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- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 고강도·고강성·고전도성 하이드로겔 및 겔전해질 개발
- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 고강도·고강성·고전도성 하이드로겔 및 겔전해질 개발 - 단순한 제조 공정을 통해 매우 높은 강도와 강성을 지닌 하이드로겔 개발 - 이온 전도 특성을 추가해 겔전해질로서 활용성 증명 [사진] 김재윤 교수, 지동환 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제1저자 지동환 박사)이 김덕준, 박호석 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 단순한 제조공정으로 매우 높은 강도와 강성을 지닌 하이드로겔을 개발하고, 이온 전도성을 추가해 겔전해질로서 활용성을 보였다. 하이드로겔은 물을 다량 함유한 3차원 고분자네트워크로 이루어진 부드러운 소재이다. 최근 수계 에너지저장장치의 기계적·화학적으로 불안정한 전해액/분리막을 대체할 소재로서 반고체형 ‘겔전해질’에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 매우 높은 기계적 물성과 이온전도성을 보유한 하이드로겔 개발이 필요하다 이에 연구팀은 기존의 약하고 부드러운 하이드로겔을 변형하여 기계적 물성이 획기적으로 향상된 하이드로겔을 제조하는 재구조화 공정을 제안했다. 해조류에서 유래한 생체친화적인 알긴산 하이드로겔(프리겔)을 건조하여 얇은 필름을 만들고, 이를 알긴산 고분자의 가교제인 금속 이온 용액에 담그어 추가가교 및 수화를 유도해, 고분자 네트워크가 초고밀집화된 하이드로겔을 제작했다. 재구조화된 하이드로겔은 프리겔의 두께 대비 97% 감소해 아주 얇은 형태로, 단면에서 큰 기공을 보이는 일반적인 하이드로겔과는 달리 매우 균일한 고밀집 구조를 보인다. 강도와 강성이 수십 kPa밖에 되지 않는 기존 하이드로겔과 비교해 재구조화된 하이드로겔은 가교 이온의 종류에 따라 8−57MPa의 인장강도와 94−1,290 MPa의 탄성계수(강성)를 나타내었다. 특히 철(Fe3+) 이온으로 가교된 하이드로겔의 강도와 강성은 초기 프리겔과 비교하여 각각 10,800배, 95,000배 상승했다. 연구팀은 개발한 하이드로겔을 수계 에너지저장장치의 전해액/분리막을 대체해 적용하여 겔전해질로서 특성을 검증했다. 재구조화 하이드로겔은 고농도(1M)의 리튬 이온 용액에서도 외형과 기계적 물성을 유지하고, 동시에 흡수된 리튬 이온으로 높은 이온 전도성을 보였다. 전기/이온전도성 하이드로겔과 이온전도성 하이드로겔이 샌드위치 방식으로 적층된 겔전해질을 제작하여 슈퍼커패시터의 전해액/분리막을 대체해 적용한 결과 장시간의 충방전에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 김재윤 교수는 “인대나 힘줄과 같이 매우 질긴 생체조직과 유사한 물성의 하이드로겔 개발 기초연구로 시작해 겔전해질로의 활용 가능성을 확인하였다. 향후 생체모사 및 에너지 소재 등 다양한 적용 분야의 니즈에 적합한 고기능성 하이드로겔을 제작하여 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다. 본 연구 결과는 ‘Superstrong, superstiff, and conductive alginate hydrogels’제목으로 Nature Communications에 5월 31일 게재되었으며, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 산림청/임업연구원의 산림생명자원소재발굴연구사업 지원으로 수행되었다.
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- 작성일 2022-06-27
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- 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀, 메디컬용 형상기억 콜라겐-복합소재 제작 기술 개발
- 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀, 메디컬용 형상기억 콜라겐-복합소재 제작 기술 개발 [사진] 김근형 교수, 이지운 연구원(왼쪽부터) 인체를 구성하는 주요 단백질인 콜라겐은 조직공학제제 및 인공조직 제작을 위한 구조체의 기본 소재로 널리 사용되고 있으나, 체외 환경에서 제작된 콜라겐 세포담체(scaffold)는 낮은 기계적 강도와 외력에 의해 쉽게 변형된다는 한계를 갖고 있다. * 세포담체 : 세포가 원활히 성장할 수 있는 미세 공간을 확보하여 세포의 원활한 증식과 분화를 돕는 ‘세포 집’과 같은 지지체를 뜻한다. 