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아주대와 팬옵틱스 공동 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 다기능 전자문신을 구현하는 데 성공했다. 이에 원하는 회로를 그려 넣은 후 굴곡진 피부 조직에 부착, 진단 및 약물 전달용으로 활용할 수 있는 차세대 헬스케어 소자로 이용될 전망이다.우리 학교 김성환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣는 방식의 전자문신 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 신소재 분야 최고 권위지 중 하나인 <어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials)> 권두 표지논문(Frontispiece)으로 5월6일 자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘피부 위 진단 및 치료응용을 위한 다기능, 극박 전자문신(Multifunctional and Ultrathin Electronic Tattoo for On-Skin Diagnostic and Therapeutic Applications)’이다. 이번 연구는 광학 전문 기업 팬옵틱스와의 산학협력 연구를 통해 진행됐다. 제1저자로 우리 학교 나렌다 고굴라 BK연구 조교수(사진 오른쪽), 공동저자로 팬옵틱스의 김장선 대표이사 외 3인이 참여하였다. 최근 전 세계적으로 인체 조직에 부착 가능한 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 생체 신호를 직접 읽어 들이고 분석할 수 있는 덕분. 이러한 헬스케어용 전자 소자를 구현하기 위해서는 실제 생체 조직과 같이 유연하고 잘 늘어나는 전자 소자가 필요하다. 이에 많은 연구자들이 유연 기판에 전극과 전자 소자를 집적, 다양한 인체 신호를 읽고 분석하는 소자를 개발해왔다. 이러한 형태의 소자는 ‘피부를 인공적으로 모방한 전자 소자’라는 개념으로 해석되어 ‘전자 피부’라 불린다.이렇게 개발된 전자 피부와 실제 인체 피부와의 완벽한 인터페이스를 위해서는 지문을 비롯한 굴곡진 표면을 따라 부착할 수 있어야 하며, 생체 적합성도 중요하게 고려해야 한다. 따라서 전자 회로를 생체적합 물질을 사용해 매우 얇게 구현해야 하는 어려움이 존재해왔다. 이에 김성환 교수 공동 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.먼저 연구진은 전기방사 방법을 활용하여 인간 머리카락 50분의 1 두께의 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣었다. 잉크가 마르면서 그린 모양대로 회로가 떨어져 나오고, 이를 문신 스티커처럼 물을 살짝 묻힌 피부에 올려놓기만 하면 전자문신을 형성하는 것이 가능하다. 이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아서 지문처럼 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상 생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈 등으로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다. 피부에 부착한 전자문신은 심전도와 근전도 검사를 위한 전극으로, 혹은 온열 치료나 약물 전달을 위한 패치로 응용이 가능하다. 전자문신에 약한 전류를 흘려주거나 빛을 쬐어주면 탄소 나노섬유에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 특히 빛을 활용할 수 있다는 점은 원격으로 전자문신을 데울 수 있음을 의미하고, 이는 응용 범위가 매우 넓다는 것으로 해석할 수 있다. 실크 단백질에 원하는 약물을 탑재할 수도 있어, 원격으로 문신 온도를 조절하여 약물 전달 효율을 조율할 수 있다. 김성환 교수는 “인체 피부에 전자회로를 집적하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다”며 “생체 물질인 단백질을 활용해 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 말했다.김 교수는 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 바이오 소재들이 전자 소자 구현에도 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업, BK21 Four 사업과 경기도 주관 지역협력연구센터사업(GRRC), 한국에너지기술평가원 주관 에너지인력양성 사업의 지원으로 수행되었다. 관련 기술은 팬옵틱스와의 산학협력 연구를 통해 개발되었으며, 국내 특허 출원과 함께 일부 기술이전 되었다. <연구 개념을 보여주는 모식도. 누에고치로부터 만들어진 실크 종이에 전도성 잉크로 전자회로를 그린 후 문신처럼 피부에 부착할 수 있다>
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- 작성일2021-06-14
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- 작성일2021-03-10
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아주대학교와 서울대학교 공동 연구팀이 세포 노화 타이머를 제어할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. ‘세포 분열의 타이머’로도 불리는 텔로미어가 새롭게 재구성된 사례를 발견한 것으로, 세포 노화의 비밀을 푸는 단서가 될 것으로 보인다. 아주대 박대찬 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과)와 서울대 이준호 교수가 교신저자로 함께 한 이번 연구는 자연과학 분야 세계적 학술지인 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=12.121)> 2월17일자에 게재되었다. 우리 학교 대학원 분자과학기술학과 김다은 학생이 공동저자로 참여했다. 논문 제목은 ‘배아줄기세포에서 텔로미어 서열이 아닌 서열로 만들어진 텔로미어(Telomeres reforged with non-telomeric sequences in mouse embryonic stem cells)’이다. 우리 몸을 구성하는 세포는 분열하고 증식하며 생명 현상을 유지한다. 그러나 세포는 무한히 분열할 수 없으며 분열 과정에서 일정 부분의 유전 정보가 사라지도록 설계되어 있다. 텔로미어는 염색체 말단의 보호 구조로, 세포 분열 시 유전 정보를 대신해 사라지는 보호막 역할을 수행한다. 텔로미어의 길이가 일정 수준 이하로 짧아지면 세포는 분열을 멈추는 세포 노화 상태로 들어간다. 그러나 생식 세포나 줄기 세포, 암세포처럼 활발히 분열하는 세포는 ‘텔로머레이즈’라는 효소를 사용해 텔로미어의 길이를 유지하고 무한한 분열 능력을 가진다. 따라서 세포들이 정상적인 기능을 할 수 있도록 텔로미어의 길이와 분열 수를 조절하는 것이 중요하다. 특히, 텔로미어 유지 기전에 대한 정확한 이해는 부작용 없는 항암 전략, 노화 지연 등을 위한 이론적 기반이 된다. 일부 암세포에서는 ‘대안적인 텔로미어 유지기전(ALT, Alternative Lengthening of Telomeres)’이라는, 텔로머레이즈 효소를 활용하지 않고 텔로미어를 유지할 수 있는 기전이 발견되었다. 그런데 인간 암세포의 경우, ALT를 사용하더라도 일반적인 반복서열을 지닌 텔로미어의 사례만 보고되어 있었다. 연구팀은 이러한 일반적인 반복서열을 보이는 텔로미어가 아닌 다른 구성을 가지는 형태로 재구성된 사례를 포유류 모델 최초로 확인하는 데 성공했다. 텔로머레이즈가 불활성화된 생쥐 배아줄기 세포 배양 중 아주 일부의 세포에서 ALT가 활성화되어 정상적인 분열 속도를 회복한 것. 이때의 ALT 세포는 단순반복 서열이 아닌 독특한 서열이 증폭된 구조를 보였다. 박대찬 교수 연구팀은 이를 ‘mTALT (mouse template for ALT)’라고 명명했으며, 이를 통해 인간 암세포에도 또 다른 형태의 텔로미어가 존재할 가능성을 찾아냈다. 또한, 연구팀은 ALT가 실제 작동하는 과정을 추적하기 위해 텔로미어 길이가 정상적인 세포, 노화 상태에 있는 세포, ALT가 활성화된 이후의 세포 등 다양한 시점의 생쥐 배아줄기 세포에 유전체, 전사체, 단일세포 전사체, 단백질체 분석 등 다양한 오믹스 기법을 활용했다. 이를 통해 ALT 세포의 분자적인 특징을 규명하는 데 성공했다. 연구팀은 "이번 연구를 통해 인간 암 세포에서 또 다른 형태의 텔로미어가 존재할 가능성이 드러났다“며 ”텔로미어라는 개념이 염색체 끝 부분의 반복서열구조와 텔로머레이즈 효소로 이루어진 단순 공식이 아니라 염색체 끝을 보호하는 다양한 기전을 총칭하는 말로 확장되는 데 기여하게 됐다"고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업, 중견연구자지원사업 지원으로 수행되었다.세포 분열에 의한 텔로미어의 변화와 ALT 기전 활성화 설명 모델
