중국 과학자들이 고환에 바르는 외용 로션을 개발해 정자 활동성을 크게 높였다는 연구 결과를 발표했다. 세계적으로 정자 수와 운동성이 감소하는 ‘생식력 위기’가 심화하는 가운데 손쉽게 바를 수 있는 방식으로 생식 건강을 개선할 가능성을 제시했다. 15일 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면 푸단대 생식발달연구소와 중국 제3군의대(충칭) 등 공동 연구진은 젤 형태의 외용 로션이 정자 활성을 유의미하게 높였다고 밝혔다. 논문은 지난달 27일 국제 학술지 ‘더 이노베이션’(The Innovation) 온라인판에 게재됐다. 연구진은 우유에서 유래한 나노 입자 ‘세포외소포’를 운반체로 활용하고 정자 염색체와 결합하는 단백질(SKAP2)을 주입했다. 이들은 이 성분을 약물 전달용 젤 구조체(하이드로젤 매트릭스)에 담아 고환 피부에 직접 바르는 방식으로 적용했다. 한 달간 실험쥐의 고환에 로션을 바른 결과, 납(鉛)에 노출된 개체의 정자 전진 운동성이 12.3%에서 23.3%로 두 배 가까이 향상됐다. 열 스트레스나 플라스틱 가소제(DBP)에 노출된 경우에도 운동성과 생존율이 2.4배 증가한 것으로 나타났다. ◆ 인체 시료에서도 ‘유의미한 개선’…“세계 첫 표적 복원 전략” 연구팀은 중국 3개 도시에서 모집한 남성 16명의 정자 시료를 이용해 실험을 이어갔다. 정자 운동성 저하증 환자(정자 활력 저하군)의 시료를 하이드로젤과 함께 배양한 결과, 대조군 대비 정자의 전진 운동성과 활성이 뚜렷하게 개선됐다. 논문은 “이 하이드로젤은 임상적으로 감소한 정자 운동성을 복원하는 세계 최초의 표적 치료 전략”이라며 “남성 생식 건강에 대한 혁신적 개입 가능성을 보여준다”고 평가했다. 해당 기술은 이미 특허를 취득했으며, 연구진은 실용 제품화를 추진 중이다. ◆ “6명 중 1명은 불임 경험”…환경오염·생활습관이 주된 원인 세계보건기구(WHO)에 따르면 전 세계 가임기 인구의 6명 중 1명은 생애 중 불임을 경험한다. 남성 불임은 정자 분출 문제, 정자 수 부족, 운동성 저하 등이 주요 원인으로 꼽힌다. 중국 역시 예외가 아니다. 후난성 정자은행 자료에 따르면 2006년 기증 정자 통과율은 45.9%였으나 최근에는 20% 안팎으로 하락했다. 전문가들은 비만과 흡연, 장시간 근무, 대기오염 등 복합 요인이 정자 질 저하를 가속화하고 있다고 지적했다. 중국 국가 생식건강조사(2021)에서는 불임률이 2007년 12%에서 2020년 18%로 상승했다. 즉, 가임기 부부 5.6쌍 중 1쌍이 임신에 어려움을 겪는 셈이다. ◆ “정자 운동성 회복, 인류 생식 보건의 핵심 과제” 미국 메이요클리닉 연구진은 2020년 논문에서 “정자의 수와 운동성이 전 세계적으로 감소하는 추세가 불임 위험을 높인다”며 “인간의 정자 운동성을 유지·개선하는 접근법 개발이 생식의학의 핵심 과제”라고 지적했다. 이번 연구가 제시한 외용 로션 방식은 생식 기능 저하에 대한 비침습적 치료법으로 평가받고 있으며, 향후 인간 임상 단계로의 확장이 주목된다.

국내 연구진이 혈액 대신 땀으로 혈당 농도를 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 11일 포항공대(POSTECH)는 신소재공학과·융합대학원 한세광 교수, 신소재공학과 정선아·김태연 연구팀이 ㈜인핸드플러스 연구팀과 함께 땀 속 혈당 농도를 정확하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 당뇨는 관리를 위해 꾸준한 혈당 측정이 필수다. 하지만 매일 피를 뽑아 확인하는 것이 부담스럽고, 비침습적 센서의 경우 짧은 기간에 사용 성능이 떨어지는 등 단점이 있다. 이에 연구진은 ‘땀’을 이용한 비침습적 혈당 측정에 주목했다. ▲땀의 흐름을 한 방향으로 제어하는 ‘테슬라 밸브(Tesla valve1)’ 기반 마이크로 유체 시스템 ▲마이크로 LED 및 광센서(photodetector2)로 구성된 광학 모듈 ▲혈당에 반응하는 광학 하이드로젤을 결합해 스마트 워치 형태의 혈당 측정 시스템을 완성했다. 땀이 센서에 닿으면 혈당에 따라 형광 신호를 발생시키고, LED와 광센서가 이 신호를 전자 신호로 변환한다. 변환된 형광 세기를 통해 실시간으로 혈당 수치를 확인할 수 있다. 혈당 뿐만 아니라 산소 농도, 심박수까지 확인할 수 있다. 이를 통해 땀에 포함된 0.01~1mM(밀리몰) 수준의 혈당까지 정확하게 측정할 수 있다. 30일 이상 장기 사용에도 민감도가 변하지 않고, 실제 혈당 수치와 높은 상관성을 보여 신뢰성을 입증했다. 연구를 이끈 한세광 교수는 “스마트 워치와 결합된 광학 기반 연속 혈당 측정 시스템은 혈당 측정을 더 쉽고 편리하게 만들고, 당뇨 환자들의 불편함을 줄일 수 있을 것”이라며 “당뇨뿐만 아니라 다양한 만성 질환 모니터링에도 적용 가능해 활용 잠재력이 높다”고 설명했다.

