Research

전자‧IT융합‧기계 김철홍 교수팀, 광음향 영상의 물리적·실용적 한계 극복을 위한 광음향 조영제의 최신 연구 동향

[김철홍 교수팀, 지난 4년간의 혁신적인 광음향 조영제 연구 소개] 전자전기공학과‧IT융합공학과‧기계공학과 김철홍 교수 연구팀이 광음향 영상 조영제에 대한 지난 4년간의 혁신적인 연구를 총정리했다. 이 연구 결과는 권위지 중 하나인 '케미컬 리뷰(Chemical Reviews)’에 게재됐다. 수십 년 동안 광음향 영상은 생체 의학 영상 기술로서의 잠재력을 발견하기 위해 연구됐다. 하지만, 발전된 광학 콘트라스트·초음파 시공간 해상도에도 불구하고 광음향 영상은 낮은 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR), 강한 광 감쇠로 인한 이미지 콘트라스트 감소와 조직 내 깊은 곳에서 공간 해상도의 하한선과 같은 물리적 한계로 인해 어려움을 겪고 있다. 또한 조영제를 사용하는 광음향 영상은 조영제의 전달 효율이 낮아 세포 특이적 표적화가 불충분하고 임상적으로 적용할 수 있는 조영제 개발이 어렵다는 등의 현실적 한계에 직면해 있다. 이러한 한계를 식별하는 것은 이 분야의 지속적인 확장에 필수적이며, 고성능 영상 획득 시스템과 더불어 조영제 개발의 상당한 발전은 기존 광음향 영상의 문제를 시너지 있게 해소해갈 수 있다. 이번 리뷰 논문에서는 SNR 대조, 공간 해상도, 표적 전달 및 임상 적용 측면에서 광음향 영상의 물리적·실용적 한계를 극복하는 지난 4년간의 연구를 다뤘다. 각 문제를 처리하기 위한 유망한 전략을 자세히 검토하고 차세대 조영 증강 광음향 영상에 대한 앞으로의 연구 방향에 대해 제시했다. 한편, 이 연구는 개인기초연구사업(중견), 대학중점연구소지원사업, 브릿지, 인공지능대학원, 범부처전주기의료기기연구개발사업, BK21 FOUR 사업의 지원으로 이뤄졌다.