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀(제1저자 이지운 연구원)은 콜라겐 특성을 활용한 제작 공정을 도입해 다양한 구조를 갖는 콜라겐 하이드로겔을 제작하였으며, 그중 두 가지 타입에서 형상기억 하이드로겔(shape memory hydrogel; SMH) 특성을 보이는 것을 확인했다. 저온 공정을 통해 제작된 SMH(Cryo-gel)의 경우 형상 복원 속도가 매우 빠르지만, 인체와 유사한 환경에서 구현되는 콜라겐 특유의 섬유화를 이루지 못해 낮은 세포활성도를 보이는 한계를 보였다. 반면 콜라겐 섬유화를 통해 제작된 SMH(F-gel)의 경우, 상대적으로 구조가 느리게 복구되었으나 나노 섬유상의 구조로 인해 높은 세포 활성을 촉진시켰다. * 형상 복원능은 구조체 내부의 마크로/마이크로/나노 단위의 기공 구조가 모두 상호 연결되어 압축에 의한 외력이 가해졌을 때 하이드로겔 내부의 수분이 구조 파괴 없이 내·외부로 자유롭게 이동되어 구현된다. 연구팀은 이러한 특성을 보고하는 것뿐 아니라, 두 가지 SMH의 장점을 융합한 복합 하이드로겔을 제작하기 위한 공정을 개발하였으며, 제작된 형상기억 복합 하이드로겔(shape memorable biocomposite hydrogel)은 Cryo-gel의 빠른 형상 복원능을 보유할 뿐 아니라, 구조 내에 F-gel과 같은 나노 섬유망을 구축하고 있어, Cryo-gel 보다 우수한 세포 활성도를 보이는 것을 확인했다. 나아가 개발된 형상기억 복합 하이드로겔의 기능성을 더 추가하기 위해 생체활성물질 방출 지연에 활용되는 헤파린(heparin) 또는 인체 골조직의 주요 구성성분인 수산화인회석(hydroxyapatite)을 혼합한 구조체를 제작했다. 연구팀은 이와 같은 다양한 소재들이 혼합되더라도, 제작된 하이드로겔 모두 형상 기억능을 보유한 것을 확인했다. 또한 제작 공정을 3D 프린팅 기술과 접목해 3차원 구조체 제작이 가능함을 보였으며, 제작된 3차원 구조체를 주사바늘에 주입한 후 방출했을 때 초기 형상으로 복구되는 것을 보고해, 비침습법 수술(minimally invasive operation)에 활용 가능한 주입가능 세포담체(injectable scaffold)로의 활용 가능성 역시 확인했다. 김근형 교수는 “이번 연구 결과는 기존의 콜라겐 기반 구조체가 쉽게 파손 및 변형되는 한계점을 극복하고, 해당 소재의 다양한 메디컬영역으로의 적용 범위를 넓힌 기술로 기대를 모으고 있다”고 설명했다. 추가적으로 김근형 교수 연구팀은 바이오프린팅 기술을 활용해 근육-인대 복합 인공 조직 모델(myotendinous junction)(제1저자 김원진 연구원) 및 지방유래 줄기세포가 포함된 콜라겐/바이오세라믹 다공성 구조체(제1저자 구영원 연구원)를 제작해, 단순히 세포가 포함된 3차원 세포-구조체에 비해 뛰어난 복합조직-재생능을 구현할 수 있음을 보고했다. 이번 연구 성과는 한국연구재단 자연모사혁신기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 응용 물리학 분야 국제학술지인 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews, IF = 19.2, 22년 6월)에 feature article로 게재되었으며, 의공학 분야 국제학술지인 바이오엔지니어링 & 트랜스레이셔널 메디슨(Bioengineering & Translational Medicine, IF = 10.7, 22년 3, 4월)에 각각 게재되었다. ※ 논문명 - Collagen-based shape-memory biocomposites (Applied Physics Reviews) - A bioprinted complex tissue model for myotendinous junctionwith biochemical and biophysical cues (Bioengineering & Translational Medicine) - Bioprinted hASC-laden collagen/HA constructs with meringue-like macro/micropores (Bioengineering & Translational Medicine) ※ Feature article 소개 링크: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0011692
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- 작성일 2022-06-20
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- 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 통증의 개인차에 대한 뇌과학적 단서 규명
