이번 연구에서 이를 해결하기 위해 전이 금속 양이온을 링커 이온으로 사용했다. 링커 이온은 나노입자 표면에서 선택적으로 반응해 입자 간 결합과 상호작용을 촉진함으로써 나노입자의 고속 경화를 유도하는 역할을 한다. 연구팀은 3D 마이크로프린팅 기술을 사용해 무기 나노입자를 링커 이온이 녹아있는 용액 수조 안에 프린팅했다. 그 결과, 링커 이온으로 인해 분산되어 있던 무기 나노입자 간 다중 네트워크가 형성됐으며, 입자들이 빠르게 고형화되어 구조를 유지했다. 또, 연구팀은 입자 간 상호작용을 조절해 10 μm(마이크로미터) 이하의 무기 다공성 구조를 제작하는 데도 성공했다. 기존 마이크로프린팅 기술의 한계를 극복하고 특수 장비 없이 무기 소재를 프린팅하는 데 성공한 것이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 금속이나 반도체, 자석, 산화물 등 다양한 기능성 무기 소재도 3D 마이크로프린팅에 적용할 수 있음을 증명했다. 특히, 연구팀의 기술은 초소형 정밀기계 기술(MEMS)*1 등 전자기기를 제작하는 기존 공정을 대체할 수 있는 저비용 · 고속 공정이라는 점에서도 큰 의의가 있다. 손재성 교수는 “이번 연구를 통해 나노 프린팅을 위한 개선된 용액 공정 기술로 3차원 구조체를 손쉽게 제작하는 새로운 길을 제시했다”며, “앞으로 나노 소재 기반 소자 연구에 중요한 역할을 할 것”이라는 말을 전했다. 또, KIST 김진영 박사는 “연구팀의 공정 기술을 바탕으로 대면적 구조체 품질 향상과 생산 속도 개선을 통해 다양한 소재와 부품 상용화에 기여하길 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 도전형 소재 기술 개발 프로그램과 미래수소원천기술개발 사업 등의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44145-7 1. MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 작고 미세한 규모의 전자 기계적인 부품 및 시스템을 제조하는 기술과 기계 시스템 자체를 말한다.

