나노 무기분자 통한 하이드로겔 업그레이드
나노 무기분자 통한 하이드로겔 업그레이드
  • 강지희
  • 승인 2019.09.23 22:35
  • 조회수 1975
  • 댓글 1
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이번 연구를 주도한 이정헌 교수와 최재영 교수. 출처: 성균관대학교
이번 연구를 주도한 이정헌 교수와 최재영 교수. 출처: 성균관대학교

성균관대학교 신소재공학부 이정헌 교수와 최재영 교수 연구팀이 하이드로겔의 물성을 비약적으로 활성화시켰습니다. <Nano Letters>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 1차원 물질인 Mo3Se3나노 무기분자를 이용해 추가적인 가교결합 없이 하이드로겔의 물성을 최대 868% 향상시키는 기술을 개발했다고 합니다.

 

하이드로겔?

말랑말랑 말랑해~. 출처: pixabay
말랑말랑 말랑해~. 촉촉촉촉 촉촉해~. 출처: pixabay

하이드로겔이란 수화겔이라고도 하며 수용성 고분자가 물리적(수소결합, 반데르발스 힘, 소수성 상호작용, 혹은 고분자의 결정) 혹은 화학적(공유결합)인 결합으로 3차원의 가교를 형성하고 있는 망상 구조입니다. 수상 환경에서 용해되지 않고 상당한 양의 물을 함유할 수 있는 물질을 말합니다. 하이드로겔은 1960년대 Wichterle와 Lim이 발표한 poly(2-hydroxyethyl methacrylate) 하이드로겔의 의학적 사용에 대한 첫 번째 보고 이후로 과거 수십 년 동안 연구 대상이었습니다.

 

하이드로겔은 다양한 수용성 고분자로부터 만들어질 수 있기 때문에 여러 가지 화학적 조성과 물성을 갖습니다. 또한 가공이 용이해 응용에 따라 다양한 형태로 변형할 수 있죠. 복막 및 생체 내 여러 부분에서의 성공적인 응용에서도 알 수 있듯이 하이드로겔은 높은 함수율(water content)과 세포외 기질(extracellular matrix)과의 물리화학적 유사성을 가져 높은 생체 적합성을 갖습니다. 이러한 특성들 덕분에 하이드로겔은 의학과 약물학적인 응용에 있어서 상당히 매력적인 물질 중 하나로 주목받았습니다.

 

유용해 보이지만 하이드로겔에도 단점이 있습니다. 기계적 물성이 약하고 인장 강도가 낮다는 점인데요. 하이드로겔의 낮은 인장 강도는 하중을 견뎌야 하는 부분에서의 응용을 제한하고 결과적으로 목표로 하는 지점에서 조기 용해 과정을 거쳐 빠른 시간에 소실된다는 게 특징입니다. 하이드로겔을 실용화하기 위해서는 하이드로겔이 지닌 고질적인 문제인 약한 기계적 물성을 해결해야 합니다. 과학자들은 이를 위해 여러 연구를 수행하고 있죠.

 

대표적인 예가 나노 물질을 하이드로겔에 첨가해 복합체를 만드는 방법입니다. 그 중에서도 1차원 물질인 나노 무기분자는 표면적이 넓을 뿐 아니라 기계적 강도가 우수하고 전기 전도성까지 부여할 수 있어서 많은 연구자들이 큰 관심을 가져왔죠. 하지만 기존에 보고된 대부분의 나노 무기분자들은 하이드로겔과의 큰 화학적 성질 차이로 불완전한 결합을 형성하기 때문에 하이드로겔의 물성을 증가시키는 건 한계가 있었습니다. 

 

어떻게 연구했는가

1차원 물질인 Mo3Se3- 나노 무기분자를 사용하여 제작된 젤라틴 하이드로겔의 모식도 및 나노 무기분자 분석. 출처: 성균관대학교

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 단일 사슬 원자구조를 갖는 Mo3Se3- 나노 무기분자를 주목했습니다. Mo3Se3-는 1 nm 이하의 두께와 수 ㎛의 길이를 갖는 1차원 구조의 무기사슬 단분자선인데요. Mo3Se3나노 무기분자는 하이드로겔 분자와 두께 및 길이가 유사하기 때문에 상대적으로 두꺼운 다른 나노 무기분자를 사용하는 것보다 더 강한 분자적 결합을 형성할 수 있습니다. 특히 연구팀은 나노 무기분자 표면에 하이드로겔과 동일한 성분인 젤라틴을 미리 코팅해 나노 무기분자가 하이드로겔과 상 분리 없이 완벽하게 복합화가 일어날 수 있도록 만들 수 있었습니다.

Mo3Se3- 나노 무기분자를 첨가함으로서 강화된 젤라틴 하이드로겔. 출처: 성균관대학교

이렇게 젤라틴과 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)으로 코팅된 나노 무기분자를 이용해 만들어진 나노 무기분자-하이드로겔 복합체는 일반 젤라틴 하이드로겔보다 약 8.6배의 높은 인성을 가졌습니다. 연구팀이 개발한 하이드로겔은 매우 우수한 기계적 강도를 가진 덕분에 하이드로겔 소재의 문제점인 약한 물성을 크게 보완해 줄 것으로 기대되고 있습니다.

Mo3Se3-나노 무기분자로 인해 강화된 하이드로겔의 물성 확인. 출처: 성균관대학교

매우 높은 생체 친화성을 가진 Mo3Se3나노 무기분자를 사용해 물성을 강화한 하이드로겔은 바이오 재료로도 활용 가능성이 매우 높을 것으로 전망됩니다.

 

##참고자료##

 


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이야호 2019-09-25 11:24:50
기자분이 쓰는 기사들 다 재미있네요

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