단국대학교는 고분자시스템공학부 엄원식 교수 연구팀이 머리카락보다 100배 얇고 질긴 초미세 섬유를 고속 3D프린팅 기술로 개발했다고 7일 밝혔다. 이 기술은 먹장어(일명 꼼장어) 점액의 섬유질 구조를 모사했다. 기존 3D프린팅 기술은 동물의 털보다 얇은 16마이크론(㎛) 이하 섬유를 제작에 어려움이 있다. 섬유가 16㎛ 이하로 얇아지면 표면 장력으로 쉽게 끊어지고, 제작 속도가 느려지는 한계 때문이다. 먹장어 점액의 섬유질 구조에 영감을 받은 연구팀은 미국 일리노이·영국 케임브리지대학과 공동으로 1.5㎛(머리카락 굵기의 약 1/100배) 지름의 초미세 섬유를 제작해 성공했다. 먹장어는 외부의 위협을 받으면 엄청난 양의 끈끈한 점액을 뿜어낸다. 점액은 단순한 젤이 아니라 섬유질 실타래로 가득해 강하고 질긴 섬유질로 변해 먹장어를 보호한다. 연구팀은 기존 3D프린팅의 적층 제조 기술이 아니라 섬유공학에서 활용되는 습식방사 원리인 ‘용매교환(solvent exchange)’을 도입해 하이드로젤 내부에서 프린팅된 잉크가 즉시 굳도록 설계했다. 이 기술은 1.5㎛ 지름 초미세 섬유를 빠르게 프린팅하고, 여러 개 노즐을 병렬로 인쇄해 50만배 이상 빨라졌다. 5MPa(메가파스칼)의 부드러운 고무부터 3500MPa 플라스틱까지 다양한 탄성 계수를 가진 열가소성 고분자 재료에도 적용할 수 있게 됐다. 연구 결과는 세계적인 학술지 Nature Communications(상위 6% 저널, IF 14.7)에 지난 1월 게재됐다. 논문명은 “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange(용매 교환을 통한 미세하고 연속적인 연질 섬유의 빠른 3D 프린팅)”이다. 엄원식 교수는 “향후 의료용 최소 침습 약물 전달 장치, 로봇 촉각 센서 등 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 단국대, 미국 일리노이 대학교, 영국 케임브리지 대학교, 홍익대학교가 공동으로 참여했으며 미국 국방성 산하 연구기관인 방위고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받아 진행됐다.

축산은 기후 변화 원인 물질인 이산화탄소와 메탄을 많이 배출하는 것으로 알려지면서, 과학자들은 이를 대체할 수 있는 방법을 찾고 있다. 이렇게 연구되는 것이 흔히 인공 고기라고 하는 대체육과 배양육이다. 대체육은 비동물성 재료로 모양과 식감을 고기와 유사하게 만든 것으로 콩 단백질이나 밀가루 속 글루텐 같은 식물성 재료로 만들어진다. 반면 배양육은 동물에게서 채취한 줄기세포를 이용해 배양하고 3D 프린팅으로 모양을 만들어 축산으로 생산하는 고기와 비슷하게 만드는 것을 말한다. 과학기술의 발달로 다양한 대체육과 배양육이 만들어지고 있지만, 문제는 이들이 맛과 향에 있어서 진짜 육류에 못 미친다는 점이다. 이런 상황에서 연세대 화공생명공학부, 강원대 동물응용과학과 공동 연구팀은 조리 온도에 따라 풍미 화합물을 방출할 수 있는 구조체(스캐폴드)를 이용해 실험실에서 만든 배양육의 맛을 개선할 수 있다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 기초 과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 7월 10일 자에 실렸다. 배양육은 탄소 배출을 최소화하고 지속 가능한 방식으로 동물 단백질을 공급할 수 있는 새로운 대체 식품으로 떠오르고 있다. 과학자들은 다양한 구조체와 3D 프린팅 재료로 스테이크나 미트볼 등 기존 육류 제품과 유사한 모양과 구조적 특성을 만들고 있지만, 맛과 향이라는 부분을 간과하는 경우가 많았다. 이에 연구팀은 젤라틴 기반 하이드로젤에 전환할 수 있는 화합물을 통합한 온도 반응성 구조체를 설계했다. 연구팀이 개발한 구조체는 세포 배양 과정에서는 안정적으로 유지되지만, 150도 이상 굽거나 튀기는 등 조리 온도에 도달하면 육류 고유의 향 화합물을 방출하도록 했다. 이를 통해 기존 고기를 조리할 때 발생하는 마이야르 반응과 같은 주요 화학 반응을 재현하는 데 성공했다. 실제로 연구팀은 전자 코를 이용해 화학 분석한 결과, 이번에 개발한 배양육은 구운 쇠고기와 유사한 풍미를 나타내는 것으로 확인됐다. 연구를 이끈 홍진기 연세대 교수는 “이번 연구 결과는 배양육의 향미 특성을 강화해 쇠고기의 자연적 요리 풍미를 모방할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”고 말했다.

서울시립대학교 생명과학과 최인희·최정우 교수와 화학공학과 이종범 교수 연구팀이 ㈜네오리젠바이오텍과 공동으로 ‘콜라겐 및 금 나노입자를 기반으로 한 새로운 광활성 콜라겐하이드로겔 나노소재(Au-CHP)’를 개발했다고 20일 밝혔다. 이번 연구는 나노소재 합성 기술을 생명과학 분야에 적용한 바이오 융합 연구의 대표적인 사례로 평가된다. 특히 자극 감응성 나노입자를 사용해 생체 내에서 정확하고 효율적인 단백질 전달을 가능하게 한다고 연구팀은 설명했다. ‘광열 전환 효과’(Photothermal conversion effect)란 금이나 은과 같은 플라즈몬 금나노입자에 특정 파장의 빛이 조사되면 빛 에너지를 열로 변환하는 현상이다. 이 효과를 이용하면 빛을 이용해 원하는 시점에 원하는 만큼 약물을 방출할 수 있는 자극 감응성 약물 전달 시스템을 구현할 수 있다. 연구팀은 이 광열 전환 효과를 응용해 하이드로젤 내부에 금 나노입자의 밀도를 조절함으로써 발열량을 정밀하게 조절할 수 있는 시스템을 개발했다. 해당 시스템은 단백질 방출 시 열로 인한 손상을 최소화하면서 동시에 열 감응성 하이드로젤 구조 변형을 유도해 전달 효율을 효과적으로 높일 수 있다는 점을 확인했다. 서울시립대 관계자는 “자극감응성 나노입자를 사용한 전달 기술은 생체 내에서 정확하고 효율적인 단백질 전달을 가능케 하며, 특히 화장품 분야에서도 나노입자는 입자 크기와 높은 안전성을 기반으로 피부 조직 내로 안전하고 높은 효율로 단백질을 전달할 수 있어 향후 관련 제품 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 서울시립대 기초 보호학문·융복합 분야 R&D 기반조성사업 및 중소벤처기업부 산학연 Collabo R&D 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 나노재료 분야 국제 학술지 ‘ACS Materials Letters’지 최신호(2월 5일)의 표지논문으로 게재됐다.