신소재 정성준 교수팀, 반창고 대신 상처에 붙이는 살아있는 세포 스티커 개발

[정성준 교수팀, 잘라서 환부에 손쉽게 이식할 수 있는 세포 스티커 기술 개발] 최근 국내외 연구팀이 손을 잡고 손쉽게 잘라서 상처에 바로 이식이 가능한 세포 스티커 개발에 성공했다고 밝혔다. 해당 세포 스티커는 화상 상처와 같은 넓고 복잡한 모양의 환부에도 이식이 가능하기 때문에 상처 재생 치료에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 신소재공학과 정성준 교수 연구팀이 영국 케임브리지대(University of Cambridge)의 로이신 엠 오언스(Róisín M. Owens) 연구팀, 부산대 의대 김재호 교수 연구팀과의 협업을 통해 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 “세포를 스티커처럼 목표 대상 조직으로 직접 전달할 수 있는 새로운 세포 시트 전달 방식을 개발했다”고 밝혔다. 기존에는 손상된 조직의 재생을 위해 주사제 형태의 세포 현탁액을 주입하는 방식을 사용하고 있지만 주입된 세포들이 조직에 안정적으로 세포가 부착되지 못해 큰 효과를 얻지 못하고 있다. 이러한 세포 부착성을 높이기 위해 등장한 기술이 세포 시트 기술이지만, 이전까지의 기술들은 세포 시트를 목표 대상으로 전달하기 위해 부정적인 영향을 주는 ‘외부 자극‘을 통해 세포 시트를 표면으로부터 ’탈착‘하는 과정을 동반하고 있다. 연구팀은 부정적인 외부 자극의 도움 없이도 계면에 대한 자연적인 세포 부착 선호도 차이를 이용하여 세포가 스스로 목표 대상 표면으로 이동해가도록 하는 생체 친화적 세포 시트 스티커 기술을 세계 최초로 개발했다. 연구팀은 FDA 승인받은 패럴린 유연 박막을 세포 배양 표면으로 사용했고, 박막 표면 자외선 처리를 통해 세포가 배양 접시에는 안정적으로 붙을 수 있게 하면서 동시에 원하는 목표 조직으로 옮겨갈 수 있는 정도의 적절한 세포 부착 세기를 조절했다. 연구팀이 개발한 세포 시트 스티커 기술은 세포가 내재적으로 가지고 있는 이동 성질을 이용하여 ’자극 적용‘과 ’탈착‘ 과정 없이도 세포 전달이 가능해 기존 기술과 비교했을 때, 높은 생체적합성과 공정 절차 단순화, 작업 편의성 증가를 가능하게 했다. 또한, 연구팀은 이번에 개발된 세포 시트 스티커 연구 과정에서 흔히 알려진 세포의 수평적인 이동 외에 두 계면 사이에서 수직적인 세포의 이동을 최초로 확인했다. 연구팀은 이러한 계면 사이의 수직적인 세포 이동 현상을 ’계면 간 세포 이동(Interfacial cell migration)‘이라고 명명하고 이를 세포 전달 플랫폼의 배경 원리로 설명하고 있다. 연구팀은 개발한 세포 스티커를 동물 모델에 적용하여 다양한 형태의 상처에 붙이고 상처가 빠르게 재생되는 것을 성공적으로 확인했다. 이를 기반으로, 연구팀은 배양된 세포 스티커를 원하는 모양으로 잘라내어 복잡한 환부에 적용할 수 있는 ’살아있는 세포 메디폼'으로의 개발 가능성을 제시했다. 그뿐만 아니라, 세포 스티커 기술을 활용하면 여러 겹으로 세포층을 적층하여 3차원 조직 제작에도 응용할 수 있으며, 여러 종류의 세포를 활용하여 다종 세포가 복잡하게 패턴화된 인공 조직도 손쉽게 제작할 수 있음을 확인했다. 연구를 주도한 정성준 교수는 “이번 연구는 계면 간의 3차원적인 세포 이동을 확인한 최초의 연구로서 기초 생물학적인 연구로의 심층적 확장 또한 이어갈 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

화공 정대성 교수팀, 친환경 유기 소재 기반 수분해 광촉매 개발

[POSTECH 공동연구팀, 친수성 곁가지 및 불소 치환 통한 수소 생산 고분자 광촉매 성능 향상] 화석연료를 대체하기 위해 친환경, 신재생 에너지 연구에 관심이 집중되고 있다. 수소에너지는 원료가 되는 물이 지구상에 풍부하게 존재하며, 수소를 연소시켜도 산소와 결합해 극소량의 질소와 물로 변하므로 공해 물질로 인한 환경오염 염려가 없어 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 태양광을 이용해 물을 분해하는 광촉매 물 분해는 수소 생산을 위한 매력적인 방법으로 손꼽힌다. 최근 POSTECH, 고려대, 경북대 공동연구팀이 친수성 곁가지-불소 치환을 이용한 주사슬 개질을 통해 친환경 유기 소재 기반의 수분해 광촉매를 개발했다. 연구 결과는 나노·마이크로 재료 과학 분야의 국제 학술지 ‘스몰(small)’에 게재됐다. 현재까지 광촉매는 주로 이산화티타늄 등 무기 소재로부터 제조되었는데, 무기 광촉매 소재의 경우 흡광 영역이 UV로 제한될 뿐만 아니라, 친환경 특성이 제한적이다. 공동연구팀은 친환경 유기 반도체 소재의 수분해 특성을 향상시키기 위해 알콕시, 선형 올리고 에틸렌 글리콜(oligo ethylene glycol, OEG) 측쇄, 골격 불소 치환기를 포함하는 벤조티아졸(benzothiazole)*1 기반 도너-억셉터 공중합체 고분자 구조의 광촉매를 제시하고 수소 생산 성능과 성질을 분석했다. 고분자 골격의 OEG 측쇄는 고분자 나노입자의 표면 에너지를 증가시켜 물과의 상호작용을 향상시키고 물로의 전하 수송체 전달을 쉽게 했다. 이와 더불어, OEG 부착 공중합체는 알콕시 곁사슬을 갖는 중합체에 비해 곁사슬의 자기 조립 특성에 의해 향상된 분자 간 적층 구조를 나타냈다. 뿐만 아니라, 중합체 골격의 불소 치환기는 뚜렷한 π–π 적층 특성을 가지며, 이는 폴라론의 긴 수명시간을 나타냈다. 또한, 메탄올-물 혼합 용매를 이용한 새로운 나노입자를 합성했을 때, 나노입자와 물 사이의 계면활성제의 전하 수송체 전달을 더욱 쉽게 하는 것을 확인했다. 마지막으로 가시광선 조사했을 때, OEG 측쇄와 불소 치환기로 이루어진 공중합체 고분자 광촉매에 대해 26000µmolg-1 h-1의 수소 생성량을 얻었다. 연구를 주도한 화학공학과 정대성 교수는 “유기 광촉매는 탄소와 수소가 주 구성원소라는 측면에서 친환경적일 뿐만 아니라, 흡광영역을 가시광 뿐만 아니라 근적외선까지 확장할 수 있다”며, “태양에너지를 완전하게 이용할 수 있는 매력적인 소재”라고 말했다. 1. 벤조티아졸(benzothiazole) 유기 황 화합물의 하나. 색이 없고 약간 점성이 있는 액체이다.