기계·IT융합·생명·융합· 장진아 교수, 기계 조동우 교수팀, 3D 바이오 프린팅으로 환자 맞춤형 위암 치료법 개발한다

[POSTECH · 연세대 공동 연구팀, 혈관 구조와 체내 환경을 재현한 위암 모델 제작] 국제암연구소에 의하면 위암은 동양인에게 많이 나타나는 질병 중 하나로 2020년 한국인의 위암 발생률은 세계에서 세 번째로 높다. 최근 POSTECH·연세대 공동 연구팀은 3D 바이오 프린팅 기술로 위암과 암세포를 둘러싼 생체 환경을 완벽하게 구현함으로써 임상 전 단계에서 환자의 항암제 반응을 예측하는 데 성공하며, 위암 정밀 맞춤 치료 연구의 새로운 이정표를 제시하였다. 기계공학과 · IT융합공학과 · 생명과학과 · 융합대학원 장진아 교수, 기계공학과 조동우 교수, 시스템생명공학부 통합과정 김지수 씨, 연세대 외과학교실 정재호 교수 · 의생명과학부 김정민 박사 공동 연구팀은 위암 환자 유래 암오가노이드(Patient derived organoids, PDOs)*1를 활용하여 맞춤형 치료를 위한 혈관화된 위암 모델을 제작하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다. 임상시험은 신약이나 새로운 치료법의 효과를 검증하기 위해 사람을 대상으로 진행한다. 임상 전 단계에서 환자 반응을 예측하면 임상시험에 참여할 환자를 선별하고, 예상치 못한 부작용을 줄일 수 있으며, 그로 인해 성공률을 높일 수 있다. 하지만 현재 기술로는 체외에서 위암의 병리학적 특징과 종양을 둘러싼 복잡한 환경 등을 모사하는 데 한계가 있다. 연구팀은 위암 환자에서 유래한 오가노이드와 3D 바이오 프린팅 기술로 실제 위암 혈관 구조와 환경을 완벽하게 재현한 VOM(vascularized organoid model)*2을 제작했다. 이 모델은 콜라겐 등 위 특이적인 기질 단백질이 풍부한 탈세포화 세포외기질(stomach-derived decellularized Extracellular Matrix, st-dECM)*3을 사용해 90% 이상의 높은 세포 생존률을 보였으며, 실제 위암과 높은 유사도를 보였다. 이를 바탕으로 연구팀은 환자별 VOM을 제작해 약물 실험을 진행했다. 실험 결과, 동일한 약물을 처리하더라도 환자 모델마다 반응이 다르게 나타났으며, 이는 실제 임상시험 결과와 일치했다. 환자의 미세한 위암 혈관 구조와 생체 조건을 재현한 VOM으로 임상 전 단계에서 환자의 반응을 예측할 수 있게 된 것이다. 또, VOM은 혈관 내피 성장 인자 수용체(VEGFR2)에 대한 임상 반응도 정확하게 재현했다. 현재 임상에서 사용하고 있는 표적은 사람 상피세포 증식 인자 수용체(HER2)가 유일해 이 표적에 반응하지 않는 경우 효과가 없었는데, 이번 연구를 통해 보다 다양한 치료법 개발이 가능해진 것이다. 연구를 이끈 장진아 교수는 “환자 맞춤형 암 치료를 위한 유망한 플랫폼을 개발했다”며, “이 플랫폼은 약물이 혈관을 통해 작용하는 다른 유형의 암에도 적용할 수 있는 잠재력이 있다”는 말을 전했다. 또, 연세대 정재호 교수는 “고도화된 생체모델 플랫폼을 활용해 다양한 임상시험을 실험실 수준에서 시뮬레이션함으로써 암의 기전 연구뿐 아니라 항암 치료제에 대한 효과를 미리 판단해 암 정밀 의료 실현에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것”이라고 평가했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 대학중점연구소사업과 범부처 재생의료 기술개발사업, 집단연구지원사업, 산업통산자원부의 스마트특성화기반구축사업, 보건복지부 국립암센터의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202306676 1. PDO(Patient derived organoids) 환자로부터 유래된 조직 덩어리로, 주로 조직이나 종양의 세포를 사용하여 만들어진 3차원 유기체 2. VOM(vascularized organoid model) 혈관화된 오가노이드 모델 3. st-dECM(stomach-derived decellularized Extracellular Matrix) 위에서 유래한 세포외기질로 세포외기질은 다양한 세포들이 존재하는 동물 조직에서 세포 주변에 있는 비세포성 물질의 복합체

화학 박수진 교수팀, 1,000km 달리는 꿈의 전기차, 젤로 가능하다

[박수진 교수팀, 전자빔 활용하여 일체형 실리콘-젤 전해질 시스템 개발] 얼마 전 막을 내린 ‘CES(정보기술·가전 전시회) 2024‘에서 인공지능과 헬스케어 등 최첨단 과학기술이 소개됐다. 이러한 혁신적인 기술의 핵심은 효율적인 전기 생산을 가능하게 하는 배터리 기술에 있다. 특히 배터리 기술이 현재 가장 많이 활용되는 분야는 전기차다. 지금까지 출시된 전기차의 최대 주행거리는 약 700km에 불과하다. 연구자들의 목표는 이제는 1회 충전으로 1,000km를 달리는 전기차다. 이를 위해 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리 음극재로 저장 용량이 큰 실리콘을 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 아직 상용화에 어려움이 많다. 화학과 박수진 교수 · 통합과정 제민준 씨, 손혜빈 박사 연구팀은 젤(gel) 형태의 고분자 전해질을 사용해 저렴하면서도 안정적인 마이크로 실리콘 기반 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난 17일 온라인 게재됐다. 실리콘 음극재는 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창하고 수축하기 때문에 배터리 효율이 크게 떨어진다. 이에 값비싼 나노(10-9m) 실리콘을 활용하면 문제를 일부 해결할 수 있지만, 제조 공정이 매우 복잡하고 까다로우며 천문학적인 비용이 필요하다. 반면, 마이크로(10-6m) 실리콘의 경우 가격과 에너지 밀도 측면에서 실용성은 비교적 높지만, 배터리 작동 중에 발생하는 부피 팽창 문제가 더욱 극심하게 나타나 음극재로 사용하기에 한계가 있었다. 경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발하기 위해 연구팀은 젤 전해질(gel polymer electrolyte)을 사용했다. 리튬이온 배터리 내 전해질은 이온이 양극과 음극을 오고 갈 수 있는 중요한 요소다. 젤 전해질은 액체 형태의 일반적인 전해질과 달리 고체나 젤 상태로 존재하는데, 탄성이 있는 고분자 구조를 가져 액체 전해질에 비해 안정성이 높다. 연구팀은 전자빔(electron beam)을 쏘아 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질 간 공유 결합을 형성했다. 이 공유 결합은 리튬이온 배터리 구동 중 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시켜 마이크로 실리콘 부피 변화를 완화해 구조적 안정성을 높였다. 그 결과, 기존 나노 실리콘 음극재에 비해 100배 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)를 사용함에도 안정적인 전지 구동력을 보였다. 또, 연구팀의 실리콘-젤 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용한 기존 전지와 유사한 이온 전도도를 보였으며, 에너지 밀도는 약 40% 향상됐다. 연구팀의 시스템은 현재 바로 적용할 수 있는 간단한 공정이라는 점에서도 큰 의의가 있다. 박수진 교수는 “마이크로 실리콘 음극재를 사용했음에도 불구하고 구조적 안정성을 크게 증진시켰다”며, “이번 연구를 통해 실용적인 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 다가섰다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 진행됐다. DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202305298

