미래 생체 전자 임플란트와 생체 전자공학을 위한 소재
미국 연구진이 처음으로 하이드로겔 반도체를 개발했다. 이는 생체 전자공학의 중요한 발전이다. 새로운 반도체는 신축성과 유연함을 갖추고 생체적합성이 있으며 살아있는 조직과 쉽게 상호 작용할 수 있다고 연구팀이 "Science"에서 보고했다. 하이드로겔 형태의 이 최초의 반도체는 일반적인 반도체 재료의 발수성을 "속이는" 정교한 방법을 통해서만 가능해졌다.
▲ 이 파란색 젤은 새로 개발된 하이드로겔 반도체이다. © John Zich/ University of Chicago
생체 전자 공학이 추세다.
즉, 조직과 기관에 직접 장착되거나 심지어 통합되는 임플란트 및 웨어러블 전자 장치다. 그러나 이 전자 장치의 구성 요소는 생체적합성, 최대한 신축성과 유연성이 있어야 한다. 이는 가교성(그물 모양으로 결합) 폴리머로 만들어졌다. 팽창성이 높고 유연한 프레임워크인 전도성 하이드로겔에 의해 부분적으로 가능해졌다.
"하이드로겔은 부드럽고 살아있는 조직과 유사한 물을 함유하고 있다"고 시카고 대학의 수석 저자인 Sihong Wang이 설명한다. "그들은 또한 다공성이어서 모든 유형의 영양소와 약물을 효율적으로 확산시킬 수 있다. 하지만 전도성 하이드로겔은 지금까지 생체전자공학에 제한적으로만 적합했다." 이유는 반도체가 아니라는 중요한 특성이 없기 때문이다.
먼저 오르가노-겔(Organo-Gel)
이제는 상황이 바뀌었다. Wang 팀은 처음으로 하이드로겔이자 반도체인 물질을 개발했다. Wang은 “이것은 단지 반도체와 결합된 하이드로겔이 아니라 하이드로겔 구조를 가지면서도 반도체 특성을 갖는 물질이다”고 설명했다. 지금까지 연구자들은 이들을 결합하려고 시도했지만 헛수고였다. 문제는 폴리머 기반 유기 반도체가 발수성이므로 수성 하이드로겔에 원활하게 통합될 수 없다.
▲ 생체 적합하면서도 반도체처럼 기능하는 부드럽고 파란색 젤이 탄생했다. © John Zich/ University of Chicago
Wang과 그의 팀은 "트릭"을 사용해 이 문제를 해결했다. 이를 위해 친수성 측쇄를 가진 고분자 반도체와 아크릴산(C3H4O2) 형태의 일반적인 하이드로겔 형성 단량체라는 두 가지 출발 물질이 필요했다. 그런 다음 이들 구성 요소를 두 가지 다른 첨가제와 함께 유기 용매 다이메틸 설폭사이드(DMSO:Dimethyl-sulfoxide)에 용해했다. 그런 다음 UV 광을 조사하면 성분이 중합되고 가교결합(고분자 사슬을 다른 사슬로 연결)했다.
하이드로겔 반도체로의 전환
이 과정을 통해 젤 같은 물질이 생성되지만, 아직 하이드로겔은 생성되지 않는다. 이 "유기겔"의 기공과 자유 결합 부위는 여전히 유기 용매로 채워져 있다. 이는 생물학적 조직에 사용하기에 부적합하다. “물질을 하이드로겔로 바꾸기 위해 우리는 모든 것을 물에 넣었다”고 제1저자인 Dai가 말했다. DMSO는 물에도 용해되기 때문에 점차적으로 겔 밖으로 확산돼 물 분자로 대체된다.
그 결과 실제 하이드로겔이 탄생했다. 이 하이드로겔은 젤라틴과 비슷한 농도를 갖고 있지만 반도체 특성을 지닌 파란색의 수분 함유 물질이다. 연구팀은 하이드로겔 반도체가 일반적인 고분자 반도체에 비해 변형되기 2~3배 쉽다는 사실을 발견했다. 그 부드러움과 유연성은 뇌, 내장, 심장과 같은 민감한 조직에도 해당된다. 또한 소재는 최대 150%까지 늘어날 수 있다.
동시에 하이드로겔 반도체는 초당 볼트당 최대 1.4제곱센티미터의 전하 운반체 이동성을 보여준다고 Dai와 그의 동료들은 보고했다. 이는 센서, 조명 제어 상처 드레싱 또는 임플란트와 같은 생체 전기 응용 분야에 충분하다.
생체적합성 및 면역 적합성
새로운 하이드로겔 반도체는 쥐를 대상으로 한 테스트에서 입증된 것처럼 또 다른 장점을 갖고 있다. 이를 위해 연구팀은 일반 고분자 반도체, 하이드로겔 반도체로 코팅된 또는 전혀 코팅되지 않은 테스트 임플란트를 동물의 피부 아래에 심었다. 4주 동안 하이드로겔 임플란트에 대한 면역 반응이 상당히 낮아졌다. 거부반응으로 인한 염증은 현저히 약해졌다고 연구팀은 보고했다.
Dai와 그의 동료들에 따르면, 새로운 하이드로겔 반도체는 전자 장치를 생물학적 조직에 통합하는 완전히 새로운 가능성을 제공한다. 하이드로겔과 반도체 사이의 시너지 효과는 일반적인 생체전자공학에 비해 호환성 측면에서 상당한 이점을 준다. Wang은 “1 더하기 1이 2보다 큰 것은 분명한 사례다”고 말했다. 연구팀은 이미 하이드로겔 반도체에 대한 특허를 취득했으며 현재 상용화를 위해 노력하고 있다.
(Science, 2024; doi: 10.1126/science.adp9314)
출처:Science, University of Chicago