기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대학교 석좌교수) 공동연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무(금-은나노복합체, Ag-Au nanocomposite)를 만드는데 성공하였다.

• 이번에 개발한 전도성 고무는 최대 840%까지 늘어나는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있어서 다양한 웨어러블 디바이스와 신체 삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
• 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 37.490)誌 온라인 판에 8월 14일 0시(한국시간)에 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 금(Au)이 입혀진 길이가 긴 은(Ag) 나노 와이어(금-은나노와이어)와 고무 성분인 SBS 엘라스토머¹⁾를 섞어 전도성 금-은나노복합체를 만들었다.

• 이번에 개발한 금-은나노복합체는 기존에 연구된 전도성 고무와 비슷한 전도도 영역에서 최고 840%의 신장력을 기록하고, 기존 은나노와이어 복합체의 문제였던 독성과 산화현상 문제도 해결하였다.
• 은 나노와이어는 높은 전도성과 안정적인 전기특성으로 각광받았으나 독성으로 인해 활용이 어려웠다. 이번 연구에서 길이가 긴 은나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단해 생체 친화성을 높였다. 또한, 물에 산화되기 쉬운 생체 환경 내에서도 오래 사용할 수 있는 내구성도 갖췄다.
• 연구진은 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 동물 실험을 진행했다. 그물 형태의 금-은나노복합체는 돼지의 심장을 감싸 심장 신호의 변화를 모니터링하고, 전기 자극을 주는데 성공했다. 넓은 면적이라 심장 움직임에 전혀 영향을 주지 않으면서도 부정맥 등 심장 이상이 있을 때 효과적으로 전기 자극을 가해 치료를 수행했다.

IBS 연구진이 이번에 개발한 금-은나노복합체는 움직임이 큰 피부 위에서도 안정적으로 전기를 전달할 수 있어 향후 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 획기적인 소재로 활용될 것으로 기대된다.

• 금-은나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다. 금-은나노복합체에 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능하다. 이때, 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점이다.

김대형 IBS 부연구단장은 "이번에 개발한 금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것"이라며 "피부에서나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용이 가능할 것"이라고 전망했다.

그림설명

▲ [그림 1] 금-은나노복합체 용액 준비 과정 및 나노복합체 제작 공정높은 전도성을 지니는 은나노와이어에 금을 입혀 금-은나노와이어를 합성하였다. 동시에 SBS (polyStyrene-Butadiene-Styrene) 고무, 헥실아민 (Hexylamine), 톨루엔과 섞어 금-은나노복합체 용액을 준비했다. 용액을 몰드에 넣어 상온에서 건조시키는 공정을 통해 상분리를 유도했고, 그물망 구조를 지닌 금-은나노복합체를 제작하였다.

▲ [그림 2] 금 코팅된 은나노와이어의 합성은나노와이어의 표면에 금을 균일하게 입혔다. 금을 표면에 입힐 경우 산화 반응 등이 일어나지 않아 안정적이다. 연구진은 강력한 산화제(H₂O₂)를 처리한 결과, 은나노와이어는 산화되었지만(그림 가장 오른쪽 위) 금을 입힌 은나노와이어(그림 가장 오른쪽 아래)는 산화되지 않았음을 실험으로 확인했다.

▲ [그림 3] 금-은나노와이어의 생체 적합성실험에서 은나노와이어에 노출된 세포는 심각한 변형이 일어난데 반해 금-은나노와이어에 노출된 세포는 건강하다. 쥐의 심장에 은나노와이어, 금-은나노와이어, 금-은나노와이어복합체를 심고 관찰한 결과 은나노와이어를 심은 쥐에서는 상대적으로 많은 양의 은이온이 장기에서 검출되었지만 금-은나노와이어, 금-은나노와이어 고무복합체를 심은 쥐에서는 상대적으로 적은 양의 은이온이 검출되었다.

▲ [그림 4] 금-은나노와이어와 SBS 고무의 상분리와 그로 인한 신축성 향상금-은나노복합체 용액을 상온에서 건조시키면 용매인 톨루엔과 헥실아민의 상분리가 일어난다. 금-은나노와이어의 표면은 헥실아민과 친화력이 있어 헥실아민 쪽으로 이동하고, 톨루엔과 친화력이 있는 SBS 고무 분자들은 톨루엔 쪽으로 이동한다. 이후 헥실아민과 톨루엔이 증발하면 금-은나노와이어가 많은 부분과 SBS가 많은 부분으로 상분리가 일어나게 된다. 이렇게 상분리된 금-은나노복합체는 신장 에너지를 효율적으로 분산시켜 840 %의 매우 우수한 신축성을 지닌다.

▲ [그림 5] 금-은나노복합체를 이용한 웨어러블 바이오일렉트로닉스.연구진이 만든 금-은나노복합체는 피부에서의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기 자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의 움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용가능하다.

▲ [그림 6] 금-은나노복합체를 이용한 다채널 심장 메쉬 디바이스.여러 층으로 구성된 그물 형태로 금-은나노복합체를 설계해 실험 동물인 돼지의 심장에 감아 심장 전체의 신호를 읽는데 성공했다. 다채널 전극 층을 갖고 있어 어느 부위에 병변이 있는지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에 전기 자극을 가해 심장 기능의 회복에 도움을 줄 수도 있다.