새로운 하이드로겔 반도체는 조직 인터페이스 생체전자공학의 획기적인 발전을 의미합니다.
전자 장치를 생체 조직과 연결하는 데 이상적인 재료는 부드럽고, 늘어나며, 조직 자체만큼 물을 좋아합니다. 간단히 말해서, 하이드로젤입니다. 반면, 심장 박동 조절기, 바이오 센서, 약물 전달 장치와 같은 생체 전자공학의 핵심 재료인 반도체는 단단하고, 부서지기 쉽고, 물을 싫어하여 하이드로젤이 전통적으로 만들어진 방식으로는 용해될 수 없습니다.
시카고대 분자공학과(PME)의 Science 에 오늘 게재된 논문은 오랫동안 연구자들을 괴롭혀 온 이 과제를 해결하여 하이드로젤을 만드는 과정을 재구성하여 하이드로젤 형태로 강력한 반도체를 만들었습니다. Sihong Wang 조교수의 연구 그룹이 이끄는 결과물은 물 속에서 해파리처럼 펄럭이는 푸른색 젤이지만 살아있는 조직과 기계 사이에 정보를 전달하는 데 필요한 엄청난 반도체 능력을 유지합니다.
이 소재는 81kPa만큼 부드러운 조직 수준의 탄성률, 150% 변형률의 신축성, 최대 1.4cm2 V-1 s-1의 전하 캐리어 이동성을 보였습니다. 이는 반도체와 하이드로젤을 동시에 갖춘 이 소재가 이상적인 생체 전자 인터페이스에 필요한 모든 요건을 충족한다는 것을 의미합니다.
"이식형 생체 전자 장치를 만들 때 해결해야 할 과제 중 하나는 조직과 같은 기계적 특성을 가진 장치를 만드는 것입니다." 새로운 논문의 첫 번째 저자인 야하오 다이가 말했습니다. "그렇게 하면 조직과 직접 인터페이스될 때 함께 변형되고 매우 친밀한 생체 인터페이스를 형성할 수 있습니다."
이 논문은 주로 생화학 센서나 심장 박동 조절기 등 이식형 의료 기기가 겪는 과제에 초점을 맞추었지만, 다이 박사는 이 소재가 피부에서 더 나은 판독 값이나 상처 치료 개선 등 비수술적 분야에도 많은 잠재적인 응용 분야를 가지고 있다고 밝혔습니다.
"매우 부드러운 기계적 특성과 살아있는 조직과 유사한 높은 수화도를 가지고 있습니다." 시카고대 PME 조교수 Sihong Wang이 말했습니다. "하이드로겔은 또한 매우 다공성이어서 다양한 종류의 영양소와 화학물질을 효율적으로 확산 수송할 수 있습니다. 이러한 모든 특성이 합쳐져 하이드로겔은 아마도 조직 공학과 약물 전달에 가장 유용한 재료가 될 것입니다."
'관점을 바꿔보자'
하이드로젤을 만드는 전형적인 방법은 재료를 취하고 물에 녹인 다음 겔화 화학 물질을 첨가하여 새로운 액체를 겔 형태로 부풀리는 것입니다. 일부 재료는 물에 간단히 녹고, 다른 재료는 연구자가 공정을 조정하고 화학적으로 수정해야 하지만 핵심 메커니즘은 동일합니다. 물이 없으면 하이드로젤도 없습니다.
그러나 반도체는 일반적으로 물에 녹지 않습니다. UChicago PME 팀은 프로세스를 강제로 시도하는 새롭고 시간 소모적인 수단을 찾는 대신 이 문제를 다시 검토했습니다.
다이는 "우리는 '좋아, 관점을 바꿔보자'고 생각하기 시작했고 용매 교환 과정을 생각해냈습니다."라고 말했습니다.
그들은 반도체를 물에 녹이는 대신, 물과 섞일 수 있는 유기 용매에 녹였습니다. 그런 다음, 그들은 녹인 반도체와 하이드로젤 전구체로부터 젤을 제조했습니다. 그들의 젤은 처음에는 하이드로젤이 아니라 유기젤이었습니다.
"최종적으로 하이드로젤로 만들기 위해 우리는 전체 소재 시스템을 물에 담가 유기 용매를 녹이고 물이 들어오게 했습니다."라고 다이 씨는 말했습니다.
이러한 용매 교환 기반 방법의 중요한 이점은 다양한 기능을 가진 다양한 유형의 폴리머 반도체에 광범위하게 적용할 수 있다는 것입니다.
'1 더하기 1은 2보다 크다'
팀이 특허를 받고 UChicago의 Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation을 통해 상용화하고 있는 하이드로젤 반도체는 반도체와 하이드로젤을 합친 것이 아닙니다. 반도체이자 하이드로젤인 하나의 소재입니다.
"반도체 특성과 하이드로젤 디자인을 모두 갖춘 단일 조각으로, 전체 조각이 다른 하이드로젤과 똑같다는 뜻입니다."라고 왕은 말했습니다.
그러나 다른 하이드로젤과는 달리 이 새로운 소재는 실제로 두 가지 영역에서 생물학적 기능을 개선하여, 하이드로젤이나 반도체가 단독으로 달성할 수 있는 것보다 더 나은 결과를 냈습니다.
첫째, 매우 부드러운 소재를 조직과 직접 결합하면 의료 기기를 이식할 때 일반적으로 유발되는 면역 반응과 염증이 줄어듭니다.
둘째, 하이드로젤은 매우 다공성이기 때문에 새로운 소재는 생체 감지 반응을 높이고 광 변조 효과를 강화할 수 있습니다. 생체 분자가 필름으로 확산되어 체적 상호 작용을 할 수 있으므로 감지 중인 바이오마커의 상호 작용 부위가 크게 증가하여 더 높은 감도가 발생합니다. 감지 외에도 조직 표면에서 치료 기능을 위한 빛에 대한 반응도 산화환원 활성 종의 효율적인 수송으로 증가합니다. 이는 빛을 깜빡이는 것으로 더 효율적으로 가열하여 치유 속도를 높일 수 있는 광 작동 심장 박동 조절기나 상처 드레싱과 같은 기능에 도움이 됩니다.
왕은 "그것은 '1 더하기 1은 2보다 크다'는 종류의 조합이에요."라고 농담을 했습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241024145233.htm
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