2024.03.20 (수)

  • 구름조금동두천 8.0℃
  • 구름많음강릉 4.2℃
  • 구름조금서울 7.8℃
  • 맑음대전 8.9℃
  • 맑음대구 10.5℃
  • 구름조금울산 9.8℃
  • 맑음광주 8.5℃
  • 구름조금부산 11.7℃
  • 구름조금고창 6.2℃
  • 구름많음제주 10.3℃
  • 구름조금강화 7.8℃
  • 구름조금보은 7.4℃
  • 구름조금금산 7.6℃
  • 구름조금강진군 8.8℃
  • 구름조금경주시 9.5℃
  • 맑음거제 11.0℃
기상청 제공

학술

세포 수준 표면에도 찰싹 달라붙는 패치개발

'Advanced Materials'에 2월 17일 게재

ETRI, 차세대 바이오 패치 구조체 개발

‘젖음현상’이용 반복 접촉, 맞춤 설계 가능 원리 규명
기계적 안정성, 접촉성 뛰어나 생체정보 모니터링 적합
웨어러블 패치 적용, 신호감도 및 전달 효율 획기적 증대 기대




국내 연구진이 기계적 안정성이 우수하면서도 접촉성이 좋아 마이크로 미터(㎛) 단위의 세포수준에도 달라붙는 패치 구조체 개발에 성공했다. 이로써 패치와 피부간 신호 및 물질 전달이 잘 이루어져 향후 생체진단 신뢰도나 약물 패치의 성능이 획기적으로 증가할 것으로 보인다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 한국 과학자들이 주축이 된 국내·외 공동 연구진이 복잡하고 울퉁불퉁한 곳에도 잘 달라붙는 바이오패치 구조체 개발에 성공했다고 밝혔다.



이를 통해 향후 웨어러블 기기의 표면 설계에 접목할 경우 생체와 기기간 신호, 정보, 물질 전달 효율을 획기적으로 높이고 튼튼한 시스템 구성이 가능할 것으로 보고 있다. 본 기술은 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 지난달 게재되었다. 논문은 프론티스피스(Frontispiece) 표지에도 선정되었다.

그동안 전 세계 연구진들은 사람 생체표면에 달라붙는 웨어러블 기기 개발을 위해 노력해 왔다. 하지만, 패치를 생체표면에 달라붙게 하기 위해 얇게 만들다보니 기계적 안정성이 급격히 떨어지는 한계가 있었다. 이로 인해 막이 쉽게 찢어지거나 말려, 한 번 부착하면 위치를 옮기거나 떼기가 힘들어 1회용으로 밖에 사용하지 못한다는 문제점이 있었다.



ETRI는 문제점 해결을 위해 액체가 고체에 젖어 들어가며 정밀한 접촉이 이뤄지는 현상에 착안, 고체와 고체 사이에서도 젖는 현상이 일어날 수 있다고 보고, 이를‘젖음현상(Wetting)’이라 정의, 현상을 규명했다.

연구진은 기계적 안정성과 우수한 젖음성을 동시에 구현하기 위해 폴리 우레탄 아크릴레이트(PUA : polyurethane acrylate) 라는 고분자 소재를 사용해 임프린트 임프린트(패턴을 만들기 위해 일종의 거푸집을 만들어 찍어내듯 만드는 공정) 기반으로 서로 다른 크기를 갖는 구조들이 공존하는 박막을 제작했다.



젖음성이 뛰어난 얇은 나노 박막과 젖음성은 적지만 얇은 박막을 지탱할 수 있는 마이크로 박막들을 계층적으로 위치시켜 500 마이크로미터에서 800 나노미터 까지의 3층 계층 구조 박막을 제작(패치의 첫 번째 층은 500 마이크로미터 크기, 두 번째 층은 20 마이크로미터, 세 번째 층은 800 나노미터(㎚) 수준) 했다. 따라서 본 구조는 멀티스케일구조(나노박막은 젖음성은 우수하나 잘 찢어지고, 두꺼운 박막은 튼튼하나 젖음성이 낮다.)  여서 해당 특성을 모두 갖는다. (정밀 분석을 통해 ㎚ 박막의 높은 접촉성능과 수백 ㎛ 박막의 높은 기계적 안정성을 모두 갖는 설계원리를 도출)

이로써 탈부착이 쉽고 재사용이 가능할 만큼 기계적 안정성이 우수하면서도 수 마이크로미터(㎛) 세포수준의 거칠기에도 빈틈없는 접촉이 가능했다. 그동안 난제였던 기계적 안정성과 접촉성능의 한계를 극복한 셈이다.
또한, 이번 성과는 특정 재료나 환경에 한정된 것이 아닌 일반적인 설계 원리를 규명했다고 연구진은 밝혔다. 이에 따라 피부뿐만 아니라 붙이는 대상이 다르거나 PUA와 다른 재료가 바뀌어도 구조체를 설계하는데 문제가 없다고 설명했다. 맞춤형 설계가 가능한 것이다. 

실험을 위해 연구진은 대략 1cm x 1cm 크기의 26 마이크로미터 두께 패치를 제작했다. 동영상속 패치는 손가락 위에 올려두니 찰싹 달라붙었다. 나노수준의 접촉이어서 눈에 보이지는 않았지만 물에 젖듯이 붙음을 보여줬다.



