항암 치료가 어려운 이유는 암세포를 파괴할 수 있는 성능이 좋아도 그 주변 조직도 함께 괴사시킬 가능성이 높기 때문이다. 그렇다고 덜 독한 항암제를 사용하면 암세포가 죽지 않고 살아남아 퍼져나갈 수 있다. 만약 항암제 성분을 보유한 입자들을 표적 암세포에만 집중시켜 부작용 없이 약효를 극대화할 수 있다면, 암 치료에 획기적인 발전을 가져오게 될 것이다.

IBS 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수)은 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 에릭 루이첸 (Erik Luijten) 교수 연구팀과 함께, 스스로 다양한 특징을 보이도록 변화하는 스마트 물질을 개발했다. 인공적으로 제작한 미세입자들이 생명체처럼 자발적으로 움직이며 상호작용을 통해 조적적인 형태를 갖추고 행동했다.

▲ 전기장 안의 주파수 세기에 따라 다양하게 형성되는 콜로이드 입자 구조체
- 콜로이드 용액에 두 개의 전극을 꽂고 일정 진동수 이상의 교류 전압을 걸어, 전극에 수직축으로 전기장을 가하였다. 증류수 속에 무질서하게 채워져 있던 콜로이드 입자들은 전기장이 가해졌을 때 증류수의 전하와 상호작용했다. 전기적 성질이 다른 야누스입자 양면에서 정전기력이 불균형하게 형성됨에 따라 입자들은 자발적으로 이동했다.

연구진은 미세한 유리구체의 한 쪽 면에만 금속박막을 입혀 양 쪽 면이 각각 다른 정전기력을 갖는 ‘야누스입자’를 만들었다. 콜로이드 용액에 두 개의 전극을 꽂고 일정 진동수 이상의 교류 전압을 걸어, 전극에 수직축으로 전기장이 가해졌다. 증류수 속 무질서하게 채워져 있던 콜로이드 입자들은 전기장을 가하자 증류수의 전하들과 상호작용을 했다. 전기적 성질이 다른 야누스입자 양면에서 정전기력이 불균형하게 형성됨에 따라 입자들은 자발적으로 이동했다.

특히, 이번 연구는 전위차만을 이용해 생명체와 유사한 능동 입자(active particles)를 구현해 주목받고 있다. 연구진은 전기장 안의 주파수만을 조정하여 마이크로 크기 입자들의 상호작용을 자유자재로 구현해 냈다. 전기장 안 입자들은 주파수에 따라 서로 밀어내거나 끌어당기는 양상을 보였고, 주파수가 높아지자 보다 강한 상호작용을 나타냈다.

▲ 콜로이드 용액 속에서 전하의 비균형성으로 인해 다양하게 형성되는 콜로이드 자기조립 구조체

개별 입자간 역동적인 상호작용은 규칙적이면서도 다양한 군집형태로 ‘유영’(Swim)하는 형태를 나타냈다. 길게 꼬리를 만들거나(Chains), 큰 무리를 이루어 일정한 방향으로 이동하거나(Swarms), 촘촘하게 모여 다수의 개별적인 군락(Clusters)을 형성하기도 했다. 연구진은 전위차만을 조절함으로써 원하는 형태의 입자들의 무리 형성을 재연할 수 있었다.

이러한 스마트 물질의 원리를 활용하면, 약물을 함유한 입자들이 표적 위치에서 군집을 형성하도록 조정함으로써, 부작용 없이 국소 환부에서만 약효가 발생하도록 유도할 수 있게 된다. 더 나아가 생명체처럼 스스로 움직이며 조직적으로 팀워크를 이룰 수 있는 마이크로 로봇의 개발에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

스티브 그래닉 단장은 “이번 연구를 통해 다양한 물성을 동시에 가지고 있으면서 외부 환경 변화에 따라 원하는 성질이 발현되는 스마트물질 연구가 활기를 띌 것이다”며 연구 성과의 의미를 강조했다.

연구결과는 생명과학 및 화학분야 국제 저명 학술지인 ‘네이처 머티리얼즈 (Nature Materials, IF 38.891)’ 온라인판에 7월 12일 새벽 0시(한국시간)에 게재됐다.