[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

젖은 상태의 표면에 다른 물질을 안정적으로 붙이는 기술은 생명공학과 의료 분야에서 매우 필요하다. 여기에 필요한 ‘습식 접착제’는 공학(engineering)뿐 아니라 일상생활에서도 매우 유용하게 쓰일 수 있어 수요도 증가하고 있다.

그러나 물기 많은 습한 환경에서 표면에 무언가를 붙이기는 상당히 까다롭다. 물 분자가 표면 사이의 틈에 쉽게 들어가서 수화(水化) 작용을 일으키기 때문이다. 이렇게 되면 물질 표면이 물렁물렁해지거나(연화·軟化) 물에 녹아버려서(용해·溶解) 접착 재료의 성능이 월등하게 떨어진다.

이런 어려움을 극복하기 위한 대표적인 연구 중 하나는 홍합 단백질을 모방한 ‘3,4-디하이드록시-페닐 알라닌(3,4-dihydroxy-l-phenyl alanine, DOPA)’라는 ‘합성 습식 접착제’ 개발이다. 그러나 DOPA 기반의 접착제는 본래의 상태로 다시 돌아갈 수 없는 ‘비가역적 접착’인데다 습식 산화로 인한 성능 저하, 고비용 등의 한계를 가지고 있다.

또 시아노아크릴레이트 같은 다른 종류의 화학 기반 습식 접착제도 접착력이 낮고, 독성이 있는데다 특정 작용기가 필요한 등 여러 한계를 가지고 있다. 또한 이들은 일반적으로 영구접착제이기 때문에 다시 원래대로 되돌리는 ‘가역성’이 없고, 재사용할 수 있는 접착제로서는 제한적이었다.

2. 연구내용

본 연구진은 고분자 물질인 ‘하이드로겔(Hydrogel)’의 팽창 작용을 기반으로 젖은 상태나 물속에서도 강하게 달라붙고, 원래 상태로 되돌릴 수 있는 가역성을 가진 ‘마이크로후크 어레이(Microhook Arrays)’를 제작했다. 제작된 후크 어레이(Hook Arrays)는 유연하고(flexible), 습식에 반응하며, 붙였던 물질을 원래대로 되돌릴 수 있는 기능을 가지고 있다.

제작된 하이드로겔 마이크로후크 어레이는 건조한 상태에서 접촉시키면 비교적 접착력이 약하다. 그러나 물에 노출되면 하이드로겔이 방향에 따라 서로 다르게 팽창한다.(이방성 팽창) 이때 제작된 히아드로겔 마이크로후크의 부피가 커지면서 모양이 변하고, 구조적 굽힘 강도와 접촉 표면, 마찰력 등도 증가하게 된다.

결과적으로 강하고 가역적인 습식 접착은 화학적으로 표면의 성질을 바꾸지 않고, 하이드로겔의 미세구조만으로 수중 조건에서 적용 가능하다. 또 마이크로후크 어레이는 수분에 노출되는 시간이 증가함에 따라 습식 접착력이 커진다. 이는 습기나 물에 노출됐을 때 접착력을 현저히 잃어버리는 일반적인 화학 접착제에 견줄만 한 결과다.

3. 기대효과

이번 연구는 기존 습식 접착제가 가지는 비가역성과 고비용, 성능 저하 같은 한계점를 뛰어넘을 수 있는 새로운 방법을 제시했다는 데 큰 의미가 있다.

하이드로겔의 이방성 팽창을 기반으로 습식에 반응하는 가역 고정식 접착제는 다른 습식 바인딩 시스템과 달리, 복잡한 표면 처리 같은 화학적인 부분이 필요하지 않다. 또 저비용으로 강력하고 가역적인 습식 접착제를 만들 수 있다는 장점도 있다. 다양한 습한 조건에서 안정적이고 강력한 접착력로 광범위하게 응용될 수 있어 앞으로 습식 접착제 분야에서 견고한 위치를 차지할 전망이다.

[붙임] 용어 설명

1. ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)

미국화학회(ACS)에서 발행하는 저널로, 고분자 과학(polymer science) 분야에서 세계 순위 3위로 꼽히는 권위지다.

2. ACS 편집자의 선택(ACS Editors 'Choice®)

미국화학회는 ACS Editors 'Choice®를 통해 세계 과학계에 새로운 중요 연구를 무료로 제공하고 있다. 심사숙고된 공개 자료는 화학 변화의 힘을 통해 사람들의 삶을 개선하려는 사회의 의지를 보여주는 연구로 구성된다. 논문 선정은 전 세계의 ACS 저널의 과학 편집자가 권고한 내용을 기반으로 하며, 2014년 이후에 발표된 모든 ACS 간행물은 ACS 편집자 선정 후보에 들어간다.

3. 하이드로겔(Hydrogel)

미세구멍(porous)을 가지는 친수성 고분자로, 물을 함유하면 팽창하는 성질을 가지고 있다. 하이드로겔의 종류는 많으며 온도나 산염기도(pH) 등으로 부피팽창비가 다르게 변화한다. 생체에 사용하기 적합해, 일반적으로 세포를 키우는 기판 재료로도 많이 사용된다. 이번 연구에서 사용한 하이드로겔은 폴리에틸렌글리콜 디메타트릴레이트(Polyethylenglycol dimethacrylate, PEGDMA)다.

4. 이방성 팽창

어떤 물질의 부피가 커질 때 위와 아래, 오른쪽과 왼쪽 등이 균형 있게 늘어나는 게 아니라 제각기 다른 양만큼 늘어나는 현상을 의미한다. 하이드로겔에 물이 스며들 경우 온갖 방향으로 무작위로 팽창하는데, 이번 연구에서는 이런 특성을 이용해 물속에서 더 강력한 접착력을 가지는 접착제를 만들었다.

[붙임] 그림설명