고려대, 세계 최초 자가 치유와 생분해성을 지닌
탄성적 고분자 전도 복합체 소자 개발

방광 질환 치료 등 바이오 전자 시스템 추가 개발로 이어져

▲ 방광의 생리적 기능을 모니터링하고 조절하기 위해 방광에 통합된 자가치유 E-web의 개념도.

고려대학교(총장 김동원)가 자가 치유가 가능한 생분해성 탄성적 고분자 전도 복합체 소자를 세계 최초로 개발했다.

본 연구는 세계적인 학술지 ‘Science Advances (IF=11.7)’지에 지난 5일 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Stretchable and biodegradable self-healing conductors for multifunctional electronics

* 저널명 : Science Advances (Sci. Adv. 10, 2024, eadp 9818)

고려대-KIST 융합대학원의 황석원 교수 연구팀은 생분해성 고분자 재료와 가역적 결합을 갖는 재료를 기반으로 생분해성 탄성 고분자를 합성했다. 그리고 전도성 고분자에 다양한 첨가제를 추가했다. 이 두 소재의 결합을 통해 안전성이 뛰어나고, 손상에도 빠르게 회복되는 생분해성 탄성 전도체 소자 개발에 성공했다.

이 소자는 절단 후에도 1,000 S/cm의 높은 전기 전도도를 30초 안에 회복하며, 기계적 성능은 상온에서 약 12시간 내 복구된다.

연구팀은 더 나아가 해당 소재를 활용해 방광의 근육 움직임을 연구하여, 전기자극을 통해 배뇨를 유도할 수 있는 전자 시스템을 추가로 개발했다. 이 시스템은 방광 근육의 활동을 기록하고 내부 압력을 측정하는 센서와 전기자극을 제공하는 전극으로 구성된다. 또한 비봉합 결합이 가능해 출혈로 인한 감염 예방과 수술이 용이하다.

연구진이 개발한 시스템은 방광의 팽창과 수축 상황에서도 배뇨 신호를 효과적으로 감지했고, 전기자극을 통해 자연스러운 배뇨를 유도했다. 또한 일부러 소자에 손상을 줬음에도 불구하고, 단 5초 만에 원래의 기능을 회복했다.

연구를 주도한 황석원 교수는 “이번에 개발한 소자는 일정 기간 후 생체 환경에서 자연 분해되기 때문에, 생체 삽입형 전자 장치, 친환경 전자소자, 의료 및 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 소자의 성능과 안정성을 크게 향상하는 데 활용될 것이다”라고 기대감을 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업과 STEAM 연구사업(미래유망융합기술파이오니어)의 지원을 받아 수행됐다.

[첨부 1] 연구진 사진 

▲ (왼쪽부터) 고려대 융합에너지공학과 겸 KU-KIST 융합대학원 황석원 교수, KU-KIST 융합대학원 장태민 박사(제1저자), 한양대 신소재공학과 한원배 박사 (제1저자)
 

[첨부 2] 연구논문이미지 

[그림1 설명]
a. 자가치유가 가능한 생분해성 탄성 고분자(SH-PLCL) 및 전도성 복합체(SH-CC)로 구성된 습도/온도/촉각 센서가 통합된 자가치유 전자 트리. SH-CC의 수소 결합과 SH-PLCL의 이황화 결합 및 수소 결합이 실온에서 자가치유 기능을 가능하게 한다.  또한, SH-CC와 SH-PLCL 간의 상호침투와 수소 결합이 강한 접착력을 형성한다.  b. Capacitance-type 촉각 센서의 무게에 따른 신호감지 경향.  c. 4번의 인위적 손상과 자가치유 현상에 의한 전자 나무에 통합된 촉각 센서 어레이들의 기능회복 모니터링.

[그림2 설명]
a. 서로 다른 분자량(Mn)을 가진 폴리올 (polyol)로 합성된 SH-PLCL 필름이 PBS(pH 7)에서 시간에 따라 무게 비율이 변화하는 모습.  b,c. SH-PLCL의 분자량에 따른 응력-변형 곡선(b)과 DMA(동적 기계적 분석) 결과(c).  d. SH-PLCL3k 필름의 자가치유 과정: 준비 상태(좌상), 절단된 상태(중앙), 자가치유 후(우상), 늘어진 상태(하단).  e. 자가치유 후 구부리거나 비틀어진 SH-PLCL3k 필름의 광학 이미지.  f. SH-PLCL의 응력-변형 곡선: 원본(검정), 1시간(빨강), 3시간(파랑), 12시간(녹색) 자가치유 후.  g. 다양한 Mn 값을 가진 SH-PLCL 필름의 자가치유 후 12시간 동안 온도에 따른 기계적 특성 회복 효율.  h. 공기/물에서 1시간 동안 다양한 온도에서 자가치유된 SH-PLCL3k 필름의 자가치유 효율

[그림3 설명] 
a. 자가치유 기능을 갖는 전도성 탄성 복합체와 완벽한 절단 후의 자가치유 모습.  b,c. PEG (b) 와 P14[TFSI] (c) 함량에 따른 SH-CC의 전도도/신축성/자가치유 능력 변화.  d,e. 자가치유 전도성 탄성 복합체(SH-CC/SH-PLCL) 기반 배선의 절단 및 회복에 따른 LED의 점멸 거동 (d) 및 전기적 성능의 변화 (e).  f. 신축에 따른 SH-CC/SH-PLCL의 전도성 변화.  g. SH-PLCL를 포함한 다양한 기판과 SH-CC 간의 전단력(접합력) 측정.  h,i. Adhesive stiffness 에 대한 contact gap 변화의 도식화 (h) 및 시뮬레이션 결과 (i).  j. SH-CC/PLCL 대비 SH-CC/SH-PLCL 의 강한 초음파에 대한 높은 안정성.  k,l. 초음파 처리 전/후의 SH-CC/PLCL과 SH-CC/SH-PLCL 의 비저항 스펙트럼 (k) 및 순환 전압전류법 결과 (l).

[그림4 설명]
a. 방광의 생리적 기능을 모니터링하고 조절하기 위해 방광에 통합된 자가치유 E-web의 개념도.  b. 두 개의 감지/자극 전극과 스트레인 게이지를 특징으로 하는 자가치유 E-web의 광학 이미지. E-web의 양 끝에 위치한 두 개의 패치는 양면을 사포로 문질러 자가치유를 통해 방광에 봉합사 없이 부착할 수 있도록 했다.  c. 쥐의 방광에 이식된 자가치유 E-web의 사진.  d. 스트레인 센서의 변형에 따른 측정된 정전 용량 변화.  e. 방광의 채우기와 비우기 단계 동안 기록된 근전도(EMG) 신호.  f. 자연 배뇨와 전기 자극 동안의 방광 배출 효율 비교.  g. 방광 움직임에 대한 반복적인 반응 동안 자가치유 E-web과 압력 변환기를 사용하여 기록한 방광 내 압력, 변형, EMG 신호의 대표적 추적선(왼쪽), 고의적인 칼날 손상 후 전기적 기능 회복을 확대하여 보여줌(오른쪽).