한기대, ‘유연한 전기변색 소자 개발’디스플레이·스마트 옷 등 가능성 높여 한국기술교육대학교(총장 유길상)는 배진우 교수 연구팀이 자유자재로 늘어나고 투명해 전자 피부(e-skin), 스마트 옷 등에 활용할 수 있는 전기변색 소자를 개발했다고 12일 밝혔다. 이번 연구 결과는 변색성능과 뛰어난 굽힘 내구성 등으로 차세대 웨어러블 장치와 신축성 투명 디스플레이 등 여러 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다. 한기대에 따르면 이번에 개발한 소자는 내수성·고투명성·고신축성의 폴리염화비닐(PVC) 고분자 기반의 전기변색 이온젤과 투명전극을 이용해 낮은 전압으로 색과 투과도 조절이 가능하다. ‘소자’는 전기 회로·반도체 장치 등에서 이용되는 주요 구성 요소의 하나로 전기화학적 반응으로 물질의 색을 바꾸는 ‘전기변색’ 기술에 응용된다. 신축성의 투명 디스플레이나 웨어러블 기기 관심이 높아지면서 관련 전자소자 연구는 활발하다. 하지만 기존 ‘무기물 기반 전기변색 소자’는 신축성이 없고, ‘하이드로젤 기반 전해질을 사용한 전기변색 소자’는 온습도 환경에 영향을 받는다. 연구팀은 PVC 고분자에 가소제를 첨가하고, 이온성 액체와 전기변색 물질인 바이올로젠(Viologen) 함량을 조절해 내수성·고투명성·고신축성의 일체형 전기변색 이온젤을 개발했다. 연구팀은 이렇게 개발된 전기변색이온젤과 투명전극을 사용해 유연하고 신축성이 있는 전기변색 소자를 구현했다. 배진우 교수는 “단순한 구조 및 간단한 제작과정으로 고성능의 신축성 전기변색 소자를 구현했다”며 “향후 전자 피부, 스마트 위장술 등 여러 분야에 적용 가능할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·교육부·한국연구재단의 중견연구자지원사업과 4단계 두뇌한국(BK)21 사업으로 진행됐다.

2022년 기준 건강보험심사평가원에 따르면 불임과 난임으로 병원을 찾는 인원이 37만명을 넘은 것으로 알려졌다. 2018년 대비 불임과 난임 시술 건수가 각각 4.7%, 16% 증가했다. 출산율은 감소하고 불임, 난임으로 병원을 찾는 이들은 늘고 있다. 문제는 난임과 불임 원인은 다양하다. 포스텍 기계공학과, IT융합공학과, 차의과대 의학전문대학원 공동 연구팀은 자궁 세포의 환경과 유사한 하이드로젤을 개발해 자궁 내막 재생을 유도하고 기본 조절 메커니즘 밝혀냈다고 19일 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 실렸다. 건강한 자궁 내막은 임신에서 매우 중요하다. 자궁 내막이 얇으면 수정된 배아가 착상될 확률이 낮고, 착상되더라도 유산될 확률이 높다. 호르몬 치료나 자궁 내막 주사 등 치료 효과가 낮다. 연구팀은 자궁 전체 조직과 내막 특정 층에서 유래한 하이드로젤을 개발했다. 연구팀이 개발한 하이드로젤 단백질 구성은 실제 자궁 내막 성분과 유사했고 동물 모델 실험을 통해 효과를 확인했다. 연구팀은 생쥐의 자궁에 하이드로젤을 주입한 결과 자궁 내막 두께가 회복되는 것을 확인해 배아 착상에 유리한 환경을 만들었으며 생체소재로 세포 독성이 적어 착상된 배아의 생존율도 90%에 이르는 것이 관찰됐다.또 연구팀은 자궁 내막을 재생하는 과정에서 인슐린 유사 성장인자와 인슐린 성장인자 결합단백질이 관여한다는 사실도 밝혀냈다. 연구를 이끈 조동우 교수는 “이번에 개발한 기술은 자궁 내막 재생과 성공적 임신을 위한 자궁 조직 특이적 하이드로젤 개발”이라며 “자궁 내막과 근육 등 하이드로젤을 만드는 조직에 따라 자궁 내 유착, 반복 착상 실패 등 다양한 유형에 대한 치료 효과를 확인하는 등 추가 연구로 난임 환자의 맞춤형 치료가 가능할 것”이라고 설명했다.

눈에 삽입하는 것만으로도 알츠하이머 치매를 조기에 진단할 수 있는 기술이 개발됐다. 한국기계연구원 나노공정장비연구실, 연세대, 연세대의대 용인세브란스병원, 강남세브란스병원 공동 연구팀은 대표적인 퇴행성 뇌질환인 알츠하이머를 조기에 진단할 수 있는 안구 내 삽입형 스마트 인공 수정체 개발에 성공했다고 5일 밝혔다. 이번 연구 결과는 바이오소재 과학 분야 국제학술지 ‘바이오액티브 머티리얼즈’에 실렸다. 연구팀은 눈이 뇌와 직접 연결돼 있다는 점에 착안했다. 연구팀은 단백질, DNA 등으로 몸 속 변화를 알아낼 수 있는 지표인 바이오마커 검출이 가능한 하이드로젤 기반 센싱 모듈을 개발해 인공수정체에 탑재해 인체 삽입형 바이오 센싱 시스템을 개발했다. 항체가 결합된 하이드로젤 패턴이 목표한 바이오마커와의 반응에 의해 수축된다. 수축에 의해 좁아지는 하이드로젤 패턴이 어떻게 변화하는지를 확인함으로써 바이오마커를 검출하는 방식이다. 이번에 개발한 기술은 모아레 신호 기반 바이오마커 검출 방법이다. 모아레 패턴은 규칙적으로 되풀이되는 모양을 여러 번 거듭해 합쳐졌을 때 이런 주기의 차이에 따라 시각적으로 만들어지는 줄무늬이다. 특히 이번에 개발된 모아레 신호 기반 바이오마커 검출 방법은 기존 바이오센서가 사용했던 전기화학적 또는 형광 표지를 사용하지 않고도 바이오마커를 직접 검출할 수 있다. 또 외부 전력이나 광원이 필요 없어 생체 내 삽입하는 센서로 적합하다는 장점이 있다. 이재종 기계연구원 박사는 “이번 연구는 고령화 추세로 인해 사회적 문제가 되고 있는 대표적인 뇌질환인 치매를 포함한 각종 신경질환을 조기 진단해 사회적 비용을 줄일 수 있다는 점에서 의미가 크다”며 “상용화를 위한 추가 연구를 진행할 것”이라고 말했다.

이번 여름 지구 북반구 여러 나라가 역대급 무더위를 겪었습니다. 영국에서는 유례없는 폭염으로 기후 재난을 실감했고 다른 유럽 여러 나라에서도 사상 최악의 더위로 비상사태가 선포됐습니다. 지구 온난화가 점점 진행될 수밖에 없다는 점을 생각하면 이런 폭염이 앞으로는 일상이 될 것으로 우려됩니다. 하지만 그렇다고 에어컨 같은 냉방 기기를 더 많이 가동할 경우 온실가스 배출이 늘어나면서 지구 온난화가 더 심각해질 수밖에 없습니다. 값비싼 전기 요금 역시 부담입니다. 갈수록 커지는 냉방 수요를 합리적으로 해결하기 위해서 주목받는 기술이 에너지 투입 없이 주변보다 낮은 온도를 유지하는 수동 냉각(passive cooling) 기술입니다. 최근 MIT의 과학자들은 수동 냉각 소재만으로 주변보다 온도를 최대 10.5도 낮게 유지할 수 있는 기술을 발표했습니다. 비결은 복사 냉각과 기화 냉각을 동시에 사용하는 것입니다. 연구팀이 개발한 소재는 3개의 층으로 이뤄져 있습니다. 가장 아래층은 태양 빛을 반사하고 적외선 영역에서 복사 에너지를 방출하는 복사 냉각 층입니다. 두 번째 층은 기화 냉각층으로 수분을 머금고 있다가 열을 받으면 증발해 온도를 낮추는 다공성 하이드로젤로 되어 있습니다. 수동 냉각에 사용되는 두 가지 기술을 동시에 사용해서 효과를 더 높인 것입니다. 그런데 진짜 중요한 부분은 가장 위에 있는 폴리에틸렌 소재의 에어로젤 단열층입니다. 내부가 대부분 기체로 되어 있는 에어로젤은 매우 가볍지만 단열 성능이 우수한 신소재로 주목받고 있습니다. 연구팀이 개발한 에어로젤 단열층은 수증기와 복사 에너지는 통과시키지만, 외부의 열이 내부로 침투할 수 없게 차단합니다. 수동 냉각의 경우 주변의 따뜻한 온도에 의해 결국 온도가 주변과 같아지는데, 이를 단열재로 차단한 것입니다. 물론 원리상 수분을 보충해줘야 하며 공기 중 습도에 영향을 크게 받습니다. 수분 보충은 건조한 환경에서는 4일에 한 번, 습도가 높은 환경에서는 한 달에 한 번 정도면 충분하다는 것이 연구팀의 설명입니다. 연구팀은 이 수동 냉각 소재가 냉장고를 사용할 수 없는 환경에서 단순한 아이스박스보다 더 효과적으로 냉기를 보존하거나 에어컨 실외기의 온도를 낮게 유지해 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 보고 있습니다. 다만 에어로젤의 높은 가격이 상용화의 걸림돌입니다. 앞으로 이 단점을 극복하고 실용적인 수동 냉각 기술의 보급이 가능할지 궁금합니다. 

최근 로봇 과학이 비약적으로 발전해 다양한 기능을 갖춘 로봇들이 속속 등장하고 있다. 그렇지만 대부분 딱딱한 금속이나 플라스틱 소재의 외피를 갖고 있어 사람들이 로봇에 친근감을 갖지 못한다. 사람의 모습을 갖고 부드러운 소재의 인공 피부를 갖고 있는 로봇들도 있지만 형태나 기능 모두 사람 피부에는 못 미친다. 카이스트, 미국 매사추세츠공과대(MIT), 독일 슈투트가르트대 국제 공동 연구팀은 사람처럼 다양한 촉각 자극을 구분할 수 있고 베어지거나 찢어져도 스스로 복원할 수 있는 로봇 피부 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 로봇공학 분야 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 6월 9일자에 실렸다. 피부는 내부 장기를 충격에서 보호하고 주변 환경이 보내는 물리적 자극을 전달하는 핵심 장기이다. 피부를 통한 인식되는 촉감은 물체 인식뿐만 아니라 다양한 비언어적 감정 표현까지 가능하게 해준다. 그러나 사람의 피부는 부드럽고 복잡한 3차원 형태를 갖고 섬세한 촉각 정보를 수용할 수 있는 신경까지 있어 구현해 내기가 쉽지 않았다. 연구팀은 생체모사 다층구조와 단층촬영법을 활용해 사람 피부 구조와 촉각수용기 특징, 구성 방식을 흉내 내 미세한 자극만으로도 반응할 수 있는 기술을 개발했다. 또 인공지능(AI) 신경망 기술로 측정된 촉감 신호를 처리해 누르기, 두드리기, 쓰다듬기 같은 다양한 자극을 모두 분류해 인식할 수 있도록 했다.또 하이드로젤, 실리콘 같은 부드러운 소재들로 로봇 피부를 만들어 사람 피부처럼 충격 흡수도 가능하고 날카로운 물체로 찢어지거나 베여도 재생이 가능하다. 연구팀은 이번에 개발된 로봇 피부를 의수나 의족에 사용해 실제 사람의 손과 다리와 똑같은 촉감과 모양을 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구를 이끈 김정 카이스트 기계공학과 교수는 “이번 연구는 인간과 로봇이 공존하기 위한 필수 기술인 대면적 로봇 촉각 피부를 개발한 것”이라며 “특히 사람의 피부감각, 촉각 성능에 버금가는 기술을 구현했다는 점에 의미가 있다”고 설명했다.

