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▲ 하이드로젤 미세 기공의 변형 메커니즘 모식도 및 실험·시뮬레이션 결과 (한국연구재단 제공) / 출저: 뉴스1

우리 대학 화공생명공학과 윤현식 교수팀이 서울대학교 이원보 교수 연구팀과 함께 하이드로젤 미세기공의 면 기반 접힘 메커니즘을 규명해, 미세입자를 정밀하게 방출할 수 있는 새로운 구조 제어 기술을 개발했다.

다공성 구조의 고분자 화합물인 하이드로젤은 자극에 따라 형태가 변하는 스마트 소재로, 약물 전달, 바이오센서, 조직공학 등 다양한 바이오 응용 분야에서 각광받고 있다. 그러나 기존 하이드로젤 시스템은 단순한 기하학 구조로 설계돼 구조 변화가 불규칙하고 작동 방향이나 복원력이 낮아 정밀 제어에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 종이접기에서 착안한 '접힘선(힌지)' 개념을 하이드로젤 기공에 적용했다. 하이드로젤 표면의 미세기공 테두리에 특별한 접힘 구조를 설계함으로써, 팽창 시 정해진 방향으로만 접히도록 유도한 것이다. 이로 인해 기공이 무작위로 부풀던 기존 방식과 달리, 의도한 방향으로 정확히 접히고 펴지는 정밀 제어가 가능해졌다.

외부 장치나 복잡한 시스템 없이도 기하학적 구조만으로 하이드로젤의 작동 방향, 속도, 복원성을 동시에 조절할 수 있는 작동 메커니즘을 실험적으로 규명했다. 특히, 반복된 팽창-건조 실험 10회 후에도 92% 이상의 복원율을 보여 구조적 안정성과 재현성을 입증했다.

이 기술을 바탕으로 연구팀은 미세입자를 다단계로 방출하거나, 특정 구조만 입자를 남기는 암호화 기능도 구현했다. 실제로 지름 5~50마이크로미터(µm) 수준의 입자를 정밀하게 제어해 방출하는 데 성공했다.

윤 교수는 "하이드로젤의 불규칙한 변형 문제를 구조 설계로 해결했다"며 "약물이 한 번에 방출되는 기존 방식에서 벗어나 다단계, 정량적 방출이 가능하도록 했다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 '셀(Cell)'의 자매지이자 다학제 분야 국제 학술지인 '매터(Matter)'에 지난해 30일 게재됐다.

▲ 한국연구재단 제공 / 출저: 동아사이언스

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