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화공/융합 차형준 교수 연구팀, “이식 장기에 ‘착’ 달라붙는 스프레이 방패”, 평생 면역억제제 복용하는 환자 부담 줄인다

[이식 장기에 달라붙어 면역 거부 막는 스프레이형 코팅제 개발] 장기 이식의 가장 큰 난제였던 ‘면역 거부 반응’을 전신 부작용 없이 억제할 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH·이화여대 연구팀은 홍합에서 유래한 접착 소재를 활용해 이식된 장기 표면에 면역억제제를 직접 뿌리는 ‘면역 방패(Immune-Shield)’ 기술을 개발했다. 이 연구 결과는 약리학·약물 전달 분야 국제 학술지인 '저널 오브 컨트롤드 릴리즈(Journal of Controlled Release)'에 최근 게재됐다. ‘장기 이식’은 사고나 질병으로 손상된 장기를 되살릴 수 있는 가장 효과적인 치료법이다. 하지만 전 세계적으로 이식이 가능한 장기는 턱없이 부족한 상황이며 이에 동물의 장기를 사람에게 이식하는 ‘이종 장기 이식’이 대안으로 주목받고 있다. 그런데 동물뿐만 아니라 다른 사람으로부터 이식받은 경우 사람의 면역 체계가 이식된 장기를 외부 침입자로 인식하는 면역 거부 반응이 큰 문제였다. 이를 막기 위해 환자는 면역억제제를 지속적으로 복용해야 한다. 하지만 경구 투여나 주사 방식은 약물이 온몸으로 퍼지는 전신 투여 방식이어서 신장 독성, 감염 위험 증가 같은 심각한 부작용을 초래할 수 있다. 장기를 살리기 위한 약물이 오히려 환자의 면역력을 떨어뜨리는 역설적인 상황이 반복되는 것이다. POSTECH 화학공학과·융합대학원(의과학전공) 차형준 교수, 화학공학과 박사과정 이상민·우현택 씨, 최근호 박사, 이화여대 화공신소재공학과 주계일 교수 연구팀은 약물을 ‘온몸’이 아니라 ‘이식 장기’에만 전달하는 방법에 주목했다. 연구팀은 홍합이 물속에서도 강하게 붙는 원리를 활용해, 면역억제제를 담은 미세한 하이드로젤 입자를 장기 표면에 직접 붙이는 기술을 개발했다. 이 기술은 접착성 마이크로젤(microgel)을 이용해 생체 조직의 표면을 코팅하는 방식이며, 연구팀은 이를 ‘면역 방패’라고 명명했다. ‘면역 방패’는 스프레이처럼 뿌리는 방식이다. 수분이 많은 장기의 표면에서도 안정적으로 코팅되며, 마이크로젤은 장기 표면에 머무르면서 면역억제제를 천천히 방출한다. 장기 표면에 보이지 않는 보호막을 씌워 약물이 혈액을 타고 전신으로 퍼지는 대신 이식 부위에만 전달되는 구조다. 이종 장기 이식 실험 결과, ‘면역 방패’를 적용했을 때 면역 세포의 침투와 염증 반응이 크게 줄었고, 이식된 조직의 생존 기간이 현저히 늘어났다. 기존 약물 전달 방식보다 2배 이상의 높은 면역 억제 효과를 보였다는 점에서 의미가 크다. 차형준 교수는 "우리나라 원천소재인 홍합 유래 접착단백질로 면역 억제의 오랜 난제를 해결할 새로운 전략을 제시했다"라며 "스프레이 방식 특성상 복잡한 형태의 장기 표면에도 손쉽게 적용할 수 있어 향후 이종 장기 이식 분야 성공률을 높이는 핵심 기술로 활용될 것"이라고 전했다. 한편, 이 연구는 포스코홀딩스 창의혁신과제, 한국연구재단 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.114468

조창신·이상민 교수 공동 연구팀, 수분에 지친 고체전해질, PBA로 생기 되찾다!

