자가치유 능력을 지닌 하이드로젤의 개발

[아이팍스]

자가치유 능력을 지닌 하이드로젤의 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2010-01-21

일본의 연구자들이 대부분이 물로 구성되어 있으며 빠른 자가치유 능력을 가지고 있는 하이드로 젤(hydrogel)을 만들었다고 최근의 논문을 통해 보고했다. 이 결과를 이용하면 재생의학이나 그린 화학분야 들에서도 그 활용이 더욱 증가할 것으로 보인다. 이번에 개발된 새로운 하이드로 젤의 재료는 이제까지는 약한 것으로 인식되어왔던 비공유결합 하이드로젤에 비해 상당히 강한 결합력을 지니고 있는 것으로 평가되고 있다. 이번 연구의 주 연구자인 도쿄대학(University of Tokyo)의 Takuzo Aida은 강도에 있어서 이번에 발견된 하이드로 젤을 실리콘 고무(silicone rubber)에 비교하고 있다. 비록 가장 강한 강도를 지닌 것이라 할지라도 그것이 레이저로 절단되게 되면 잘려지게 되지만, 수 초 이내에 다시 자가치유를 통해 막대모양으로 되돌아가게 된다 (그림참조) 고 그는 말했다.

젤이 만들어지는 방법은 상당히 간단하다. 98%는 물로 이루어져 있으며 여기에 폴리아크릴산나트륨(sodium polyacrylate), 구아니디늄(guanidinium) 이온으로 둘러싸인 가지 모양의 분자인 “`G3-binder`”와 점토 등으로 이루어져 있으며 나노 시트의 모양을 하고 있다. 이러한 것들을 단순하게 섞어주기만 하면 간단하게 젤이 만들어지며 수 초이내에 젤이 만들어진다. 이와 관련하여 Aida는 “심지어는 내 아내조차도 물에 이러한 준비물을 넣어서 상온에서 섞어주기만 하면 우리의 재료들을 만들 수 있다.”라고 말해 그 제조의 간편성을 설명했다.

결합 분자들은 점토 나노 시트에 결합함으로써 자가치유 능력을 젤에 부여해 주는 역할을 한다. 또한 양이온으로 치환된 구아니디늄(guanidinium) 이온은 점토의 표면에서 음이온으로 치환된 산소음이온(oxyanions)과 결합하게 된다. 젤을 자르게 되면 이러한 결합들이 떨어져나가게 되지만 재빨리 젤의 표면을 다시 붙이게 되면 역반응이 발생해 반대 방향으로 전하를 띈 이온들이 결합하게 된다고 Aida는 설명하고 있다.

그러나 프랑스에 있는 라옹 제1대학(University Claude Bernard Lyon 1)의 하이드로 젤 전문가인 Alain Domard는 이 젤의 자가치유 능력이 한계를 지니고 있음을 지적했다. 그는 “ 잘려진 젤을 바로 이용해야 한다. 이것은 이 메커니즘이 동역학적으로 한계를 지니고 있으며 잘려진 면으로부터 재조립된 젤은 이전의 젤과 비교해볼 때 전체적인 모양에 있어서 차이가 난다.”고 말했다. 또 다른 개선점으로 Domard는 이 젤이 보다 광범위하게 이용되기 위해서는 보다 환경친화적이고 보다 비용이 저렴해져야 한다고 지적했다. 실제로 이 재료에 이용되는 폴리아크릴(polyacrylic)과 결합 구조들은 여전히 석유로부터 생산되고 있다. 하지만 이번 발견은 이러한 개선점에도 불구하고 환경친화적이고 비용이 저렴한 하이드로 젤의 생산을 가능하게 할 기술임에 분명하다.

그림1: 강한 하이드로 젤 블록은 서로를 강하게 끌어당길 수 있으며 충분한 강도를 지닌다.
그림2: 하이드로 젤의 극저온 투과 전자 현미경(cryogenic transmission electron microscopy) 이미지

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http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2010/January/20011003.asp