화공·융합 차형준 교수팀, 체내 부착용 접착제, 이제는 맞춤형 제작도 가능하다

[POSTECH · K-MEDI Hub 연구팀, 홍합접착단백질로 맞춤형 수중 생체접착패치 개발] 우리가 흔히 사용하는 접착제는 종이용과 섬유용, 목재용 등 다양한 종류가 있다. 그중에서 사람들은 용도에 따라 가장 잘 붙는 접착제를 선택한다. 이처럼 의료용 접착제도 체내 상처조직 봉합 그리고 센서나 의료기기를 체내에 삽입할 때 사용되는데, 최근 인체에 안전하면서도 신체 기관별 맞춤형 제작이 가능한 접착제가 개발돼 화제를 모으고 있다. 화학공학과 · 융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 박사과정 양장우 씨, K-MEDI Hub(대구경북첨단의료산업진흥재단) 신화희 선임연구원, 부경대 스마트헬스케어학부 송강일 교수 공동 연구팀은 홍합에서 유래한 접착단백질(Mussel Adhesive Protein)을 사용해 맞춤형 수중 생체 접착 패치인 CUBAP(Customized Underwater Bio-Adhesive Patches)을 개발했다. 이번 연구는 최근 재료분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 표지 논문으로 선정됐으며, 국내외 특허 출원을 통해 지식재산권도 확보했다. 체내 기관에 발생한 천공과 누공, 상처들은 조직 치료와 재생이 완료될 때까지 벌어진 부분을 잘 봉합해야 한다. 또, 이와 함께 환자 건강을 개선하고 삶의 질을 높이는 체내 이식용 장치 개발 분야가 확장됨에 따라 이를 고정할 접착제 연구가 활발하게 진행되고 있다. 의료용 생체접착제는 체내 수중환경에서도 강력한 접착력 유지와 적은 부작용이 중요한 요건이다. 또, 각 기관의 생물학적 환경을 고려해 접착체의 생분해 시간 등 특성을 조절할 수 있어야 한다. 차형준 교수 연구팀은 세계 최초로 홍합접착단백질을 사용해 의료용 접착제를 개발했으며, 관련 연구를 이어오고 있다. 이 접착제는 체내에서 접착력이 우수하며, 천연 소재로 만들어 인체에 안전하고 생체적합성도 높다. 연구팀은 현재 흉터를 최소화하는 피부접합용 제품을 임상시험 중에 있으며, 이번 연구에서는 홍합접착단백질과 폴리아크릴산·폴리메타크릴산을 결합해 맞춤형 접착 패치(CUBAP)를 제작했다. 이 패치는 건조한 상태에서는 접착력이 없지만 몸속처럼 습도가 높은 환경에서 강력한 접착력을 가진다. 또, 폴리아크릴산과 폴리메타크릴산 비율을 조절하면 생분해 시간과 기계적 경도 등 특성을 자유롭게 조절할 수도 있다. 신체 기관별 구조와 생물학적 환경을 고려한 맞춤형 접착제 시스템이 가능해진 것이다. 연구팀은 세 종류의 맞춤형 접착 패치를 만들고, 이를 동물모델을 이용한 실제 치료와 이식에 적용했다. 그 결과, 심장과 방광 등 운동량이 많은 장기에서도 패치는 높은 접착력을 유지했으며, 근육 재생용 전자소자 이식 실험에서 생분해 시간과 유연성을 자유롭게 조절하는 데도 성공했다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “이번 연구를 통해 개인 맞춤형 의료 애플리케이션의 길을 열었다”며, “다양한 바이오메디컬 분야에서 이 기술이 성공적으로 활용될 수 있도록 후속 연구를 통해 공정을 개선 · 고도화할 계획“이라는 말을 전했다. 공동 연구에 참여한 K-MEDI Hub 신화희 선임연구원도 ”이번 연구를 통해 개발된 생체접착패치 효과와 활용성이 확인된 만큼 앞으로 상용제품으로 이어져 의료분야 수요에 부응하기를 기대한다“고 말했다. 한편 이 연구는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구사업, 우수신진연구사업, 나노·미래소재원천기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202310338