- 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 통증의 개인차에 대한 뇌과학적 단서 규명 통증 경험 시 사람마다 다르게 나타나는 뇌활성화 패턴 규명 통증 정밀의료를 위한 초석 닦아 같은 세기의 통증 자극이라도 사람마다 느끼는 통증의 세기와 뇌 반응은 모두 다르다. 하지만 이제까지 대부분의 통증 뇌연구는 모든 사람에게서 공통적으로 보이는 뇌 반응 패턴에만 집중해왔다. 이에 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀(제1저자 라다 코호토바 연구원, 공동저자 이동희, 이성우 연구원)은 미국, 독일, 네덜란드, 프랑스, 캐나다 등 국제 연구자들과의 공동연구를 통해, 각자의 뇌에서 다르게 나타나는 고유한 통증 활성화 패턴을 규명했다고 밝혔다. 통증은 생존에 매우 중요한 기능이어서 진화적으로 잘 보존된 뇌 처리 기제를 지닌다. 실제로 통증을 경험하는 동안 기능자기공명영상(fMRI)을 통해 뇌를 들여다보면, 사람들은 매우 비슷한 활성화 패턴을 보인다. 하지만 매운 맛에 사람마다 다른 반응을 보이듯, 같은 통증 자극에 대해서도 각자 다른 경험을 한다. 통증은 정의상 개인적이고 주관적인 경험이기 때문이다. 이러한 통증의 개인차에는 다양한 기여 요인들이 있겠지만, 최근에는 뇌 안에 존재하는 통증 처리 경로가 하나가 아니라 여럿 존재한다는 사실이 밝혀지고 있으며, 이것이 통증의 개인차를 설명하는 중요한 요인일 것이라 제안되고 있다. 우충완 교수 연구팀은 400명이 넘는 피험자에게 열통증 자극을 주면서 관찰되는 뇌의 활성화 패턴을 분석했으며, 기계 학습 알고리즘을 이용해 개인 맞춤형 통증 예측 모델을 개발하였다. 이렇게 개발된 개인 맞춤형 통증 모델을 이용하여 여러 사람에 걸쳐 비슷한 패턴을 보이는 뇌 영역과, 사람마다 고유한 활성화 패턴을 보이는 뇌 영역을 확인하였으며, 이를 120명 이상의 독립적인 피험자를 대상으로 반복 검증했다. 우충완 교수는 “이번 연구를 통해 이전에는 놓치고 보지 못했던 통증에 중요한 뇌 영역들을 추가로 확인할 수 있었다”며 “특별히 더 발전된 기술보다는 약간의 관점 변화, 즉 집단 특성보다 각 사람의 고유성에 집중한 덕분에 가능했다. 앞으로도 한명 한명의 개인이 지닌 통증의 고유한 특성을 조사해 임상적으로 유용하게 사용할 수 있는, 개별 사람 중심의 신경과학 기술 개발을 위해 더 많은 노력을 기울일 것”이라고 밝혔다. 이번 연구의 제 1저자인 라다 코호토바는 “사람의 뇌에서 통증이 어떻게 처리되고 조절되는지에 대해서는 이미 우리가 답한 질문보다는, 앞으로 답해야 할 질문들이 더 많다”며, “본 연구가 통증의 개인차와 개별 특성에 대한 연구를 더욱 촉진하길 바란다”고 말했다. 본 연구는 기초과학연구원 뇌과학이미징연구단(IBS-R015-D1), 한국과학기술연구원 주요사업(2E30410-20-085), 한국연구재단의 우수신진연구(2019R1C1C1004512), 차세대바이오 사회밀착형지원사업(2021M3A9E4080780), 초융합 AI원천기술개발사업(2021M3E5D2A01022515)의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 세계적인 학술지 네이쳐 뉴로사이언스(Nature Neuroscience, IF 24.88)에 5월 30일 게재됐다. ※ 논문에 대한 자세한 내용은 저자의 유튜브 영상 초록을 참고하면 된다. https://youtu.be/jEy6vrKJuYM
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- 작성일 2022-05-31
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- 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀, 세계적 학술지 Science에 진동노이즈 선택적 제거 연구결과 발표
- 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀, 세계적 학술지 Science에 진동노이즈 선택적 제거 연구결과 발표 - 차세대 웨어러블, 삽입형 소자를 위한 발걸음 - 거미 다리의 패드를 모사해 전자 소자 개발 [사진] 김태일 교수, 박병학 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀은 박병학 박사의 주도 아래 거미 다리의 패드를 모사하여 외부 노이즈를 선택적으로 제거하는 댐핑 소재 및 이를 이용한 전자 소자를 개발하는 데 성공했다. 최근 생체 전자 소자는 상용화된 스마트워치 및 스마트폰을 비롯해 몸에 부착되거나 삽입된 형태로 중요한 생체 신호를 측정한다. 더 정밀한 측정을 위해 소자의 성능을 높이려는 연구가 많이 진행되었으나, 소자의 성능이 증가함에 따라 생체 신호 측정 시 움직임에 의한 노이즈를 비롯하여 다양한 생체 신호의 간섭이 원하는 신호를 구분하는 데 어려움을 주는 문제가 있다. 특히, 단순한 걷기, 움직임과 같은 생활 노이즈들은 대부분 30Hz 미만의 대역을 가지며 필연적으로 생체 신호 수집을 방해하는 요인 중 하나이다. 상용화된 전자 소자를 비롯하여 노이즈를 줄이기 위한 현재 연구 단계는 신호 처리 기술 및 이를 이용한 머신러닝 기반의 신호 분류가 많이 집중되고 있다. 하지만 이는 신호의 왜곡을 야기하고 추가적인 회로가 필요하며 즉각적인 신호 대역을 바꾸기 어렵다는 단점이 있다. 