[POSTECH, 수분에 약한 황화물계 고체전해질 약점 ‘복구’까지 해내는 신소재 개발] 공기 중 아주 미세한 수분에도 쉽게 손상되던 전고체전지가, 다시 원래 성능을 되찾는 길이 열렸다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 배터리공학과·신소재공학과 이상민 교수, 배터리공학과 통합과정 고수민 씨, 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 화학공학과 박사과정 정혜빈 씨 연구팀이 ‘프러시안 블루 유사체’를 활용해 손상된 황화물계 고체전해질의 성능을 되살리는 기술을 개발했다. 이 연구는 전고체전지 상용화를 앞당길 핵심 기술로 평가받으며 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 불이 나지 않는 안전한 배터리, 바로 ‘전고체전지(All-solid-state battery)’다. 액체 대신 고체 전해질을 사용하기 때문에 폭발 위험이 적고 수명이 길다. 특히 ‘황화물계 전해질’은 이온전도도가 높고 전극과의 접착력이 우수해 전고체전지의 유망한 소재로 꼽힌다. 하지만 이 전해질은 공기 중 극소량의 수분에도 쉽게 반응해 성능이 급격히 떨어지고, 그 과정에서 황화수소(H₂S)와 일산화탄소(CO) 같은 독성 가스가 발생한다는 치명적인 단점을 지니고 있었다. POSTECH 연구진은 황화물계 전해질 일종인 LPSCl*1에 ‘프러시안 블루 유사체(이하 PBA, Prussian Blue Analog)’를 첨가하는 방법에 주목했다. PBA는 내부에 물과 기체를 흡수할 수 있는 구조로 수분에 의한 손상을 막을 뿐 아니라 이미 열화된 전해질의 성능을 회복시키는 역할까지 수행할 수 있다. 연구팀은 망간(Mn) 기반 PBA(Mn-substituted PBA, MPB)를 황화물계 전해질인 LPSCl과 혼합하여 복합 전해질(MPB-LPSCl)을 제작하였다. 실험 결과, PBA를 4% 정도 첨가한 전해질은 기존과 유사한 수준의 높은 이온전도도를 유지하면서 수분에 노출됐을 때 황화수소 발생량이 1/4, 일산화탄소는 1/10 수준으로 줄었다. 또한 500회의 충·방전 이후에도 초기 용량의 85.4%를 유지하는 등 우수한 전기화학적 성능을 보였으며, 이는 동일한 노출 조건에서 기존 LPSCl이 100 사이클 이후 79.3%에 그친 것과 비교해 현저히 개선된 결과다. 더 주목할 점은, 이미 수분에 노출되어 손상된 전해질도 단순히 PBA를 섞는 것만으로 복구되었다는 사실이다. 5%의 상대습도 환경에서 6시간 노출된 LPSCl은 10사이클 후 급격히 용량이 감소했지만, MPB를 혼합한 경우 500사이클 동안 99.9%의 쿨롱 효율과 95.2%의 용량 유지율을 기록했다. 조창신 교수는 “PBA는 단순한 보호제를 넘어, 손상된 전해질을 ‘되살리는’ 새로운 역할을 한다”라며 “전고체전지 상용화를 앞당길 중요한 전환점이 될 것”이라고 전했다. 또한, 이상민 교수는 “이번 기술은 습도에 민감한 황화물계 소재의 생산 신뢰성을 크게 높일 수 있다”라며 이번 연구의 의의를 덧붙였다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 에너지국제공동연구 사업, 과학기술정보통신부 지역혁신 메가프로젝트 사업과 산업혁신인재 성장지원(R&D) 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202516613 1. LPSCl(lithium phosphorous sulfur chloride, Li6PS5Cl) : 아지로다이트 계열(Argyrodite-type) 황화물계 고체전해질의 일종이다.

