최근 4차 산업혁명과 코로나19 팬데믹을 거치면서 일상에서 진단 및 모니터링이 가능한 디지털 헬스케어에 대한 관심이 전 세계적으로 급성장하고 있다. 이를 위해서는 특히 환자의 몸에 통합돼 생체 신호를 검출하는 부착형 혹은 삽입형 장치가 중요하다. 하지만 기존 전자소자들은 사람의 피부 조직보다 훨씬 단단하기 때문에 부드럽고 굴곡진 형태의 인체 조직에 온전한 접착이 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해 90% 이상이 물로 이뤄지고, 생체 조직 수준의 부드러움을 지니는 하이드로겔 소재를 전자소자 형태로 제작하려는 시도들이 있어 왔다. 하지만 하이드로겔 소재는 기계적으로 약하기 때문에 동작 중 쉽게 파단될 수 있으며, 높은 수분 팽윤 특성을 가지기 때문에 소자의 동작 중 우리 몸의 수분이 하이드로겔에 침투되면서 성능이 저하되는 문제를 가진다.
연세대 연구팀은 부드러움은 유지하면서도, 자가치유가 가능하며 고인성 및 비팽창 특성을 지닌 전기전도성 하이드로겔 소재를 개발했다. 연구팀은 자연계에 존재하는 거미줄과 와인의 떫은맛을 내는 성분인 탄닌산(Tannic acid)에 영감을 받아 본 하이드로겔을 개발했다.
거미줄은 부드러우면서도 쉽게 끊어지지 않는다. 이는 거미줄 내의 나노구획구조(Nanoconfinement)로 인한 것이다. 나노구획구조로 인해 거미줄은 약한 수소결합만으로 구성돼 있어도, 외부에서 힘이 가해지더라도 파단 에너지를 효율적으로 소산시켜 줘 끊어지지 않고 높은 인성을 갖도록 한다.
연구팀은 거미줄의 나노구획구조를 탄닌산을 통해 모사해, 역동적 나노구획구조(Dynamic nanoconfinement)로 본 하이드로겔을 구현했다. 이러한 구조로 인해 부드러우면서도 높은 인성을 가질 수 있으며, 탄닌산에 의한 풍부한 가역적 수소결합들로 인해 하이드로겔이 파단되더라도 5분 내에 완벽히 초기 형태로 자가치유가 될 수 있다.
또한 본 하이드로겔은 탄닌산의 수소성 특성 덕분에 수분의 침투를 막아, 습윤 환경인 우리 몸 환경에서도 수분에 의해 팽윤되지 않고 그 기계적 특성을 유지할 수 있다. 연구팀은 개발된 하이드로겔을 통해 수중에서도 효과적으로 근전도 신호를 검출할 수 있음을 보였으며, 방광의 실시간 액체 주입/배출을 모니터링할 수 있음을 보였다.
서정목 연세대 수는 "본 연구 결과는 하이드로겔 소재가 우리 몸에 안정적으로 부착돼 동작할 수 있음을 보였으며, 미래에 다가올 스마트 디지털 헬스케어 시스템의 상용화에 하이드로겔이 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 '나노소재기술개발사업', '중견연구자지원사업'(과제번호: 2022R1A2C4001652)과 '바이오·의료기술개발사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 저명한 다학제적 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF 17.521, JCR 상위 5.94%)에 4월 26일 게재됐다.
장환순기자 janghs@dt.co.kr
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