신소재공학부 이정헌, 최재영 교수 연구팀
나노 무기분자를 통한 하이드로겔의 비약적인 물성 향상 확인
- 하이드로겔을 이용한 다양한 바이오 분야에서 활용 가능

신소재공학부 이정헌 교수와 최재영 교수 연구팀은 1차원 물질인 Mo3Se3-나노 무기분자를 이용해 추가적인 가교결합 없이 하이드로겔의 물성을 최대 868% 향상시키는 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 

[그림 1] 1차원 물질인 Mo3Se3- 나노 무기분자를 사용하여 제작된 젤라틴 하이드로겔의 모식도 및 나노 무기분자 분석

본 연구는 한국연구재단 자연모사혁신기술개발사업과 도전형소재기술개발사업의 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 저명한 국제학술지 ‘나노 레터 (Nano Letters)’ 8월호에 게재되었다.
※ 논문명 : Exceptional mechanical properties of phase-separation-free    
           Mo3Se3--chain-reinforcedhydrogelpreparedbypolymerwrappingprocess
※ 저자 : 이정헌 교수(교신저자, 성균관대), 최재영 교수(교신저자, 성균관대), 김시현 대학원생(제1저자, 성균관대), 오승배 대학원생(제1저자, 성균관대), 이진웅 대학원생(참여저자, 성균관대), 채수동 대학원생(참여저자, 성균관대), 최경환 대학원생(참여저자, 성균관대), 이경은 박사(참여저자, 한국과학기술연구원), 장종화 교수(참여저자, 텍사스대; 엘파소), Liyi Shi 교수(참여저자, 상하이대)

약물 전달, 조직 공학 등 바이오 분야에서 다양하게 활용되고 있는 하이드로겔을 실용화하기 위해서는 하이드로겔이 지닌 고질적인 문제인 약한 기계적 물성을 해결하여야 한다. 이를 위해 많은 연구가 수행되고 있는데, 대표적인 방법이 나노 물질을 하이드로겔에 첨가하여 복합체를 만드는 것이다. 그 중에서도 1차원 물질인 나노 무기분자는 표면적이 넓을 뿐 아니라 기계적 강도가 우수하고 전기 전도성까지 부여할 수 있어서 많은 연구자들이 큰 관심을 가져왔다. 하지만 기존에 보고된 대부분의 나노 무기분자들은 하이드로겔과의 큰 화학적 성질 차이로 인하여 불완전한 결합을 형성하기 때문에 하이드로겔의 물성을 증가시키는데 한계가 있었다.

[그림 2] Mo3Se3- 나노 무기분자를 첨가함으로서 강화된 젤라틴 하이드로겔

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여 단일 사슬 원자구조를 갖는 Mo3Se3-나노 무기분자를 주목하였다. 0.6나노 미터 두께와 수 마이크로 미터에 달하는 길이를 가진 Mo3Se3-나노 무기분자는 하이드로겔 분자와 두께 및 길이가 유사하기 때문에, 상대적으로 두꺼운 다른 나노 무기분자를 사용하는 것보다 더 강한 분자적 결합을 형성할 수 있었다. 특히 나노 무기분자 표면에 하이드로겔과 동일한 성분인 젤라틴을 미리 코팅함으로써 나노 무기분자가 하이드로겔과 상 분리 없이 완벽하게 복합화가 일어날 수 있도록 만들 수 있었다.

이렇게 젤라틴과 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)으로 코팅된 나노 무기분자를 이용하여 만들어진 나노 무기분자-하이드로겔 복합체는 일반 젤라틴 하이드로겔보다 약 8.6배의 높은 인성을 갖는 등 매우 우수한 기계적 강도를 가져 하이드로겔 소재의 문제점인 약한 물성을 크게 보완해 줄 것으로 기대하고 있다.

매우 높은 생체 친화성을 가진 Mo3Se3-나노 무기분자를 사용하여 물성을 강화한 하이드로겔은 바이오 재료로 활용 가능성이 매우 높아 의료 및 센서 등 다양한 연구 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 3] Mo3Se3-나노 무기분자로 인해 강화된 하이드로겔의 물성 확인

또한 연구팀은 이전 연구에서 본 나노 무기분자를 이용해 세포를 키울 경우 매우 높은 생체 친화성(biocompatibility)을 보이는 것을 세계 최초로 확인했으며, 이를 ‘나노 레터 (Nano Letters)’ 2018년 11월호에 게재한 바 있다.
※ 논문명: Single-Chain Atomic Crystals as Extracellular Matrix-Mimicking Material with Exceptional Biocompatibility and Bioactivity