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- 작성일2021-03-02
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아주대학교 연구진이 ‘꿈의 신소재’ 그래핀에서 나타나는 새로운 광학 현상을 규명해냈다. 이에 2차원 물질 기반의 초고속 광신호 처리나 양자 통신, 양자 센싱 등 양자기술 분야에 활용할 수 있을 전망이다.염동일 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽) 연구팀은 단층 그래핀 두 장을 뒤틀어 포개었을 때 큰 폭 향상된 비선형 광신호가 발생함을 규명했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘두 겹 그래핀에서 뒤틀림 각도 조절을 통한 향상된 삼차조화파 발생(Enhanced third-harmonic generation by manipulating the twist angle of bilayer graphene)’이라는 제목의 논문으로 광학 분야 국제 학술지 <빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications) IF=13.714, IF(%)=2.577> 1월21일자 온라인판에 게재됐다.이번 연구에는 아주대 대학원의 하성주(박사과정, 사진 가운데), 박남훈(박사졸업, 사진 오른쪽) 씨가 제1저자로 참여했고 아주대 이재현 신소재공학과 교수, 유영동 화학과 교수, 박지용 물리학과 교수, 안광준 대학원 에너지시스템학과 교수와 서울시립대학교 정재일 교수(물리학과)도 함께 했다. 단일 탄소 원자층으로 이뤄진 대표적 2차원 물질인 그래핀(graphene)은 높은 전도성과 투명성 뿐 아니라 유연성까지 갖추고 있어 차세대 전기소자 및 광학소자의 기반이 되는 미래 소재로 주목받아 왔다. 단층 그래핀 위에 또 다른 단층 그래핀을 비스듬하게 겹쳐 쌓으면 무아레 무늬(Moire pattern)에 의한 초격자(superlattice) 구조가 나타나게 되는데, 이때 뒤틀림 각도에 따라 저항이 아예 사라지는 초전도체나 전기가 전혀 통하지 않는 절연체 등 기존 단층 그래핀에서 볼 수 없었던 독특한 물리현상이 관측되면서 최근 큰 주목을 받고 있다. 무아레 무늬란, 촘촘한 주기를 가지는 그물이나 옷감 두 장을 비스듬히 겹칠 때 본래 주기보다 매우 큰 주기를 가지고 형성되는 초격자 무늬를 말한다.염동일 교수 연구팀은 강한 세기의 빛이 뒤틀린 두 겹 그래핀에 입사할 때 발생하는 비선형 광학 현상에 주목했다. 특히 두 겹 그래핀의 무아레 초격자 구조에 의하여 전자 상태밀도의 반 호프 특이점(van Hove singularity, 고체 물리 분야에서 전자의 상태밀도 함수가 봉우리 모양의 불연속성을 가지는 지점)이 형성되는데, 특이점 사이의 에너지 간극이 입사하는 빛 에너지의 세 배가 될 때 크게 향상된 삼차조화파가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 나아가 전기적인 제어를 통해 단층 그래핀 대비 최대 60배까지 향상된 비선형 광 파장 변환 신호를 얻을 수 있었다.염동일 교수는 “이번 연구를 통해 그래핀의 적층 각도가 2차원 물질의 비선형 광 특성을 제어하고 향상시키는 새로운 변수가 될 수 있음을 최초로 밝혀냈다”며 “앞으로 2차원 물질의 비선형 광특성을 활용한 초고속 광신호 처리나 양자기술 분야의 광원으로 응용하는데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.(왼쪽)뒤틀린 두 겹 그래핀의 광학현미경 사진. 각각의 색깔은 서로 다른 회전 각도로 적층된 구역을 나타낸다. (오른쪽)두 겹 그래핀에서 측정된 삼차 조화파 발생 이미지
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- 작성일2021-02-26
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