생체 전자 하이드로젤

 

시카고 대학의 새로운 하이드로젤 반도체는 생체 전자공학에 획기적인 솔루션을 제공하여 조직과 같은 특성을 높은 전자 기능과 혼합하고 의료 기기 통합 및 효과를 향상시킨다.

전자 장치를 살아있는 조직과 연결하는 데 완벽한 재료는 부드럽고 늘어나며 조직 자체만큼 물을 좋아하기 때문에 하이드로젤이 이상적인 선택이다. 반면, 심장 박동 조절기, 바이오 센서, 약물 전달 장치와 같은 생체 전자공학의 핵심 재료인 반도체는 단단하고 부서지기 쉬우며 소수성이어서 하이드로젤이 기존에 만들어진 방식으로는 용해될 수 없다.

 

생체 전자공학의 획기적인 발전

사이언스에 게재된 새로운 연구에서 시카고 대학의 프리츠커 분자 공학 대학의 과학자들은 하이드로젤을 만드는 방식을 혁신하여 하이드로젤 형태로 강력한 반도체를 구축함으로써 이러한 오랜 장벽을 극복했다. 조수가 이끄는 시홍 왕(Sihong Wang) 교수의 연구 그룹이 만든 결과물은 해파리처럼 물 속에서 물결치는 푸른색 젤이지만 생체 조직과 전자 장치 간에 정보를 전달하는 데 필요한 엄청난 반도체 능력을 유지한다.

 

새로운 소재의 특성 및 응용 분야

이 소재는 조직 수준의 탄성 계수가 81kPa로 부드럽고, 변형률이 150%이며, 전하 캐리어 이동도가 최대 1.4cm2 V-1 s-1이다. 즉, 반도체와 하이드로젤을 동시에 갖춘 이 소재는 이상적인 생체 전자 인터페이스에 필요한 모든 요건을 충족한다.

 

새로운 논문의 첫 번째 저자인 야하오 다이(Yahao Dai)는 "이식형 생체 전자 장치를 만들 때 해결해야 할 과제 중 하나는 조직과 같은 기계적 특성을 가진 장치를 만드는 것이다."라고 말했다. "그렇게 하면 조직과 직접 인터페이스될 때 함께 변형되고 매우 친밀한 생체 인터페이스를 형성할 수 있다."

출처: 시카고대 프리츠커 분자공학과 / 존 지크

 

논문은 주로 생화학 센서와 심장 박동 조절기와 같은 이식형 의료 기기가 직면한 과제에 초점을 맞추었지만, 다이는 이 소재가 피부 판독 능력 향상이나 상처 치료 개선과 같은 많은 비외과적 응용 분야를 가지고 있다고 말했다.

 

UChicago PME 조교수 시홍 왕(Sihong Wang)은 "매우 부드러운 기계적 특성과 생체 조직과 유사한 높은 수준의 수화를 가지고 있다."라고 말했다. "하이드로젤은 또한 매우 다공성이어서 다양한 종류의 영양소와 화학 물질의 효율적인 확산 수송을 가능하게 한다. 이러한 모든 특성이 결합되어 하이드로젤은 아마도 조직 공학 및 약물 전달에 가장 유용한 소재가 될 것이다."

 

혁신적인 생산 기술

하이드로젤을 만드는 일반적인 방법은 재료를 취하고 물에 녹인 다음 겔화 화학 물질을 첨가하여 새로운 액체를 겔 형태로 부풀리는 것이다. 일부 재료는 물에 간단히 녹고, 다른 재료는 연구자가 공정을 조정하고 화학적으로 수정해야 하지만 핵심 메커니즘은 동일하다. 물이 없으면 하이드로젤도 없다.

 

그러나 반도체는 일반적으로 물에 녹지 않는다. UChicago PME 팀은 공정을 강제로 시도하는 새롭고 시간이 많이 걸리는 수단을 찾기보다는 이 문제를 다시 검토했다.

"우리는 '좋아, 관점을 바꿔보자'고 생각하기 시작했고 용매 교환 공정을 생각해냈다."라고 다이가 말했다.

 

그들은 반도체를 물에 녹이는 대신 물과 섞일 수 있는 유기 용매에 녹였다. 그런 다음 용해된 반도체와 하이드로젤 전구체로 젤을 제조했다. 그들의 젤은 처음에는 하이드로젤이 아니라 유기젤이었다.

"궁극적으로 하이드로젤로 만들기 위해 전체 재료 시스템을 물에 담가 유기 용매를 녹이고 물을 들어오게 했다."라고 다이가 말했다.

이러한 용매 교환 기반 방법의 중요한 이점은 다양한 기능을 가진 다양한 유형의 폴리머 반도체에 광범위하게 적용할 수 있다는 것이다.

 

반도체와 하이드로젤의 이점 결합

팀이 특허를 취득하고 UChicago의 폴스키 창업 및 혁신 센터를 통해 상용화하고 있는 하이드로젤 반도체는 반도체와 하이드로젤을 합친 것이 아니다. 반도체이자 하이드로젤인 하나의 소재이다.

 

"반도체 특성과 하이드로겔 디자인을 모두 갖춘 하나의 조각일 뿐이므로 이 조각 전체가 다른 하이드로겔과 똑같다."라고 왕은 말했다.

그러나 다른 하이드로겔과 달리 이 새로운 소재는 실제로 두 영역에서 생물학적 기능을 개선하여 하이드로겔이나 반도체가 단독으로 달성할 수 있는 것보다 더 나은 결과를 만들어냈다.

 

첫째, 매우 부드러운 소재가 조직과 직접 결합하면 의료 기기를 이식할 때 일반적으로 유발되는 면역 반응과 염증이 줄어든다.

 

둘째, 하이드로겔은 매우 다공성이기 때문에 이 새로운 소재는 생체 감지 반응을 높이고 광 변조 효과를 강화한다. 생체 분자가 필름으로 확산되어 체적 상호 작용을 할 수 있으므로 감지 중인 바이오마커의 상호 작용 부위가 크게 증가하여 감도가 높아진다. 감지 외에도 조직 표면에서 치료 기능을 위한 빛에 대한 반응도 산화환원 활성 종의 효율적인 수송으로 인해 증가했다. 이는 빛으로 작동하는 심장 박동 조절기나 빛으로 더 효율적으로 가열하여 치유 속도를 높이는 상처 드레싱과 같은 기능에 도움이 된다.

 

왕은 "그것은 '1 더하기 1은 2보다 크다'는 종류의 조합이다."라고 농담을 했다.