기계·화공 노준석 교수팀, 모든 빛에 작동하는 ‘소용돌이 빔’ 개발

[노준석 교수팀, 자외선에서 가시광까지 작동하는 다기능 소용돌이 빔 생성 및 감지가 가능한 편광판 개발] 최근 4차 산업혁명 시대에 접어들면서 폭증하는 데이터 통신량을 효과적으로 대응하기 위해 경제적인 초고속 광신호 전송용 초소형 광통신 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 소용돌이 빔은 빛이 진행하면서 이동축을 중심으로 소용돌이 형태의 모양을 갖는 빛을 일컫는데, 같은 주파수에서도 더 많은 정보를 저장할 수 있어 5G를 넘어서 6G 기술 등의 초고용량 광통신 기술 개발에 활용되고 있다. POSTECH 연구팀이 메타표면을 이용해 모든 빛에 작동하는 소용돌이 빔을 개발했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 석박사통합과정 김주훈 씨 연구팀이 자외선부터 가시광선 영역까지 광대역 파장에 대해서 두 직교 편광 상태를 독립적으로 제어할 수 있는 메타표면을 제시했다. 또한, 이 메타표면을 이용해 각각 다른 위상전하(topological charge)를 가지는 소용돌이 빔을 만들거나 감지할 수 있는 메타편광판을 제작하고 실험으로 검증했다. 빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 ‘궤도 각 운동량(OAM: Orbital Angular Momentum)’이라고 부르고, 이러한 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 ‘소용돌이 빔’이라고 부른다. 이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 가지고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있다. 광학 소용돌이 빔은 광학 트위저 등 다양한 응용으로 광학에서 필수적인 존재가 되어 왔다. 광학 소용돌이 빔은 각자 독립적인 소용돌이 빔를 가지고 있으며, 이러한 특성은 홀로그램 비디오를 만드는 등 다양하게 활용할 수 있다. 지금까지 광학 소용돌이 빔을 만들기 위해서는 공간광변조기(spatial light modulator, SLM)이라는 아주 부피가 크고 무거운 장비를 사용해야 했고, 자외선 영역에서 작동하는 SLM이 없어 자외선 광학 소용돌이 빔 제조는 난제로 꼽혀왔다. 메타표면은 위상, 진폭, 편광과 같은 많은 빛의 특성을 원하는 대로 변조할 수 있다. 최근 나노 제조 기술의 발전과 연구자들의 지속적인 노력으로 고효율, 광대역, 다기능 메타표면이 실현됐지만, 자외선 영역의 빛을 조절하는 것은 여전히 어려움이 있었다. 연구팀은 부피가 크고 무거운 SLM 대신에 얇고 가벼운 메타표면을 이용해 자외선 빛이 들어왔을 때 광학 소용돌이 빔을 만들 수 있는 편광판을 개발했다. 연구팀은 자외선에서 흡수가 없으면서 굴절률이 높은 질화규소(silicon nitride) 물질을 사용했다. 또한, 메타표면은 한번 공정이 되면 그 기능이 영구적으로 고정되고, 바뀌기 힘들기 때문에 수동적인 한계가 있었는데, 이번 연구에서는 메타표면의 회전 대칭을 깨트림으로써 빛의 입사 편광에 따라서 다른 기능을 가지도록 설계했다. 이는 소용돌이 빔의 정보량을 단일 메타표면에 더 많이 저장할 수 있는 방법론으로 다양한 곳에 응용될 수 있다. 노준석 교수는 “이번 연구를 통해 메타표면은 편광 상태에 따라서 다른 위상전하의 광학 소용돌이 빔을 만들어낼 수 있는 다기능성까지 가지고 있음을 확인했다”며, “자외선 광학 소용돌이 빔을 만들어냄으로써 광학 소용돌이 빔의 응용을 자외선까지 넓힐 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다. 한편, 이 연구는 포스코 산학연 융합연구소 사업, 과학기술정보통신부 미래융합기술파이오니아 사업, 미래기술연구실 사업, 글로벌프론티어 사업, 중견연구자지원 사업, 지역혁신선도연구센터 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 나노 재료 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

