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자연 모사 점착소재를 이용한 바이오 메디컬 디바이스 인터페이스 연구
백상열 (Sangyul Baik)(MIT 기계공학과) / bsy7863 at mit.edu /
1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

오랜 세월 자연계에는 가혹한 주변 환경에서 생존하고자, 다양한 방식으로의 진화를 이루었습니다. 그 중에서도 생물체의 표면에는 독특한 미세 구조를 이용하여 여러 자연표면에 부착할 수 있는 다양한 메커니즘의 점/접착 방식이 존재합니다. 최근 이러한 자연의 지혜로부터 창의적인 영감을 받아 기능성 점착 표면 및 인터페이스를 개발하고, 나아가 기존의 시스템과 융합하는 생체모사 공학(biomimetics)의 연구들이 각광을 받고 있습니다. 예를 들어, 나노/마이크로 크기의 계층구조를 가진 게코 도마뱀이나 개구리의 발, 나노 섬모들을 이용한 곤충 날개의 단단한 체결, 3차원 구조체를 가진 연체동물의 빨판 등은 화학적 점착제(단백질, 점액 등)를 사용하지 않고, 놀라운 점착능력을 발휘하는 계층적 미세구조를 모사하는 연구가 국내·외적으로 활발히 진행되고 있습니다.



저의 주 연구 분야는 이러한 자연의 미세 구조를 모사하여 굴곡지거나 습한 신체의 피부 및 장기 표면에 부착 가능한 기능성 계면을 개발하는 것으로서, 의료용 점착/봉합 소재 또는 인체 부착/삽입소자의 인터페이스에 주로 활용이 가능합니다. 특히 저는 피부의 상처나 생체내부 표면과 같이 젖은 표면 환경에 부작용 없이 적용 가능한 생체 점착소재에 관심이 많았기 때문에 주로 문어, 개구리, 물방개 등과 같이 수중의 환경에서 적응하여 진화를 이룬 점착 구조에 주목하였습니다. 생물학계에 새롭게 보고되는 생물체들의 다양한 입체 구조들의 역할과 원리를 분석 및 규명하고, 이를 기반으로 젖은 표면에서도 오염을 최소화하고, 반복적으로 탈부착이 가능한 새로운 개념의 고점착 시스템을 제시하였습니다. 이는 최근 전도유망한 의료용 웨어러블 디바이스 뿐만 아니라, 장기 봉합을 위한 점착기술, 생체 삽입/섭취형 로봇의 계면기술, 세포조직공학과 결합된 고효율 치료용 패치 등 전사산업의 부착 시스템 및 의료용 점착소재에 대한 미래기술로서 잠재력이 높을 것으로 기대합니다.



2. 2021년 6월에 여러 연구자들과 함께 '수컷 물방개 앞발에 있는 점착 컵의 구조를 본떠 전력 공급 없이도 체액(눈물·땀)을 포집할 수 있는 피부 모니터링 패치'를 설계하고, 개발한 것으로 알고 있습니다. 점착과 더불어 체액을 포집하고 산성도를 측정할수 있는 할수있는 기능이 추가된것이 특이합니다. 소개를 부탁드립니다.

피부건강 진단(pH, 유수분량 등)을 위해서는 고가의 복잡한 분석 장비와 외부 전원의 필요성으로 인해 사용자 편의성이 부족한 실정입니다. 이를 극복하기 위해 최근 체액(눈물, 땀 등)을 수집하는 피부부착형 웨어러블 진단 패치들이 개발되고 있으나, 체액 포집이 느리고 진단의 정확도를 높이기 위해 복잡한 외부 동력원(예: 전기삼투, 전기화학, 열, 전자소자 센서 등)이 필요하다는 단점이 있습니다. 또한 기존 피부 부착형 웨어러블 피부진단 패치들은 화학 점착제를 사용하여 반복사용이 어렵고, 피부에 장시간 부착 시 불편함을 초래합니다. 즉, 오랜 시간 동안 체액포집을 하는 동안 화학점착제로 인해 산소 투과율이 저하되어 잠재적으로 피부 자극(붉어짐, 발진 등)이 발생할 수 있습니다. 또한, 여러 다양한 환경들(수분환경, 굴곡진 피부 표면, 신체 활동 등)에서도 지속적인 진단을 위해 부착력을 유지하는 것이 해결 과제로 남아 있었습니다.

이에 저희 연구팀은 수중에서 암컷의 등에 부착하여 화학적 커뮤니케이션을 수행할 수 있는 수컷 물방개의 앞발 구조에 주목하였습니다. 수중 곤충인 물방개는 암수를 구별할 수 있는 독특한 특징을 가지고 있는데, 바로 물방개의 앞발에 존재하는 컵 모양의 부착 구조입니다. 이 점착 컵은 수중 환경에서 암컷의 거친 등 표면에 잘 달라붙고 교미과정 중 필요한 화학물질을 감지하는 역할을 하며, 수컷 물방개 종만이 가지는 고유한 진화의 산물입니다. 본 연구에서는 수컷 물방개의 앞발에 존재하는 점착컵의 구조와 원리를 밝히고 이를 모사한 인공 점착컵 패치를 개발하였습니다. 이는 젖은 피부에서 반복적인 사용과 적절한 부착력을 가질 뿐만 아니라, 무전원 방식의 체액 포집이 가능하여 효과적인 약물 처치 시점을 제공 할 수 있는 피부질환 진단 패치에 적용할 수 있었습니다.



구체적으로 물방개의 점착 컵을 과학적으로 분석·설계하여 마이크로 크기의 인공 점착 컵을 제작하였고 점착 컵의 내부 흡인력을 이용하여 피부에 점착됨과 동시에 체액을 포집하고 진단할 수 있도록 하였습니다. 또한, 점착 컵 내부 공간에 체액 흡수력이 높고, pH변화에 대해 색이 변하는 하이드로젤을 삽입하여 포집된 체액의 pH를 전원장치 없이 분석할 수 있도록 하였습니다.



나아가, 간단한 색 변화를 통해 정밀한 pH 모니터링이 가능한 머신 러닝 기반의 분석 어플리케이션을 개발하였습니다. 모바일기기를 이용해 이미지를 촬영하고, 촬영한 하이드로젤의 색 이미지 데이터(RGB)를 기계 학습하여 육안으로는 정량적인 분석이 어려운 광학 이미지 데이터를 피부 pH 수치로 변환할 수 있는 인터페이스를 구현하였습니다. 이를 통해 더욱 향상된 진단 신뢰도와 신속한 현장진단을 제공하였으며 모바일 헬스케어 기술로의 가능성을 확인하였습니다. 마지막으로 물방개 모사 진단 패치를 pH 변화가 동반되는 여드름(acne) 질환 모델에 적용하여 효과를 확인하였습니다. 그 결과, 약물 처치 시점의 판단에 있어 육안관찰을 바탕으로 한 경우보다 본 진단 패치를 이용했을 때 신속한 진단과 더욱 빠른 피부 정상화가 가능함을 증명하였습니다.




3. 2017년 성균관대 대학원생 시절 문어를 닮은 '만능 패치' 기술로, 국제 과학저널 '네이처'에 논문 주저자로 게재되신걸로 압니다. 연구에 대한 소개와 대학원생으로 네이처에 게재되기가 쉽지 않았을거 같은데, 어떤과정이 있었는지 소개를 부탁드립니다.