이 외에 다른 충격 흡수(댐핑) 재료들의 경우 선택적인 흡수가 아닌 모든 파장대를 흡수하는 문제점이 있다. 이에 연구팀은 위의 문제점을 자연의 재료로부터 영감을 받아 해결하고자 했다. 거미의 경우 매우 민감한 진동 수용체를 가지고 있어 적이나 먹이, 혹은 짝으로부터의 진동 신호를 민감하게 받아들일 수 있다. 흥미롭게도 바람이나 비와 같은 외부 노이즈들에서도 원하는 신호를 잘 읽을 수 있는데, 이는 진동 수용체 아래에 위치한 점탄성 패드(cuticular pad)가 선택적으로 낮은 주파수의 신호를 흡수하고 높은 주파수 대역을 진동수용체로 전달하기 때문이다. [연구그림 1] 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤 이를 바탕으로 연구팀은 거미의 패드의 원리를 모사하여 필요한 영역대의 상대적으로 높은 주파수 대역을 갖는 생체 신호를 통과시키고, 낮은 주파수 대역을 갖는 노이즈들을 선택적으로 제거하는 새로운 소재를 세계 최초로 개발하였다. 거미의 패드의 경우 키틴이라는 당과 단백질로 이루어져있고, 키틴의 경우 인접한 고분자 사슬끼리 많은 수소결합을 형성하고 단백질의 경우 사슬 사이에서 상변화를 유도한다는 것을 확인하고, 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤을 제작하였다. 실제로 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤은 다른 소재보다 높은 충격흡수 에너지 및 주파수 선택도를 갖는 것을 확인하였다. 또한 온도를 외부에서 45도까지 조절하면 약 1 Hz에서 50 Hz 까지 댐핑 영역대를 실시간으로 조절할 수 있음을 확인하였다. [연구그림 2] 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤 생체 응용 이를 이용하여 스트레인 센서와 결합하여 목 진동, 심박수 등의 기계적 생체 신호를 노이즈 하에서 높은 신호대 잡음비로 읽을 수 있고, 심전도, 뇌파 등의 전기적 생체 신호 역시 노이즈 하에서 안정적으로 검출이 가능함을 확인하였다. 신호처리를 이용하여 노이즈를 제거한 기존의 방법보다 높은 신호대 잡음비를 얻는 것으로, 재료가 선택적으로 노이즈를 댐핑하는 것이 기존의 방법보다 훨씬 효과적임을 입증하였다. 연구를 진행한 박병학 박사는 “이 연구는 자연이 가진, 거미의 특수한 기계적 성질을 모방하여 기존의 전자 소자가 가지고 있던 고질적인 노이즈 문제를 재료적으로 해결한 사례”라며, “전자 소자의 성능만을 높이는 것 뿐 아니라 선택적으로 외부 노이즈를 줄이는 것이 더 효과적인 생체 신호 수집의 방법이 될 수 있다”고 설명했다. 김태일 교수는 “노이즈를 최소화하여 생체 신호 모니터링 연구가 활성화되어 실시간으로 얻기 어려웠던 민감한 신호를 읽어내 진단 및 의공학 분야에서 큰 활용이 있을 것으로 전망한다”고 연구의 의의와 후속연구 계획을 설명했다. 본 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래창조과학부의 학문균형발전지원사업(NRF-2019R1I1A2A01061966), 휴먼플러스융합연구개발사업(NRF-2020M3C1B8016137), 뇌과학원천기술개발사업(NRF-2019M3C7A1032076), 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 주관 2020년 산업기술거점센터 육성시범사업(20013794) 그리고 산업통상자원부 및 한국산업기술진흥원 주관 2021년 산업혁신인재성장지원사업(해외연계)(P0017305)의 지원으로 수행되었으며, 세계적 국제학술지 ‘Science’에 5월 6일 게재되었다.
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- 작성일 2022-05-09
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- 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수, ‘메디포스트 신진과학자상’ 수상
- 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수, ‘메디포스트 신진과학자상’ 수상 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수가 4월 29일 차바이오컴플렉스에서 개최된 2022 한국조직공학재생의학회 신진연구자 심포지움 및 정기총회에서 ‘메디포스트 신진과학자상’을 수상했다. 신진과학자상은 조직공학 및 재생의학 분야의 탁월한 학술업적이 인정되는 만 42세 미만의 신진과학자를 대상으로 수여하고 있으며, 줄기세포치료제 개발 전문기업인 메디포스트에서 후원하고 있다. 박천권 교수는 조직공학 및 생체재료분야에서의 학술 업적과 학회 발전에 기여한 공로를 높이 평가받아 수상자로 선정됐다. 한국조직공학재생의학회는 조직공학 및 재생의학 분야 국내 대표학회로 의학, 자연과학, 공학 등 재생의료에 관련된 학계, 연구소, 기업들이 회원으로 있는 다학제, 융합학회이다.
