A wet-tolerant adhesive patch inspired by protuberances in suction cups of octopi
Nature, 546, 396-400.

Q. 선정된 연구성과의 내용과 의의는 무엇인가요?

문어 빨판의 독특한 돌기 원리를 밝히고, 이를 모사하여 습한 환경에서도 접착제 없이 탈부착할 수 있는 고점착 패치 소재를 세계 최초로 개발하였다. 기존의 화합물로 만든 점착 소재들은 젖은 표면에서 점착력이 사라지거나 끈적이는 오염물을 남기는 등의 문제를 안고 있다. 연구팀은 문어의 빨판 내부에 존재하는 입체 돌기구조에 주목하여 문어의 점착 메커니즘을 최초로 규명하였다. 그리고 이를 공학적으로 디자인·분석·모사하여 다양한 환경(건조하거나 습한 표면, 물 속, 굴곡진 피부 등)에서 반복적으로 탈부착(10,000회 이상) 할 수 있으며 오염물을 남기지 않는 고점착 패치를 개발하였다.

산업적으로 오염물을 남기지 않는 문어빨판 모사 점착 소재는 청정 반도체 및 디스플레이 공정의 이송/고정 시스템 및 전자부품의 점착소재로 응용이 가능하며 산업적 파급력 및 잠재력이 높으며, 경제적 가치가 매우 크다고 할 수 있다. 사람의 피부와 같이 거칠고 유분이 존재하는 표면에서도 효과적인 점·접착력을 가지며, 추후 피부부착 의료용 생체신호 모니터링 소자의 부착소재 및 약물을 로딩 가능한 창상치료 패치로 적용될 수 있을 것을 기대된다.

Q. 해당 연구분야의 최신 연구의 흐름은 어떤가요?

자연에 존재하는 계층적 미세구조물은 연꽃잎과 같은 초소수성 표면, 게코도마뱀 발처럼 끈적이지 않고 고점착을 갖는 표면, 기계적으로 강도가 높으며 물을 포집하는 거미줄 등을 가능하게 한다. 이러한 자연에 존재하는 다양한 미세 구조물은 표면과 끊임없이 기계적, 물리적, 생물학적 상호작용을 하고 있으며, 최근에는 자연에서 지혜를 배워 모방하고 응용하는 생체모방공학(biomimetics) 연구들이 각광을 받고 있다.

또한 최근 반도체 공정 및 소재 기술과 의료용 소재 기술의 시장이 커짐에 따라 건조하거나 습한 반도체 및 유리 표면 또는 굴곡진 피부표면에 높은 점착력을 가지며 반복적으로 탈부착 후에도 오염물을 남기지 않는 점착소재 개발의 필요성이 커지고 있다. 하지만 화합물 기반 접착제를 포함한 기존에 개발된 점착 소재들은 물속이나 젖은 표면과 땀에 의한 습한 피부에 접착력이 급격하게 저하되는 문제점이 있거나, 청정을 요구하는 유리 및 반도체 그리고 피부 표면에 오염물을 남기는 문제점들이 있다. 또한 기존의 점착 소재들은 습한 환경에서 반복적인 탈부착이 불가능하다는 한계점이 존재한다. 이러한 맥락에서 최근 젖은 표면 환경에서도 높은 점착력을 유지하면서 표면의 오염을 최소화하는 새로운 개념의 점착 소재 개발이 요구되고 있다. 이는 청정 반도체/디스플레이의 이송/고정 소재, 모바일 디스플레이 패키징 점착 부품, 웨어러블 디바이스 구현을 위한 피부/소자 접합용 건식 접착 시스템 및 의료용 패치 등의 전도유망한 산업에 응용될 수 있다.

Q. 함께 진행한 연구진의 소개를 부탁합니다.

본 연구는 용액 공정 기반의 삼차원구조 패터닝 기술을 통하여 생체모사 연구를 주도한 백상열, 김다완 석박통합 과정 학생과, 세포 및 조직공학의 전문가인 성균관대 방석호 교수와 이태진 박사와의 융합연구로 진행이 되었다.