배터리/화공 조창신 교수·화공 이상민 교수 공동 연구팀, 300여 년 만에 '네모 탈출'한 프러시안 블루의 변신

[POSTECH 연구진, 물 대신 글리세롤로 팔면체 만들어 하이브리드 커패시터 성능 껑충↑] 늘 네모난 모습만 고집하던 ‘프러시안 블루(Prussian Blue)’가 300여 년 만에 팔면체로 변신했다. POSTECH(포항공과대학교) 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 화학공학과 이상민 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨 연구팀은 물 대신 특별한 용매를 사용해 그동안 불가능했던 새로운 모양의 프러시안 블루 합성에 성공했다. 이번 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 1700년경 우연히 합성된 ‘프러시안 블루’는 속이 비어 있는 3차원 구조를 가져 이온이 쉽게 드나든다. 이런 특성 덕분에 나트륨 이온전지 전극 소재를 비롯해 방사성 세슘 제거, 환경 정화, 촉매 등 다양한 분야에서 쓰이고 있다. 하지만 지금까지는 큰 한계가 있었다. 물에서 합성하면 반응이 너무 빨라 입자 성장 속도를 조절하기가 어렵고, 결과는 늘 네모난 정육면체(큐빅) 모양뿐이었다. 이렇게 모양을 바꾸지 못하면 프러시안 블루의 특정 결정면에서만 나타나는 고유한 성질을 발견하거나 새로운 응용으로 확장하기가 쉽지 않다. POSTECH 연구팀은 해답을 ‘용매’에서 찾았다. 물 대신 점성이 높은 글리세롤을 쓰면 결정 성장 속도를 늦출 수 있다는 점에 주목한 것이다. 연구 결과, 글리세롤 환경에서는 작은 정육면체 먼저 생겨나고, 이들이 녹았다 다시 자라나는 과정을 반복하면서 팔면체(Octahedron) 모양으로 자가 조립되는 현상이 나타났다. 마치 작은 네모난 블록들이 차곡차곡 모여 스스로 여덟 면을 가진 보석 같은 형태로 변신한 셈이다. 이렇게 합성한 팔면체 프러시안 블루를 나트륨 이온 커패시터 전극 소재로 적용한 결과는 놀라웠다. 정육면체 구조보다 표면적이 넓어 전극 반응성이 크게 향상됐고, 장기간 충·방전을 시험에서도 안정적인 성능을 유지했다. 단순히 모양만 바꿨을 뿐인데 성능이 확연히 좋아진 것이다. 이번 연구에는 독일 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich) 카스텐 코르테(Carsten Korte) 박사도 참여해 물질 결정 구조 분석을 도왔다. 이번 연구는 특정 용매가 프러시안 블루 결정의 성장 방향과 속도를 바꿀 수 있다는 사실을 세계 최초로 밝혔다는 점에서 의미가 크다. 또한, 연구팀은 글리세롤 외에도 다른 유기 용매를 활용하면 지금까지 상상하지 못한, 새로운 형태의 결정도 자유롭게 설계할 수 있을 것으로 기대한다. 조창신 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 모양의 프러시안 블루를 만든 데 그치지 않고, 성장 과정을 직접 관찰하고 제어할 수 있는 원리를 밝혀낸 것에 의미가 있다”라며 “다양한 형태를 자유롭게 설계할 길이 열린 만큼, 에너지 저장 장치부터 환경 정화까지 응용 범위가 크게 넓어질 것”이라고 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업, 한국산업기술진흥원 배터리특성화대학원, 한국연구재단 글로벌기초연구실 과제의 지원을 받아 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202508095