물리 이대수 교수팀, 전기장, 전기 덜 쓰는 반도체 개발 이끌까

[POSTECH·서울대·숭실대 연구팀, 금속성 물질 내 전기 분극과 극성 상태 유도 성공] 일반적으로 분극*1 현상과 극성*2 상태는 절연체에서 나타나는 특징이다. 금속에서도 분극과 극성을 유도할 수 있다면 반도체로 인한 전력 손실을 줄이고, 전자 기기에 내장된 배터리의 수명을 연장할 수 있다. 그 때문에 학계에서는 금속 내 분극과 극성을 구현하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있지만 현재 기술로는 한계가 있었다. 그런데 최근 물리학과 이대수 교수 · 서울대 물리천문학부 노태원 교수 · 웨이 펑(Wei peng) 박사, 숭실대 물리학과 박세영 교수 연구팀이 금속 내 분극과 극성 상태를 유도하고 제어하는 방법을 찾아 학계에 보고했다. 이번 연구는 물리 분야 국제 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature physics)’ 온라인판에 지난 17일 게재됐다. 금속 내부에 있는 ‘자유전자’는 이름처럼 이동이 자유로워 전자가 특정한 방향으로 정렬되는 분극이나 극성 상태를 형성하기 어렵다. 또, 일반적으로 금속 결정은 양 끝이 서로 대칭인 구조를 이루기 때문에 양 끝의 전기적 효과가 상쇄되어 그동안 분극 현상과 극성 상태를 유도하는 데 어려움이 많았다. 이번 연구에서 연구팀은 금속에서도 분극 현상과 극성 상태를 구현하기 위해 ‘플렉소 전기장(Flexoelectric field)’을 사용했다. 이 전기장은 물체 표면이 불균일하게 변형될 때 발생하는 유사 자기장으로 금속의 경우 미세한 격자 구조를 변형시키면 전하의 이동이나 전기적 특성을 조절할 수 있다. 연구팀은 전자 소자나 반도체 분야에서 널리 활용되고 있는 루테륨산 스트론튬(SrRuO3)에 외부 압력을 가해 플렉소 전기장을 발생시켰다. 이 금속 산화물은 스트론튬과 산화루테륨의 서로 다른 모양의 결정이 같은 방향으로 성장하며, 중심 대칭 구조를 갖는 ‘이종구조 에피택시(heteroepitaxy)’ 물질이다. 플렉소 전기장은 루테륨산 스트론튬 내 전자 상호작용과 격자 구조를 변화시켰고, 그로 인해 금속의 전기적 · 기계적 특성이 바뀌며 중심 대칭 구조를 갖던 금속 내 분극화 현상을 유도하는 데 성공했다. 플렉소 전기장을 사용해 그동안 미스터리로 남아있던 금속 내 분극 · 극성 구현에 성공한 것이다. 연구를 이끈 이대수 교수는 ”금속 물질에서도 극성 상태를 보편적으로 구현할 수 있다는 것을 처음으로 검증했다“며, ”이번 연구가 반도체나 전기 분야에서 고효율을 가진 기기를 제작하는 데 도움이 되길 바란다“는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견연구지원사업, IBS(기초과학연구원)의 지원으로 진행됐다. 1. 분극(Polarization) 물체나 물질 내에서 양성과 음성 전하가 특정 방향으로 정렬되는 현상을 말한다. 일반적으로 절연체에서만 나타나는 특징이다. 2. 극성(polarity) 물체나 물질이 양극과 음극으로 나뉜 상태를 나타낸다.