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- 작성일 2022-05-06
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- 화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀 핵산 나노공학 기업 프로지니어(주)와 공동연구로 “mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현”
- 화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀 핵산 나노공학 기업 프로지니어(주)와 공동연구로 “mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현” - RNA 스스로 정밀한 구조체 형성, 안정성 등 RNA 본질적 한계 극복 - 단기간에 저비용으로 원하는 기능성 단백질 대량 생산 가능 - 세계적 학술지 Advanced Materials (IF = 30.849) 연구 논문 게재 [사진] 엄숭호 교수, 안소연 연구원, 김정훈 연구원(왼쪽부터) 화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀이 단기간 내에 저비용으로 원하는 기능성 단백질을 대량 생산할 수 있는 연구결과를 발표했다. 본 연구는 mRNA 하이드로겔을 이용해 무세포 단백질을 발현시킨 것으로, 국내 바이오 벤처 기업인 주식회사 프로지니어와 공동연구로 진행되었다. 의료용 사이토카인(Cytokine), 개인 맞춤형 신약 등 다양한 바이오 의약 분야에 적극적으로 활용될 것으로 기대되고 있다. 연구팀은 핵산 나노공학 기술 기반으로 환 전사 기법(Rolling circle transcription)과 핵산 사중 나선 구조를 규칙적으로 배열되게 디자인해 생리 화학적 기능을 갖춘 새로운 RNA 하이드로 겔 구조체를 만들었다. RNA는 생체 내에서 생리활성 조절과 발현에 매우 중추적인 역할을 담당하지만 불안정해 원하는 디자인 제작이 어려워 그 이용성이 매우 제한된다. 이처럼 심각한 본질적 한계가 지적되는 상황에서 이번 연구는 현명한 해결책을 제시하고 있다. 생체 모사를 통한 효소 촉매 작용, 단백질 합성 등 자연이 정의한 RNA의 생물학적 조절자 역할이 세포 외에서도 실제로 가능함을 입증하였다. 해당 기술로 생명의 중심원리, 센트럴 도그마(Central dogma)의 번역과정에서 ‘RNA가 시공간적으로 유도하는 밀집화(Spatiotemporal RNA-derived RNA phase transformation)’가 정확히 재현되었다. 이로써 겔 내부 구획화로 인한 폭발적인 단백질 생산이 가능하게 되었다. 1950년부터 ‘무세포 단백질 발현’ 기술로 세포 밖에서도 단백질을 만들 수 있게 되었다. 현대 바이오 의약품 시장의 발전과 함께 이는 세계적인 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 무세포 단백질 발현 기술의 치명적 단점인 효율성 부분을 극대화하는데도 크게 이바지하고 있다. 아울러, 최초로 RNA의 겔 형태가 가능해 다양한 기능을 갖춘 RNA가 상대적으로 높은 기계적 물성을 확보할 수 있게 되었다. 이는 유전정보를 탑재한 첨단 신소재의 개발 가능성도 시사한다. RNA의 근원적인 문제점을 해결하고 생명의 중심원리에도 기여하는 등 본 기술의 보편적 적용 가능성은 다양한 응용 기술의 탄생으로 발전되어 신분야를 개척할 것으로 기대를 모으고 있다. 이를 실현하기 위해 본 기술은 프로지니어(주)(대표이사 김철, 이영구)의 개인 맞춤형 항암백신 ProV-001과 기능성 단백질 합성 파이프라인에 직접 적용되고 있다. [연구그림] 하이드로 겔을 이용한 단백질 대량생산 엄숭호 교수는 “본 연구는 인류가 세계 최초로 ‘RNA 공장’을 직접 디자인 제작한 것은 물론 무세포 단백질 발현 기술과 접목되어 첨단 자연 모사(Bio-inspiration) 기술의 정점을 확립한 것으로 높게 평가받을 수 있다. 현재 인류는 모든 단백질을 천연 세포에 의존해서 오랜 시간 걸려야만 효과적으로 생산할 수 있다고 믿고 있다. 이는 필수적으로 고가의 생산시스템을 요구하는데, 본 연구로 인해 저가로 단시간 내에 원하는 기능성 단백질을 인위적으로 대량 생산할 수 있게 되었다. 이번 논문으로 세계적인 연구자들로부터 본 기술의 혁신성과 산업적인 이용 가능성을 인정받았다”라면서 “빠른 항체 치료제 개발을 통해 실제 임상 진입의 문턱을 낮추고 환자 맞춤형 치료 발전의 실현에 크게 이바지할 것”이라고 말했다. 본 연구성과는 4월 5일 세계적 학술지인 Advanced Materials(IF=30.849)에 표지논문으로 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Protein-encoding Free-standing RNA Hydrogel for Sub-compartmentalized Translation
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- 작성일 2022-04-11
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- 생명공학대학 권대혁 교수 연구팀, 항바이러스 중화항체 한계점 극복할 수 있는 나노디스크 기반 치료제 개발