처음 소개 드렸던 바와 같이 저의 대부분의 연구들은 자연의 표면에 존재하는 흥미로운 구조, 특별한 기능들을 관찰하고, 이를 모사한 새로운 계면 소재들을 공학적 시스템에 도입하는 것 입니다. Nature 논문의 모티베이션 또한 화학 접착제를 사용하지 않고 젖은 표면에서 이물질, 손상, 자극이 없이 물리적인 힘만으로 부착 할 수 없을까? 이러한 특성을 가진 생물체가 무엇이 있을까?라는 단순하고 기본적인 발상에서 시작되었습니다. 이에 본 연구에서는 건조한 표면이나 수중 환경에서도 높은 점착력을 가지는 문어 빨판에 주목하게 되었습니다. 문어의 빨판 내부에 존재하는 독특한 돌기를 직접 관찰하였고, 빨판의 미세 돌기가 물속의 환경에서 흡착력을 증가시킨다는 새로운 이론을 증명하였습니다. 문어 빨판의 돌기구조를 모사하기 위하여, 유연 탄성 고분자의 용액 전구체의 표면 젖음 현상(wetting)을 응용하였습니다. 기존의 단순한 미세 구조 내부에 공기 방울을 남겨두어 문어의 돌기와 같이 3차원의 복잡한 곡률을 가지는 마이크로 크기의 새로운 계층구조를 제작할 수 있었습니다.
생체모사 기반 접착 시스템은 유연특성을 가지는 투명 고분자 (PUA; Poly-urethane acrylate, PDMS; Polydimethylsiloxane)로 제작되어 접착 표면과의 긴밀한 접촉을 유도하고, 문어의 근육과 같이 탄성력을 가진 소재로 표면에 부압(Negative Pressure)을 발생시켜 접착력을 증폭시킬 수 있습니다. 이러한 현상은 물이나 기름 같은 유체가 표면에 존재할 때 더욱 활성화 되며 이는 기존의 화학 접착제 기반의 시스템과는 다른 새로운 개념의 탈부착 시스템을 제시하였습니다. 또한, 개발 된 생체 모사 점착 구조의 부압 유도를 통한 접착력 증폭 효과에 대한 이론적 모델링을 제시하였고, 수학적으로 이를 분석 및 증명하였습니다. 특히, 세계 최초로 기존의 이론과는 다른 문어의 점착 메커니즘을 새롭게 규명하고, 공학적으로 디자인·분석 한 것에 본 연구에 의미가 있습니다.
나아가, 본 점착 패치는 수분이 존재하는 피부 상처 위에서도 긴밀한 접촉/접착을 유도하여 드레싱의 효과를 보였고, 이는 약물전달 시스템, 창상치료 패치, 의료용 디바이스 분야들에 대한 활용 가능성을 보여주었습니다.
본 논문은 대학원 생활을 시작하면서 처음으로 수행하였던 연구 주제로서 저에게는 가장 인상깊은 연구입니다. 그 중에서 가장 기억에 남는 일은 본 아이디어가 제가 처음 기초적인 마이크로 공정의 학습 과정에서 잘못 제작한 실패한 샘플에서 시작되었다는 것입니다. 실패하였다고 생각한 실험에서 의미를 찾는 것이 더욱 창의적일 수 있고, 다른 관점에서 현상을 관찰해 보는 것이 좋은 연구가 될 수 있다는 것을 직접 체감한 경험이었습니다. 무엇보다 기존에는 실수일 수 있었던 연구 결과에 대해서 자유롭게 토론하고 새로운 방식으로의 접근 방법을 제시하여 주셨던 저의 박사과정 지도 교수님이신 성균관대 방창현 교수님께 이 자리를 빌어 감사의 말씀을 드리고 싶습니다.


(150) 문어 빨판 구조 이용한 접착 패치 개발 - YouTube



4. 대부분의 연구에서 여러 연구자와 공동으로 연구를 진행하셨는데 최근 MIT의 박사후 과정으로 연구를 진행하고 계신걸로 알고 있습니다. 어떤 새로운 연구를 진행중이신지 소개를 부탁드립니다.

저는 현재 MIT 기계공학과의 지오반니 트라베르소 (Giovanni Traverso) 교수님의 지도 아래 소화기관 내부의 능동적 진단/치료 시스템을 위한 섭취형 디바이스 연구를 진행하고 있습니다. 박사 과정에서는 주로 전자산업의 부착기술이나, 피부와 같은 체외의 계면기술에 집중하였다면, 현재는 직접 디바이스를 삼키거나 내시경, 스텐트와 융합하여 원하는 소화기관 내부에서 생체신호를 측정하고 약물을 전달할 수 있는 생체 삽입/섭취형 디바이스를 연구하고 있습니다. 특히 체내에서 작동하는 디바이스의 경우 외부 물질에 대한 면역반응, 원하는 타겟 지점으로의 이동 및 부착, 가혹한 생체 표면(표면 굴곡, 주름, 점액, 소화액, 음식물 등)과 같이 훨씬 더 다양하고 어려운 환경에 노출되어 있습니다. 저는 생체 삽입형 센서, 약물전달 나노 소재, 스텐트, 내시경, 소형 로봇 등과 같은 의료용 기기들과 융합하여 소화기관 내부의 가혹한 환경에서의 접근성과 안정성을 극대화하는 계면소재 및 유연 소형 로봇 설계 및 개발을 진행 중에 있습니다.


5. 현재 소속된 MIT의 연구 분위기를 궁금해하시는 분들이 많으실거 같은데 소개를 부탁드립니다.

