수명연장: 끈적끈적한 반도체로 더 나은 심장 박동 조절기가 탄생할 수 있다.

 

생체전자공학의 획기적인 발전으로 과학자들은 부드럽고 유연한 반도체를 만들어냈다.

전자 장치를 생체 조직과 연결하는 데 이상적인 재료는 부드럽고 늘어나며 조직 자체만큼 물을 좋아한다. 간단히 말해 하이드로젤이다.

 

한편, 심장 박동 조절기, 바이오 센서, 약물 전달 장치와 같은 생체 전자 공학의 핵심 재료인 반도체는 전통적으로 단단하고 부서지기 쉬우며 물을 싫어하는 것으로 알려져 있다.

 

사이언스에 게재된 논문은 오랫동안 연구자들을 괴롭혀 온 이 문제를 해결했다. 그 결과 물 속에서 해파리처럼 펄럭이는 푸른색 젤이 되었지만 생체 조직과 기계 간에 정보를 전달하는 데 필요한 엄청난 반도체적 능력을 유지한다.

즉, 반도체와 하이드로젤을 동시에 갖춘 이 재료는 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 말한다.

"이렇게 하면 조직과 직접 접촉할 때 서로 변형되어 매우 친밀한 생체 인터페이스를 형성할 수 있다."

 

이 논문은 주로 생화학 센서 및 심장 박동 조절기와 같은 이식형 의료 기기가 직면한 과제에 초점을 맞추었지만, 다이는 이 소재가 피부에서 더 나은 판독 값이나 상처 치료 개선과 같은 많은 잠재적인 비외과적 응용 분야도 가지고 있다고 말한다.

 

"매우 부드러운 기계적 특성과 살아있는 조직과 유사한 높은 수준의 수화를 가지고 있다."라고 연구를 주도한 시카고 대학교 프리츠커 분자 공학 대학의 조교수인 시홍 왕(Sihong Wang)이 말했다. "하이드로겔은 또한 매우 다공성이어서 다양한 종류의 영양소와 화학 물질을 효율적으로 확산 수송할 수 있다.

"이 모든 특성이 결합되어 하이드로겔은 아마도 조직 공학 및 약물 전달에 가장 유용한 소재가 될 것이다."

 

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

 

그러나 반도체는 일반적으로 물에 용해되지 않는다. 연구자들은 공정을 강제로 진행하기 위한 새롭고 시간 소모적인 수단을 찾기보다는 이 문제를 다시 검토했다.

"우리는 '좋다, 관점을 바꿔보자'고 생각하기 시작했고 용매 교환 공정을 생각해냈다."라고 다이는 말한다.

 

그들은 반도체를 물에 용해하는 대신 물과 섞일 수 있는 유기 용매에 용해했다. 그런 다음 용해된 반도체와 하이드로젤 전구체로 젤을 제조했다.

 

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

 

팀이 특허를 받고 UChicago의 폴스키 창업 및 혁신 센터를 통해 상용화하고 있는 하이드로젤 반도체는 반도체와 하이드로젤을 합친 것이 아니다. 반도체와 하이드로젤을 동시에 가진 하나의 소재이다.

 

"반도체 특성과 하이드로젤 디자인을 모두 갖춘 하나의 조각일 뿐이므로 이 전체 조각은 다른 하이드로젤과 똑같다."라고 왕은 말한다.

그러나 다른 하이드로젤과 달리 이 새로운 소재는 실제로 두 영역에서 생물학적 기능을 개선하여 하이드로젤이나 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, 하이드로젤은 다공성이 매우 높아 새로운 소재는 생체 감지 반응을 높이고 광 변조 효과를 강화한다. 생체 분자가 필름으로 확산되어 상호 작용할 수 있으므로 감지 중인 바이오마커의 상호 작용 부위가 크게 증가하여 감도가 높아진다.

 

감지 외에도 분자의 효율적인 운반으로 인해 조직 표면에서 치료 기능을 위한 빛에 대한 반응도 증가한다. 이는 빛을 비추면 더 효율적으로 가열되어 치유 속도를 높이는 데 도움이 되는 광 작동 심장 박동 조절기나 상처 드레싱과 같은 기능에 도움이 된다.

"이것은 '1 더하기 1은 2보다 크다'는 종류의 조합이다." 왕이 농담을 건넸다.

 

이 연구에 대한 자금은 미국 국립 보건원, 미국 해군 연구소, 시카고 대학교 창업 기금에서 지원되었다.

출처: 시카고 대학교의 폴 달링