- 생명공학대학 권대혁 교수 연구팀, 항바이러스 중화항체 한계점 극복할 수 있는 나노디스크 기반 치료제 개발 [사진] 왼쪽부터 권대혁 교수, 정영훈 박사, 황재현 (박사과정) 성균관대학교(총장 신동렬) 생명공학대학 권대혁 교수 연구팀이 항바이러스 중화항체의 한계점을 극복할 수 있는 나노디스크 기반 치료제를 개발했다. 코로나바이러스와 인플루엔자 바이러스 등 호흡기 바이러스 감염을 치료하기 위해 중화항체 치료제가 많이 개발되고 있으나, 중증의 환자에게는 유의한 치료 효과가 나타나지 않는 한계가 드러나고 있다. 더 큰 문제점은 바이러스가 빠르게 변이를 일으키기 때문에 개발한 중화항체를 금방 쓸 수 없게 된다는 것이다. 권대혁 교수 연구팀은 이러한 한계점을 극복하고자 항체치료제가 바이러스의 사멸을 매개할 수 있도록 만들었다. 연구팀은 ‘좋은 콜레스테롤’로 불리는 HDL이 만들어지는 과정에서 납작한 디스크 형태의 작은 세포막 조각이 만들어지는데, 이를 이용해서 바이러스를 사멸시킬 수 있다는 사실을 네이쳐 커뮤니케이션스에 보고한 바 있다. 바이러스가 디스크 형태의 세포막 조각을 만나면 스스로를 파괴한다는 선행 연구에 기반하여 이번 연구에서는 항체와 상호보완하여 바이러스를 사멸할 수 있는 방법을 고안하였다. [연구그림]중화항체-나노퍼포레이터 복합체의 구조와 인플루엔자 바이러스 감염억제 기작 연구팀은 단백질공학을 활용해 디스크형 세포막 조각을 중화항체의 고유영역에 결합할 수 있도록 만들었더니, 중화항체를 단독으로 사용했을 때보다 훨씬 뛰어난 항바이러스 효과를 나타내는 것을 확인했다. 디스크형 세포막 조각은 감염된 세포가 스스로 사멸시킬 수 있도록 바이러스에 대한 저항력을 세포에 부여했다. 이는 단순히 바이러스의 활동을 억제하는 차원에서 한 발짝 더 나아가 바이러스를 사멸시키기 때문에 내성바이러스의 형성이 원천적으로 차단될 것으로 기대된다. 항체 의약품이 항암제 등의 개발에 널리 이용되는 것에 반해 항바이러스제의 개발은 그동안 성공적이지 못했는데, 본 기술은 기존의 다양한 항바이러스 항체의 치료제로서의 개발 가능성을 높일 수 있을 것으로 예상된다. 연구팀은 현재 코로나바이러스에 본 기술을 적용하는 후속 연구를 수행 중이며, 벤처기업 엠브릭스(주)는 본 기술을 이전하여 항바이러스제로 개발할 계획이다. 본 연구는 삼성전자 미래기술육성센터가 주관하는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적 권위지인 ‘Small Methods’ (IF 14.188)에 2022년 2월 온라인 게재 및 표지 논문(back cover)으로 선정되었다. 연구에는 제1저자로 황재현 박사과정생, 정영훈 박사 외에도, 성균관대 정우재 교수, 생명공학연구원의 김상직 박사 등이 참여하였다. ※ 논문명 : Nanodisc-Mediated Conversion of Virustatic Antiviral Antibody to Disrupt Virus Envelope in Infected Cells
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- 작성일 2022-03-28
- 조회수 405
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- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 국소 스테로이드제가 필요없는 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치 개발
- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 국소 스테로이드제가 필요없는 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치 개발 - 활성산소종 제거능 세리아 나노입자 담지 치료용 하이드로겔 개발 - 아토피 유발 피부의 활성산소종과 염증 면역 수치 감소 확인 [사진] 왼쪽부터 김예은 (석박사통합과정), 김재윤 교수, 최승우 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제1저자 김예은 석박사통합과정, 최승우 박사)이 국소 스테로이드제의 사용 없이 아토피 염증 부위의 활성산소종을 효과적으로 제거해 아토피 피부염을 치료하는 항산화 하이드로겔 패치를 개발했다고 밝혔다. 활성산소종은 우리 몸에서 세포의 신호전달을 담당하는 필수 요소지만, 과도하게 많아지면 산화 스트레스가 증가함에 따라 DNA 파괴, 단백질 산화, 인지질의 과산화 등을 유발하여 세포의 사멸을 유도하거나 여러 염증성 사이토카인 등을 생성하여 노화 및 여러 질병을 유발한다. 또한 아토피 피부염 치료를 위해 스테로이드제, 항히스타민제, 항생제 등이 일반적으로 가장 많이 사용되고 있으나, 이 치료제들은 지속적인 사용 시 비만과 근육 약화, 혈압 상승 등을 유발하는 쿠싱 증후군이나 피부 장벽 약화, 졸음 등을 유발한다는 한계점이 존재한다. 특히 아토피 피부염은 만성 질환으로 발전하는 경우가 많고 재발가능성이 높아 지속적인 치료가 필요하기 때문에, 환자들은 이와 같은 부작용을 무릅쓰고 계속 치료제를 사용해야 한다. 따라서 안전하면서도 지속적인 치료가 가능한 치료법이 필요한 실정이다. [그림 1] 항산화 하이드로겔 패치의 아토피 피부염 치료 메커니즘 이에 연구팀은 해조류에서 유래한 생체 친화적인 알긴산 하이드로겔에 활성산소종을 제거하는 촉매 기능을 지닌 세리아 나노입자를 포함시키는 방법으로 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치를 구현하였다. 아토피 피부염 부위에 존재하는 높은 농도의 활성산소종이 염증 부위에 부착된 하이드로겔 내부로 확산하여 세리아 나노입자에 의해 물과 산소로 전환되어 결과적으로 염증 부위의 산화스트레스 및 염증성 면역반응을 효과적으로 낮추는 원리이다. [그림 2] 항산화 하이드로겔 패치의 아토피 피부염 치료 메커니즘 (상세) 개발한 치료용 하이드로겔 패치는 필요에 따라 다양한 모양과 두께로 제작 가능하며, 부드럽고 유연한 소재이기 때문에 굴곡이 있는 아토피 피부염 부위에 맞게 적용이 가능한 장점이 있다. 