국내 연구진이 음식 포장에 쓰는 랩을 이용해 만든 인공 피부를 개발했다. 한국기술교육대, 금오공대, 포스텍, 성균관대 공동 연구팀은 쓰다듬고 비틀고 잡아당기기까지 하는 등 손으로 직접 접촉해 사람처럼 정서적 교감을 나눌 수 있는 로봇용 투명 피부를 개발했다고 21일 밝혔다. 이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘화학공학 저널’에 실렸다. 최근 1인 가구나 고령화로 인해 돌봄 기능이 강화된 반려로봇이나 휴대폰 어플리케이션(앱)이 주목받고 있다. 전자 및 기계장치와 사람이 감정교류를 하기 위해서는 다양한 촉각 행동을 감지하고 이해할 수 있는 감정촉각피부가 필요하다. 감정촉각피부는 촉각을 표현하는 모든 행위를 인지할 수 있어야 하고 사람의 피부와 유사하게 부드럽고 잘 늘어날 수 있어야 하고 피부색을 그대로 표현할 수 있어야 한다. 이에 연구팀은 음식 포장을 위해 사용하는 랩에 착안해 ‘폴리염화비닐’ 젤과 물을 용매로 하는 하이드로젤을 결합해 투명하고 피부색을 그대로 표현할 수 있으며 잘 늘어나는 감정촉각피부를 개발했다. 이 과정에서 폴리염화비닐 젤과 하이드로젤의 제조 비율에 따른 특성을 확인했고 투명성과 신축성이 유지되면서 기계 및 전자장치에 접착할 수 있는 방법을 제시했다. 연구팀에 따르면 이번 연구 결과는 일상에서 주로 사용하는 음식물 포장용 랩에 사용되는 물질을 개량한 것이기 때문에 제작 비용이 적고 투명하고 잘 늘어나는 특성을 가져 다양한 분야에 적용할 수 있다. 김상연 한국기술교육대 컴퓨터공학부 교수는 “이번에 개발한 감정촉각피부는 투명하고 잘 늘어날 수 있어서 웨어러블 장치, 로봇, 의수, 스마트폰 등 여러 분야에 적용해 사람과 감정교류가 가능한 감정공유 장치를 만드는데 도움이 될 것”이라고 설명했다.

약물을 삼키거나 주사를 했을 때 위치를 알려주고 작용속도까지 전달할 수 있는 다기능 약물전달체 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 카이스트 생명화학공학과, 중앙대 화학과, 가천대 바이오나노과학과 공동연구팀은 중금속 흡착 단백질을 이용한 금속 나노입자 생합성기술을 개발하고 이를 활용한 위치 영상화 가능 약물전달체를 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구결과는 미국 화학회에서 발행하는 재료과학 분야 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스’에 실렸다. 현재 금속 나노입자를 합성할 때 쓰이는 방법으로는 생체 독성이 있어 동물이나 사람에게 사용하기 어렵다. 이런 문제를 해결하기 위해 단백질을 미생물 내에서 과발현시켜 금속 나노입자를 생합성시키는 기술이 개발됐지만 나노입자를 만들기 위해 미생물이 받아들일 수 있는 금속의 종류나 농도가 제한된다. 이에 연구팀은 대장균에 중금속 흡착 단백질을 만들 수 있는 유전체의 일종인 플라스미드를 형질전환시켜 삽입한 뒤 단백질을 과발현시켰다. 그 다음 과발현된 단백질을 하이드로젤의 일종인 알지네이트 젤에 포집해 활성을 안정화시키는데 성공했다. 중금속 흡착 단백질을 포집한 알지네이트 젤은 다양한 종류의 금속 이온을 30분 이내로 빠르게 고농도로 흡착, 환원시켜 금, 은, 자성 나노입자, 양자점 나노입자 등 다양한 종류의 금속 나노입자를 고농도로 생합성할 수 있다는 것이 확인됐다. 연구팀은 항암제 같은 약물과 중금속 흡착 단백질을 알지네이트 젤에 동시에 포집한 뒤 높은 형광을 나타내는 양자점 나노입자를 젤 내부에 합성함으로써 형광으로 위치 추적이 가능하도록 했다. 또 약물이 장시간에 걸쳐 서서히 방출되는 서방형 다기능 약물 전달체를 만들 수 있다는 것을 제시했다. 실제로 연구팀은 항암제와 녹색 형광을 드러내는 카드뮴 셀레나이드, 파란색 형광을 보이는 유로피움 셀레나이드로 이루어진 양자점을 동시에 포집한 약물전달체를 실험용 생쥐에게 먹인 뒤 약물 전달체의 위치를 영상으로 추적할 수 있다는 사실도 확인했다. 카이스트 생명화학공학과 박현규 교수는 “이번에 개발된 물질은 독성 걱정 없이 고속, 고농도로 다양한 금속 나노입자를 생합성할 수 있고 동시에 약물의 서방형 방출이 가능하기 때문에 위치 추적이 가능한 약물전달체에 응용할 수 있다”고 설명했다.