화공 이상민 교수팀, 인류를 위협하던 바이러스, 인류의 미래를 열다

[이상민 교수·2024 노벨화학상 수상자 David Baker 교수 공동 연구 ‘Nature’ 게재] [바이러스 모방한 나노입자 AI 설계 연구 통해 유전자 치료 기술 개발의 전환점 제시] 화학공학과 이상민 교수는 올해 노벨화학상 수상자인 미국 워싱턴대(University of Washington) 데이비드 베이커(David Baker) 교수와 공동으로 AI(인공지능)를 활용하여 바이러스의 복잡하고 정교한 구조를 모방한 새로운 치료 플랫폼을 개발했다. 이번 연구는 과학 분야 세계 최고 학술지인 ‘Nature’(네이처)‘에 현지 시각으로 18일 게재됐다. 바이러스는 둥근 공 모양의 단백질 껍질 안에 유전자를 담아 스스로 복제하는 독특한 구조를 가진다. 주로 숙주세포에 침투해 질병을 일으키지만 최근에는 이 복잡하고 정교한 구조를 모방한 인공 단백질 연구가 활발하다. 이렇게 개발된 ‘나노케이지(nanocage)’는 마치 바이러스가 숙주를 찾아 공격하듯 표적 세포에 치료용 유전자를 효과적으로 전달하는 역할을 한다. 그러나 기존 나노케이지는 크기가 작아 그 안에 담을 수 있는 유전자의 양이 한정적이었고, 구조가 단순해 실제 바이러스 단백질처럼 여러 기능을 구현하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 AI 기반 전산 설계 기법을 도입했다. 바이러스는 대부분 대칭적인 구조로 되어 있지만, 미세하게 어긋난 부분이 있다. 연구팀은 이러한 구조적 특징을 AI 기술로 설계함으로써 정사면체, 정육면체, 정십이면체 등 다양한 형태의 나노케이지를 세계 최초로 제작했다. 이 새로운 나노구조들은 네 종류의 인공 단백질로 구성되며, 여섯 종류의 독특한 단백질-단백질 결합계면을 포함하는 정교한 구조를 형성한다. 특히, 직경이 최대 75nm에 이르는 정십이면체 구조는 기존 유전자 전달체(AAV*1)보다 세 배 더 크기 때문에 훨씬 더 많은 유전자를 담을 수 있다는 점에서 주목할 만하다. 전자현미경 분석 결과, 연구팀이 AI로 설계한 나노케이지들은 예상대로 정확한 대칭구조를 이루었으며, 기능성 단백질을 활용한 실험에서도 연구팀은 유전자가 나노케이지가 표적 세포까지 성공적으로 전달됨을 확인했다. 이상민 교수는 “AI의 발전으로 인류가 원하는 인공 단백질을 설계하고 조립하는 시대가 열렸다”라며 “이번 연구가 유전자 치료제는 물론, 차세대 백신 등 다양한 의·생명 분야의 혁신적인 발전에 기여하기를 바란다”라는 말을 전했다. 한편, 이상민 교수는 2021년 2월부터 2년 9개월 동안 데이비드 베이커 교수 연구실에서 박사후연구원으로 재직하다 올해 1월 POSTECH에 부임했다. 이상민 교수와 데이비드 베이커 교수가 협력한 이 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구사업, 나노소재기술개발사업, 글로벌 기초연구실 사업과 미국 Howard Hughes Medial Institute(HHMI)의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07814-1 1. AAV Adeno-Associated Virus 2. de novo protein 컴퓨터로 설계한, 자연계에는 존재하지 않는 새로운 단백질을 말한다.

화공·융합대학원 차형준 교수팀, “해조류+가시광선=인공배양육 잉크?”

[차형준 교수팀, 해조류 활용 고해상도 바이오잉크 개발] 몇 년 전, 프랑스의 한 일간지에서 ‘지구를 위해 해조류를 요리하는 한국’이라는 기사를 보도한 적이 있었다. 물컹거리는 식감 탓에 서양인들이 거의 먹지 않는 해조류가 대기 중 이산화탄소를 흡수하고, 육류 생산과 비교했을 때 탄소 배출량이 현저히 낮아 단순히 섭취하는 것만으로도 환경을 보호할 수 있다는 것이다. 그런데, 이제는 해조류로 배양육을 생산해 우리의 지구를 지키고, 아픈 사람들에게 필요한 인공장기 제작도 할 수 있는 시대가 오고 있다. 화학공학과·융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 박사과정 이상민 씨, 최근호 박사 연구팀은 해조류에서 유래한 천연 탄수화물과 인체에 무해한 가시광선을 이용하여 세포 생존율과 해상도가 높은 바이오잉크를 개발했다. 이번 연구는 생체재료 분야 국제학술지인 ‘카보하이드레이트 폴리머(Carbohydrate Polymers)’에 게재됐다. 3D 바이오프린팅은 세포가 들어있는 바이오잉크*1를 사용하여 인공장기나 조직을 제작하는 기술로, 조직공학과 재생의학 분야에서 잠재력이 풍부하다. 또, 미래 먹거리로 떠오르고 있는 배양육 제조에도 적용할 수 있어 푸드테크 분야에서도 주목하는 기술이다. 하지만 현재 사용되는 바이오잉크는 내부에서 세포가 움직일 수 없기 때문에 세포의 생존율이 낮고 인쇄 해상도가 높지 않다는 문제점이 있다. 연구팀은 해조류 탄수화물의 일종인 알지네이트(alginate)의 광가교*2를 통해 아주 미세한 크기의 마이크로 젤을 만들었다. 이 광가교 알지네이트 마이크로 젤을 이용해 세포의 자유로운 이동과 증식이 가능한 3D 바이오프린팅용 잉크를 개발했다. 이어, 연구팀은 새로 개발한 잉크를 사용하여 3D 바이오프린팅을 진행했다. 그 결과, 마이크로 젤 기반 소재의 빈 공간에 세포를 탑재한 바이오잉크는 기존 바이오잉크에 비해 세포 생존율이 4배 이상 크게 향상되었다. 또, 마이크로 젤은 일정 시간 동안 힘을 주었을 때 오히려 점도가 낮아지고, 형태가 변형된 후 원래의 형태로 다시 돌아올 수 있어 프린팅 결과물의 해상도와 적층 능력을 높여주었다. 연구를 이끈 차형준 교수는 “천연 생체물질을 기반으로 안정적이고 높은 세포 탑재 능력을 지니는 바이오잉크를 실제 3D 바이오프린팅에 적용하여 효과적인 인공 조직용 구조체를 제작했다“며, ”향후 후속 연구를 통한 개선과 기술 고도화를 통해 실제 인공장기와 배양육 제작 시 널리 활용될 것“이라는 기대를 밝혔다. 이번 연구는 포스코홀딩스의 ‘창의혁신과제’, 농림축산식품부의 ‘고부가 가치식품기술개발사업’의 지원으로 수행됐다. 1. 바이오잉크 바이오프린팅의 원료이자 3D 바이오프린터로 분사하는 세포가 포함된 재료이다. 2. 광가교 다리를 걸치듯 형성되는 결합을 ‘가교결합’이라고 하는데, 빛에 의해 개시되는 분자 간 공유결합 형성 반응을 ‘광(光)가교’라고 한다.

