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Research

초음파와 마찰전기에 반응해 스스로 약물을 주입하는 스마트 패치 개발

  • 조회. 276
  • 등록일. 2021.11.30
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 박치영 교수팀, 극소량의 약물을 장기‧주기적으로 전달할 수 있는 삽입부착형

패치 개발

저전력/초음파 감응 초분자 나노 소재를 통한 고성능 의료용 소자 적용 가능성 제시해

 

 

[DGIST 에너지공학전공 박치영 교수(좌), 최경현 석박통합과정생(우)]

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 박치영 교수팀이 극소량의 약물의 장기적이고 주기적인 전달을 가능케 하는 초분자 복합체를 이용해 몸 속 주입형 젤과 피부 부착형 패치 개발에 성공했다. 이번에 개발된 복합체는 저전력 및 초음파를 감응하는 나노 소재로 제작돼, 향후 고성능 의료용 소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 신호에 반응해서 특정 약물을 정해진 양만큼 방출하게끔 하는 복합체를 개발하는 것은 스마트 약물 전달 시스템 연구에서 많은 관심을 받아왔다. 하지만 이러한 복합체는 합성이 복잡하고, 거기에 정제 과정까지 거쳐야 할 뿐만 아니라, 다양한 자극에 감응해 정확한 양의 약물을 방출하도록 제작하는 데에 한계가 있어, 개발에 어려움이 있어왔다.

 이에 DGIST 에너지공학전공 박치영 교수팀은 탄닌산과 철이온의 배위 결합체가 단시간 내에 형성이 가능하다는 점을 이용해 복합체를 단시간 내에 제조하는데 성공했다. 박치영 교수팀은 2~50nm 사이의 구멍을 여러 개 갖는 물질인 메조포러스 실리카 나노입자에 약물을 담지(擔持) 시키고 여기에 배위 결합체를 코팅해, 약물 방출을 제어할 수 있도록 했다.

 또한 연구팀은 코팅된 나노입자가 전기 또는 초음파와 감응해 극소량의 약물을 선택적으로 방출할 수 있게 했으며, 이를 인체 내 삽입이 가능한 젤 형태 및 패치 형태로 제작했다. 그 결과, 연구팀은 복합체가 포함된 젤이나 패치가 초음파, 마찰전기와 같은 자극에 반응해 일정량의 약물을 방출하는 것이 가능한 것을 확인할 수 있었다.

 추가적으로, 개발된 복합체가 패치나 젤 형태로 삽입부착될 경우, 원격 또는 마찰전기와의 감응을 통해 약물의 방출량을 조절할 수 있다. 이는 배터리 없이 작동이 가능한 것을 의미해, 향후 웨어러블 소자 제작에 있어 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

 DGIST 에너지공학전공 박치영 교수는 이번에 개발한 기술은 전기 신호, 초음파, 응력, 마찰전기 등에 정교하게 감응하며 장기간 적정량의 약물전달이 가능한 원천 기술이다다양한 부착형 패치 및 삽입형 젤 시스템에서도 적용할 수 있을 것이라 말했다.

 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 사업과 나노 및 소재 기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 에너지공학전공 박치영 교수의 기존 연구를 바탕으로 최경현 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 나노 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS NANO’99() 온라인 게재됐다.

 

 

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연구결과개요 

Electro-Mechanochemical Gating of a MetalPhenolic Nanocage for Controlled Guest-Release Self-Powered Patches and Injectable Gels

Gyeonghyeon Choi, Eprillia Intan Fitriasari, and Chiyoung Park

(ACS NANO, on-line published on September 9th, 2021)

 

최근 마이크로칩, 마이크로 펌프 또는 센서 기반 유연 디바이스와 같은 스마트 약물 전달 시스템이 개발되고 있다. 그러나 이러한 스마트 약물 전달 디바이스는 복잡한 제조 과정을 거치며 다양한 자극에 감응하여 방출량을 조절하기에는 어려운 한계점을 가지고 있다. 또한 디바이스를 구동하기 위해 필요한 배터리는 웨어러블 및 임플란트 소자로써의 활용을 제한한다.