환경 이형주 교수팀, 인공위성은 알고 있다…“이산화질소 배출”의 숨은 범인

[이형주 교수팀, 유럽인공위성 통해 이산화질소 노출 평가] [“고층 아파트 밀집단지도 주요 배출원…대기환경정책 반영 필요”] 이산화질소는 초미세먼지와 오존의 원료 물질이자, 대표적인 대기 오염 물질 중 하나다. 이 물질은 주로 공장 굴뚝이나 자동차 배기가스를 통해 배출되는 것으로 알려져 있는데, 최근 POSTECH 연구팀은 유럽우주국 위성 자료 분석을 통해 식품 가공시설, 10층 이상의 고층아파트 밀집단지도 이산화질소 주요 배출원이 될 수 있다는 결과를 발표해 미국 NASA 등의 주목을 모으고 있다. 이형주 교수팀은 유럽우주국(ESA)의 환경 관측 위성에 탑재된 대기성분 관측장비 ‘트로포미(TROPOMI, TROPOspheric Monitoring Instrument)’를 이용해 캘리포니아 지역에서 건물 유형별 이산화질소 배출량을 분석, 식품 가공시설과 고밀도 인구 거주지역 부근에서 가장 크게 나타난다는 결과를 발표했다. 연구팀은 캘리포니아 지역의 2018-2019년 평균 이산화질소 농도를 예측해 지상관측소의 이산화질소 농도 관측이 얼마나 해당 지역 주민의 이산화질소 실제 노출과 괴리가 없는지를 평가했다. 이와 함께 이산화질소 노출이 높은, 즉 배출이 많은 건물별 유형을 평가, 식품 가공시설, 10층 이상의 고층 아파트나 아파트 단지 부근에서 이산화질소 배출이 가장 많은 것을 확인했다. 교통량을 고려해도 결과는 같았다. 그 원인은 보일러와 같은 아파트 내부의 연소 설비로 추정되는데, 주거용 연소 설비는 지금까지 대기오염 원인에서 중요하게 다루어지지 않았다. 이형주 교수는 “그간 고층 아파트와 같은 고밀도 인구 거주지에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았고, 이번 연구 결과는 앞으로 고밀도 인구 거주지 역시 이산화질소의 중요한 배출원으로 환경정책에서 다루어야 한다는 것을 의미한다”고 설명했다. 이 교수는 또, “이번 연구는 인공위성 자료를 활용한 연구가 대기 환경 정책에 효과적으로 이용할 수 있으며, 특히 국내에도 수백 곳에 달하는 지상 관측소의 평가와 배치에 대해 활용할 수 있음을 보여준다”고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 환경분야 권위지인 ‘총 환경과학(Science of the Total Environment)’지를 통해 발표됐으며 미국 NASA의 지구관측소 (Earth Observatory)를 통해 소개되기도 했다.

환경 민승기 교수팀, 여름 같은 가을, 일상화 되나?

