전기 플라스틱: 미래의 웨어러블과 임플란트에서 기술과 신체를 결합한다.
최근 몇 년 동안 웨어러블 및 이식형 기술 개발에 상당한 진전이 있었지만 대부분의 전자 재료는 단단하고 견고하며 독성 금속이 특징이다. "소프트 전자 장치"를 만드는 다양한 접근 방식이 등장했지만 내구성이 뛰어나고 전력 효율이 높으며 제조하기 쉬운 재료를 찾는 것은 상당한 과제이다.
유기 강유전체 재료는 자발적 분극을 나타내기 때문에 유망한데, 이는 특정 방향을 가리키는 안정적인 전기장을 갖기 때문이다. 이 분극은 외부 전기장을 적용하여 뒤집을 수 있으므로 기존 컴퓨터의 비트처럼 작동할 수 있다.
가장 성공적인 소프트 강유전체는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)라는 재료로, 웨어러블 센서, 의료 영상, 수중 내비게이션 장치, 소프트 로봇과 같은 상업용 제품에 사용되었다. 하지만 PVDF의 전기적 특성은 고온에 노출되면 파괴될 수 있으며, 분극을 뒤집으려면 고전압이 필요하다.
이제 네이쳐에 게재된 논문에서 노스웨스턴 대학교의 연구자들은 이 재료를 펩타이드라는 짧은 아미노산 사슬과 결합하면 전력 요구 사항을 극적으로 줄이고 내열성을 높일 수 있음을 보여주었다. 그리고 이 재료에 생체 분자를 통합하면 전자 장치를 신체와 직접 연결할 수 있는 가능성이 열린다.
이 팀은 새로운 "전기 플라스틱"을 만들기 위해 펩타이드 친수성 분자라고 알려진 유형의 분자를 사용했다. 이 분자는 물을 밀어내는 구성 요소를 특징으로 하여 복잡한 구조로 자체 조립된다. 연구자들은 이 펩타이드를 짧은 PVDF 가닥에 연결하고 물에 노출시켜 펩타이드가 서로 뭉치게 했다.
이렇게 하면 가닥이 길고 유연한 리본으로 합쳐진다. 연구팀은 테스트에서 이 재료가 섭씨 110도의 온도를 견딜 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 이전 PVDF 재료보다 약 40도 더 높다. 무게 기준으로 49%가 펩타이드로 구성되었음에도 불구하고 재료의 분극을 전환하는 데 필요한 전압도 상당히 낮았다.
연구자들은 이 소재가 에너지나 정보를 재료의 편광에 저장할 수 있을 뿐만 아니라 생체적합성도 있다고 사이언스에 말했다. 즉, 생체 신호를 모니터링하는 웨어러블 기기부터 심장 박동 조절기를 대체할 수 있는 유연한 임플란트에 이르기까지 모든 것에 사용될 수 있다는 의미이다. 이 펩타이드는 세포 내부의 단백질에 연결되어 생물학적 활동을 기록하거나 자극할 수도 있다.
한 가지 과제는 PVDF가 생체적합성이 있지만 소위 "영구 화학 물질"로 분해될 수 있다는 것이다. 이 화학 물질은 수세기 동안 환경에 남아 있으며 연구에 따르면 건강 및 환경 문제와 관련이 있다. 연구자들이 재료를 만드는 데 사용한 다른 여러 화학 물질도 이 범주에 속한다.
UNC 채플 힐의 프랭크 라이프파르트는 사이언스에 "이러한 발전으로 다른 유기 폴리머에 비해 여러 가지 매력적인 특성이 가능해졌다."라고 말했다. 하지만 그는 연구자들이 분자를 아주 소량만 테스트했으며 이를 확장하는 것이 얼마나 쉬운지는 불분명하다고 지적했다.
하지만 연구자들이 이 접근 방식을 더 큰 규모로 확장할 수 있다면 우리 몸과 기술 간의 인터페이스에서 수많은 흥미로운 새로운 가능성을 가져올 수 있다.
