탄력있고 튼튼한 새로운 고분자 하이드로젤 소재

기존 마이셀 기반 하이드로젤 형성 메커니즘(왼쪽)과 연구팀이 개발한 네트머 기반 하이드로젤 형성 메커니즘을 비교한 그림. 연구팀은 고분자 구조를 최적화하고 거대한 네트머를 적층해 구조적 결함을 해결한 새로운 하이드로젤 네트워크 구조(오른쪽)를 만드는 데 성공했다. 포스텍 제공

국내 연구팀이 기존 합성 고분자 네트워크의 문제점이었던 구조적 결함을 개선하고 새로운 고분자 네트워크를 개발하는 데 성공했다. 실용성과 범용성이 높아 의료나 생체재료, 배터리 등 다양한 산업에서 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

포스텍은 김연수 신소재공학과 교수팀이 조안-엠마 시어 미국 산타바바라캘리포니아대(UCSB) 화학·생화학과 교수팀, 이은지 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수팀과의 공동연구를 통해 고분자의 자기조립 과정에서 발생하는 구조적 결함 문제를 해결하고 기계적 특성이 우수한 하이드로젤 네트워크를 개발하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 연구결과는 지난달 2일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다. 

생명체 내부에서는 액틴이나 콜라겐, 뮤신 같은 고분자들이 정교하게 조립돼 생명 유지와 다양한 기능을 수행한다. 최근 과학자들은 생명체 내 고분자를 모방한 재료인 합성 고분자 네트워크를 개발하는 연구를 활발히 진행하고 있다.

기존 개발된 마이셀(micelle) 기반 하이드로젤 네트워크는 고분자가 무작위로 배열돼 얽히거나 꼬이는 등 구조적 결함이 발생하기 쉬워 네트워크 연결성과 기계적 성능이 저하되는 문제가 있었다. 마이셀은 물과 잘 섞이는 친수성과 물과 잘 섞이지 않는 소수성 부분으로 나뉘어 물속에서 구형을 이루는 구조를, 하이드로젤은 수분을 많이 포함하는 고분자 물질을 말한다.

연구팀은 서로 반대 전하를 가진 고분자를 설계해 새로운 하이드로젤 네트워크를 만들었다. 고분자들은 전기적 인력 덕분에 서로 강하게 끌어당기며 마이셀 기반 네트워크보다 더 규칙적이고 안정적인 구조를 형성했다.

연구팀은 연구 과정에서 새로운 조립체인 '네트머(netmer)'를 처음 발견하고 네트머를 기반으로 한 하이드로젤 네트워크 형성 메커니즘을 규명했다. 네트머는 고분자가 꼬이는 고리(loop)를 최소화하고 더 단단한 형태의 작은 단위체를 말한다.

연구팀이 개발한 네트머 기반 하이드로젤은 기존 마이셀 기반 하이드로젤보다 저장탄성률은 11.5배, 연신율은 3배 향상돼 더 탄력적이고 잘 늘어나는 것으로 나타났다. 자가치유력과 내구성도 뛰어났다.

김연수 교수는 "새로운 하이드로젤 형성 기술의 실용성과 범용성이 매우 높다"며 "의료와 생체재료, 환경, 배터리와 액추에이터 등 다양한 고부가가치 산업 분야에서 연성 재료로 폭넓게 사용될 수 있을 것"이라고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-024-50902-z

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]