성균관대학교(총장 유지범) 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 연구팀(김수민 석박통합과정생)은 전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(장재표 석박통합과정생)과 공동연구를 통해 피부에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서를 개발하였고, 이를 기반으로 인체의 움직임을 감지해내 로봇 및 가상현실상의 아바타를 조종하였다고 지난 16일 밝혔다.

착용 시 이물감을 최소화 하며 인체의 움직임을 모니터링 하기 위해 부드러운 기계적 물성을 갖는 전도성 하이드로젤을 이용한 다양한 형태의 변형 센서들이 개발되어왔다.

그러나, 하이드로젤에 전도성을 부여하기 위해 섞는 금속 물질이나, 탄소물질 및 전도성 고분자와 같은 경우, 생체 친화도가 낮기 때문에 장시간 사용 시 피부 염증이나 간지러움을 유발할 수 있다. 뿐만 아니라, 대부분의 전도성 물질은 조직접착력이 낮기 때문에 웨어러블 센서로서 피부 위에 밀착시키기 어려우며, 이로 인해 인체의 정교한 움직임을 모니터링 하기 위한 개선 전략이 필요하다.

이에 성균관대학교 연구팀은 바질 씨앗의 구조를 모사하여, 조직 접착성 및 전도성을 모두 갖는 마이크로 크기의 하이드로젤을 개발했다. 바질 씨앗의 구조는 중심부에 씨앗이 있고 천연고분자 하이드로젤로 구성된 껍데기를 가지고 있다. 해당 하이드로젤 껍데기가 씨앗끼리 응집력을 높이는 역할을 하며, 다량의 수분을 머금을 수 있다. 본 연구팀은 이러한 구조를 모사하여, 중심부에 히알루론산 하이드로젤을, 껍데기에 조직접착성을 갖는 폴리카테콜아민을 도입하여, 자가 도핑이 가능한 전도성 마이크로 하이드로젤을 개발했다. 해당 하이드로젤은 높은 응집력 및 조직접착력을 갖고 있어 피부 위 3D 프린팅이 가능하고, 폴리카테콜아민 껍데기는 수분환경에서 자가 도핑을 통해 이온전도성을 나타냈다. 이러한 특성들을 기반으로 인체의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서로서 사용가능함을 확인했다.

본 연구팀은 하이드로젤의 기계적 물성과 조직과의 접착을 더욱 강화하기 위해서 도파민 또는 노르에피네프린과 같은 카테콜아민 물질의 고분자화 코팅을 통한 조직 접착성 쉘을 도입했다. 하이드로젤 입자 표면의 카테콜아민 코팅 층은 다중 수소 결합 및 pi-pi 적층과 같은 비공유 결합을 통한 가역적인 입자 대 입자 상호 작용을 가능하게 하여 기계적 특성 및 조직 접착력을 모두 증가시켰다. 코팅된 하이드로젤 입자는 좁은 바늘을 통과할 수 있는 우수한 주사가능성을 보였고, 박리 없이 피부 조직위에 별 모양 및 곡선 구조와 같은 다용도 패턴으로 직접 인쇄될 수 있다. 또한 카테콜아민이 코팅된 하이드로젤은 코팅되기 전 상태와 유사한 자가 치유 특성을 유지하여 접착 코팅층을 가진 입자가 입자 간 가역적 상호 작용을 통해 결합 및 분리될 수 있음을 확인했다.

폴리카테콜아민이 코팅된 하이드로젤 입자 구조체는 입자간의 비공유 결합에 의해 응집력이 증가할 수 있는데, 본 연구에서는 폴리도파민에 비해 하나의 추가적인 하이드록실기를 갖는 폴리노르에피네프린이 수중환경에서 더 강한 응집력을 보이는 것을 확인했다. 또한 두꺼운 코팅층은 하이드로젤 표면의 거칠기를 증가시켜 응집력이 다소 약해지는 것을 확인했다.

특히, 본 연구에서는 하이드로젤의 코팅제로서 폴리카테콜아민이 자가 도핑 된다는 것을 발견했고, 이는 히알루론산 하이드로젤을 웨어러블 센서로서 사용할 수 있게 하는 핵심 성능이다. 또한, 얇은 두께의 코팅층이 더 높은 전도성을 보였으며, 세포 생존율과 통기성을 평가에서 생물학적 안전성이 우수함을 확인했다.

본 연구에서 개발된 폴리노르에피네프린이 코팅된 하이드로젤 마이크로 입자를 피부에 직접 프린팅하여 인간-기계 인터페이스에 성공적으로 적용할 수 있었다. 하이드로젤 입자의 변형 감지 능력은 500번 이상 반복되는 변형에도 유지됐다. 또한, 피부 위에 직접 인쇄 가능한 하이드로젤 센서는 손가락의 움직임에 의한 변형을 감지할 수 있고 맥박으로 인한 피부의 미세한 변형도 측정했으며, 인간-로봇 상호작용에 적용하여 착용자의 움직임을 감지해 로봇 팔을 제어하는 데 성공했다.

궁극적으로 해당 하이드로젤 센서는 인간-가상현실 상호작용에 적용해 사용자의 움직임을 가상 세계의 아바타가 모방할 수 있도록 하는데 이용가능했다. 사용자와 적용 부위에 따라 다양한 디자인으로 직접 인쇄 가능하고 전도성과 조직접착성을 가져 인간-기계 상호작용 분야에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.

기존의 전도성 하이드로젤을 이용한 변형센서는 피부에 부착하기 위한 추가적인 접착제가 필요하거나, 제한된 형태로 이용해야 하는 등의 어려움이 있었다. 하지만 본 연구에서 개발된 조직 접착성 코팅제의 자가도핑기반 전도성 하이드로젤 입자는 피부에 바로 밀착되게 프린팅 될 뿐 아니라 안정적으로 인체의 움직임을 감지할 수 있어, 새로운 형태의 웨어러블 센서를 위한 바이오 신소재 제작 방식을 제시할 뿐 아니라, 관련 응용 분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다.

신미경 교수는 "본 연구는 기존에 조직공학 분야에서만 다수 이용되었던 하이드로젤 마이크로 입자의 낮은 응집력에 대한 한계를 극복하여, 우수한 조직접착력, 이온전도성을 갖는 바이오 신소재를 개발했다는 점에 그 의의가 있으며, 이후, 체내 조직 인터페이싱 등 바이오 전자 및 의료기술 분야에서도 활용 가능할 것으로 기대된다"라고 연구 의의를 설명했다.

손동희 교수는 "본 연구에서 개발된 조직 접착성 및 전도성 하이드로젤 입자는 다양한 인체 부위에 즉각적으로 프린팅이 가능하여, 차세대 웨어러블 및 임플랜터블 전자약 소재로서의 활용 가능성이 높다"라고 말했다.

연구팀의 이번 연구결과는 재료과학(Material science) 분야 최상위급 국제 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4, JCR 2.2%)에 9월 28일자 온라인 게재됐다.

본 연구는 과학기술정보통신부‧보건복지부 범부처 재생의료기술개발사업(23B0102L1), 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(No. 2020R1C1C1005567, RS-2023-00208262), 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 과학기술정보통신부‧한국연구재단 전자약 기술개발사업(No. 2022M3E5E9018583)의 지원을 받아 수행됐다.