현재 제가 소속되어 있는 지오반니 트라베르소 교수님 연구실은 MIT 기계공학과와 하버드 메디칼 스쿨의 공동 소속을 가지고 있습니다. 따라서 의학이나 생물과학의 지식에 기계공학의 디바이스 설계를 융합하는 연구가 주로 진행되고 있습니다. MIT 기관의 전체적인 연구 방식이나 분위기라고 말하기는 어려울 수 있지만 저희 연구실은 정말 많은 숫자의 박사후 연구원(30명)과 실험을 위한 전문 오퍼레이터(18명) 그리고 대학원생(8명)으로 이루어져 있어, 각자 독립적이면서도 공동연구를 활발히 수행하는 연구실입니다. 특히 박사학위를 가진 연구자들에게는 정말 좋은 연구 환경이라고 생각됩니다. 보통 유학을 나오게 되면 새로운 환경과 다른 분야의 연구에 적응하기가 쉽지 않을 것으로 생각되는데, 저희 연구실은 화학, 기계, 화학공학, 재료공학, 전자공학, 의학, 생명공학, 컴퓨터 공학 등 다양한 분야의 박사분들이 연구를 수행하고 있어 새로운 분야에 대해 보다 수월하게 도움을 받을 수 있고, 자유롭게 여러 공동연구를 수행하고 있습니다. 지오반니 교수님 역시 종양학 및 병리학 박사를 전공하시고, 소화기과 의사이며, 박사후과정으로는 바이오메디컬 공학을 전공하셨기 때문에 다양한 분야의 융합과 새로운 연구 주제를 도전하는 것에 두려움 없이 적극 권장하시는 분위기입니다. 또한 동물 실험이나 기기설계, 실험 장비의 테크닉 적인 부분들에 전문성을 가지고 있는 전담 오퍼레이터들이 실험실에 속해 있어 처음 실험을 셋업하고 연구를 수행하는 데 있어 체계적인 시스템이 마련되어 있습니다.



6. 공동 연구를 통해 영향을 받은 연구자가 많으실거 같습니다. 어떤연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

저는 박사학위 지도 교수님이신 방창현 교수님의 첫 제자로서 실험실의 시작을 함께 겪으며 교수님께 직접 지도를 받았기에 가장 많은 영향을 받았다 생각합니다. 특히, 다양한 연구주제에 창의적인 아이디어를 도출하는 것과 이러한 아이디어를 논리적으로 풀어내어 하나의 논문으로 완성하는 방법에 대해서 배웠습니다. 또한 공동연구를 적극 장려하셨기 때문에 타분야와의 공동연구에 두려움 없이 적극적으로 다가가는데 큰 영향을 주셨습니다.

연구적으로는 함께 공동연구를 수행하였던 연세대학교 조승우 교수님, 성균관대 방석호 교수님, 한국교통대 양태헌 교수님, 고려대학교 천성우 교수님들께 여러 분야의 지식과 경험들을 접할 수 있었습니다. 조승우 교수님, 방석호 교수님께는 제가 연구하고 있는 소재들이 인간의 신체에 생물학적으로 어떠한 응용이 가능한지, 생명공학에 적용하기 위해 나아가야할 방향에 대해서 고찰해 보는 기회가 되었고, 양태헌 교수님과 천성우 교수님께는 신체에 적용할 수 있는 유연 기계, 전자소자들에 대한 설계 및 융합 기술을 배울 수 있었습니다. 또한 지오반니 교수님께는 의학적인 기본 지식과 함께 이에 필요한 여러 공학적 연구분야들을 융합하여 새로운 기술을 선도하고, 나아가 단순한 지식이 아닌 실용화를 목표로 연구를 수행하는 공학자로서의 자세와 통찰력을 배우고 있습니다. 이와 같이 지금 저의 연구 커리어를 만들고 좋은 영향을 주신 모든 교수님들 분들께 감사의 말씀을 전합니다.


7. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

연구 활동에 있어서 느꼈던 가장 큰 보람을 한 가지 말씀드리자면 저의 연구기술이 다른 연구자, 분야, 혹은 기술에 결정적인 도움이 되어 기존의 어떠한 한계점을 극복하고 이로 인해 그 기술이 빛을 발할 때 인 것 같습니다. 저의 핵심 연구주제는 “계면 (interface)” 기술로서 단어 그대로 이종의 다른 개념을 연결하는 것입니다. 따라서 이러한 연구 특성 상 다른 기술들과 융합하여 좋은 결과를 도출할 수 있었고, 저의 기술이 다른 연구가들에게 큰 도움이 된다는 것을 경험하였을 때, 큰 보람과 자부심을 느끼는 것 같습니다. 예를 들어 좋은 성능의 센서, 약물전달 소자 기술을 개발하였음에도 불구하고 피부의 땀이나 수분, 털에 의해 그 적용이 쉽지 않은 문제점이 있었습니다. 여기에 저의 생체 계면기술을 접목하여 수중 환경에서 생체 신호를 측정하거나, 피부에서 미세한 수분을 모아 피부의 pH를 측정하고 이에 대한 선행적 약물처리가 좋은 효과를 보았을 때 쾌재를 불렀던 일들이 기억에 남습니다.


8. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

저의 생체 점착소재를 포함한 “계면”의 연구는 정말 많은 분야에 접목을 할 수 있는 개념이라고 생각합니다. 왜냐하면 이 세상은 수많은 종류의 다른 물질과 상으로 이루어져 있으며 이 모든 이종의 물질의 사이에는 계면이라는 것이 존재할 수 밖에 없기 때문입니다. 이에 굉장히 다양한 분야와 연관이 될 수 있으며 창의적인 협업을 수행할 수 있습니다. 따라서 그만큼 여러 다른 분야에 두려움 없이 다가가고 적극적으로 배우려고 하는 그 한걸음의 작은 용기가 가장 중요하다고 생각합니다. 특히 최근 첨단을 달리는 연구들의 대부분은 전통적인 학문 지식을 기반으로 타 분야와의 융복합 연구가 주를 이루고 있습니다. 다양한 분야의 연구가들과의 적극적인 토론과 공동연구는 기존에 생각하지 못했던 새로운 발상의 전환을 주는 데 큰 도움이 된다고 생각합니다. 또한, 연구의 길을 걷는 모든 후배님들에게 말씀을 드리고 싶은 것이라면 연구가의 길이라는 것이 고될 수 있고 장거리의 마라톤이기에 자신에게 적합한 길을 끊임없이 확인하고 찾으며 앞으로 나아가는 것이 중요하다고 생각합니다. 연구 자체를 즐기는 분들이 있을 수 있고, 연구 결과에 만족을 얻는 분들, 다른 연구가와의 협업에서 즐거움을 찾는 분들, 본인의 연구 주제를 누구보다 깊이 있게 파는 것에 보람을 느끼는 분들, 혹은 연구와 개인의 삶에 균형을 추구하는 분들, 저는 이러한 모든 다양한 분들이 자신이 진정으로 원하는 바가 무엇인지, 본인이 연구를 수행하면서 즐거움을 느낄 수 있는 것이 어떤 것인지 자주 생각하고 확인하고 나아가는 것이, 자신에게만 적용할 수 있는 가장 효율적이고 효과적으로 결과를 낼 수 있는 방법이라고 생각합니다. 마지막으로 연구자의 길이 맞는지에 대하여 재능이나 적성에 대하여 고민하고 계신 후배님들이 많을 것이라 생각됩니다. 저 또한 그랬으니까요. 제 개인적인 이야기를 하자면 저는 원래 꿈이 뮤지컬 음향 감독이 되는 것이었습니다. 그만큼 연구와는 다른 길이었기에 남들보다 공부나 연구에 소질이 없다고 생각한 적이 많았습니다. 하지만 앞서 말씀드린 것처럼 연구의 길은 마라톤이기에 빠르지 않더라도 꾸준히 매진하다 보면 뒤쳐져 있다 생각했던 부분들이 어느새 자신만의 연구결과와 연구철학을 만들어낼 수 있다고 확신합니다. 물론 저도 아직 이 길을 걷기 시작한 지 얼마 되지 않은 한 사람의 연구가입니다. 이 인터뷰를 보시는 모든 분들께서 자신의 연구를 즐기고 함께 걸어가길 기원합니다.


* 백상열 박사의 최근(대표)논문

  • Heon Joon Lee*, Sangyul Baik*, Gui Won Hwang* et al, An Electronically Perceptive Bioinspired Soft Wet-Adhesion Actuator with Carbon Nanotube-Based Strain Sensors, ACS nano (2021)


  • Sangyul Baik*, Jihyun Lee*, Eun Je Jeon* et al, Diving beetle–like miniaturized plungers with reversible, rapid biofluid capturing for machine learning–based care of skin disease, Science Advances 7(25), eabf5695 (2021)


  • Da-Wan Kim*, Sangyul Baik* et al, Highly permeable skin patch with conductive hierarchical architectures inspired by amphibians and octopi for omnidirectionally enhanced wet adhesion, Advanced Functional Materials 29(13), 1807614 (2019)


  • Sangyul Baik et al, Highly adaptable and biocompatible octopus‐like adhesive patches with meniscus‐controlled unfoldable 3D microtips for underwater surface and hairy skin, Advanced Science 5(8), 1800100 (2018)


  • Sangyul Baik et al, A wet-tolerant adhesive patch inspired by protuberances in suction cups of octopi, Nature 546(7658), 396-400 (2017)


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