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'8배 늘어나도 전도성 유지' 생체친화적 다기능 고무소재 개발

IBS 현택환·김대형 교수 "미래형 웨어러블·신체삽입형 의료 디바이스 응용 가능"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 탄성이 뛰어난 고분자와 금-은 나노선을 결합, 체내 이식용 또는 웨어러블 전자기기에 활용할 수 있는 높은 신축성과 전도성, 생체 접합성을 지닌 새로운 소재를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단은 14일 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대 석좌교수 화학생물공학부) 공동연구진이 탄성의 뛰어난 고분자인 SBS에 전도성이 좋고 인체 독성이 없는 금-은 나노선을 결합해 신축성과 전도성, 생체적합성이 모두 우수한 금-은나노복합체를 개발했다고 밝혔다.

금-은 나노복합체를 이용한 웨어러블 바이오일렉트로닉스
금-은 나노복합체를 이용한 웨어러블 바이오일렉트로닉스 금-은나노복합체는 피부의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기 자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의 움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용할 수 있다. [기초과학연구원 제공=연합뉴스]

김 부연구단장은 "금-은 나노복합체는 840%를 잡아 늘이는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있고 인체 독성도 없다"며 "다양한 웨어러블 디바이스와 신체삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구는 이날 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology) 온라인판에 게재됐다.

잘 늘어나면서 전기 전도성이 우수하고 동시에 생체적합성도 뛰어난 소재는 웨어러블 전자기기나 신체삽입형 의료기기 개발에 꼭 필요하지만 이런 특성을 모두 갖춘 소재를 개발하는 것은 매우 어려운 과제다.

고무처럼 잘 늘어나는 물질은 보통 전도성이 떨어지고, 전도성을 높이기 위해 은나노선 등을 많이 넣으면 신축성이 떨어진다. 또 산화가 잘되는 은나노선은 심각한 독성을 띨 수 있어 생체적합성도 떨어진다.

금-은 나노복합체 제작과정 및 신축성 실험
금-은 나노복합체 제작과정 및 신축성 실험(a)은나노선 표면을 금으로 균일하게 입힌 뒤 탄성복합체 SBS와 섞어 금-은 나노복합체를 만든다.(d, f) 금-은 나노복합체는 840%를 잘아 늘여도 3만S/㎝ 이상의 높은 전도성을 유지할만큼 신축성이 뛰어나다. [네이처 나노테크놀로지 논문 캡처=연합뉴스]

연구진은 길이 100㎛의 긴 은(Ag) 나노선 표면을 금(Au)으로 감싼 다음 신축성이 뛰어난 탄성중합체인 SBS(poly Styrene-Butadiene-Styrene)에 섞어 전도성과 신축성, 생체적합성이 모두 좋은 금-은 나노복합체를 만드는 데 성공했다.

금-은 나노복합재에 사용된 은나노선은 표면이 금으로 균일하게 싸여있어 산화가 잘 일어나지 않기 때문에 독성을 띠지 않고 내구성도 우수하다.

또 금-은 나노선을 SBS에 섞어 굳히는 동안 금-은 나노선이 엉킨 실타래처럼 부분부분 퍼져있는 상분리(phase-separation) 현상이 일어나 잡아 늘여도 신축성과 전도성이 그대로 유지되는 것으로 확인됐다.

금-은나노복합체의 전도성은 최고 7만2천600S/㎝(평균 4만4천850S/㎝)로 금속에 육박하는 수준을 보였고, 최고 840%를 잡아 늘였을 때도 3만S/㎝ 이상의 전도성을 보일 만큼 신축성과 전도성이 우수한 것으로 나타났다.

금-은나노복합체는 피부에 붙여 뇌전도(EEG)나 근전도(EMG) 같은 다양한 전기신호를 측정, 신체 상태를 모니터링 할 수 있고, 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현하는 물리치료도 할 수 있다고 연구진은 설명했다.

금-은나노복합체를 이용한 다채널 심장 메쉬 디바이스
금-은나노복합체를 이용한 다채널 심장 메쉬 디바이스여러 층으로 구성된 그물 형태로 금-은나노복합체를 실험 동물인 돼지의 심장에 감아 심장 전체의 신호를 읽는 데 성공했다. 다채널 전극 층을 갖고 있어 어느 부위에 병변이 있는지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에 전기 자극을 가해 심장 기능의 회복에 도움을 줄 수도 있다. [네이처 나노테크놀로지 논문 캡처=연합뉴스]

연구진은 실제로 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 돼지 심장을 감싸 심장 신호 변화를 모니터링하고, 부정맥 등 심장 이상에 전기 자극을 주는 실험에 성공했다. 또 손목 등 관절 부위의 온열치료에 사용할 때도 뛰어난 피부 부착력을 보였다.

김대형 부연구단장은 "금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체친화적이어서 향후 바이오메디컬 디바이스 발전에 기여할 것"이라며 "피부 부착형이나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

IBS 나노입자연구단 현택환 연구단장(왼쪽)과 김대형 부연구단장
IBS 나노입자연구단 현택환 연구단장(왼쪽)과 김대형 부연구단장 [기초과학연구원 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2018/08/14 00:00 송고

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