영남이공대 화장품화공계열 졸업생들의 연구 논문이 국제 저널 ‘polymers’에 게재됐다. 올해 화장품화공계열을 졸업한 엄재영, 이승현, 조석근 씨는 ‘전도성 혼합 하이드로젤 구동기(Actuator) 개발 연구’논문을 국제 학술지인 `polymers` 에 발표했다. polymers는 고분자 분야를 발전시키는 논문을 출판하기 위한 다학제 간의 포럼을 제공하는 국제 저널이다. 엄 씨 등은 삼성바이오로직스, 코오롱인더스트리, 코스맥스에 취업한 우수한 인재로, 전도성 혼합 하이드로젤 구동기와 관련된 연구를 약 1년간 수행하여 영어로 된 논문을 발표했다. 이들은 교내에서 진행된 LINC+ 경진대회와 캡스톤 디자인 등을 통해 전도성 혼합 하이드로젤을 합성하여 특허 출원과 함께 다양한 결과를 도출했다. 영남이공대학교 화장품화공계열 이종민 교수는 “개발된 전도성 혼합하이드로젤 구동기는 기존의 하이드로젤이 가지고 있는 장점에 화장품화공계열에서 다루는 화학, 바이오 기술을 접목시킨 결과이다”라며 “학생들의 국제적 역량을 끌어낼 수 있는 다양한 지원과 함께 바이오 제약 기술 인재 양성을 위해 다각적인 지원을 아끼지 않겠다”라고 말했다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

가끔 건강상태를 확인하기 위해 병원에서 건강검진을 받을 때 반드시 포함된 검진과목 중 하나가 심전도와 심박수 측정이다. 가슴과 손목, 발목을 차가운 알코올 솜으로 소독한 뒤 장치를 붙일 때 냉기 때문에 자신도 모르게 움찔할 때가 있다. 그런데 국내 연구진이 이런 불편함을 없애고 손쉽고 정확하게 심전도, 심박수를 측정할 수 있도록 일반적으로 사용되는 프린터로 인쇄해 심박수, 심전도 측정이 가능한 전자섬유를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소 연구진은 원하는 전극을 잉크젯 프린터로 인쇄한 뒤 그 위에 반도체가 코팅된 전극 실을 굴려주는 비교적 간단한 방식으로 트랜지스터, 광다이오드 같은 섬유형 전자소자를 개발할 수 있다고 24일 밝혔다. 이번 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS 나노’에 실렸다. 일반적으로 반도체, 전극, 절연막 등 층으로 구성된 광전자소자는 전극의 크기와 구조에 따라 소자 성능이 크게 달라진다. 입을 수 있는 웨어러블 디바이스를 만들기 위한 섬유형 전자소자는 쉽게 휘어져야 하고 얇은 실 위에 소자를 만들어야 하기 때문에 실의 두께보다 크게 만들 수 없다. 이 때문에 지금까지는 실이나 천 위에 원하는 소자를 만들기가 쉽지 않았다. 이에 연구팀은 하이드로젤 위에 프린트한 탄소나노튜브(CNT) 전극은 물에 떠 있는 것과 같아 그 위에 섬유를 굴리면 전극구조의 손상 없이 섬유표면으로 옮길 수 있을 것이라고 예측했다. 실제로 연구팀은 반도체층과 CNT 전극의 손상 없이 고성능 섬유형 소자를 만드는데 성공했다. 이번에 개발한 CNT 전극이 감싸진 섬유형 트랜지스터는 1.75㎜ 구부림 반경까지 극단적인 상태로 구부려도 성능이 80% 이상 안정적으로 유지됐다.또 연구팀은 CNT 전극의 반투명 특성을 활용해 섬유형 광다이오드도 만들었는데 넓은 가시광선 영역의 빛을 감지할 수 있는 것이 확인됐다. 섬유형 광다이오드를 LED 소자와 함께 천에 삽입해 골무나 장갑처럼 만들어 끼우면 손끝에서 흐르는 혈액양의 변화를 측정할 수 있다. 빛을 혈관에 비춰 혈액 양에 따라 달라지는 빛의 세기를 광센서를 이용해 측정하는 심장박동 측정법인 ‘광혈류측정’(PPG)로 사용할 수 있음을 확인한 것이다. 임정아 KIST 박사는 “이번에 개발한 손가락장갑형태 심박수 측정기는 현재 쓰고 있는 집게형 심박수 측정기를 대체함으로써 측정자의 불편함을 줄이고 언제 어디서나 실시간으로 심박수를 손쉽게 측정할 수 있다”라며 “실용화를 위해 소자 성능의 향상과 환경안정성, 내구성, 소비전력 등 개선을 위한 추가 연구를 진행할 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

2011년 일본 후쿠시마 원전 사고로 인한 토양과 수질 방사능 오염은 아직까지도 복구되지 않아 심각한 환경오염 문제를 유발시키고 있다. 국내 연구진이 초대형 방사능 사고에서도 안전한 식수를 확보할 수 있는 기술을 개발했다. 김영석 한국건설기술연구원 국토보전연구본부 선임연구위원이 이끈 연구팀은 방사능 노출 시 상수원 보호를 위한 대응기술인 ‘고효율 방사성 세슘 제거용 흡착제’를 개발했다고 24일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국내뿐만 아니라 유럽, 미국, 일본에 특허를 출원했고 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘사이언티픽 리포츠’에도 실렸다. 원자력 사고가 발생했을 때 누출되는 여러 방사성 물질 중 특히 세슘-137은 바람을 타고 멀리까지 이동하고 몸속으로 쉽게 흡수되기 때문에 위험성이 가장 큰 것으로 알려져 있다. 연구팀은 친수성 고분자물질인 하이드로젤과 염료, 물감에 많이 쓰이면서 방사능 제거물질로 알려진 ‘프러시안블루’라는 물질을 합성시켜 방사성 세슘 흡착제를 만들었다. 특히 연구팀은 기존 흡착제 합성 과정에 염화철과의 반응 과정을 추가해 흡착제 내 프러시안블루 함량을 높였다. 이를 통해 기존 흡착제보다 프러시안블루 함량을 5.5배 늘렸고 세슘 흡착능력도 7.5배 높였다. 생산 비용도 기존 8분의1 수준으로 낮췄다. 연구팀은 이번에 개발한 흡착제를 이용해 수중 방사성 세슘 제거실험을 실시한 결과 99.8% 이상 세슘을 제거하는 데 성공했다. 김 선임연구위원은 “세슘-137은 토양이나 수중에 축적되면서 장기간 방사능 오염을 일으키기 때문에 빠르게 제염 작업을 해야 한다”면서 “이번에 개발한 기술은 추가적인 설비 없이 기존 수(水)처리 시설에 간단히 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