또한 하이드로젤 고유의 높은 수분 함유도는 건조한 아토피 피부 관리에 필수적인 보습에 도움이 된다는 부가적인 장점을 지니고 있다. [그림 3] 항산화 하이드로겔 패치의 사진 (좌), 항산화 하이드로겔을 이용한 세포 내의 활성산소종 제거 (우) 아토피 피부염을 유발한 동물모델에 항산화 하이드로겔 패치를 부착하여 치료를 진행한 결과, 아토피 발현 부위의 활성산소종의 양이 현저히 줄어들었으며, 아토피 피부염의 대표적인 증상인 두꺼워진 표피층이 얇아졌고, 아토피와 관련된 면역학적 요소인 염증 유발 세포(비만세포)의 숫자와 염증성 사이토카인(신호전달물질)의 수치가 감소하여, 아토피 피부염이 치료됨을 확인하였다. [그림 4] 항산화 하이드로겔 패치를 이용한 아토피 피부염 치료 동물실험 결과 한편 최근 나노입자의 장기간 노출에 따른 인체 독성 문제가 이슈가 되고 있는데, 본 하이드로겔 패치의 경우 나노입자가 하이드로겔 내부에 완전히 갇혀 있는 형태로 나노입자가 하이드로겔이 부착된 피부 부위로 방출되지 않았다. 이는 본 하이드로겔 패치가 나노 독성을 유발할 가능성이 낮은 안전한 치료용 제제임을 시사한다. 김재윤 교수는 “일반적인 아토피 피부염 치료는 주로 염증 부위에 국소 스테로이드제를 적용하는 것인데, 이번에 개발한 하이드로겔 패치는 스테로이드제의 사용 없이 아토피 피부염에서 과발생하는 활성산소종을 선택적으로 소거하여 염증을 완화시키는 방식으로, 향후 후속 연구를 통해 다양한 피부 염증 질환에도 확대적용이 가능할 것으로 기대한다”고 설명했다. 본 연구 결과는 나노 과학&나노 공학 국제학술지 Nano Letters (IF: 11.189, JCR 분야 상위 9.06%)에 2월 28일 온라인 게재되었으며, 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 산림생명자원소재발굴연구사업 및 보건장학회의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명 : Therapeutic Hydrogel Patch to Treat Atopic Dermatitis by Regulating Oxidative Stress
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- 작성일 2022-03-16
- 조회수 375
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- 의학과 이창우 교수,암을 공격하는 CD8+ T 세포의 항암 면역 기능 극복 연구
- 의학과 이창우 교수, 암을 공격하는 CD8+ T 세포의 항암 면역 기능 극복 연구 - 종양 침윤 CD8+ T 세포 기능이 억제되어 있는 기전 규명 - 새로운 항암 면역 극복 기술 제시 [사진] 좌측부터 이시연 대학원생, 이창우 교수, 박지현 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 의학과 이창우 교수 연구팀(분자종양면역학연구실, 제1공동저자 박지현, 이시연)이 종양 미세환경에서 암세포를 공격하는 핵심적인 항암 면역 CD8+ T 세포가 Pellino1(Peli1) 유전자에 의해 기능이 억제되는 것을 밝히고, 암세포를 효율적으로 제거할 수 있는 항종양 면역 조절 연구에서 새로운 돌파구를 제시했다. 종양 미세환경(Tumor microenvironment)은 다양한 면역 세포들로 복잡하게 구성되어 있는데, 대표적으로 항종양 면역 반응과 면역 치료에 있어서 중요한 역할을 하는 CD8+ T 세포(CD8+ T lymphocyte)가 있다. CD8+ T 세포의 상태와 기능에 따라 면역 억제 또는 활성화시키며, 그중 CD8+ T 세포 활성을 억제하고 있는 신호를 차단함으로써 T 세포를 활성화시키는 면역 치료제는 다양한 암 및 면역질환을 치료함에 있어서 크게 각광받고 있다. 이러한 관점에서 유비퀴틴 E3 접합효소 Peli1을 통한 종양 면역 환경에서 CD8+ T 세포 활성 조절은 향후 항암제 개발에 새로운 전략으로 전망된다. [연구그림]Pellino1(Peli1)에 의한 종양 침윤 CD8+ T 세포의 활성 조절 본 연구는 분자생물학, 생화학, 종양면역학, 실험동물학, 임상병리학 및 데이터사이언스 등의 다학제 및 다기관(성균관대 의대, 서울아산병원, 국립암센터, 강남세브란스병원) 연구성과이다. 종양 침윤 CD8+ T 세포(Tumor infiltrating CD8+ T lymphocyte, TIL)에 존재하는 E3 접합효소 Peli1은 PKCθ와 직접적으로 결합하여 라이신 48 매개 폴리유비퀴틴화 (Lysine-48 linked polyubiquitination) 과정으로 CD8+ T 세포의 생존 및 증식 조절을 확인했다. 또한, B세포 림프종 환자의 CD8+ TILs에서 Peli1과 종양 면역 억제 수용체(inhibitory receptor) 간의 발현 상관관계를 규명했다. 이러한 결과들은 Peli1이 CD8+ T 세포의 활성을 조절할 수 있어, 면역 항암제 개발에 중요한 새로운 표적이 될 수 있음을 제시했다. 이창우 교수는 “종양 미세환경에서 새로운 항암 면역 기전을 규명한 연구 결과이며, CD8+ T 세포 활성에 관련한 Peli1 유전자의 중요한 기능을 밝힘으로써 새로운 면역 항암제의 표적으로 쓰이길 기대한다”고 설명했다. 본 연구성과는 저명한 미국암학회의 Cancer Immunology Research(SCI IF 11.151) 2022년 2월 온라인 게재되었다.