[민승기 교수팀, 2021년 10월 전례 없는 한반도 이상고온 원인 규명] 2021년 10월에 대한민국에 전례 없는 이상고온이 발생했다. 10월 상반기 (10월 1일~15일) 평균 기온은 19.9°C로 예년 평균보다 3.9°C나 높았으며 이는 수천 년에 한번 발생할 수 있는 매우 이례적인 사례였다. 한여름 폭염을 일으키는 기압계 패턴이 뒤늦게 나타나면서 남부지역은 일 최고 기온이 30°C 이상 기록되었고, 전국적으로 농작물을 포함해 많은 사회·경제적 피해가 나타났다. 2022년 11월에도 비슷한 강도의 극단적인 이상고온 현상이 관측되면서 가을철 폭염에 대한 경각심이 높아지고 있다. 환경공학부 민승기 교수, 김연희 연구교수 팀은 울산과학기술원, 국립기상과학원, 영국기상청과의 공동연구를 통해 지구온난화가 없었다면 2021년 10월과 같은 기록적인 이상고온의 출현은 거의 불가능함을 확인했다. 이 연구 결과는 ‘미국기상학회보(Bulletin of the American Meteorological Society)’ 특별호에 소개됐다. 연구팀은 이례적인 이상고온에 미치는 인간활동의 영향을 파악하기 위해서 CMIP6 전지구기후모델과 영국기상청의 대규모 앙상블 시뮬레이션 자료를 이용해 2021년 10월과 같은 이상고온 현상이 지구온난화에 의해 얼마나 더 잦아지는지 확률적으로 비교했다. 또한, 미래 온실가스 배출 시나리오에 따라 이러한 가을철 폭염을 얼마나 자주 겪게 될지를 처음으로 정량적으로 확인했다. 연구팀은 2021년 10월과 같은 이상고온은 인간에 의한 온실가스 증가가 없었다면 그 발생 가능성이 매우 희박하며, 온실가스만 증가시킨 실험에서도 수백 년에 한번 정도로 드물게 나타남을 확인했다. 앞으로 온실가스 배출을 획기적으로 줄이지 않을 경우 그 빈도가 급격히 늘어나 2060년대에는 2021년과 같은 이상고온을 격년마다 겪게 될 것으로 전망했다. 하지만 파리협정 목표온도를 달성해 지구온난화를 산업혁명 이전 대비 2도로 유지한다면 극단적 가을 폭염은 30~40년에 한번 발생할 것으로 나타났다. 민승기 교수는 “최근들어 전례 없는 규모의 가을철 이상고온 현상이 잦아짐에 따라, 그 발생가능성에 대한 상세한 전망과 함께 분야별 피해를 줄이기 위한 대응책 마련이 필요하다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원 사업(비가역적 기후변화 연구센터)의 지원으로 수행됐다.

기계 조동우-기계·IT융합 장진아 교수팀, 흡연과 안구질환 인과관계 밝힐 “인공 눈” 개발

[조동우·장진아 교수팀, 하이브리드 멤브레인 프린팅 기술 이용해 망막색소상피 모델 개발 및 흡연 영향 분석] 흡연이 인체와 눈 건강에 해롭다는 것은 잘 알려진 사실이다. 통계적으로도 흡연자들에게 안구질환 발생 비율이 높다. 하지만 그 인과관계에 대해 명확히 밝혀진 바가 없는데, 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 ‘인공 눈’을 개발해 흡연이 안구에 미치는 영향을 실험으로 확인했다. 기계공학과 조동우 교수·기계공학과·IT융합공학과 장진아 교수·김종민 박사·통합과정 공정식 씨로 이뤄진 연구팀에서 두 가지의 얇은 막 형태의 안구 세포와 구조체를 하이브리드 멤브레인 프린팅 기술로 프린팅해 ‘혈관-망막-장벽’ 모델을 개발했다. 이 연구는 헬스케어 관련 소재 분야 권위지인 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼즈(Advanced Healthcare Materials)’에 게재됐다. 망막 색소 상피(RPE)는 혈관-망막-장벽(oBRB)을 형성할 뿐만 아니라 안구 시스템에서 다기능적 역할을 한다. 따라서, RPE의 손실은 시력 손상을 일으켜 심각한 질병을 초래할 수 있다. 하지만 아직 RPE 손상과 관련된 질병을 치료하기 위한 효과적인 방법은 없다. 연구팀에서는 신약 개발에 사용할 수 있을 정도의 기능이 모방된 인공 눈(체외 모델)이 부족하다는 사실에 주목하고, 이를 해결하기 위해 RPE의 기저막 (basement membrane)과 단층(Monolayer) 구조를 제작할 수 있는 하이브리드 멤브레인 프린팅 기술을 개발했다. 또한, 실제 기저막 조직을 기반으로 만들어진 바이오잉크를 사용하여, 지금까지 바이오잉크로는 획득할 수 없었던 RPE의 기능 모사에 성공했다. 이렇게 개발된 ‘인공 눈’은 콜라젠 바이오잉크 기반 모델과 비교했을 때, RPE의 기능들이 더 강하게 발현되어 실제 망막의 기능을 잘 모사하는 것으로 확인됐다. 연구팀은 인공 눈을 흡연, 그중에서도 흡연자가 직접적으로 흡입하는 주류연(mainstream) 환경을 재현, 흡연이 안구에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, 모델에서 산화 스트레스(oxidative stress)를 관찰했으며, 이로 인해 RPE의 기능들이 망가지는 것을 확인했다. 또한, 항산화제를 처리한 모델에서는 미약하지만, 흡연에 의한 손상을 줄여주는 것으로 나타났다. 연구팀은 실험을 통해 흡연이 실제로 안구 조직에 산화 스트레스를 유발해 악영향을 미치며, 항산화제로는 그 영향을 모두 막는 것이 어렵다는 것을 확인했다. 또한, 인공 눈이 실제 인체의 기능을 모사할 수 있어 질환의 영향을 분석할 수 있으며, 약물의 효능 검증에도 사용할 수 있다는 것을 검증했다. 연구를 주도한 조동우 교수는 “하이브리드 멤브레인 프린팅 기술에 환자 샘플을 이용한다면, 환자의 안구 상황을 재현할 수 있는 모델이 될 수 있다”며, “개인 맞춤형 약물 개발 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처 연구사업의 지원으로 수행됐다.

