화학공학과 우상혁 교수 연구팀, 과일 껍질을 모사한 하이드로겔 수화표면 개질 기술 개발
화학공학과 우상혁 교수 연구팀이 가천대학교 고종국 교수 연구팀, 그리고 오사카과학기술대학교(Osaka Institute of Technology) Syuji Fujii 연구팀과의 공동연구를 통해 하이드로겔의 안정성과 기능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 다층 캡슐화 기술을 개발했다.
하이드로겔은 높은 수분 함량과 우수한 생체적합성으로 인해 다양한 연구 및 산업 분야에서 활용되고 있으나, 공기 중 빠른 탈수와 물성 저하가 발생하며 표면의 수화 층 때문에 표면 개질 및 기능화의 어려움이 존재한다. 연구팀은 이러한 한계를 해결하고 하이드로겔 표면에 안정적인 소수성 보호층을 형성하기 위해, 액체 방울을 소수성 입자로 감싸는 ‘Liquid marble’ 개념을 확장하여, 하이드로겔 표면에 삼중 구조의 보호막을 형성하는 전략을 제시하였다.
이는 (1) 하이드로겔 표면에 부착된 1차 입자층, (2) 그 위에 형성된 균일한 오일층, (3) 외부를 감싸는 2차 입자층으로 구성되는 구조로써, ‘Multi-Layered Marble (MLM)’이라 명명되었다. 이 구조에서, 1차 입자층은 하이드로겔과 오일 사이의 계면을 안정화하여 오일이 균일하게 퍼질 수 있도록 돕고, 2차 입자층은 오일의 누출을 방지하여 장기적인 안정성을 확보하는 역할을 한다. 이를 통해, 수화층을 포함한 과육과 소수성 껍질 사이가 단단하게 이어진 과일과 같이, 친수성 하이드로겔에 소수성 보호층을 안정적으로 구현시킬 수 있음을 제시하였다.
아울러, 연구팀은 이 기술을 활용해 다양한 종류의 하이드로겔에서 수분 증발을 효과적으로 억제하고, 일주일 이상 공기 중 방치 시에도 90% 이상의 수분을 유지할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 이 때문에, MLM 보호막을 도입한 경우 하이드로겔 내에서 배양하는 세포는 기존 일반 하이드로겔에서와 달리 탈수 없이 높은 생존율을 유지하는 결과를 보였으며, MLM층은 자가수복 기능이 있어 바늘을 이용해 내부 물질을 주입/추출한 후에도 수 초 이내에 다시 복원 될 수 있음을 보였고, 이를 통해 마이크로 반응기나 세포 저장 시스템 등으로 활용할 수 있음이 확인되었다. 더 나아가, 해당 구조는 기계적 물성을 거의 변화시키지 않으면서도 외부 환경으로부터 보호 성능을 발휘하기 때문에, 최근 많은 주목을 받는 하이드로겔을 이용한 소프트 로보틱스 분야에서 특히 그 활용도가 크다.
이번 연구 결과는 ‘Multi-Layered Marble for Hydrogel Encapsulation’라는 제목으로 세계적인 학술지 Nature Communications에 게재되었으며, 우상혁 교수는 “이번 연구는 하이드로겔과 소수성 물질 간의 계면 불안정 문제를 해결할 수 있는 보편적인 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “향후 소프트 로보틱스, 약물 전달, 바이오 저장 시스템 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
하이드로겔은 높은 수분 함량과 우수한 생체적합성으로 인해 다양한 연구 및 산업 분야에서 활용되고 있으나, 공기 중 빠른 탈수와 물성 저하가 발생하며 표면의 수화 층 때문에 표면 개질 및 기능화의 어려움이 존재한다. 연구팀은 이러한 한계를 해결하고 하이드로겔 표면에 안정적인 소수성 보호층을 형성하기 위해, 액체 방울을 소수성 입자로 감싸는 ‘Liquid marble’ 개념을 확장하여, 하이드로겔 표면에 삼중 구조의 보호막을 형성하는 전략을 제시하였다.
이는 (1) 하이드로겔 표면에 부착된 1차 입자층, (2) 그 위에 형성된 균일한 오일층, (3) 외부를 감싸는 2차 입자층으로 구성되는 구조로써, ‘Multi-Layered Marble (MLM)’이라 명명되었다. 이 구조에서, 1차 입자층은 하이드로겔과 오일 사이의 계면을 안정화하여 오일이 균일하게 퍼질 수 있도록 돕고, 2차 입자층은 오일의 누출을 방지하여 장기적인 안정성을 확보하는 역할을 한다. 이를 통해, 수화층을 포함한 과육과 소수성 껍질 사이가 단단하게 이어진 과일과 같이, 친수성 하이드로겔에 소수성 보호층을 안정적으로 구현시킬 수 있음을 제시하였다.
아울러, 연구팀은 이 기술을 활용해 다양한 종류의 하이드로겔에서 수분 증발을 효과적으로 억제하고, 일주일 이상 공기 중 방치 시에도 90% 이상의 수분을 유지할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 이 때문에, MLM 보호막을 도입한 경우 하이드로겔 내에서 배양하는 세포는 기존 일반 하이드로겔에서와 달리 탈수 없이 높은 생존율을 유지하는 결과를 보였으며, MLM층은 자가수복 기능이 있어 바늘을 이용해 내부 물질을 주입/추출한 후에도 수 초 이내에 다시 복원 될 수 있음을 보였고, 이를 통해 마이크로 반응기나 세포 저장 시스템 등으로 활용할 수 있음이 확인되었다. 더 나아가, 해당 구조는 기계적 물성을 거의 변화시키지 않으면서도 외부 환경으로부터 보호 성능을 발휘하기 때문에, 최근 많은 주목을 받는 하이드로겔을 이용한 소프트 로보틱스 분야에서 특히 그 활용도가 크다.
이번 연구 결과는 ‘Multi-Layered Marble for Hydrogel Encapsulation’라는 제목으로 세계적인 학술지 Nature Communications에 게재되었으며, 우상혁 교수는 “이번 연구는 하이드로겔과 소수성 물질 간의 계면 불안정 문제를 해결할 수 있는 보편적인 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “향후 소프트 로보틱스, 약물 전달, 바이오 저장 시스템 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.