성균나노과학기술원 안성필 교수 연구팀 및 약학대학 김기현 교수 연구팀은 자연에서 유래한 항균 활성을 보이는 천연자원과 생체적합 고분자를 새롭게 혼합하여 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 활용 가능한 고효율 나노발전기를 개발하는데 성공하였다. 더불어, 나노입자를 이용하여 효과적인 통증관리가 가능함을 최근 연구를 통해 보고하였다. 관련 연구 논문 2편이 재료분야 국제저널랭킹 상위 5% 저널인 Nano Energy (영향력지수=17.881) 및 바이오기술분야 국제저널랭킹 상위 5% 저널인 Journal of Nanobiotechnology (영향력지수=10.435)에 각각 올해 게재되었다.

진동, 충격, 굽힘 등의 다양한 운동에너지로부터 전기에너지를 얻을 수 있는 나노발전기는 사람들의 일상생활 속에서 발생하는 크고 작은 운동에너지를 인간에게 유용한 전기에너지 변환할 수 있어 차세대 신재생 에너지원으로서 최근 크게 주목받고 있다. 그리고, 이를 사람이 착용 가능한 차세대 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 활용하고자 하는 연구가 최근 몇 년 사이에 굉장히 활발히 이루어지고 있다.

나노발전기 중에서도 소재 간에 접촉에 의한 마찰로부터 전기에너지를 수확하는 기술을 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator)라고 부른다. 이러한 마찰전기 나노발전기를 사람이 착용이 가능한 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 사용하기 위해서는 크게 2가지 기술 요소들이 필요하다. 첫 번째는 사람의 움직임으로부터 발생하는 마찰운동에너지를 가장 효율적으로 전기에너지로 변환할 수 있게끔 하는 접근 방법이다. 두 번째는 사람 피부와 바로 접하는 곳에 부착해서 사용해야 하기 때문에 피부에 대한 독성이 낮아야 하고, 외부로부터 전파될 수 있는 균에 대한 항균 능력이 필요하다.

안성필 교수와 김기현 교수 공동연구팀은 항균 작용을 지닌 느릅나무 껍질 추출물과 피부무독성 생분해 고분자인 폴리카프로락톤(PCL)을 합성한 후, 이를 직경 100 nm 수준(머리카락 굵기의 1000분의 1 수준)의 나노섬유로 이루어진 부직포로 개발하였다. 그리고, 이렇게 제작한 천연물 기반 부직포를 마찰전기 나노발전기 소재로 활용하였다. 개발한 천연물 기반 마찰전기 나노발전기를 신발 깔창에 적용했을 때, 사람이 걷거나 뛸 때 걸음당 최대 80 V의 전기에너지를 얻을 수 있었고, 동시에 적용된 천연물(느릅나무 껍질 추출물)이 지닌 항균 능력을 통해 무좀균도 억제할 수 있었다.

한 편, 통증은 특정 신체 부위의 부상 위험을 나타내는 중요한 감각이지만, 통증의 성공적인 조절이 의학적 치료의 필수적인 요인이 되어 왔다. 최근 몇 년 동안 통증관리에서 나노기술의 적용이 눈부시게 발전해왔으며, 급성 및 만성 통증 관리에서 나노기술의 중요성은 더욱 강조되고 있다. 약물을 전달하는 나노기술의 능력 외에도 정교한 나노기술의 발전은 영상 및 진단을 향상시키도록 설계되어 질병의 신속한 진단을 돕고 통증 조절에 중요한 역할을 한다. 나노기술은 통증 관리의 새로운 시대를 열었고, 본 논문을 통하여 나노기술의 실질적인 임상적 적용을 위해 연구원, 의사 및 엔지니어를 포함한 다학제 간 팀워크가 필요함을 강조했다.

관련 논문

1. Biocompatible and mechanically-reinforced tribopositive nanofiber mat for wearable and antifungal human kinetic-energy harvester based on wood-derived natural product, Nano Energy, 96, 107091, 2022. (교신저자: 안성필, 김기현 / 제1저자: 박도권)

2. Recent advances in pain management based on nanoparticle technologies, Journal of Nanobiotechnology, 20, 290, 2022. (교신저자: 김기현, 안성필)