화공 차형준 교수팀, 홍합단백질로 줄기세포는 붙잡고, 뼈 재생은 빠르게

[POSTECH-경북대-고려대 안암병원 공동연구팀, 골 유도 재생술 효과 극대화하는 임플란트용 차폐막 코팅 개발] 성공적인 치과 임플란트 치료를 위해 중요한 요소 중 하나는 임플란트 주변 치주조직의 상태인 것으로 잘 알려져 있다. 임플란트의 장기적 성공율을 높이기 위해서는 임플란트 주변에 충분하고 건강한 치조골의 존재는 필수적이다. 치조골이 부족하여 임플란트를 심기에 어려운 경우라면 임플란트 수술시 또는 미리 충분한 양의 치조골을 만들어야만 한다. 최근 국내연구팀이 임플란트용 차폐막 코팅을 개발함으로써 치조골 이식의 성공률이 높아질 것으로 기대된다. 화학공학과 차형준 교수팀은 경북대 융합학부 조윤기 교수팀, 고려대 안암병원 구강악안면외과 전상호 교수팀과의 공동연구를 통해 연조직 세포을 차단하는 동시에 줄기세포를 포함한 뼈 전구세포를 끌어당기고, 탑재된 골형성단백질(BMP-2)을 지속성 있게 방출함으로써 골 재생을 획기적으로 높일 수 있는 임플란트용 차폐막 코팅을 개발했다. 골 유도 재생술은 뼈가 자랄 수 있는 공간을 확보하는 동시에 섬유아세포와 같은 골세포 이외의 세포들이 뼈의 결손 부위에 접근하는 것을 차단함으로써, 다른 세포의 방해 없이 뼈를 자라게 할 수 있어 치과 임플란트 영역에서 널리 사용됐다. 하지만, 골 결손부의 형태에 따라 차폐막을 통한 세포 차단만으로는 골 재생의 속도를 획기적으로 높일 수 없으므로, 골양·골질이 부족한 환자에게 확실한 임플란트 성공이나 치료 기간 단축을 보장하기에는 아직 많은 한계가 있다. 공동연구팀은 강력한 수중접착력을 지닌 홍합접착단백질에 세포를 끌어당길 수 있는 세포인지모티프(cell recognitive motif)인 RGD 서열이 연결된 생체소재에 BMP-2를 탑재한 후, 메쉬(mesh) 형태의 티타늄 차폐막에 코팅함으로써 섬유아세포가 통과하지 못하는 선택적인 세포 차단능을 확인했다. 또한, 차폐막 내부에서는 뼈 줄기세포의 높은 성장률과 BMP-2의 방출을 바탕으로 단시간 내에 높은 골 분화를 이끌어내는 것을 확인했다. 이번에 개발된 ‘홍합단백질 기반 골 유도 재생용 코팅’을 티타늄 차폐막에 적용하여 설치류의 두개골 결손 모델에 적용한 결과, 약 2배 이상 빠른 골조직 재생을 유도하는 것으로 나타났다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “이번 연구는 공동연구팀의 임플란트· 골 재생과 관련된 오랜 협력 연구 경험을 토대로 개발된 사례로서, 골의 상태와 관계없이 임플란트 치료의 성공률을 높일 수 있는 가능성을 열었다”며, “다양한 경조직 재생에도 얼마든지 적용 범위를 넓힐 수 있을 것”이라고 말했다. 이 결과는 최근 생물공학·재생의료 분야의 세계적인 권위지인 ‘바이오엔지니어링 앤 중개의학(Bioengineering & Translational Medicine)’ 온라인판에 게재됐다. 한편, 이 연구는 보건복지부에서 지원하는 보건의료기술개발사업의 치의학 의료기술 연구개발사업, 농림축산식품부에서 지원하는 고부가가치 식품기술 개발사업 및 한국연구재단의 BK21 Four 사업의 일환으로 수행됐다.