화학 이인수 교수팀, 나노 축구공, 2차원 소재 연구 골문을 흔들다

[POSTECH · UNIST 공동 연구팀, 2차원 나노 시트 ‘모서리-모서리’ 조립 기술 개발] 지난주 아시안컵 바레인전에서 이강인 선수의 발끝을 떠난 공이 골문을 흔드는 순간, 전 국민이 열광했다. 세계를 놀라게 한 이 원더골처럼 최근 POSTECH·UNIST(울산과학기술원) 연구팀은 2차원 반도체 소재의 ‘모서리-모서리’ 조립을 통해 만든 축구공으로 학자들의 가슴을 뛰게 했다. 화학과 이인수 교수 · 통합과정 장선우 씨, UNIST 에너지화학공학과 안광진 교수 공동 연구팀은 2차원 실리카 나노 시트(이하 2D-SiNS*1)의 모서리 간 상호작용을 제어해 축구공 모양의 조립체를 만드는 데 성공했다. 이번 연구는 화학 분야 국제 권위지인 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판 표지(cover) 이미지로 선정됐다. 평면 구조로 인해 독특한 기계적 · 광학적 특성을 가진 2차원 나노 시트는 반도체 소자나 촉매, 센서 등 여러 분야에서 활용된다. 일반적으로 시트와 시트 사이에는 강한 인력(반데르발스*2)이 작용해 면과 면이 맞닿은 구조가 형성되는데, 이 경우 기계적인 안정성이 떨어져 촉매로서 다양한 기능을 구현하기 어려웠다. 연구팀은 이번 연구를 통해 2차원 나노 소재 ‘모서리-모서리’ 조립 기술을 개발했다. 2D-SiNS의 경우, 표면 곡률이나 구조적인 특성에 따라서 전하 분포가 달라지는데, 보통 모서리 영역은 전하 분포 차이에 민감하게 반응한다. 연구팀은 이를 이용해 2D-SiNS 모서리 간 상호작용을 유도하는 데 성공했다. 기존 ‘평면-평면’ 조립과 달리 모서리를 기준으로 한 조립 기술을 개발한 것이다. 이 기술로 연구팀은 속이 텅 빈 축구공 형태의 2D-SiNS 구조체를 조립했다. 실험 결과, 고온과 다양한 용매 등 극한 조건에서 기계적 안정성과 내구성이 우수했다. 또, 이 구조체는 나노 구조체가 의도치 않게 뭉치는 현상을 방지하고, 촉매 활성을 떨어뜨리는 코크(coke)*3 생성도 막았다. 그리고, 구조적 특성으로 인해 표면적이 매우 커 촉매 물질로서 반응 효율을 높이고, 반응 물질들의 원활한 이동을 돕는 데도 유리했다. 특히, 고온에서 연속적인 반응을 통해 메탄과 이산화탄소로부터 수소와 일산화탄소를 생산하는 반응에서 촉매 지지체로 우수한 활성과 내구성을 보였다. 이번 연구를 이끈 이인수 교수는 ”나노 규모 소재의 조립에 대한 기본적인 이해뿐 아니라 안정적이고 기능적인 2차원 나노 소재 개발을 위한 새로운 길을 열어 기쁘다“는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행됐다. 1. 2D-SiNS 2-dimension Silica Nano Sheet 2. 반데르발스(van der Waals) 분자간(때로는 원자나 이온간에도 작용)에 작용하는 인력 중 가장 보편적인 인력을 말한다. 3. 코크(coke) 탄소를 주성분으로 하는 고체 물질로, 촉매 반응에서 발생할 수 있는 부산물 중 하나다.