국내 연구진이 체내 일산화질소를 없애 류머티스 관절염을 치료하는 방법이 개발됐다. 포스텍 화학과 연구팀은 체내 일산화질소만을 잡아내는 류머티스 관절염 치료제를 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘나노 레터스’ 최신호에 실렸다. 일산화질소는 체내에서 국부적 조절인자나 신경전달물질로 작용한다. 혈중 산소농도가 떨어지면 혈관 벽 내피세포는 일산화질소를 만들어 내 근육을 이완시켜 혈관을 확장시킴으로써 산소가 원활하게 공급될 수 있도록 만들어 준다. 당초 심혈관 치료제로 개발됐다가 발기부전 치료제로 쓰이고 있는 비아그라의 경우는 체내 일산화질소 분해를 지연시켜 혈관 확장이 유지되도록 하기도 한다. 체내 일산화질소는 발생한지 몇 초 지나지 않아 금새 분해되지만 과다하게 생성되거나 분해되지 않을 경우 루푸스나 크론병, 류머티스 관절염 같은 염증성 질환을 유발시킨다. 연구팀은 2017년에도 일산화질소에 반응하는 매크로 하이드로젤을 개발한 바 있다. 이번에 연구팀은 아크릴아마이드와 일산화질소 가교제를 중합시킨 나노 하이드로젤을 만들었다. 이번에 개발한 나노 하이드로젤은 일산화질소를 직접 포집할 수 있다는 장점이 있다. 기존에 나온 일산화질소 억제 물질들은 유전자나 생체 효소에 직접 영향을 미치기 때문에 인슐린 저항성, 심혈관 이상 같은 부작용이 나타는 경우가 많았다. 연구팀은 류머티스 관절염을 유발시킨 생쥐를 대상으로 실험한 결과 현재 염증 억제제로 사용되고 있는 ‘덱사메타손’과 비교해서도 류머티스 관절염을 더 효과적으로 억제할 수 있다는 사실을 확인했다. 김원종 포스텍 화학과 교수는 “이번에 개발한 나노젤은 생체 내 일산화질소를 직접 포집한다는 차원에서 류머티스 관절염을 효과적으로 치료하고 기존 약제의 부작용을 줄인다”라며 “특히 류머티스 관절염 이외의 염증성 질환에도 광범위하게 적용할 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

IBS 연구단, 관절염 원인물질에만 반응하는 하이드로젤 개발 외부에서 세균이나 바이러스가 침투했을 때 이를 막는 면역세포는 마이크로 농도의 일산화질소라는 물질을 분비해 질병을 앓는 것을 막아준다.문제는 환경오염이나 스트레스 같은 요인으로 인해 면역체계에 오류가 발생해서 바이러스나 세균을 죽이기 위한 일산화질소가 과다하게 분비될 경우 자가면역질환이 생긴다. 이렇게 나타나는 자가면역질환 중 가장 잘 알려진 것이 류머티스 관절염과 아토피 피부염으로 치료가 쉽지 않다. 특히 류머티스 관절염은 연골 손상을 시작으로 관절이 파괴되는 심각한 만성 염증성 자가면역질환이다. 보통 손가락이나 발가락 같은 말단 부위부터 통증이 시작돼 심할 경우 관절 변형까지 생기는데 현재까지는 이를 완치할 수 있는 치료제는 없다. 현재 사용되고 있는 약물들은 비스테로이드성 항염증제, 질병 조절 항류머티스제, 코르티코스테로이드, 면역억제제 등으로 통증이나 증상을 완화시키는 수준에 불과하다. 이들 약물은 피부발진, 식욕감퇴, 복부통증, 간기능 이상 같은 부작용이 나타나기도 하기 때문에 장기간 복용할 수도 없다. 기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립연구단 김원종(포스텍 화학과 교수) 연구위원팀은 과다하게 발생하는 일산화질소를 선택적으로 없앨 뿐만 아니라 체내 독성이 낮은 고분자 물질 ‘하이드로젤’을 만들었다. 부작용이 거의 없는 신개념의 류머티스 관절염 치료제가 가능해진 것이다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 11일자에 실렸다. 이번에 개발된 하이드로젤은 류머티스 관절염이 발생하는 주위의 과다한 일산화질소를 선별적으로 제거해 질병이 악화되는 것을 완벽하게 막아줄 것으로 기대되고 있다. 특히 염증이 심한 부위에서 류머티스 관절염의 통증을 심화시키는 활막액을 흡수하는 동시에 약물을 방출해 치료효과를 극대화하는 것이다. 김학종 IBS 학연연구위원은 “현재 류머티스 관절염을 유발시킨 생쥐를 대상으로 효과를 검증하고 있다”며 “이번 연구는 일산화질소에 반응하는 하이드로젤 개발로 류머티즈 관절염 이외의 자가면역질환 관련 치료제 개발에도 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

