중앙대학교는 우상혁 화학공학과 교수 연구팀이 고종국 가천대학교 교수·슈지 후지 오사카과학기술대학교 교수 연구팀과 공동연구를 통해 하이드로겔의 안정성과 기능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 다층 캡슐화 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
하이드로겔은 높은 수분 함량과 우수한 생체적합성 덕분에 다양한 연구 및 산업 분야에서 활용되고 있다. 그러나 공기 중에서 탈수가 빠르게 일어나고 물성이 저하되며, 표면의 수화 층으로 표면 개질 및 기능화가 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 이 같은 한계를 해결하고 하이드로겔 표면에 안정적인 소수성 보호층을 형성하기 위해 액체 방울을 소수성 입자로 감싸는 '리퀴드 마블(Liquid marble)' 개념을 확장했다. 이를 통해 하이드로겔 표면에 3중 구조의 보호막을 형성하는 전략을 제시했다.
이 구조는 △하이드로겔 표면에 부착된 1차 입자층 △그 위에 형성된 균일한 오일층 △외부를 감싸는 2차 입자층으로 구성되며, 연구팀은 이를 '멀티레이어드 마블(MLM)'이라 명명했다.
MLM 구조에서 1차 입자층은 하이드로겔과 오일 사이의 계면을 안정화해 오일이 균일하게 퍼지도록 돕고 2차 입자층은 오일의 누출을 방지해 장기적인 안정성을 확보한다. 이는 수화층을 포함한 과육과 소수성 껍질이 단단하게 이어진 과일처럼 친수성 하이드로겔에 소수성 보호층을 안정적으로 구현할 수 있음을 보여준 결과다.
연구팀은 이 기술을 활용해 다양한 종류의 하이드로겔에서 수분 증발을 효과적으로 억제했으며, 일주일 이상 공기 중에 방치했을 때도 90% 이상의 수분을 유지함을 실험적으로 입증했다.
실제로 MLM 보호막을 도입한 하이드로겔 내에서 배양한 세포는 기존 일반 하이드로겔과 달리 탈수 없이 높은 생존율을 유지했다. 또 MLM층은 자가수복(Self-healing) 기능이 있어 바늘로 내부 물질을 주입하거나 추출한 후에도 수초 이내에 다시 복원되는 특징을 보였다. 연구팀은 이를 통해 마이크로 반응기나 세포 저장 시스템 등으로의 활용 가능성을 확인했다.
더 나아가 해당 구조는 기계적 물성을 거의 변화시키지 않으면서도 외부 환경으로부터 보호 성능을 발휘하기 때문에 최근 주목받고 있는 소프트 로보틱스 분야에서 활용도가 특히 높을 것으로 기대된다.
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이번 연구 결과는 'Multi-Layered Marble for Hydrogel Encapsulation'이라는 제목으로 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.
우 교수는 "이번 연구는 하이드로겔과 소수성 물질 간의 계면 불안정 문제를 해결할 수 있는 보편적인 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다"라며 "향후 소프트 로보틱스, 약물 전달, 바이오 저장 시스템 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다"라고 말했다.
