빛 한번 쬐면 4주간 스스로 성장…中 연구진 ‘성장하는 하이드로겔’ 개발

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뇌-컴퓨터 인터페이스부터
줄기세포·조직 재생에 활용
인간형 로봇에도 적용 가능해

중국 연구진이 빛을 쬐어주면 살아있는 생체 조직의 성장 속도에 맞춰 스스로 모양을 바꾸고 자라나는 하이드로겔을 개발했다.

6일 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)는 중국 연구팀이 인간형 로봇, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 조직 재생 등에 쓰일 수 있는 실물과 유사한 형태 변화 하이드로겔을 개발했다고 보도했다.

연구팀은 생명체에서 영감을 받아 STERS(시공간적 진화 반응 활성종)라는 광활성 시스템을 개발했다. 이 시스템은 액체 금속 입자를 사용해 느리고 자가 유지적인 화학 반응을 일으켜 하이드로겔이 시간이 지남에 따라 구조를 변화시킬 수 있도록 한다.

생체 조직과 함께 성장하고 변화할 수 있어 차세대 생체 의료 재료 및 장치 개발에 도움을 줄 수 있다. 연구진에 따르면 이 시스템은 재생 의학 및 소프트 로봇 공학 등 분야에도 광범위하게 적용될 수 있다.

중국과학원 선전첨단기술연구소의 두 쉐민 교수 연구팀은 지난 9월 4일 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Matter’에 게재된 논문에서 이 시스템을 발표했다.

연구팀은 생물체가 급격한 형태 변화와 동시에 느리고 장기적인 진화적 변형도 겪는다는 사실에 주목했다. 이를테면 상처가 회복되거나 배아가 자라나는 과정은 며칠에서 몇 주에 걸쳐 천천히 일어난다. 기존 인공 소재는 너무 급격히 변하거나 성장 능력이 없어 이같은 살아있는 생체 조직과 괴리가 있다는 것이다.

연구팀은 세포 내에서 형태 변화를 유도하기 위해 방출되는 활성 화학 물질에서 영감을 받아 액체 금속 기반 시스템을 개발했다.

STERS 시스템은 반응성 물질을 생성하는 갈륨 기반 액체 입자와 이러한 생성을 촉진하고 하이드로겔의 중합을 돕는 물질을 결합시켜 겔이 형태를 변화시킬 수 있도록 만들었다.

근적외선 빛을 한 번 쐬어주면 최대 4주 동안 이 시스템을 유지할 수 있다. 연구진은 액체 금속 표면이 산화되면서 화학 반응 물질을 생성하고, 산화층이 벗겨지면 다시 금속이 노출되는 과정이 반복적으로 나타난다고 원리를 설명했다.

연구진은 이 시스템을 검증하기 위해 하이드로겔을 사용해 줄기세포가 뼈 세포 및 신경 세포와 유사한 세포로 분화하도록 유도했다.

또한 자라나는 쥐 태아의 뇌 크기와 형태에 맞춰 전극 표면의 겔이 함께 변형되도록 설계해 뇌 발달 과정을 관찰했다.

두 교수는 STERS 시스템이 로봇공학 같은 다른 분야에서도 쓰일 수 있다고 봤다. 로봇이 더욱 인간과 비슷해지려면 감각 능력과 피부, 기타 신체적 특징 또한 인간과 유사해야 하기 때문이다.

이 시스템은 감지 응용 분야에서도 쓰일 수 있다. 연구팀은 한 달에 걸쳐 색이 서서히 변하는 하이드로겔을 개발했는데, 이는 장기적인 시각적 지표로 활용될 수 있다.

다만 몇가지 난관이 남아있는데 재료의 변형 시기를 특정 조직에 정확하게 맞추는 것, 외부 자극을 이용해 변형 과정을 필요에 따라 제어하는 ​​것 등이다.

이에 현재는 센서로 사용되거나 조직 공학 및 뇌-컴퓨터 인터페이스 분야의 실험실 시연에 활용될 수 있는 단계라고 전했다.

티앤알바이오팹

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중국 연구진이 빛 한 번으로 최대 4주 동안 스스로 성장하는 하이드로겔 소재를 개발했습니다.
이 회사는 3D 바이오프린팅과 조직재생용 생분해성 인공지지체를 개발·제조하며 관련 생체 재료 기술을 보유하고 있습니다.
업계에서는 조직공학 적용을 위한 변형 시점 제어와 기술 실용화 과정에 주목하고 있습니다.

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중국 연구진이 빛에 반응하여 스스로 모양을 변화시키고 자라는 하이드로겔을 개발하여 인간형 로봇과 조직 재생 분야에 응용할 수 있는 가능성을 제시했다.

이들은 액체 금속 입자를 사용하는 STERS 시스템을 통해 생체 조직과 유사한 성장 속도를 재현할 수 있으며, 최대 4주 동안 유지될 수 있는 특성을 보인다.

현재 이 시스템은 실험실에서 센서로 또는 조직 공학 및 뇌-컴퓨터 인터페이스의 시연에 사용될 수 있는 단계로 발전하고 있다.