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일본 토호쿠 대학 원자분자 재료과학 고등연구기구(AIMR)의 연구 그룹은 물질재료 연구기구와 공동으로 안전하고 쉽게 흑연에서 그래핀을 박리하여 물에 용해하는 기술의 개발에 성공했다.

지금까지 그래핀 분산 수용액의 제조 방법은 인체에 유해한 화학 물질을 이용하여 그래핀을 박리하거나 미리 그래핀을 준비하고 알부민과 혼합해야 했다. 본 연구는 흑연과 알부민의 농도를 조정하면서 섞어 실온에서 초음파를 조함으로써 그래핀 분산액의 제작에 성공했다. 따라서 흑연에서 그래핀을 박리하여 수용액에 녹여 분산하기까지 유해한 물질을 사용하지 않고 만들 수 있다. 또한, 세포 배양의 발판이 되는 하이드로 겔에 제작한 그래핀 분산액을 혼합하면 젤의 성능이 향상되는 것을 발견했다. 향후, 그래핀을 생체 재료에 응용하는데 기반 기술이 될 것으로 기대된다.

이 연구 성과는 물질·재료 연구 기구(NIMS)와 토호쿠대 미래 과학 기술 공동 연구 센터(NICHe)와의 공동 연구이며, 2015년 4월 21일 "Nanoscale"지에 게재된다.

그래핀은 원자 한 층의 두께를 가지는 탄소 나노 시트이며, 정보 통신 및 에너지 분야에서 중점적인 연구 개발이 추진되고 있다. 최근, 약물 전달 및 광열 암 치료 등 생물 의료 분야에서도 그래핀이 주목받고 있다. 또한, 높은 전도성과 기계 강도를 갖는 그래핀의 독특한 물성을 살려 조직 공학의 발판 재료 및 바이오 센서의 개발이 진행되고 있다. 하지만, 그래핀은 원래 물과 어울리지 않는 성질을 가지기 때문에 생물 의약 분야에서 응용 가능성을 넓히기 위해 그래핀을 친수화하고 수용액에 분산시킨 상태에서 대량으로 제조하는 기술의 개발이 요구되고 있었다.

지금까지 물을 포함한 다양한 종류의 용매를 이용하여 액체 중에서 흑연에 초음파를 조사해, 나노 미터 규모의 그래핀을 박리 분산시키는 기술이 개발되고 있었다. 그러나 이들의 제조 공정은 복잡하고, 유해 화학 물질을 사용하는 것이 필요했다. 또한, 그래핀에 단백질을 섞어 용액 중에 분산하는 것도 가능하나, 사전에 그래핀을 대량으로 준비할 필요가 있다. 이 때문에 흑연에서 위험한 화학 물질을 사용하지 않고 그래핀을 박리·분산시키는 기술 개발에 도전했다.

본 연구팀은 그래핀의 원료가 되는 흑연과 소혈청 유래의 단백질인 알부민을 이용해 실험을 실시했다. 흑연과 알부민의 중량비를 제어하면서 섞은 후, 실온에서 초음파 조사한 결과, 알부민이 그래핀의 표면을 덮고 흑연에서 박리하고, 100나노미터에서 수마이크로미터의 면적을 가지는 단백질‐그래핀 복합체를 물 속에서 안정적으로 분산시킬 수 있음을 알게 되었다. 그래핀의 물성을 투과형 전자 현미경이나 자외선- 가시 분광, 라만 분광, XPS 등에 의해 상세하게 해석한 결과, 단백질‐그래핀 복합체의 탄소들이 원자 수 개 층 이하임이 확인되었다.

또한, 유리 기판상에 그래핀 분산액을 떨어뜨리고, 자연 건조시킨 박막을 제작하면 나노미터 크기의 요철을 가진 기능성 기판이 형성돼 세포 배양에 응용 가능한 것으로 확인됐다. 게다가 하이드로 겔에 그래핀을 혼합하면 겔의 전도율과 기계 강도가 향상되었다. 이 하이브리드 재료는 전기 자극 반응성 근세포 등의 분화, 성숙을 촉진하는 새로운 발판 재료로 응용이 기대된다.

이번 연구 성과는 AIMR의 연구진이 개발을 추진해 온 하이드로 겔-탄소 나노 재료 복합체를 제작하는 연구에서 탄소 계열 나노 재료를 대량으로 입수하여 취급하기 위한 기반 기술로 규정할 수 있다. 또한, 단백질인 알부민과 흑연에서 그래핀의 제작을 촉진할 수 있었기 때문에 알부민 외에도 수용성 단백질이 널리 후보로 거론될 가능성이 있어 생체 재료 분야에의 응용이 기대된다.

그래핀을 생체 재료에 응용하려면 세포 독성 시험을 포함해 앞으로도 다면적인 평가를 쌓는 것이 필수적이지만, 그래핀의 안전성이 확인되면 이번 방법은 향후, 약물 전달이나 광열 암 치료, 체내 삽입형 소자, 바이오 센서나 생체 외 조직 모델을 구축하는데 기반 기술이 될 것으로 기대된다.

[논문정보]
1) 논문명 : Facile and green production of aqueous graphene dispersions for biomedical applications,
2) 저자명 : Samad Ahadian, Mehdi Estili, Velappa Jayaraman Surya, Javier Ramón-Azcón, Xiaobin Liang, Hitoshi Shiku, Murugan Ramalingam, Tomokazu Matsue, Yoshio Sakka, Hojae Bae, Ken Nakajima, Yoshiyuki Kawazoe and Ali Khademhosseini,
3) 저널명 : Nanoscale , Volume 7 Number 15 (21 April 2015), page 6436-6443.
4) DOI : 10.1039 / c4nr07569b


KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-04-15




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