패치·화장품 혁신…잘 붙고 분해 속도 조절 가능한 젤 소재 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 이해신 교수 연구팀이 '폴리페놀'의 일종인 탄닌산을 활용해 해조류 유래 하이드로겔의 기계적 강도와 접착성을 높이고 분해 속도까지 조절할 수 있는 새로운 소재 설계 전략을 개발했다고 9일 밝혔다.

하이드로겔은 콘택트렌즈, 여드름 패치, 마스크팩, 상처 치료용 드레싱 등에 사용되는 수분 함량이 높은 젤 소재다. 피부에 밀착되면서도 약물이나 유효성분을 머금고 있을 수 있어 약물전달체, 창상피복재, 조직공학용 지지체, 화장품 소재 등 다양한 바이오·헬스케어 분야에서 활용되고 있다.

연구팀은 다양한 하이드로겔 소재 가운데 '카파-카라기난'에 주목했다. 우뭇가사리 등 붉은 해조류(홍조류)에서 추출한 천연 고분자로, 젤리나 소스의 점도를 높이고 형태를 유지하는 데 사용되는 친숙한 식품 소재다.

하지만 카파-카라기난으로 만든 하이드로겔은 성능을 높이는 데 한계가 있었다. 분자에 황산기라는 구조가 많이 포함돼 있는데, 이는 같은 극의 자석끼리 서로 밀어내듯 분자 간 반발력을 만들어 촘촘한 구조 형성을 방해한다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 황산기와 효과적으로 상호작용할 수 있는 천연 물질을 찾는 데 집중했다. 그 결과 차와 과일 등에 풍부한 천연 폴리페놀 '탄닌산'이 유력한 후보가 될 수 있다고 판단했다.

폴리페놀은 식물이 자외선이나 병해충 등 외부 환경으로부터 스스로를 보호하기 위해 만드는 천연 성분이다. 여러 물질과 동시에 결합할 수 있는 특성을 갖고 있다.

연구 결과, 기존에는 하이드로겔 형성을 방해하는 요소로 여겨졌던 황산기가 오히려 탄닌산과 결합하는 핵심 부위로 작용한다는 사실을 확인했다.

실제로 탄닌산을 첨가한 카파-카라기난 하이드로겔의 저장탄성률은 순수 카파-카라기난 하이드로겔보다 5배 이상 향상됐다. 이는 하이드로겔이 외부 압력이나 변형에도 더 안정적으로 형태를 유지할 수 있음을 보여준다.

또 탄닌산이 첨가되는 시점과 관계없이 이미 형성된 하이드로겔의 내부 그물망 구조(겔 네트워크)까지 안정적으로 강화하는 모습도 관찰됐다. 이는 탄닌산이 여러 지점에서 분자들을 연결해 하이드로겔의 내부 구조를 지속적으로 단단하게 유지할 수 있음을 의미한다.

특히 연구팀은 빠른 분해성과 강한 접착성을 동시에 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 복잡한 화학 합성 과정 없이 식품 등급의 천연 성분만으로 하이드로겔의 강도, 접착성, 분해 속도를 동시에 제어할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

향후 식품·기능성 식품용 캡슐 및 코팅 소재, 피부 밀착형 화장품 및 스킨케어 제품, 창상피복재, 약물전달 패치, 조직공학용 지지체 등 다양한 바이오·헬스케어 분야에 활용될 것으로 기대된다.

이 교수는 "이번 연구는 자연 유래 소재만으로도 하이드로겔의 기계적 강도와 접착성, 분해 거동을 함께 설계할 수 있음을 보여준 사례"라며 "식품, 화장품, 바이오소재 분야에서 보다 안전하고 단순한 방식의 천연 고분자 겔 플랫폼으로 확장될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구팀은 실용화 가능성을 염두에 두고 실제 피부 환경에서의 밀착 지속력과 유효성분 전달 특성을 추가로 검증할 계획이다. 또 기능성 스킨케어 제품 및 패치형 소재로의 적용 가능성을 검토할 예정이다.

화학과 양한열 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 생체모사 분야 국제학술지 '바이오미메틱스(Biomimetics)'에 게재됐다.

연구는 KAIST 교원창업기업인 폴리페놀 팩토리㈜의 연구비 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr