종이접기 방식으로 하이드로젤 제어…약물 전달 더 정교하게

하이드로젤 미세기공 제어를 통해 입자 기반 약물을 정밀하게 단계적으로 방출할 수 있게 됐다. 한국연구재단 제공.

하이드로젤을 정해진 모양으로 조작할 수 있는 기술이 설계됐다. 앞으로 약물 전달, 바이오센서, 스마트필터 등 첨단 바이오 분야에서 더 효과적이고 안전한 치료를 기대할 수 있게 됐다.

한국연구재단은 윤현식 서울과학기술대 교수 연구팀과 이원보 서울대 교수 연구팀이 하이드로젤 미세기공의 면 기반 접힘 작동방식을 규명해 미세입자를 정밀하게 방출할 수 있는 기술을 구현했다고 16일 밝혔다. 

하이드로젤은 자극에 따라 형태가 변하는 스마트 소재로 약물 전달, 바이오센서, 조직공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 높은 수분 함량과 생체적합성으로 미세 환경에서의 제어가 중요한 응용에 더 적합하다.

기존 하이드로젤 시스템은 주로 단순한 기하학 구조, 특히 원형 기공을 중심으로 구성됐다. 구조 변화가 불규칙하고 작동 방향성이나 복원력이 떨어진다. 이 때문에 반복 작동에서 신뢰성과 재현성을 확보하기 어렵다. 자극에 의한 작동 타이밍 등도 조절할 수 없다. 

연구팀은 접힘 매커니즘의 방향성, 작동 범위, 복원성을 동시에 정밀하게 조절할 수 있는 하이드로젤 미세구조를 설계해 기존 한계를 극복했다. 종이접기에서 볼 수 있는 접힘 원리를 하이드로젤에 적용했다.

연구팀은 하이드로젤 표면 기공(구멍) 테두리 부분에 특별한 접힘선을 만들었다. 하이드로젤이 물을 머금고 부풀 때 이 접힘선에 따라 정해진 모양으로 움직이도록 한 것이다. 종이접기를 할 때 접힘선으로 접으면 특정한 모양이 완성되는 것과 같은 이치다.

이전에는 구멍이 아무 방향으로나 부풀어 정밀하게 제어하기 어려웠다면 이제는 설계대로 구멍이 접히고 펴지도록 더 세밀하게 조절할 수 있게 된 것이다.

연구팀은 "하이드로젤이 부풀 때 힘이 접힘선 근처에 모이고 또 우리가 원하는 방향으로 접히게 만드는 원리를 규명한 것"이라고 설명했다. 접힘 정도는 기하학적 변수(다각형의 꼭짓점 수, 구멍 크기 대비 접힘 면적 비율 등)에 따라 정량적으로 조절할 수 있다. 

반복적인 팽창-건조 횟수를 10회 이상 수행한 후에도 초기 형태 대비 92% 이상의 복원율을 보여 구조의 재현성과 내구성 측면에서 우수한 성과를 보였다. 또 접힘의 속도, 정도, 복원성 등 다양한 작동 요소를 독립적으로 제어했다. 미세입자를 단계적으로 방출하거나 특정 구조만 입자를 남기는 암호화 기능도 구현했다.

하이드로젤 기공의 정밀한 구조 제어와 자극 반응성을 결합한 이번 기술은 메타물질, 세포 조작, 마이크로 로봇 등 미세한 제어가 요구되는 차세대 응용 분야의 기반 기술로 활용될 수 있다. 향후에는 정밀 약물 전달, 세포 기반 치료, 지능형 바이오센서, 정보보안 소자 등으로 확장이 기대된다. 

윤 교수는 "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. 

이번 연구는 국제학술지 '셀(Cell)'의 자매지이자 다학제 분야 국제 학술지인 '매터(Matter)'에 지난해 30일 게재됐다. 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]