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- 작성일 2022-02-14
- 조회수 355
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- 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수, 전자전기공학부 손동희 교수 공동 연구팀, 신축성 사람-로봇 인터페이스 구현을 위한 수분 및 열 저항성을 갖는 친환경 접착제 개발
- 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수, 전자전기공학부 손동희 교수 공동 연구팀, 신축성 사람-로봇 인터페이스 구현을 위한 수분 및 열 저항성을 갖는 친환경 접착제 개발 - ACS 나노 1.10 (월) 논문 게재 - 사람-로봇 인터페이스에 사용 가능하고 수분 저항성을 갖춘 친환경 접착제 개발 [사진] 손동희 교수, 신미경 교수, 강규민 연구원, 최연선 연구원(왼쪽부터) 기존의 상업용 접착제(예: 시아노아크릴레이트, 에폭시 접착제)는 높은 접착력으로 인해 산업 및 건축 등 많은 분야에서 사용되어 왔지만, 수분이 있는 환경에서 접착력이 약하고 한번 떨어지면 접착력을 잃는 부분이 도전과제로 남아있다. 또한 생태계와 인체에 유해한 휘발성 유기화합물과 같은 부산물의 독성이 문제가 되었다. 최근 해양생물에서 영감을 받아 카테콜․갈롤 결합 중합체를 이용한 하이드로젤 기반 접착제가 개발되었지만, 여전히 변형에 대한 기계적 강도 및 습기와 열 같은 외부 영향에 저항하는 접착강도에 대한 개선이 필요하다. 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수, 전자전기공학부 손동희 교수 공동 연구팀(제1저자 최연선, 강규민)은 녹차 추출물의 올리고머를 활용해 고밀도 재료의 응집력과 접착력을 동시에 높여 안정적으로 사람-로봇 인터페이스를 연결시킬 수 있는 친환경 고분자 접착제(Instantaneous polymeric adhesive with high strain tolerance)를 개발했다. 본 접착제는 사람의 움직임을 수중에서도 안정적으로 감지하고, 인체와 생태계에 유해한 휘발성 유기화합물을 전혀 발생시키지 않는다. [연구그림 1] 수중환경에서의 접착제 역할 연구팀이 개발한 친환경 접착제는 녹차 추출물인 에피갈로카테킨갈레이트(EGCG)의 올리고머와 생체적합성을 갖는 고분자인 폴리에틸렌글라이콜로 구성되어 있다. 두 가지 구성 성분이 수소결합을 통해 물이 상층액으로 빠져나오면서 고밀도로 응집력과 접착력을 동시에 보유한 접착제가 형성되고, 수중 환경에서도 안정적이고 가역적으로 접착력을 유지해 사람-로봇 인터페이스로써 정확한 신호 전달이 가능하다. [연구그림 2] 유무기 표면에서의 접착력 연구팀은 폴리페놀을 선형구조를 가지는 올리고머로 접착제를 제조했을 때, 기존에 가장 많이 사용해왔던 가지형 폴리페놀 탄닌산과 단분자 형태의 EGCG와 카테킨으로 만든 접착제와 비교하여 10배 이상의 높은 접착력을 보유하는 접착제를 만들 수 있음을 확인했다. 또한 다양한 유기, 무기 표면에서도 높은 접착력을 확보했다. [연구그림 3] 올리고머 접착제 본 연구에서 개발한 강력한 수분 접착성을 보유한 접착제는 건조환경과 수중환경 모두에서 딱딱한 센서와 유연한 장갑의 기계적 물성을 연결해줄 수 있는 계면소재로, 사람의 움직임에 의한 기계적 변형을 센서가 안정적으로 감지할 수 있게 하였다. 반면 기존의 3M 테이프는 건조환경과 수중환경 모두에서, 탄닌산 기반 접착제는 수중환경에서 센서와 장갑의 분리되어 센서가 변형을 정확히 감지할 수 없었다. 이를 통해 본 연구의 녹차 추출물 기반 접착제가 다양한 환경에서 사람-로봇 인터페이스를 안정적으로 연결할 수 있음을 확인했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업 (신진연구 No. 2020R1C1C1003903, No. 2020R1C1C1005567), 범부처전주기의료기기연구개발사업(202012D28) 과제 및 4단계 두뇌한국(BK)21사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 ACS 나노(ACS Nano, IF:15.881)에 1.10(월) 게재되었다. ※ 논문명 :Molecular Rationale for the Design of Instantaneous, Strain-Tolerant Polymeric Adhesive in a Stretchable Underwater Human–Machine Interface
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- 작성일 2022-01-18
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