▲ 하이드로젤 미세 기공의 변형 메커니즘 모식도 및 실험·시뮬레이션 결과 / 새롭게 제시된 면 기반 접힘 메커니즘을 활용해 미세 기공의 정밀한 제어가 가능해졌다. 원형 기공은 수축력을 받을 경우 대칭성에 의해 무작위적인 접힘이 발생하지만, 면과 힌지를 사전에 지정하면 접힘을 유도해 미세 기공의 계폐를 정밀하게 제어할 수 있다. 이 원리는 실험 및 시뮬레이션을 통해 규명되었다.(그림 및 설명=서울과학기술대학교 윤현식 교수)  © 특허뉴스

한국연구재단은 서울과학기술대학교 윤현식 교수 연구팀과 서울대학교 이원보 교수 연구팀이 종이접기에서 영감을 얻어 하이드로젤 미세기공의 새로운 제어 기술을 개발했다고 발표했다. 이 기술은 하이드로젤의 미세기공이 팽창 시 정해진 모양으로 접히고 개폐까지 정밀하게 제어될 수 있도록 설계되어, 정교한 약물 전달 시스템에 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다.

기존 하이드로젤의 한계를 넘어서다

다공성 고분자 화합물인 하이드로젤은 온도나 pH 등 환경 자극에 반응하여 부피가 변하고, 생체 적합성이 뛰어나 의약 분야에서 약물 전달 시스템으로의 활용 가능성이 높았다. 미세기공을 통해 약물을 원하는 부위에 천천히 배출할 수 있다는 장점에도 불구하고, 느린 반응 속도, 불규칙한 구조 변형, 낮은 복원성 등의 문제로 정밀한 작동이 어려워 실용화에 제약이 있었다. 특히 기존에는 주로 원형 기공 중심의 구조가 사용되어 팽창 시 작동 방향이나 개폐 정도를 정량적으로 조절하기 어려웠다.

종이접기 원리를 적용한 혁신적인 설계

연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 '힌지(hinge)'와 '면'이라는 종이접기 개념을 하이드로젤 기공 가장자리에 도입했다. 팽창 전 하이드로젤 기공에 꼭짓점을 초기 지정하여 삼각형, 사각형, 육각형 등 다양한 다각형 형태의 기공을 설계하자, 팽창 시 기공의 면이 일정한 방향과 속도로 돌출되면서 기공의 개폐를 정밀하게 조절할 수 있었다.

이 기술은 외부 장치나 복잡한 제어 시스템 없이 순전히 기하학적 구조 설계만으로 하이드로젤의 작동 방향, 속도, 복원성 등을 동시에 제어하는 메커니즘을 유한요소해석 등을 통해 실험적으로 규명했다. 특히, 팽창과 건조 사이클을 10회 이상 반복한 후에도 초기 형태 대비 92% 이상의 높은 복원율을 유지하며 우수한 구조적 성능을 입증했다.

미세 약물 전달 및 암호화 기능 구현

연구팀은 이 기술을 바탕으로 미세먼지 크기와 유사한 5µm, 20µm, 50µm 크기의 미세 입자를 단계적으로 방출하거나, 특정 구조만 입자를 남기는 암호화 기능까지 구현하는 데 성공했다.

윤현식 교수는 "팽창 시 스스로 접히는 면 기반 접힘 메커니즘을 통해 하이드로젤의 불규칙한 변형 문제를 구조 설계로 해결했다"며, "약물이 한 번에 방출되는 기존 방식에서 벗어나 다단계, 정량적 방출이 가능하도록 했다는 점에서 의미가 있다"고 강조했다.

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 셀(Cell)의 자매지이자 다학제 분야 국제학술지인 '매터(Matter)'에 2025년 6월 30일 게재되었다. 이 혁신적인 기술은 앞으로 더욱 정교하고 효율적인 약물 전달 시스템 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.

논문명은 Facet-driven folding for precise control of hydrogel pore actuation이다.