이러한 단점을 극복하기 위해 본 연구 그룹은 분자 게이트키퍼와 메조포러스 실리카 나노입자를 이용하여 전기-기계(Mechanoelectricity), 마찰 전기(Triboelectricity)와 같은 여러 자극에 정량적으로 감응하는 연성 젤 복합 소자를 간단하면서 단시간 내에 제조하였다. 탄닌산-철이온의 배위 결합 네트워크와 메조포러스 실리카 나노입자 표면과의 가역적 동적 결합 및 접착성으로 인해 지속적인 방출을 방지하고 전기 및 초음파에 의해 가역적 동적 결합이 반응하여 선택적으로 방출할 수 있을 뿐만 아니라 전압의 세기를 조절하여 약물 방출량을 조절할 수 있음을 발견하였다. , 탄닌산-철이온이 코팅된 실리카 나노입자를 하이드로젤 매트릭스에 분산하여 원격으로 방출량을 조절할 수 있는 경피 패치 및 생체 삽입 젤로써 활용 가능함을 제시하였다. 개발된 스마트 약물 전달 디바이스는 적은 양의 약물을 장기적으로 투약해야 하는 환자들을 위한 고성능 의료용 소자 적용에 활용될 것으로 보인다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

실리카 나노입자와 분자게이트 시스템을 통해 특정 자극에 반응하여 약물을 방출하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 대부분의 연구는 실리카 나노입자를 개질해야 하며 분자게이트 시스템을 만들기 위해서는 복잡한 합성 및 정제 과정을 거쳐야 하고 다양한 자극을 감응하기에는 어려움이 있다.

본 연구에서는 탄닌산-철이온을 활용하여 다양한 자극을 감응하여 정량적으로 방출할 수 있는 실리카 나노입자를 단시간 내에 간편하게 합성하고 이를 하이드로젤 시스템에 융합함으로써 경피 패치 및 생체 삽입젤로 활용가능함을 보였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

장기간 소량의 약물 투여를 필요로 하는 환자들에게 필요한 고성능 의료용 소자로써 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

장기적으로 약물을 담지/방출함에 있어 하이드로젤 네트워크는 수명이 길지 못 하다. 이는 하이드로젤의 구성성분은 대부분 수분으로 이루어져 있는데 수분은 시간이 지남에 따라 서서히 증발하기 때문이다. 따라서 수분증발을 방지하고 장기간 약물이 방출되지 않는 새로운 형태의 네트워크를 설계하고 구현 가능성을 확인하는 연구가 후속으로 진행될 필요가 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

실리카 나노입자와 분자게이트 시스템을 도입하여 특정 자극에 반응하여 약물을 방출하는 연구가 계속해서 보고되고 있다. 하지만 복잡한 제조과정과 까다로운 정제 과정으로 인해 대량으로 생산되어 의료용으로 사용되어지기에는 어려움이 있다. 간단하면서도 대량으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 자극에도 민감하게 반응하여 정량적으로 방출량을 조절할 수 있을까 하는 생각으로 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 연구 결과에서 가장 의미 있는 부분은 마찰전기를 이용하여 약물 방출이 가능할 수 있는 것이다. 이는 스마트 약물 방출시스템에서 필수 요소인 배터리를 사용하지 않음으로써 유연성을 필요로 하는 웨어러블 및 인체 삽입형 소자에 적용되어 그 효과가 극대화될 수 있다는 점에서 의미가 크다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 기술을 고도화하여 보다 정교한 디바이스를 설계, 제조하여 마찰전기에 의한 방출효과를 극대화시켜 상용화를 하는 것이 최종 목표이다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 자극 감응형 기능성 나노입자 및 하이드로젤 활용 


(그림설명) 탄닌산-철이온 배위 결합체를 이용한 기능성 나노입자 및 하이드로젤 방출 모식도. 약물이 담지된 기능성 나노입자에 탄닌산-철이온 배위 결합체를 단시간 내로 코팅하여 지속적인 약물 방출을 방지하고 전기 및 초음파에 선택적으로 감응할 수 있다. 제조된 나노입자는 하이드로젤 매트릭스와 융합하여 전기, 초음파, 마찰전기에 감응하여 방출할 수 있음을 보여주고 있다.
 
 
 
 

 
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