특히 1저자로써 연구를 진행한 백상열 학생은 화학공학 기반의 고분자 소재 및 공정을 깊이 있게 연구하였으며, 이를 바탕으로 생체모사공학에 접목하였고, 또한 자연의 다양한 이론 및 현상에 대한 탐구심으로 문어를 모사한 신개념 생체모사 습한 환경 접착제의 연구개발을 적극적으로 주도하였다.

나아가, 세포 및 조직공학 연구를 주도하는 성균관대 방석호 교수 연구실과의 협업을 통하여 본 문어빨판 모사 고점착 소재의 상처치료 피부패치의 성능을 확인하였다. 방석호 교수와 이태진 박사는 본 개발 패치의 피부점착 및 수분 조절과 피부 상처 재생의 상관관계를 분석하여 본 연구의 응용 가능성을 보여주었다.

사진. 방창현 교수(교신저자, 가운데), 백상열 연구원(제1저자, 우측), 김다완 연구원(공동저자, 좌측)

Q. 현재 해당 연구분야의 한계는 무엇인지, 향후 연구방향과 계획이 궁금합니다.

본 연구는 습한 환경 및 피부표면에서 끈적이는 화학 접착제 없이 반복적으로 탈부착이 가능한 고점착 패치 소재를 개발한 것으로, 청정 전자소자의 공정, 패키징 소재 산업과 의료용 패치, 진단 치료용 웨어러블 디바이스, 장기 조직 봉합 및 치료용 패치 등 점착과 관련된 다양한 분야에 획기적인 원천 기술을 제공할 것으로 기대된다.

Q. 평소 연구주제에 대한 선택과 아이디어를 어떻게 얻으시는지?

평소 자연계의 독특한 시스템에 많은 관심이 있었으며, 즐겁게 연구한 결과가 좋은 성과로 연결된 것 같다. 박물관이나 생체 학습관도 아닌, 근처 마트에서 구입한 문어 빨판에서 논문의 입체 미세구조를 직접 눈으로 관찰하였을 때, 과학연구에 대한 모티브가 멀리 동떨어진 것이 아닌 우리의 주변에서 일어나고 있는 현상이라는 것을 알 수 있었다. 또한 이 연구결과의 구조는 기초적인 나노/마이크로 공정의 학습과정 중, 버려지는 실패한 샘플에서 발견하였다. 실패하였다고 생각한 실험에서 의미를 찾는 것이 더욱 창의적일 수 있고, 다른 관점에서 현상을 관찰해 보는 것이 좋은 연구가 될 수 있다는 것을 느꼈다.

Q. 과학자로서 연구 활동 중 아쉬운 점이나 우리의 연구 환경 개선에 관한 의견이 있으시다면?

창의적이고 자유로운 커뮤니케이션, 집중력, 그리고 근성을 가지고 노력하는 분위기가 좋은 결과로 이어진 것 같다.

Q. 같은 분야를 연구하려는 학생/후학들에게 도움이 되는 말씀을 부탁드립니다.

과학과 공학이 어렵고 복잡한 부분도 있지만, 다양한 자연 현상들에 순수하게 재미를 붙이면 흥미롭게 연구할 수 있을 것 같다. 학생들이 주도적으로 연구하는 자세로 본인이 즐거워하는 부분을 찾고, 꼼꼼한 정리를 통하여 간과하기 쉬는 것들에서 의미를 찾는 훈련을 쌓는 것이 중요한 것 같다. 끝으로, 서두르지 말고 꾸준히 근성 있게 연구를 즐겼으면 좋겠다.

Q. 그 외 추가하고 싶은 말씀 또는 바람이 있다면?

연구자들에게 좋은 정보를 공유할 수 있게 해준 BRIC에 감사드린다.

< 2017 국내 바이오 연구성과 Top 5's는 다카라코리아바이오메디칼㈜의 후원으로 진행되었습니다. >

관련 사이트 : 2017 국내 바이오 성과ㆍ뉴스 Top 5's, 한빛사 등록 논문