신소재 최시영 교수팀, 머신러닝으로 나노보다 작은 세상 정확하고 빠르게 본다

[POSTECH-연세대, 주사투과전자현미경 원자구조영상 해석기술 개발] 조류독감, 코로나19와 같은 전염병과 인간이 싸워나갈 수 있는 것은 바로 미생물의 구조를 살필 수 있는 “눈”이 있기 때문이다. 안토니 레벤후크가 17세기 처음 미생물을 단식 현미경으로 관찰한 이래, 지금까지 인간은 현미경을 통해 미생물을 관찰하고 다양한 생존 방법을 발견해왔다. 최근에는 전자빔(beam)을 이용하여 광학현미경으로는 볼 수 없는 아주 작은 크기의 미생물 세포나 구조를 관찰할 수 있게 됐다. 특히 주사형 투과전자현미경(STEM, Scanning Transmission Electron Microscope)은 시료의 구조는 물론 구조와 특성이 발현되는 상관관계까지 이해할 수 있도록 하는 선구적인 현미경이다. 신소재공학과 최시영 교수‧통합과정 고경준 씨, 연세대 양세정 교수‧박사과정 한중훈 씨 팀은 머신러닝을 이용해 이 주사형 투과전자현미경으로 얻은 원자구조 영상을 1분 이내에 나노미터(nm, 10억분의 1m)보다 작은 피코미터(pm, 1조분의 1m) 수준까지 정확하게 해석할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 또, 이 기술을 바탕으로 다양한 기능성 산화물 재료를 자동으로 분석할 수 있는 소프트웨어를 만들어 내는데 성공했다. 물질을 구성하는 기본 단위인 원자는 머리카락 굵기의 1억분의 1에 불과한 피코미터만큼 구조가 바뀌어도 물질 전체의 특성이 바뀌게 된다. 그 때문에 이를 분석할 수 있는 기술은 기초는 물론 응용 연구에 있어서도 무척 그 가치가 크다. 특히 주사형 투과전자현미경은 수십 피코미터 분해능으로 원자구조를 직관적으로 관찰할 수 있는 장비로 주목을 받고 있다. 하지만 이 역시 분해능의 한계와 영상에 나타나는 잡신호(noise) 때문에 구조의 미세한 변화를 분석하기 어려웠을 뿐 아니라, 데이터의 해석에 전문적인 지식과 많은 시간이 필요했다. POSTECH-연세대 공동연구팀은 머신러닝을 이용, 잡신호 제거와 원자 신호를 분리하는 과정을 학습시켜 서브픽셀(sub pixel)*1 차원에서 이미지를 정량화해 원자 구조를 분석할 수 있는 기법을 고안해냈다. 이 기법을 이용하면 현미경으로부터 얻은 원자 구조 영상을 단 1분 만에 피코미터 수준의 정확도로 해석할 수 있다. 연구팀은 또, 이 기술을 바탕으로 디스플레이나 태양전지의 차세대 소재로 꼽히는 페로브스카이트계 산화물을 비롯한 다양한 기능성 산화물 재료를 자동으로 분석할 수 있는 소프트웨어를 개발했다. 이 소프트웨어는 기존 방식에 비해 정확도는 10% 이상 높아졌고, 소요 시간은 고작 100분의 1밖에 되지 않는다. 한편, 네이처 자매지인 npj 컴퓨테이셔널 머터리얼스(npj Computational Materials)지를 통해 소개된 이 연구는 한국연구재단과 한국기초과학지원연구원의 지원으로 이뤄졌다. 1. 서브픽셀 디스플레이의 가장 작은 단위, 가장 기본이 되는 색의 요소를 뜻하며 부분화소로도 불린다.

