화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀,
고분자/무기입자 복합 층상구조 하이드로겔 개발

– 전복껍데기 진주층을 모사하는 고분자/무기입자 복합 층상구조를 하이드로겔에 구현- 우수한 기계적 물성과 열전도성의 하이드로겔 개발

[그림1] 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수, 지동환 석박사통합과정생

화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제 1저자 지동환 석박사통합과정)이 전복 껍데기에서 관찰되는 진주층(nacre)의 층상구조를 지닌 고분자/무기입자 복합 하이드로겔을 구현하여 우수한 기계적 물성과 열전도성을 지닌 하이드로겔을 개발했다고 밝혔다.

생체조직은 물을 다량으로 함유한 3차원 고분자 네트워크인 하이드로겔(hydrogel)로 구성되어 있다. 하이드로겔은 기계적 물성 관점에서 크게 두 가지로 분류되며, 뇌·근육·피부조직처럼 매우 부드러운 하이드로겔과 인대·힘줄·혈관조직처럼 질기고 강한 하이드로겔이 있다. 후자의 경우 노화되거나 손상을 입었을 때 자가치유 능력이 매우 낮아 원래 조직과 유사하게 높은 기계적 물성을 지닌 인공 하이드로겔로 대체하려는 시도가 진행되고 있다.

[그림2] 손상된 연골과 힘줄(생체 하이드로겔) 대체를 위한 인공 하이드로겔 개발의 필요성

최근 이러한 인공 하이드로겔 소재 위에 바이오전자소자를 결합하여 생체조직 혹은 장기의 정상적인 작동을 보조하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 하이드로겔의 기계적 물성들(강도, 탄성률, 파괴저항성 등)을 조직 및 장기와 유사한 수준으로 만드는 것이 매우 중요하다. 또한 바이오전자소자가 결합된 하이드로겔의 경우 소자 구동시 발생하는 열을 빠르게 확산시켜 소자의 작동성능을 유지할 필요가 있다.

이에 연구팀은 연체동물 혹은 전복 껍데기에서 관찰되는 우수한 기계적 물성의 진주층(nacre) 물질의 유기물과 탄산칼슘이 교대로 겹겹이 쌓인 층상구조에 착안하여, 고분자/무기입자 복합 층상구조를 지닌 하이드로겔을 개발했다. 그 결과 초기 하이드로겔은 매우 부드럽고 구성성분들이 무작위로 혼합된 구조를 가지지만, 단방향건조/수축과 추가가교/재수화 두 과정을 거친 하이드로겔은 고밀도의 고분자/무기입자 층상구조를 가지는 것을 확인했다.

[그림3] 자연모사 고분자무기입자 복합 층상구조 하이드로겔의 제작 과정 및 구조

이러한 고분자/무기입자 복합 층상구조 하이드로겔은 초기 하이드로겔과 비교할 수 없을 정도로 높은 강도(tensile strength, 10배), 탄성률(elastic modulus, 230배), 파괴저항성(fracture energy, 4배)을 보였으며, 하이드로겔 내부에 층상 배열된 판상형 무기입자로 인해 열전도도 또한 큰 폭(2.1배)으로 향상되었다. 이는 향후 다양한 유무기 복합 하이드로겔 개발의 초석이 될 것으로 보인다.

김재윤 교수는 “본 연구는 인대나 힘줄처럼 매우 질긴 생체조직과 유사한 하이드로겔 제작의 기초연구로, 우수한 기계적 물성과 더불어 높은 열전도성을 지닌 하이드로겔을 구현하여 향후 바이오전자소자 개발로 확장 적용될 수 있을 것이다”고 설명했다.

[그림4] 고분자무기입자 복합 층상구조 하이드로겔의 우수한 기계적 물성（강도, 강성, 파괴저항성) 및 열전도도

본 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 Advanced Functional Materials (IF: 15.6, JCR 분야 상위 3%)에 4.28(수) 온라인 게재되었으며, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 산림청/임업연구원의 산림생명자원소재발굴연구사업과 산업통상자원부/한국산업기술진흥원의 혁신성장글로벌인재양성사업 지원으로 수행되었다.
※ 논문명 : Bioinspired Structural Composite Hydrogels with a Combination of High Strength, Stiffness, and Toughness