환경 민승기 교수팀, 점차 길어지는 한반도 폭염…지구온난화가 “원인”

[인간 활동이 긴 폭염에 미치는 영향 밝혀] 2018년은 우리나라 기상관측 사상 가장 극심한 폭염이 기승을 부린 한 해였다. 서울의 최고 기온은 39.5℃, 평균 폭염일수 31.5일, 열대야일수 17.7일, 온열질환자수 4526명, 사망자수 48명이라는 무서운 기록과 가축 908만 마리, 어류 709만 마리 폐사 등 800억원대의 경제손실을 남겼다. 쬘 폭(暴), 불꽃 염(炎). 단어의 뜻 그대로 불꽃처럼 햇볕이 내려 쪼이는 살인적인 더위를 말하는데, 그 지속기간이 길어질수록 피해는 기하급수적으로 증가한다. 환경공학부 민승기 교수팀은 최근 폭염이 점차 길어지는 원인이 ‘인간’ 때문이라는 연구결과를 내놓았다. 환경공학부 민승기 교수, 김연희 연구교수, 박사과정 이상민씨 팀은 옥스퍼드대학과 영국기상청과의 공동연구를 통하여 인간 활동이 한반도 폭염의 지속기간에 미치는 영향을 처음으로 밝혔다. ‘미국기상학회보(Bulletin of the American Meteorological Society)’ 특별호에 소개된 이 연구는 인간이 배출한 온실가스 증가로 인해 2018년과 같은 강하고 장기간 지속되는 폭염의 발생가능성이 4배 이상 높아졌다는 것을 확인했다. 온실가스 증가로 인해 폭염이 강해지고 더 빈번해지고 있다는 것은 많이 보고되었지만, 폭염의 지속기간과 지구온난화의 연결고리에 대한 과학적 증거는 찾아보기 어려웠다. 이번 연구에서는 인간 활동으로 발생하는 온실가스가 늘어날수록 장기간 지속되는 폭염이 증가하고 있음을 처음으로 확인했다. 연구팀은 지구온난화가 한반도 폭염 지속시간에 미치는 영향을 파악하기 위해 고해상도 기후모델 실험을 수행했다. 온실가스를 발생시키는 인간 활동을 포함한 모델실험과 인간 활동이 배제된 모델실험을 각각 수천 번 반복하여 비교한 결과, 2018년 여름과 같은 장기지속 폭염은 인위적인 지구온난화의 영향으로 그 발생확률이 4배 이상 증가한 것으로 나타났다. 민승기 교수는 “고해상도 기후모델 시뮬레이션을 비교 분석하여 온실가스 증가로 인해 우리나라에 폭염이 더 오랜 기간 계속될 수 있음을 정량적으로 확인했다”며 “앞으로 지구온난화가 지속되면 장기지속 폭염이 더욱 빈번하게 발생할 것으로 전망되므로 이에 대한 철저한 대비가 필요하다”고 말했다. 한편, 이 연구는 기상청 기상See-At기술개발, 국립기상과학원 기상업무지원기술개발, 한국연구재단 선도연구센터 ‘비가역 기후변화 연구센터’의 지원으로 수행됐다.