이재영 지스트 신소재공학부 연구팀이 개발에 성공한 그래핀 네트워크가 포함된 전도성 수화젤 개발 및 의공학적 응용분야 모식도 /사진제공=지스트‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀을 3차원으로 구조화해 인체 내 독성을 낮추고 전기 전도성은 높인 다기능 수화젤(Hydrogel)이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
향후 금속 기반의 전극을 대체해 우리 몸에 더 적합하고 효율적으로 작동하는 생체전극 및 세포지지체(스캐폴드) 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
지스트(광주과학기술원)는 신소재공학부 이재영 교수 연구팀이 수화젤 내에 전도성 물질 함량 대비 향상된 전도도를 위해 그래핀의 배치와 정렬을 조절함으로써 3차원적인 그래핀 네트워크를 갖는 수화젤 제작 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
전도성 생체재료는 세포나 조직과 전기신호를 효율적으로 매개할 수 있어 심장·근육 등 인체 내 전기활성조직의 재생을 위한 세포지지체(스캐폴드)와 생체전극 등에 많이 활용되고 있다.
하지만 대부분 금속 기반의 물질로 이뤄져 있어 생체에 이식했을 때 염증을 유발하거나 접촉 효율이 저하되는 등 삽입형 생체재료로 사용하기엔 한계가 있었다.
최근에는 전기적 특성이 우수하고 부드러우면서 유연한 전도성 수화젤에 대한 개발이 진행되고 있는데, 이러한 수화젤을 제작하기 위해 필요한 다량의 전도성 물질이 생체 독성을 유발하고 수화젤을 굳게 만들어 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 생체전기 신호 측정, 압력·변형 전극, 바이오프린팅 잉크, 세포 지지체로의 유용성을 제시했다.
연구팀은 그래핀의 3차원적 네트워크 형성을 위해 마이크로 비즈(직경 약 30 μm의 아가로오스 하이드로젤)에 그래핀을 코팅하고, 표면 전하에 의한 상호작용을 유도해 표면 전하에 의한 입자간 응집으로 자가조립해 과립형 수화젤을 제작했다.
이를 표면 전하에 의한 입자간 응집으로 반죽형 수화젤(paste-like hydrogel)을 제작했다. 이후 반죽형 수화젤을 열처리하면 마이크로 비즈는 열에 의해 녹아 그래핀 층들 사이로 이동하고, 비즈 위에 코팅된 그래핀들은 서로 연결돼 전체적으로 3차원적으로 연결된 그래핀 네트워크가 형성된다.
연구팀은 3차원 프린팅 및 주조를 통해 다양한 형태의 전도성 수화젤을 제작하고, 이렇게 제작된 수화젤은 기존 연구와 비교해 전체 수화젤 부피의 0.15%에 해당하는 매우 적은 그래핀 양으로도 20mS/㎝ 수준의 높은 전도도를 보였다. 이는 같은 양의 그래핀으로 구조화하지 않는 대조군보다 약 5배 정도 높은 전도도 값이다.
이를 통해 몸의 근육과 유사한 130kPa의 탄성도를 보여 생체에 사용하기에 적절한 기계적 유연함을 갖는 것을 확인했다.
이재영 교수는 “소량의 전도성 물질을 사용해 독성의 위험을 낮추고, 수화젤의 전도성과 생체적합성을 향상시키면서 동시에 인체 조직과 같은 유연함을 가진 수화젤을 제작했다”며 “향후 금속 기반의 전극을 대체해 인체에 활용될 수 있는 생체적합하고 더 효율적인 전극, 센서 및 조직공학용 지지체로의 활용이 기대된다”고 말했다.
