실크 단백질로 광학 인공생체조직 개발했다

인체친화적이고 유연한 안구용 나노광학소자가 최초로 개발되었다.

한국연구재단은 김성환 아주대 교수 연구팀이“누에고치에서 추출한 천연 실크 단백질을 활용하여 생체 조직과 유사한 물성을 가진 무해하고 안구에 안정적으로 삽입할 수 있는 3차원 광자결정 소자를 최초로 개발하였다.”고 22일 발표했다.

광자결정이란 빛을 컨트롤하기 위해 굴절률이 서로 다른 물질들이 주기적으로 배열되어 있는 구조를 말한다.

최근 인체 조직에 부착하거나 삽입 가능한 광학 소자 및 전자 소자 연구가 각광을 받고 있다. 특히 누에고치 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수하기 때문에 최근 주목 받는 바이오 고분자 소재이다. 그러나 이 천연 단백질을 활용하여 인체조직에서 작동하는 소자를 구현하는 것은 어려웠다.

연구팀은 스틸벤 염료를 실크 피브로인 단백질 수용액에 혼합한 뒤 자외선 광중합 반응을 통해 유연한 실크 단백질 기반의 3차원 광자결정을 만들었다. 이 광자결정 구조는 생체 조직과 이질감 없이 결합할 수 있다. 왜냐하면 습윤한 환경에서 물에 녹지 않으면서 수분을 머금고 있어 구부려도 원래 모양대로 되돌아오며. 유연하면서 물에 녹지 않는 특성 때문이다.



연구팀은 또한 실크 유연 광소자가 안압을 무선으로 감지하는 압력 센서로 활용될 수 있음을 입증했다. 외부의 힘에 의해 변화하는 소자의 광밴드갭을 간단한 광학 장비로 원격 측정해서 파동 변화를 실시간으로 탐지할 수 있음을 보였다. 광밴드갭이란 광자결정 구조 내부에서 빛이 진행 및 통과할 수 없는 파장 대역이다.

이 광학소재는 시력 향상용 안구 삽입체로도 사용할 수 있다. 연구팀은 실크 광자결정 유연 소자가 야행성 동물의 망막 뒤 반사체와 같이 안구 외부로 빠져 나가는 빛을 내부로 재 반사시킬 수 있음을 확인하였다. 이는 망막을 투과했던 빛이 다시 시각 세포로 돌아와 시력 향상에 기여할 수 있게 됨을 의미한다고 연구팀은 설명했다.

김성환 교수는 “생체 조직과 결합할 수 있는 나노광학 소자를 최초로 개발했다”면서 “안압의 무선 광신호 측정, 시력 향상용 안구 삽입체 등 다양한 헬스케어 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

미래창조과학부·한국연구재단 X- 프로젝트지원사업, 교육부 이공학개인기초연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 종합과학기술분야 국제학술지인 미국국립과학원 회보(PNAS) 6월 13일자 논문으로 게재됐다.