하이드로젤 기공 “종이처럼 접었더니”…정교한 약물 전달 가능해졌다

- 서울과학기술대-서울대 공동연구 성과

환경 반응 하이드로젤 미세 기공 제어를 통한 단계적 미세 입자 방출.[서울과학기술대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 하이드로젤의 미세기공을 종이접기처럼 면과 접힘 구조로 설계해, 팽창 시 정해진 모양으로 접히고 개폐까지 제어할 수 있는 기술이 개발됐다.

약물 전달 시스템에 적용했을 때, 미세기공을 통해 약물 방출을 정교하게 조절할 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단은 서울과학기술대학교 윤현식 교수 연구팀과 서울대학교 이원보 교수 연구팀이 하이드로젤 미세기공의 면 기반 접힘 메커니즘을 규명해, 미세약물 등 미세 입자를 정밀하게 방출할 수 있는 구조 제어 기술을 구현했다고 밝혔다.

다공성 구조의 고분자 화합물인 하이드로젤은 온도나 pH 같은 환경 자극에 따라 물을 흡수하거나 방출하며 부피가 변하고, 생체적합성이 좋아 의약 분야에서 활용 잠재력이 높다.

약물 전달 기술에 활용하면 하이드로젤의 미세한 기공 구조를 이용해 약물을 원하는 부위에 천천히 배출할 수 있는 장점이 있다.

하지만 반응 속도가 느리고 구조 변형이 불규칙하며 복원성도 낮아 정밀 작동이 어렵고 실용화에도 제약이 있었다.

특히 주로 원형 기공 중심의 구조가 사용돼 팽창 시 작동 방향이나 개폐 정도를 조절하는 정량적 제어가 어려웠다.

연구팀은 종이접기에서 착안한 ‘힌지(hinge)’와 ‘면’을 하이드로젤 기공 가장자리에 도입, 팽창 시 정해진 방향으로 접히도록 유도하는 하이드로젤 기공의 미세구조 설계를 구현했다.

팽창하기 전 하이드로젤 기공에 꼭짓점을 초기 지정하는 방식으로 삼각형·사각형·육각형 등 다각형 형태의 기공을 설계해 면과 접힘(힌지) 구조를 만들자, 팽창 시 기공의 면이 일정한 방향과 속도로 돌출되면서 기공의 개폐를 정밀하게 조절할 수 있었다.

또한 외부 장치나 복잡한 제어 시스템 없이 기하학적 구조 설계만으로 하이드로젤의 작동 방향, 속도, 복원성 등이 동시에 제어되는 메커니즘을 유한요소해석* 등을 통해 실험적으로 규명했다.

하이드로젤 미세 기공의 변형 메커니즘 모식도 및 실험·시뮬레이션 결과.[서울과학기술대학교 제공]

접힘의 정도를 정량적으로 조절 가능함을 밝혔으며, 반복적인 팽창–건조 사이클을 10회 이상 수행한 후에도 초기 형태 대비 92% 이상의 복원율을 유지해 우수한 구조적 성능을 입증했다.

를 바탕으로 미세먼지 크기(10µm, 마이크로미터)와 비슷한 5µm, 20µm, 50µm 크기의 미세입자를 단계적으로 방출하거나, 특정 구조만 입자를 남기는 암호화 기능도 구현했다.

윤현식 교수는 “팽창 시 스스로 접히는 면 기반 접힘 메커니즘을 통해 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.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구와 대학중점연구소 지원사업으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘매터(Matter)’에 6월 30일 게재됐다.