물과 해초추출성분을 이용해 21배 이상 늘어날 수 있는 신축성있는 소재, 하이드로젤(Hydrogel)이 개발됐다.

하버드대학교의 SEAS(School of Engineering and Applied Science) 연구팀과 선정윤 박사가 주도한 이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 네이처(Nature) 9월 6일자로 게재됐다.


특히, 이번에 개발한 소재는 생체적합성 측면에서 인간의 관절부위에 손상된 연골을 대체할 수 있는 극한의 신축성을 가진 획기적인 재료로 향후 연골 파손환자에게 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.  

21배까지 늘어났다 원 상태로 복원돼

선 박사와 연구팀이 개발한 하이드로젤(Hydrogel)의 주요 성분은 물이며, 약한 젤의 결합이 만들어낸 강력한 하이브리드 소재다. 21배까지 늘어났다가 원래 상태로 줄어드는 놀라운 복원력을 지니고 있다.

레이저로 2cm 정도의 구멍을 낸 상태에서도 약 17배의 신축성을 보이고 있다. 연구팀은 이 소재가 여러 방향에서 잡아당기는 힘에도 탄력과 인성을 유지 할 수 있다고 밝혔다. 이는 알긴산(alginate)과 칼슘사이의 이온결합이 "재압축(re-zip)"을 가능하게 하기 때문이다.
 

인공 생체 소재는 강하고 유연하면서 신축적 특성이 우수해야 한다. 기존 하이드로젤은 매우 약하며 파괴에 취약하다는 단점이 있었다. 물을 결합해 생체 적합성에 맞는 형태로 특성을 향상시키는데 한계가 있어왔기 때문이다.

그러나 이번에 개발한 하이드로젤은 두 가지 일반적인 폴리머 결합을 통해 만들었다. 첫 번째 요소는 폴리아크릴아미드(polyacrylamide)이며, 이는 주로 소프트 콘택트 렌즈의 소재 및 생물학 실험실에서 DNA 조각을 분리하는 전기영동(electrophoresis)젤에 사용되는 것이다. 

또 다른 구성 요소는 알긴산(alginate)으로 음식의 점성을 높이는 데 사용되는 미역과 같은 해초의 추출물이다.

인공근육 대체수단으로 적용 가능해

재료를 구성하는 두 젤은 결합 이전에 매우 약한 성질을 갖고 있다. 예를 들어, 알긴산 젤의 신축성은 1.2배 정도이다. 일단 이들을 8대1의 비율로 결합하면, 두 고분자가 서로를 강화시켜 가교 사슬의 복잡한 구조를 형성한다.

이 화학 구조는 넓은 범위에 걸쳐진 분자가 아주 약한 힘으로 서로를 당겨 젤 균열을 막는다.
 
선 박사팀이 개발한 하이드로젤 복합체는 기존 메탈 기반 소재에 비해 상대적으로 소프트 하지만 굉장히 큰 변형량을 안정적으로 요구하는 외부 비틀림에 매우 강한 특성을 가지고 있다.

선 박사는 재료의 유용한 분야로 인공 연골조직을 언급하고 있다. 기존의 인공 연골조직은 완충 작용을 할 수 있을 만큼 부드러우면서 잘 깨어지지 않는 물질이 없었기 때문에 젤 타입이 사용되지 않았다.

즉, 파괴된 연골을 대체하기 보다는, 무릎 조인트 자체를 교체하므로 양쪽 스테인레스 스틸 사이에 마찰을 줄이기위해 플라스틱 패드를 집어넣었다. 선 박사는 그러나 “이번에 개발한 하이브리드 젤 소재는 연골 조직을 충분히 대체 할 수 있을 것”으로 내다봤다. 

또 “이번에 개발된 하이드로젤은 인공 연골뿐만 아니라 광학, 인공 근육 분야에서 상처부위를 보호할 수 있는 커버 및 생물학적 연구를 위한 모델 세포 매트릭스 등에 활용될 수 있어 인공 생체 관련연구에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.