연구진은 본 패치가 매우 복잡한 표면의 나뭇잎, 돼지의 피부, 사람의 머리카락을 이용, 세포 수준의 곡률을 가지는 표면 위에서도 매우 정밀한 접촉성과 높은 기계적 안정성으로 반복적 탈부착이 가능함도 증명했다.
기본적으로 패치는 임프린트로 제작되어 롤투롤(Roll to roll Roll에 감겨있는 필름을 회전시키면서 동시에 가공하는 공정방식으로 공정이 간단하고 초기 설비투자가 적음) 공정을 활용, 대면적화가 가능하고 PUA 이외 소재도 제작 가능하다.

연구진은 향후 사람의 피부에 잘 달라붙는 패치 개발을 통해 양질의 생체정보를 얻을 수 있어 웨어러블 기기의 보편화에 큰 도움이 될 것으로  전망했다. 아울러 사람의 피부로부터 얻을 수 있는 생체정보를 모니터링 가능한 패치 개발에 주력할 계획이라고 말했다. 

또한 본 기술을 바탕으로 설계변수를 다양화해 젖음성과 접착력을 높이고 대면적 공정 개발을 통해 생산단가를 줄이는 연구도 계획 중이다. 상용화 시점은 5년 ~ 10년 내로 보고 있다.

ETRI는 본 연구가 KIST, 미국 펜실베니아대학교, 시카고 대학교와의 공동연구 성과라고 밝혔다. 이번 논문은 ETRI ICT소재연구그룹의 김준수 연구원이 1저자이고 문승언 박사가 공동저자로 참여했으며, 미국 펜실베니아대 박사후 연구원으로 있는 조혜성 박사가 교신 저자로 참여(공동 저자로 KIST의 박현철 연구원, 박민철 박사, 홍순만 박사, 구종민 박사, 서울대의 故서갑양 교수가 공동참여) 하였다. 

본 연구는 국가과학기술연구회 융합연구사업과 ETRI-KIST 협력연구사업 지원으로 개발되었다. 





[참고자료]

세계적인 학술지인 Advanced Materials은 IF:18.96이다. 지난달 17일자로 게재 (DOI: 10.1002/adma.201605078 IF(Impact Factor 18.96), 2월 17일자 게재)되었다.

물체간 계면에서 생체신호, 진동, 압력, 열, 전기, 약물의 전달은 웨어러블 시스템과 사용자간의 상호작용의 기본 메커니즘이 된다. 이때 두 물체는 맞닿아 있지 않으면 감도 또는 전달 효율이 급격히 떨어지기 때문에 빈 공간 없이 접촉시킬 수 있는 기술이 매우 중요하다.

일반적으로 연한 물질을 쓰고 얇게 제작하면 유연성이 증가하여 접촉 성능이 증가하는데 그만큼 기계적 안정성이 급격히 줄어들어 찢어지거나 말리는 문제가 생겨 재사용이 불가능할 뿐만 아니라 한 번 내려놓으면 위치를 옮길 수도 없게 된다.

이런 문제해결을 위해 연구진은 먼저 고체가 거친 표면 위에서 접촉이 되어가는 현상이 액체가 고체 표면 위에서 젖는 현상과 유사하게 설명될 수 있다는 점에 착안하여 고체의 젖음현상(wetting)이라고 정의하고, 다양한 거칠기가 공존하는 임의의 표면 위에서도 젖음현상이 일어날 수 있는 방법을 고안하였다.

연구진은 마이크로 박막들을 계층적으로 위치시켜 3층 계층 구조를 가지는 박막을 제작하였다. 이 구조는 나노 박막과 마이크로 박막이 공존하기 때문에 각각의 특성들 또한 공존할 수 있는 가능성이 있다.

그러나 나노 박막의 젖음성과 마이크로 박막의 기계적 안정성은 이율배반적인 관계이기 때문에 박막의 이론적 분석을 통해 최적 설계가 이루어져야만 각각의 장점만을 얻어낼 수 있다.

이에 따라 연구진은 계층 구조의 다양한 설계변수에 따른 변형에 의한 에너지 손실과 접촉에 의한 에너지 이득을 계산하여 젖음성과 기계적 안정성이 공존할 수 있는 설계원리를 수립하였다. 이를 통해 단순한 단층 구조의 선형적 응답이 가지는 이론적 한계를 넘어서는 비선형적 특성을 구현할 수 있게 되었다.

설계원리를 입증하기 위해 금속증착을 이용하여 계면상태를 매우 정밀하게 분석하였고, 그 결과 연구진이 수립한 설계원리가 실험 결과와 부합함을 증명하기도 하였다.

이렇게 제작된 비선형 구조체는 다양한 곡률이 공존하는 매우 복잡한 표면을 갖고 있는 생체표면위에서 아주 높은 젖음성과 기계적 안정성을 보였다. 나뭇잎, 피부(돼지), 머리카락(사람)과 같은 임의의 표면위에서 세포 수준의 곡률을 가지는 표면 위에서도 매우 정밀한 접촉이 가능함과 동시에 높은 기계적 안정성 덕에 반복적인 탈부착이 가능하였다.




[논문 게재 참고자료]

차세대 바이오패치 구조체 개발


그림 1. 비선형 구조체의 계층별 이미지와 실제 사용된 구조체의 실물 사진



그림 2. 다양한 생체표면 (나뭇잎, 피부, 머리카락)위에서 접촉이 되었음을 증명하는 금속증착 검증 결과



그림 3. Frontispiece 표지로 선정된 연구 대표 이미지



그림 4. 본연구에 참여한 ETRI 연구원. 



배너
배너