생체조직 모방 전략으로 차세대 고탄성 하이드로젤 개발

(대전ㆍ충남=뉴스1) 박찬수 기자 = 충남대학교 응용화학공학과 이창수 교수 연구팀과 성균관대학교 화학공학과 김재윤 교수 연구팀이 공동으로 생광물화(biomineralization) 과정을 모방해 기계적으로 강화되면서도 히스테리시스(hysteresis) 없는 고탄성(hyperelastic) 하이드로젤을 개발하는 데 성공했다.

21일 충남대에 따르면 이번 성과는 국제 저명 학술지 ‘Nano Letters(미국화학회, ACS)’에 8월 15일 게재됐으며, 연구의 혁신성과 독창성을 인정받아 Supplementary Cover 논문으로 선정됐다.

생체 조직은 무기-유기 복합 구조를 통해 외부 자극에 뛰어난 기계적 적응성을 보여준다. 이러한 특성을 모방한 하이드로젤은 조직공학, 웨어러블 센서, 소프트 로보틱스 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 그러나 기존의 합성 방식은 강도와 인성, 신축성 사이의 상충 관계(trade-off)를 극복하지 못해 응용에 한계가 있었다.

연구팀은 폴리알릴아민·인산·아크릴아미드 기반 나노복합체를 형성한 후, in situ 실리카화(silicification) 공정을 통해 하이드로젤 내부에서 실리카 나노입자가 동시에 생성·분산되도록 구현했다. 이를 통해 고분자 네트워크와 실리카 입자가 물리적으로 얽힌 하이브리드 구조를 형성하여, 기존 방식의 한계를 극복했다.

그 결과, 개발된 하이드로젤은 인장강도가 약 3배, 강성이 2.5배, 인성이 2.8배 향상되는 탁월한 기계적 특성을 보였으며, 반복적인 변형에도 에너지 손실이 없는 완전 탄성 거동을 유지했다. 또한 변형 속도에 관계없이 안정적인 기계적 성능을 나타냈고, 전체의 90% 이상을 차지하는 높은 수분 함량을 유지하면서도 내구성이 뛰어난 변형 센서로서의 기능을 입증했다.

충남대 이창수 교수는 “이번 연구는 단순히 외부에서 나노입자를 첨가하는 기존 방식과 달리, 하이드로젤 내부에서 생광물화가 동시에 일어나는 새로운 합성 플랫폼을 제시했다”며 “생명체에서 일어나는 광물화 원리를 정밀하게 재현해 얻은 고탄성 하이드로젤은 기계적 강도와 신축성을 동시에 충족하는 차세대 소재로 웨어러블 바이오센서, 차세대 인공 조직, 스마트 로봇 소재 등 다양한 분야로 응용이 기대돼 학문적·산업적 파급력이 클 것”이라고 강조했다.

pcs4200@news1.kr