물리 박경덕 교수, 극성 반도체 입자인 ‘트라이온’의 생성 원리 찾았다

[POSTECH · UNIST · 충북대, 나노광학공진기 이용 트라이온 능동제어 및 생성원리 규명] 차세대 반도체로 주목받고 있는 2차원 반도체는 불과 단일 원자층 수준의 두께로 인해 단위 부피 당 광특성이 매우 우수하고 유연하기까지 하다. 이러한 특성을 활용하면, 첨단 유연 소자(flexible device), 나노광소자, 태양전지 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 2차원 반도체의 주요 반도체광학 특성 중 전자-정공이 쌍을 이루는 엑시톤(exiton)*1이 있다. 이들의 생성 및 재결합 과정을 이용하여 발광소자 및 광응용소자를 구현할 수 있는데, 이 과정에서 극성 엑시톤인 트라이온(trion)*2의 생성 및 정밀 제어는 소자에 많은 기능성을 제공한다. 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨, 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료연구단 부연구단장 및 UNIST 화학과 서영덕 교수, 충북대 물리학과 이현석 교수 공동연구팀은 금 나노와이어 기반의 탐침증강 공진분광 시스템을 자체 개발하여 엑시톤과 트라이온의 상호변환을 능동제어하고 실시간 발광특성 분석이 가능하게 하였다. 이를 통하여 그동안 알려지지 않았던 트라이온의 생성원리를 규명하는데 성공했다. 금속과 반도체를 결합하면 새로운 광학적 · 전기적 특성을 가진 다기능 이종접합소자를 개발할 수 있다. 연구팀은 금 나노와이어에 2차원 반도체인 이셀레늄화 몰리브덴(MoSe2)단일층을 결합해 복합 구조를 만들고, 탐침증강현미경과 결합하여 탐침증강 공진분광 시스템을 구축했다. 잘 디자인된 금 나노와이어 구조에 빛을 쏘이면 플라즈몬*3의 표면 정상파를 구현할 수 있다. 연구진은 이를 이용해 2차원 반도체의 엑시톤으로부터 트라이온으로의 변환을 유도하려고 하였는데, 실제로는 전하의 다중극 모드도 큰 영향을 준다는 것을 이번 실험을 통하여 규명할 수 있었다. 탐침증강 공진분광 시스템은 광 회절한계를 뛰어넘는 약 10 nm의 공간분해능으로 반도체 입자들에 대한 나노광특성의 실시간 분석을 가능하게 한다. 이러한 시스템을 이용하여 트라이온의 생성 원리를 규명하고, 엑시톤-트라이온 상호변환의 가역적 능동제어를 가능하게 하였다. 또한, 나노 크기의 영역에 빛을 집속할 수 있는 안테나 역할의 금 탐침은 에너지가 높은 열전자*4를 자체 생성하게 되는데, 이렇게 생성된 전자들이 2차원 반도체로 주입되어 보다 능동적으로 트라이온 생성을 조절할 수 있었다. 이렇듯 연구진은 단순 고정밀 측정장비의 개발이 아니라 측정과 더불어 물질의 상태까지 초고분해능으로 실시간 능동제어할 수 있는 새로운 ‘나노 능동제어 플랫폼’을 제시하였다. 이번 연구의 제1 저자인 강민구 씨는 “엑시톤과 트라이온을 제어하는 데 성공했을 뿐 아니라 이 입자들이 플라즈몬, 열전자와 어떻게 상호작용하는지의 원리를 규명했다”며, “태양전지, 광전 집적회로 등 엑시톤과 트라이온을 활용하는 분야의 연구자들에게 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것이다”라는 말을 전했다. 한편, 본 연구는 충북대 물리학과 김수진 씨, POSTECH 물리학과 통합과정 주희태, 구연정, 이형우 씨 등이 참여했다. 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 한국전자통신연구원, 삼성미래기술육성사업, 과학기술사업화진흥원, 한국화학연구원, UNIST, 기초과학연구원(IBS) 등의 지원으로 수행됐다. 1. 엑시톤(exiton) 반도체 내에서 전자와 양공이 결합한 입자로 전기적으로 중성이다. 2. 트라이온(trion) 엑시톤에 추가로 다른 전하 하나를 더 가진 상태로 극성을 띤다. 3. 플라즈몬(plasmon) 금속 내 자유전자가 집단적으로 진동하는 방식의 준입자이다. 3. 열전자(hot electron) 높은 운동에너지를 갖는 전자로 소자의 성능 향상이나 화학 반응 촉진 등에 활용될 수 있다.