연구 개요
현재 연세대학교 BLISS Lab을 이끄는 서정목 교수가 Brigham and Women's Hospital(하버드 의대), Harvard-MIT 보건과학기술부, 한국과학기술연구원(KIST)에 재직하던 시기에 공저자로 참여한 연구입니다. 전도성 고분자 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 무작위 또는 정렬 섬유로 된 가교 니트릴 부타디엔 고무(NBR)/폴리(에틸렌글리콜) 디메타크릴레이트(PEGDM) 전기방사 매트에 넣었습니다. 매트의 전도도는 정렬 5.8 ± 3.6 S/cm, 무작위 4.6 ± 3.1 S/cm였고, 신장과 굽힘에 따라 저항이 변했으며, 쥐 심장 섬유아세포와 심근세포의 배양을 지지했습니다.
연구 배경
전도성 고분자는 전기적 활성과 고분자의 가공성을 함께 갖춰 바이오센서, 이식형 모니터, 조직 지지체, 웨어러블에 쓰이지만, 순수 PEDOT는 단단하고 부서지기 쉬우며 녹지 않아 유연 전자소자에 쓰기 어렵습니다. 전기방사는 세포외기질과 닮은 다공성 상호연결 섬유 매트를 만들며, 섬유 정렬 정도를 조절하면 매트의 기계적 특성을 간접적으로 바꿀 수 있습니다.
설계와 접근
NBR/PEGDM 섬유는 UV를 쬐며 전기방사해 부분 광가교한 뒤 열로 추가 가교했습니다. 무작위 매트는 고정 평판 수집기로, 정렬 매트는 고분자량 폴리(에틸렌옥사이드)(PEO)를 넣어 전용 장치로 방사한 뒤 PEO를 용출했습니다. 매트를 3,4-에틸렌디옥시티오펜(EDOT)으로 팽윤시키고 FeCl3로 중합해, 고무질 섬유 안에 PEDOT가 반상호침투 네트워크를 이루도록 했으며, 이는 고무의 탄성과 PEDOT의 전도성을 함께 유지하려는 설계입니다.
평가 방법
저자들은 주사전자현미경으로 섬유 형태와 정렬을, 원자힘현미경으로 표면과 나노 수준 탄성률을, 단축 및 반복 인장 시험으로 거시 기계 특성을 평가했으며 정렬 매트는 섬유 방향으로 하중을 가했습니다. 전도도는 4탐침법으로 측정했고, 반복 신장과 손가락 관절 굽힘 중 저항을 기록했으며, pH 7.4 PBS에서 순환전압전류법을 수행했습니다. 생후 2일 된 Sprague-Dawley 쥐에서 분리한 심장 섬유아세포와 심근세포를 매트에서 배양해 생존율, 대사 활성, 면역염색을 평가했습니다.
연구 내용과 주요 결과
정렬·무작위 순수 섬유의 지름은 비슷했고(7.0 ± 1.2 μm, 6.6 ± 1.7 μm), PEDOT를 넣은 매트의 두께는 약 60 μm였습니다. PEDOT는 영률을 정렬 매트에서 0.7 ± 0.4 MPa에서 3.8 ± 1.8 MPa로, 무작위 매트에서 2.3 ± 0.8 MPa에서 10.3 ± 3.0 MPa로 높였고, 나노 수준 DMT 탄성률도 유의하게 높았습니다. 파단 연신율은 정렬 매트에서 122.4 ± 12.6%에서 75.1 ± 18.1%로, 무작위 매트에서 84.9 ± 11.1%에서 48.3 ± 6.4%로 낮아졌습니다. 20% 신장의 반복 인장에서 히스테리시스는 1회와 10회 사이에 변했고 그 이후에는 유의하게 줄지 않았으며, 저자들은 PEDOT가 신장성은 낮추지만 형상 회복은 개선한다고 해석했습니다.
전도도는 PEDOT를 넣은 정렬 매트 5.8 ± 3.6 S/cm, 무작위 매트 4.6 ± 3.1 S/cm로, 저자들은 섬유 방향의 영향이 없다고 보았습니다. 20% 변형의 반복 신장에서 저항은 신장 주기를 따라 변했고, 처음 10회 동안은 정렬 매트가 더 안정적이고 가역적인 변화를 보였으며, 10회 이후에는 두 매트 모두 약 6%의 안정적인 변화를 보였습니다.
장갑 낀 손의 손가락 관절에 붙인 매트는 굽힘 각도가 커질수록 저항이 증가했고 손가락을 굽힌 채로 두면 그 값을 유지했으며, 0°, 45°, 90°, 135° 모두에서 정렬 매트의 변화가 무작위 매트보다 컸습니다. 돼지 피부 위의 PEDOT 매트도 굽힐 때 저항이 변했고, 저자들은 PBS에서의 순환전압전류 결과를 근거로 세포독성 전해질 없이 쓸 수 있는 전극 소재로 제안했습니다.
24시간 후 심장 섬유아세포 생존율은 PEDOT를 넣은 정렬 매트 79.7 ± 7.0%, 무작위 매트 79.1 ± 9.5%였고, 순수 NBR/PEGDM 매트에서는 섬유아세포가 관찰되지 않았으며, PEDOT 지지체에서 세포 증식 속도가 유의하게 증가했습니다. 두 매트 위의 심근세포는 근절 α-액티닌 줄무늬와 코넥신-43(Cx-43) 발현을 보였습니다.
남은 과제
저자들은 매트가 심장근이나 골격근(10–50 kPa)보다 단단하고, 정렬 매트에서도 심근세포가 뚜렷하게 정렬되지 않았으며, 시트가 약 100 μm로 얇아 세포층과 겹쳐 쌓지 않으면 두꺼운 조직 구조물을 만들기 어렵다고 밝혔습니다.
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외부 연구의 초록은 SBS 섬유 내부의 은 입자 연결망을 이용한 프린팅 회로를 설명합니다. 이 연구는 PEDOT 매트의 전도성과 세포 접촉을 함께 다룹니다.
초록을 참고한 소개해설에 사용한 자료
이 해설은 게재본 PDF(ChemNanoMat 2019, 5, 729-737; 9쪽; 로컬 사본)의 본문, 실험 방법, 그림 1–4 설명을 바탕으로 하며, 보충자료는 검토하지 않았습니다. 원문에서 전도도는 본문에 S/cm로, 그림 3A 축에는 S/m로 표기되어 있고, 본문은 파단 연신율이 세 배 감소했다고 적었지만 보고된 수치로 계산한 비율은 이보다 작습니다. 저항 시험은 결과에서 100회, 실험 방법에서 10회로 기술되며, 섬유 지름은 그림 1D에서 약 7 μm, 나노압입 설명에서 15 ± 5 μm로 다르게 적혀 있습니다.