IT융합 박성민 교수팀, 방광 관찰하는 초유연 하이드로젤 센서 개발

[POSTECH-KAIST 공동연구팀, 초유연 하이드로젤 기반 이식형 센서 및 신호 분석 플랫폼 개발] 현대인의 내장이 예민해지고 있다. 과민성대장증후군이나 과민성방광증후군과 같이 감염이 없고 다른 명백한 질환이 없으면서도 갑작스런 증상을 호소하는 환자가 늘고 있는 것도 이런 경향을 엿볼 수 있다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)·KAIST(한국과학기술원, 총장 이광형) 공동연구팀이 과민한 방광을 관찰할 수 있는 센서를 개발했다고 밝혔다. IT융합공학과 박성민 교수·임영수 씨, KAIST 신소재공학과 스티브 박 교수·오병국 씨로 이뤄진 공동연구팀에서 내장 기관의 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있는 초유연 하이드로젤 기반 이식형 센서 및 신호 분석 플랫폼 개발했다. 이번 연구성과는 바이오센서 분야의 세계적인 저널 ’바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)‘에 게재됐다. 과민성 방광 증후군은 특별한 질병 없이 자주 참을 수 없을 정도의 매우 급작스러운 요의를 느끼고, 수면 중에도 자주 소변을 보는 질환이다. 이 병은 그 자체가 생명을 위협하지는 않지만, 환자 삶의 질을 크게 떨어뜨려 사회생활을 어렵게 한다. 지금까지 과민성 방광의 치료를 위해서 주로 약물처치에 의존하고 있으나 크게 효과가 없는 것으로 나타났다. 이후 방광과 직간접적으로 연결된 신경을 전기적으로 자극하여 방광의 과활동을 감소시키는 치료법이 시행되고 있다. 이러한 치료법의 문제는 방광 활동의 모니터링 없이 신경이 자극되고 있다는 것인데, 이는 과도한 자극으로 인한 부작용을 유발하거나 치료법을 비효율적으로 만들 수 있다. 공동연구팀에서는 방광 활동을 실시간으로 관찰할 수 있는 모니터링 장치 개발에 주목했다. 연구팀은 배뇨근(detrusor 근육)은 신경 활동으로 제어되기 때문에 과활동 방광 증상을 정확하게 모니터링하기 위해 완전한 전기 기계적 측정이 필요하다는 가설을 세웠다. 이러한 관점에서, 연구팀은 하나의 플랫폼에서 방광의 기계적(수축·완화를 측정하는 변형 센서), 생체 전기적(신경 신호를 측정하는 EMG 센서) 활동을 모두 관찰할 수 있는 초유연 하이드로젤(USH-SI) 센서를 설계했다. 연구팀이 USH-SI 센서를 돼지모델에 적용해 실험한 결과, USH-SI 센서가 방광의 생체 내 변형률과 EMG 신호를 측정을 통해 근육 운동과 신경 활동을 동시에 관찰할 수 있었다. 특히, 초유연 하이드로젤을 사용함으로써 강한 접착력(접착 강도: 260.86 N/m)을 보여 기존 실리콘 센서를 사용한 센서보다 훨씬 더 방광에 단단히 부착할 수 있었다. 또한, 로봇 보조 복강경 수술로 부착할 수 있었다. KAIST 스티브 박 교수는 “이번에 개발된 기술은 복강경 수술 삽입이 가능한 센서 소형화에도 기여할 수 있다”며, “이는 잠재적으로 환자의 회복 시간과 합병증을 최소화할 수 있다”고 말했다. 박성민 교수는 “만성질환인 과민성 방광을 타겟으로 USH-SI 센서를 신경 자극기와 결합했다”며 “이는 모니터링과 동시에 신경 자극이 가능한 시스템으로 다른 내장 기관에도 활용할 수 있는 플랫폼이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 경쟁형 나노미래소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.