국내 연구진이 콘택트렌즈 착용만으로 녹내장을 치료할 수 있는 기술을 개발했다. 녹내장은 안압이 상승하면서 시신경이 눌려 시야가 점점 좁아지는 질환이다. 노안이 시작되는 40대 이후 성인들에게서 주로 나타난다. 국내의 경우 40대 이상 성인의 녹내장 발생률이 5~10%에 이르는 것으로 알려졌다. 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 권인찬 교수팀은 일반 소프트 콘택트렌즈에 비타민을 첨가해 녹내장 치료제가 효과적으로 흡수될 수 있도록 한 녹내장 치료용 콘택트렌즈를 개발하고 기초과학 분야 국제학술지 ‘사이언티픽 리포츠’ 최신호에 발표했다. 녹내장을 치료하기 위해서는 높아진 안압을 낮추는 것이 핵심으로 점안액, 먹는 약, 레이저 치료, 수술의 방법이 있다. 점안액을 이용한 방법이 가장 보편적인데 문제는 규칙적으로 점안해야 하며 눈물 때문에 쉽게 제거돼 치료 효과가 떨어진다는 것이다. 연구진은 시중에 판매되는 소프트 콘택트렌즈에 주목했다. 소프트 콘택트렌즈는 친수성 하이드로젤이라는 물질로 만들어져 치료약물을 쉽게 흡수·저장할 수 있으며 착용했을 때 농도 차에 따라 방출돼 지속적으로 약효를 발휘할 수도 있기 때문이다. 일반 콘택트렌즈는 치료에 적합할 정도로 약물이 흡수되지 않는다. 이에 따라 연구진은 콘택트렌즈에 비타민A와 비타민E를 첨가시켜 약물을 좀더 쉽게 흡수할 수 있도록 했다. 연구진에 따르면 이렇게 만든 녹내장 치료용 콘택트렌즈는 점안액을 안구에 직접 투입하는 것보다 훨씬 효과적으로 약물을 안구에 전달했다. 권 교수는 “치료용 콘택트렌즈는 녹내장처럼 지속적 치료를 필요로 하는 안구질환을 효과적으로 고칠 수 있는 차세대 치료법 중 하나로 주목받고 있다”며 “비타민이 갖는 안구보호 효과까지 더해져 녹내장 치료 효과를 높이는 데 도움을 줄 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

애주가들의 쓰린 속을 달래 주는 홍합은 거센 파도에도 바위나 방파제에 찰싹 달라붙어 떨어지지 않는다. 이런 홍합의 강한 접착력은 실 모양의 족사(足絲) 덕분이다. 국내 연구진이 홍합의 접착력을 이용해 찔러도 피가 나지 않는 주삿바늘을 만들었다. 카이스트 화학과 이해신 교수와 한국화학연구원 부설 안전성평가연구소 강선웅·김기석 박사팀, 바이오신소재 개발업체인 이노테라피 공동연구팀은 홍합이 가진 접착 기능을 활용해 찔러도 출혈이 없는 ‘지혈 주삿바늘’을 개발했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 3일자에 실렸다. 건강한 사람들은 주사를 맞은 뒤 2~3분 정도 소독솜으로 누르고 있으면 피가 멈춘다. 그렇지만 당뇨 환자, 항암치료 환자, 혈우병 환자, 뇌경색 수술 환자는 물론 아스피린 장기 복용 환자는 단순한 압박만으로는 지혈이 어렵거나 불가능한 경우가 많다. 이 때문에 이런 환자들에게는 주삿바늘에 지혈재료를 코팅해 사용해야 한다. 지혈재료들은 일단 바늘 표면에 단단히 붙어 있어야 하며 주사 후에는 혈관 내벽이나 피부에 붙어 피를 멈추게 된다. 그러나 기존에 사용된 지혈재료들은 주사 과정에서 피부와 바늘의 마찰력으로 떨어져 나가 지혈 효과가 떨어진다는 단점이 있다. 연구팀은 한 가닥만으로도 12㎏의 물체를 들어 올릴 수 있으며 물속에서도 접착력을 잃지 않는 홍합의 족사 단백질을 활용했다. 연구팀은 홍합 족사에 존재하는 카테콜아민 성분을 키토산이라는 고분자와 결합시켜 생체재료를 만든 뒤 주삿바늘에 얇게 코팅했다. 이 ‘지혈 주삿바늘’을 활용하면 주삿바늘이 피부를 뚫고 들어가는 순간 바늘에 얇게 코팅된 생체재료가 혈액과 결합, 순식간에 하이드로젤 형태로 바뀌면서 피부와 혈관 주위를 막아 출혈을 방지한다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

생쥐의 뇌를 투명하게 만들어 뇌 속을 자세히 관찰할 수 있는 방법이 나왔다. 뇌 신경세포 연결 상태를 한눈에 볼 수 있기 때문에 뇌의 설계도라고 할 수 있는 ‘뇌지도’를 더 빠르고 자세하게 만들 수 있다. 미국 매사추세츠공대(MIT) 의공학과 정광훈 교수와 연세대 의대 부설 강남세브란스병원 신경외과 박정윤 교수가 참여한 공동 연구진은 뇌를 투명하게 만들어 그 안에 있는 신경세포의 3차원 연결망을 하나하나 볼 수 있는 기술을 개발했다. 이는 2013년 정 교수가 ‘네이처’에 발표한 기술보다 한 단계 더 업그레이드된 것이다. 연구진은 고농도의 하이드로젤을 생쥐의 뇌에 주입했다. 뇌 신경세포의 단백질과 DNA가 하이드로젤에 달라붙으면 전류를 흘려 세포막을 이루는 지방을 제거해 투명하게 만들었다. 하이드로젤은 저농도일 땐 지방만 제거하지만 고농도라면 지방을 없애면서 뇌를 균일하게 부풀어 오르게 해 실제보다 4배나 크게 만든다. 정 교수는 “이번 연구는 뇌 안의 단백질, 세포 속 미세구조, 세포 간 연결 상태를 보존하면서 뇌를 크게 만드는 방법을 찾아낸 것”이라며 “기존에는 건물과 건물 사이 큰 도로만 볼 수 있었다면 이번 기술은 건물 안 구조뿐만 아니라 각 방에 어떤 가구가 있는지까지 알 수 있게 한다”고 말했다. 이 연구 결과는 의공학 분야 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지’ 25일자에 담겼다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr