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빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

'나노입자 광사태'현상 논문 네이처紙 표지 장식

화학공학/고분자공학부 서영덕 교수

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  • 빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

    화학공학/고분자공학부 서영덕 교수

    빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

    ○ 다중흡수-다중방출 형태의 광학적 연쇄증폭반응을 통한 상향변환 나노입자 광변환 효율의 획기적 증강 현상을 세계 최초로 발견하고 ‘광사태 나노입자’로 명명 ○ 이러한 광사태 나노입자 신소재를 활용해 70 nm 공간해상도의 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy) 이미징에 성공 ○ 비변질 고민감도 체외진단키트 등 바이오 의료 분야, 자율주행 자동차용 LiDAR 근적외선 광센서 소재 등 첨단 IoT 분야, 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 증강용 소재 등 신재생 에너지 분야 등에 광사태 나노입자 활용 미래 신기술 개척 기대. 서영덕 교수(성균관대학교 화학공학/고분자공학부 성대-화학연 학연교수)연구팀과 미국/폴란드 공동연구팀은 기존 상향변환 나노입자*의 광변환 효율을 극대화 시킬 수 있는 빛의 연쇄증폭반응인 광사태 현상(Photon Avalanche)이 단일 나노입자에서 일어남을 발견하고 규명했다. * 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle=UCNP): 큰 에너지를 갖는 빛이 물질에 흡수된 뒤 열에너지로 그 일부를 소모하고 나머지 작은 에너지가 다시 빛으로 변환되어 방출되는 보통의 하향변환과는 달리, 상향변환 나노입자에서는 작은 에너지의 빛이 다중으로 흡수된 뒤 큰 에너지의 빛으로 결합 되어 변환됨. 눈에 보이지 않는 작은 에너지(장파장)의 적외선을 흡수하여 눈에 보이는 가시광선 등 큰 에너지(단파장)의 빛으로 변환시켜 주는 특이한 물성 때문에 상향변환 나노입자(UCNP) 분야는 최근 10여년간 급성장해 왔으나, 이의 상용화를 앞당기기 위해서는 해결해야 할 ‘광변환 효율의 증강’이라는 난제가 있었다. 즉, 기존의 상향변환 나노입자는 광변환 효율이 매우 낮아서, 작은 에너지의 빛을 다중으로 흡수하여 큰 에너지의 빛으로 다시 방출하기 위해서는 매우 강한 광세기의 고출력 레이저가 사용되어야만 하고, 이에 따른 가격 상승, 열 발생, 사용자의 실명 방지를 위한 레이저 안전성(Safety) 확보 등이 상용화의 걸림돌이 되어 왔다. 이번에 발견한 빛의 연쇄증폭반응에 의한 광사태 현상은 일단 빛이 나노입자에 다중흡수된 뒤, 나노입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 마치 눈사태나 산사태처럼 연쇄적인 광학 증폭반응을 일으켜서 빛의 세기가 강하게 증폭되어 나노입자로부터 다중방출되는 (표지 그림 및 그림 1 설명 참조) 매우 이례적인 다중흡수-다중방출 형태의 거대 비선형 광학 현상으로서, 이를 통하여 일상생활에서도 많이 사용되고 있는 레이저 포인터 수준의 약한 광세기로도 매우 높은 상향변환 발광효율(광변환 효율)을 유발시킬 수 있다는 것을 세계 최초로 발견한 것이다. 공동연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자를 ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle: ANP)’로 새롭게 명명하고, ”광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)“이란 제목의 논문을 영국시간 2021년 1월 14일자 네이처紙(I.F.=42.8)의 표지논문으로 출판하였다. 이러한 새로운 현상의 발견에 기반하여 본 연구논문에서는 70 nm의 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy) 이미징*(그림 2 설명 참조)에 성공하였다. 향후 초고해상도 나노스코피를 이용하여 살아있는 세포 속을 초고해상도로 실시간 바이오 이미징 하거나, 광사태 나노입자가 광탈색(Photobleaching)이 없는 화학적으로 안정한 무기계 나노입자인 점을 이용하여 비변질/고감도의 체외진단용 원천소재로 적용하는 바이오 의료 분야, 페로브스카이트 태양전지가 수확하지 못하던 > 800 nm의 낮은 에너지(장파장) 영역 외부양자효율(External Quantum Efficiency: EQE)을 증강시킬 수 있는 신소재로 적용하는 신재생 에너지 산업 분야, 자율주행자동차가 주행 시 먼 거리를 보는 눈에 해당하는 LiDAR(905 nm ~ 1,550 nm 파장 영역)용 근적외선 검출 광센서의 > 1,100 nm(Si 반도체를 못 쓰고 InGaAs 등의 화합물 반도체를 써야만 했던 파장 영역)의 낮은 에너지(장파장) 영역 근적외선 검출을 위한 나노입자 신소재로 적용하는 첨단 IoT 분야 등에 대한 응용 연구들을 앞으로 진행할 계획이다. * 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy)는 200 nm(청색광)~500nm(근적외선)정도인 빛의 회절한계(Diffraction Limit)를 뛰어넘는 초고해상도의 나노분광(Nano Spectroscopic) 이미징 분야(2014년 노벨화학상 수상)에 대한 통칭임. 당시 수상한 STED(STimulated Emission Depletion)과 PALM(Photo-Activated Localization Microscopy)은 각각 도넛 모양의 STED 스팟을 여기(Excitation) 광의 공초점 스팟과 중첩한 상태로 스캔해야만 하거나, 모든 이미징 픽셀들의 중심에 컴퓨터로 인위적인 작은 점들을 하나 하나 찍어서 마치 회화 기법의 한 종류인 점묘법처럼 이미지를 재구성해야만 하는 기술 난이도 상의 단점이 남아 있었음. <2014년 노벨화학상 기사 참조> http://dongascience.donga.com/news/view/5283 및 http://dongascience.donga.com/news/view/5484 이번 연구에서는 ~25 nm 내외의 매우 작은 각각의 광사태 나노입자들의 중심 부분으로부터 상향변환되면서 연쇄 증폭된 빛이 매우 국소적으로 집중되어 폭발적으로 방출되기 때문에 스팟 한 개만을 사용한 간단한 공초점 이미징 스캔으로도 단번에 70 nm의 초고해상도 나노스코피에 성공하였고, 후속 연구를 통하여 더욱 해상도를 높일 수 있음. 또한 현재 광변색 소자인 포토 스위칭 기술, 체내 삽입용 마이크로 레이저 기술 등의 후속 연구를 마치고 논문 투고 예정이며, 향후 광사태 나노입자의 응용 분야를 더 넓히기 위하여 레이저 포인터보다 더 약한 광세기의 LED로도 광사태 현상을 유발시킬 수 있도록 하는 후속 연구를 진행 중이다. 참고로 본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 교수와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck교수는 각각 국제공동연구를 지원하는 한국연구재단의 글로벌연구실지원사업의 한국측 및 미국측 책임자로서, 이 사업을 통해 지난 5년간 연구책임자 및 연구원들의 주기적인 상호 방문연구실험, 상호 초청강연, 국제공동심포지엄 공동개최 등을 통하여 협력해왔으며, 최근에는 세계적인 권위의 고든컨퍼런스(Gordon Research Conference)에서 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle) 분야의 Conference를 처음으로 공동창립하여 올해 6월 하순에 미국에서 첫 컨퍼런스를 개최할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 글로벌연구실(GRL) 지원사업과 한국화학연구원 강소형 연구과제, 산업자원부의 산업기술혁신사업 지원으로 수행되었다. 본 표지논문의 과제 사사 문구: 한국연구재단(NRF) GRL과제, 화학연(KRICT) 강소형과제, 산업자원부(MOTIE) 과제 등을 서영덕 교수(Y.D.S.)가 과제 사사하였고, 제1저자인 이창환(C.L.) 박사과정학생과 공동교신저자인 Prof. P. James Schuck교수(P.J.S.)의 과제사사는 한국연구재단 GRL과제가 유일하다. 본 논문의 주요 저자들은 다음과 같다. - 공동 교신저자: 서영덕 교수 (성균관대학교 화학공학/고분자공학부 성대-화학연 학연교수: 한국연구재단 GRL 과제의 한국측 책임자), 미국 컬럼비아대학 P. James Schuck 교수 (한국연구재단 GRL의 미국측 책임자) 등 - 단독 제1저자: 이창환 미국 컬럼비아대학 박사과정생 (2020년 5월~8월 서영덕 교수 실험실의 방문연구생) - 공저자: 남상환 책임연구원 ※ 서영덕 교수의 ‘광사태 상향변환 나노입자’ 관련 논문 (*표는 교신저자). 1*. Giant Nonlinear Optical Responses from Photon Avalanching Nanoparticles (Nature 589/230, 2021) [Cover Article] *Please also see News&View (Nature 589/204, 2021) 2. Nanorods with Multidimensional Optical Information beyond the Diffraction Limit (Nature Communications 11/1, 2020) 3*. Future and Challenges for Hybrid Upconversion Nanosystems (Nature Photonics, 13/828, 2019) 4*. Recent Advances in Upconversion Nanocrystals: Expanding the Kaleidoscopic Toolbox for Emerging Applications (Nano Today, 29/100797, 2019) 5. Enrichment of Molecular Antenna Triplets Amplifies Upconverting Nanoparticle Emission (Nature Photonics, 12/402, 2018) 6*. Upconverting Nanoparticles: a Versatile Platform for Wide-Field Two-photon Microscopy and Multi-modal In Vivo Imaging (Chemical Society Reviews, 44/1302, 2015), cited > 420 times 7. Theranostic Probe Based on Lanthanide- Doped Nanoparticles for Simultaneous In Vivo Dual-Modal Imaging and Photodynamic Therapy (Advanced Materials, 24/5755, 2012), cited > 360 times 8*. Long-Term Real-Time Tracking of Lanthanide Ion Doped Upconverting Nanoparticles in Living Cells (Angewandte Chemie International Edition, 50/6093, 2011), cited > 220 times. 9*. Non-Blinking and Non-Bleaching Upconverting Nanoparticles as Optical Imaging Nanoprobe and T1 MRI Contrast Agent (Advanced Materials, 21/4467, 2009), cited > 570 times. Nature 誌 전면 표지 (2021년 1월 14일자(영국시간)) 그림 1. 툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA: Photon Avalanche) 연쇄증폭반응의 메커니즘 a. 툴륨 이온의 농도가 8% 이상일 때 광사태 현상을 일으키는 코어-쉘 광사태 나노입자 모양. * 삽입그림: 이터븀 이온 (Yb3+)의 바닥상태흡수(ground-state absorption)로부터 유발되는 기존의 에너지 전달 상향변환 (ETU: energy transfer upconversion) 과정과의 비교 그림. [그림 a 속의 용어: Core(알맹이), Inert Shell(비활성 껍질). Tm3+ concentration ≥ 8%(툴륨 이온 도핑 농도 8 퍼센트 이상). GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수). Tm3+-Tm3+ cross-relaxation(툴륨이온-툴륨이온 사이의 교차 안정화 과정 (안정화는 들뜸/여기(excitation)의 상대어)). Upconverted avalanching emssion (800 nm): 800 nm 파장에서의 상향변환 광사태 방출. 그래프의 가로축: Excitation intensity(여기광 세기), 그래프의 세로축: Emission intensity(방출광 세기)] b. 광사태 현상이 일어나기 전과 도중과 후의 3단계 과정을 보여주는 여기광세기(Excitation intensity) 대비 발광세기(Emission intensity) 거대 비선형 광학 반응 모형 곡선(Model plot of Photon Avalanching Giant Nonlinear Optical Response Curve). [그림 b 속의 용어: Before threshold(광사태 연쇄증폭반응 현상의 문턱치 직전), PA(광사태 현상 구간), Saturation(광사태 현상의 포화상태로서 과도한 여기(excitation) 광세기 구간.] c. 툴륨 이온의 4f12 오비탈 에너지 준위 그림. R1, R2는 각각 바닥상태 광흡수율(ground state excitation rate)과 여기상태 광흡수율(excited state excitation rate)을 나타내고, W2와 W3는 각각 3F4 에너지 준위와 3H4 에너지 준위로부터의 안정화 과정 후의 축적율(aggregation rate after relaxation)을 나타냄. 이러한 광흡수율들과 축적율들은 방사형 및 비방사형 안정화 과정들 (radiative and non-radiative pathways)을 설명하면서 동시에 교차안정화(cross-relaxation)나 다른 형태의 에너지 전달과정(other energy transfer processes)을 제외한다. [그림 c 속의 용어: GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수), cross-relaxation(툴륨이온-툴륨이온 사이의 교차 안정화 과정), Emission(상향변환 된 빛의 방출). 그래프의 세로축: 103 cm-1 (1,000 웨이브넘버(빛의 에너지 단위 중의 한 가지) 단위의 에너지)] 그림 2. 광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 나노스코피 이미징 a,b. 포화 광세기 구간(saturation regime: 9.9 kWcm-2)으로 여기(excite) 시켰을 때(a)와 광사태 구간(PA regime: 7.1 kWcm-2)으로 여기시켰을 때(b)의 8% 툴륨 이온으로 도핑된 광사태 나노입자(ANP: Avalanching Nano Particle) 이미지 c. 이미지 a와 b 상의 파란색 선에 해당하는 라인컷: 초고해상도를 나타내는 비교를 위해 1,064 nm의 여기광을 N.A.=1.49의 대물렌즈로 집속했을때의 이론적인 회절한계가 검은색 점선으로 표시되어 있음. d,e.이미지 a와 b에 대한 각각의 이론적인 이미징 시뮬레이션 결과인 c와 d. f. 여기광의 세기에 따른 단일 광사태 나노입자에 대한 실제 측정된(검은색) 이미징 해상도 선폭과 시뮬레이션을 통한 이미징 해상도 선폭(FWHM: Full Width at the Half Maximum) g. 포화광세기 근처로부터 광사태 문턱치 직전까지 차츰 여기광세기를 줄여가면서 8% 툴륨이온으로 도핑된 광사태 나노입자 두 개가 300 nm의 간격으로 놓여진 시료에 대해 얻어진 이미지. h. 실험적으로 얻어진 g의 이미지들에 대한 시뮬레이션 결과.

  • 뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시

    글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수

    뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시

    내 몸이 아픈 걸 다른 사람이 알기는 어렵다. 정의상 통증 경험은 주관적이기 때문이다. 효과적인 진단과 치료를 위해서는 통증을 정확하고 객관적으로 측정하고 평가할 수 있어야 하지만, 2021년 현재까지도 통증에 대한 평가는 환자에게 직접 얼마나 아픈지 물어보는 것에 전적으로 의존하고 있다. 통증은 외부 유해 자극에 대한 몸의 반응에서 기인하지만, 최종적으로 경험하는 통증은 감정, 생각, 신념, 기억 등과 같은 요소들의 영향을 받으며, 뇌기능 커넥톰*을 이루는 뇌의 여러 영역들 간의 복잡한 기능적 상호작용을 통해 일어난다. 또한 삶을 파괴하고 막대한 사회경제적 비용을 초래하는 만성 통증은 뇌기능 커넥톰 수준에서 유의미한 변화가 일어난다고 알려져 있으나, 뇌기능 커넥톰에 기반한 통증 측정 도구는 여전히 존재하지 않았다. * 뇌기능 커넥톰 : 뇌의 여러 영역들 간 시스템 수준의 기능적 상호작용을 나타낸 뇌지도 이에 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스대학교 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌기능 커넥톰을 기반으로 지속되는 통증을 읽어낼 수 있는 뇌영상 바이오마커를 개발했다. 연구팀은 통증을 오랜 시간 안전하게 유발할 수 있는 실험 방법을 고민하다가, 캡사이신을 혀에 발라 약 10분 동안 통증을 효과적으로 유발하는 방법을 고안했으며, 피험자가 입안에서 통증을 느낄 때 기능자기공명영상(fMRI)을 이용하여 뇌기능 커넥톰의 변화 패턴을 기록했다. 이렇게 만들어진 통증 마커는 109명의 건강한 실험 참가자들의 지속적 통증 강도를 성공적으로 예측했을 뿐만 아니라, 192명의 허리통증 환자들의 통증 점수 또한 높은 정확도로 예측했다. 우충완 교수는 "본 연구를 통해 실험실에서 캡사이신으로 유발한 지속적인 통증에 대한 뇌의 반응 양상이 만성 통증 환자들에게 나타나는 뇌의 반응 양상과 유사하다는 사실을 발견했다”며 "만성 통증이 일어나는 뇌 기제를 이해하고, 궁극적으로는 통증 환자들을 도울 수 있을 것”이라고 말했다. 제1저자인 이재중 박사과정생은 "본 연구는 이미 통증에 연관되어 있다고 알려진 일부 뇌 영역들뿐만 아니라, 전체 뇌의 역동적인 상호작용이 지속적 통증을 이해하는 데 매우 중요함을 시사한다”며 "통증이 뇌기능 커넥톰을 통해서 매개되는 다차원적인 경험임을 보여주는 새로운 증거”라고 말했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부에서 지원하는 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원에서 지원하는 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 연구결과물이며, 세계적인 학술지인 네이처 메디슨(Nature Medicine, IF 36.130)에 1월 5일(화) 게재됐다. ※ https://youtu.be/U_Y7vwGw5So [그림1] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커. 각 선은 뇌기능 커넥톰 마커에서 다른 뇌 영역 간 상호작용의 세기를 나타냄. [그림2] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커에서 가장 중요한 기능적 연결들.

  • 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐 해결 단서 규명

    성균나노과학기술원 이진욱 교수

    페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐 해결 단서 규명

    성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 중요 연구 결과를 발표하였다. 관련 연구 논문 4편이 재료분야 국제저널랭킹 상위 2% 이내 저널인 Joule (영향력지수=29.155)지를 포함하여 Nature Communications, Advanced Functional Materials, Journal of the American Chemical Society 지에 차례로 게재되었다. 금속 할라이드 페로브스카이트 재료에 기반한 광전소자가 기존 상용화된 소자에 비견하는 성능을 보이며 최근 국내외 연구기관 및 기업에서 상용화를 위한 투자를 시작하고 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율이 25%를 넘어서면서 기존에 상용화된 실리콘 태양전지의 광전변환효율 (약 26%)에 근접하였으며, 제작단가가 훨씬 저렴할 것으로 기대되어 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐은 소자 수명 개선을 위한 결함 생성 억제 및 치료 이슈이다. 저온 용액공정을 통해 제작되는 페로브스카이트 결정 박막 내에는 전하를 띈 이온성 결함이 높은 농도로 존재하는데, 이러한 결함은 결정 내 전하수송능력을 저하시켜 광전소자의 성능을 감소시킬 뿐만 아니라 전기장에 의해 쉽게 이동하여 소자의 수명에 치명적이다. 이진욱 교수 연구팀은 고체 에피택시얼 결정성장법을 이용하여 페로브스카이트 박막 내 결함농도를 획기적으로 줄이는 방법을 개발하였으며 (Nat. Commun., 2020, 11, 5514), 성장된 박막내에 결함을 부작용 없이 효과적으로 치료하는 방법을 개발하였다 (Joule, 2020, 4, 2426; Adv. Funct. Mater., 2020, 2007520; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20071). 해당 기술이 적용된 태양전지와 LED는 기존 소자에 비해 월등히 개선된 성능과 수명을 보였다. 이진욱 교수 연구팀이 개발한 기술은 페로브스카이트 광전소자의 안정성 문제를 해결하기 위한 중요한 과학적 단서를 제공하였을 뿐만 아니라 추후 페로브스카이트 광전소자 상용화를 위한 주요 원천기술이 될 것으로 예상되고 있다. ※ 관련 논문 1) Shallow iodine defects accelerate the degradation of α-phase formamidinium perovskite, Joule, 2020, 4, 2426. (교신저자-이진욱 교수) 2) Solid-phase hetero epitaxial growth of α-phase formamidinium perovskite, Nature Communications, 2020, 11, 5514. (제 1저자 및 교신 -이진욱 교수) 3) Stable and efficient methylammonium, cesium, and bromide-free perovskite solar cells by in-situ interlayer formation, Advanced Functional Materials, 2020, 2007520. (교신저자-이진욱 교수) 4) Molecular interaction regulates performance and longevity of defect passivation for metal halide perovskite solar cells, Journal of the American Chemical Society, 2020, 142, 20071. (교신저자-이진욱 교수) 그림: 고체 에피성장법을 이용한 고품질 페로브스카이트 박막 성장 (a) 상변이를 이용한 고체 에피성장법 모식도 (b) 기존 박막 성장법 및 에피성장법을 이용 시 상변이 속도 비교 (c, d) 기존 결정성장법과 에피성장법 (NHE)을 이용한 박막의 X-ray diffraction pattern 및 형광 라이프타임 측정 결과

  • 니트로계 화합물 검출을 위한 형광증폭 센서 세계 최초 개발

    약학과 김인수 교수

    니트로계 화합물 검출을 위한 형광증폭 센서 세계 최초 개발

    약학과 김인수 교수 연구팀(공동저자: 안원 박사과정)과 숙명여자대학교 화학과 박정수 교수 및 미국 University of Texas at Austin 화학과 Jonathan L. Sessler 교수 연구팀이 니트로계 폭발성 화합물을 선택적으로 검출할 수 있는 비율계량적 형광 증폭 센서(ratiometric fluorescence amplication sensor)를 세계 최초로 개발했다. 니트로계 화합물은 대기 중의 산소 없이도 급속하게 기체를 발생시키면서 발열적으로 반응하는 폭발성 물질로 알려져 있다. 대표적인 폭발성 물질로는 트리니트로톨루엔(TNT) 및 니트로메탄 등이 있으며, 현재 화약을 비롯한 폭발물 제조를 위한 기본 원료로 사용하고 있다. 또한 니트로계 화합물은 의약품 제조 공정에서도 사용하고 있으며, 항부정맥 치료제(nifedipine) 및 발기부전 치료제(viagra) 등이 알려져 있다. 강한 충격 및 가열에 의해 폭발할 우려가 있으므로 취급 시 주의가 필요한 화합물이다. 연구팀은 형광단-초분자 결합체를 이용한 형광표시자 변위 검색법(fluorescence indicator displacement assay)을 활용하여, 다양한 니트로계 방향족 화합물에 선택적으로 감응할 수 있는 형광 증폭 센서를 세계 최초로 개발하였다. 특히 니트로계 화합물의 종류에 따라 식별 가능한 비율계량적 파장 변화를 검출할 있는 방법을 제시하였다. 기존에 보고된 니트로계 화합물 감지 화학 센서는 발광세기가 단순 감소하는 형광 소광 센서(fluorescence quenching sensor)에 의존하고 있으며, 형광 증폭 센서(fluorescence amplication sensor)에 비해 낮은 감도, 선택성 부족 및 거짓 양성(false positive) 등이 큰 문제점으로 인식되고 있다. 김인수 교수는 “이번 연구결과는 소량의 폭발성 니트로계 화합물을 선택적으로 검출할 수 있는 신기술의 개발”이라며 “특히 육안으로 판별이 가능한 형광 증폭 기술 및 낮은 거짓 정보(false alarm) 등은 향후 휴대성이 용이한 소형 폭발물 검출 센서 제품 개발에 활용될 수 있을 것이다”라고 설명했다. 이번 연구결과는 화학분야 세계적 학술지 Journal of the American Chemical Society(JACS, IF = 14.612) 11월호 표지논문을 장식하였으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL) 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.

  • 신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 신호탄 제시

    약학과 김인수 교수

    신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 신호탄 제시

    약학과 김인수 교수 연구팀(제1저자 Prithwish Ghosh 박사후연구원, 공동 제1저자: 권나연 석박사통합과정)이 항바이러스 의약품 내 핵심구조로 알려져 있는 뉴클레오시드 유사체(nucleoside analogues)를 선택적으로 변환시키는 합성기술을 개발하여 신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 청신호를 제시하였다. 이번 연구결과는 화학 분야 세계적 학술지 Angewandte Chemie(IF=12.959) 온라인판 9월호에 게재되었다. 뉴클레오시드 유사체는 DNA와 RNA의 근간이 되는 인산, 당, 염기를 변형시켜 DNA 또는 RNA와 구조적으로 유사하도록 만든 의약품으로, 바이러스 세포에 흡수되어 유전체 합성을 제어할 수 있는 특성을 가지고 있어 항바이러스제로 사용하고 있다. 현재까지 20개 이상의 뉴클레오시드 유사체가 헤르페스(HSV), 에이즈(HIV), B형/C형 간염(HBV/HCV) 등의 바이러스 감염질환 치료에 활용되고 있으며, 특히 신종 코로나바이러스(COVID19) 치료제로 각광받고 있는 렘데시비르(remdesivir) 약물도 뉴클레오시드 유사체로 알려져 있다. 연구팀은 이번 연구를 통해, 손쉽게 활용이 가능한 황 일라이드(sulfur ylides)를 활용하여 뉴클레오시드 유사체 내 핵염기(nucleobase)를 선택적으로 알킬화(alkylation)시키는 합성법을 세계 최초로 개발하였다. 기존에 보고된 핵염기의 알킬화 합성법은 유기용매하에서 적용, 낮은 화학반응성 및 여러 단계를 거쳐야하는 복잡한 공정 때문에 의약품 생산을 위한 추가적인 생산비용 발생 및 대량생산으로의 제약이 있었다. 황 일라이드는 노벨화학상 수상자인 코리(E. J. Corey) 교수가 1960년에 개발한 시약으로, 삼각고리 화합물 제조에 국한되어 활용되어 왔다. 김인수 교수 연구팀은 뉴클레오시드 유사체를 알킬화하기 위한 효과적인 시약으로 황 일라이드의 중요성을 부각시키는 계기를 만들었으며, 물 또는 알코올이 반응 용매로 사용되어 의약품 생산 비용을 저감할 수 있는 획기적인 합성법으로 평가받고 있다. 김인수 교수는 “이번 연구결과는 탄소-수소 결합의 직접적인 변환반응을 위한 황 일라이드의 새로운 반응성 발견”이라며 “특히 신종 코로나바이러스로 고통 받고 있는 인류에게 항바이러스 의약품 개발을 촉진하는 새로운 신호탄을 제시한 연구이며, 기존 다단계의 합성공정에 기반한 뉴클레오시드 유사체 제조방법을 획기적으로 개선한 최적의 합성법이다”라고 설명했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL), 중견연구자지원사업 및 신/변종 바이러스 대응 원천기술 개발 사업의 지원으로 수행되었다. ○ 녹색 선 위 그림 : 황 일라이드(sulfur ylide)에 의해 뉴클레오시드 유사체 내 핵염기 탄소-수소 결합이 알킬기로 치환되는 반응을 나타내는 반응식 ○ 녹색 선 아래 그림 : 핵염기에 활용되고 있는 피라지논(pyrazinones) 및 아자유라실(azauracil)과 황 일라이드를 물 용매 하에 반응했을 경우 기존에 알려져 있는 삼각고리 화합물이 생성되는 것이 아니라 핵염기에 알킬화 반응이 진행된다는 것을 제시한 반응식임. 반응 기전 a는 노벨화학상 수상자인 코리 교수가 제시한 합성법이며, 반응 기전 b는 본 연구를 통해 찾아낸 신규 합성법임. 반응 기전 a와 b의 경로를 조절하기 위해서는 반응 기질, 반응 시약, 용매 및 온도 등의 외부적인 환경 요인이 매우 중요함을 제시함. 영문으로 제시한 4개의 문장은 화학반응의 독창성 및 우수성을 요약한 것임

  • 트라우마, 재난심리지원... 코로나 바이러스의 심리사회적 영향 연구들

    교육학과 이동훈 교수

    트라우마, 재난심리지원... 코로나 바이러스의 심리사회적 영향 연구들

    우리 삶에는 잠재적인 재난의 위험이 항상 도사리고 있다. 지진, 태풍, 쓰나미 등과 같은 자연재해 뿐만 아니라 문명이 발달함에 따라 증가하는 사회적 재난도 우리의 목숨을 위협하고 있다. 최근에 우리는 상상하지 못한 바이러스의 팬데믹까지 경험하고 있다. 이러한 재난들은 막대한 인명피해와 재산 손실, 실직 등 물질적, 경제적인 피해뿐만 아니라, 재난 피해자들에게 개인의 삶을 뒤흔들 정도의 위협적인 사건으로 남아 사회적 기능 및 정신․심리적인 기능에 문제를 야기할 수 있다. 교육학과 이동훈 교수(외상심리건강연구소 소장) 연구팀은 2014~2016년까지 안전행정부 <재난분석을 통한 심리지원 모델링 개발> R&D를 수행한 이후로 대규모 재난이 발생했을 때 국가차원의 심리지원 방안수립과 관련된 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 2019년부터는 삼성서울병원 정신건강의학과 전홍진교수 연구팀과 <성인 및 고위험 대학생에 대한 자살 고위험군 선별 및 평가도구의 적용 및 효과검증> 보건복지부 정신건강문제해결 연구사업(3년과제)에 참여하고 있다. [1] ‘OMEGA - Journal of Death and Dying‘(SSCI), 2020. 8월 9일 “A Longitudinal Perspective on Bereaved Parent’s Changes in Life Experience” (김예원, 이동훈, 전홍진) · 트라우마를 경험한 개인들은 극심한 심리적 고통과 두려움을 경험하게 되면서 자신의 삶에 대한 예측과 통제감을 상실하고, 특히 자기에 대한 변화되는 느낌을 갖게 된다. · 연구결과는 재난으로 자녀를 잃은 부모들은 다른 종류의 상실 경험보다 더욱 강력하고 지속적인 비애반응과 정신건강의 어려움을 경험할 뿐만 아니라, 슬픔으로 인한 부정적인 영향으로부터 장기간 회복되지 못할 수 있음을 시사하고 있다. 재난 피해자들에 대한 심리지원이 재난 초기뿐 만 아니라 이후 몇 년이 지난 시점에도 지속되어야 할 필요성이 있음을 밝히고 있다. [2] 한국심리학회지: 상담 및 심리치료, 2020.11월 30일 출간 예정 <코로나바이러스(COVID-19) 감염에 대한 일반대중의 두려움과 심리, 사회적 경험이 우울, 불안에 미치는 영향> (이동훈, 김예진, 이덕희, 황희훈, 남슬기, 김지윤) · 2016년 한국심리학회지: 일반에 '메르스 감염에 대해 일반대중이 경험한 두려움과 정서적 디스트레스에 관한 탐색적 연구'(이동훈, 김지윤, 강현숙) 논문을 게재한 바 있는 이동훈 교수 연구팀은 코로나와 같은 전염성 사회 재난이 일반대중에 미치는 심리사회적 영향을 살펴보고, 신종 전염병이 대중들의 부정적 심리 경험에 영향을 미치는 다양한 원인을 파악하고자 하였다. · 본 연구에서는 국내에서 메르스(MERS)를 비롯하여 사스(SARS), 신종 인플루엔자 A(H1N1) 등 전염성 질환이 지속적으로 발생해왔지만, ‘기술적 방역’과 더불어 ‘심리적 방역’을 병행해야 일반국민의 두려움과 공포, 불안과 우울을 줄일 수 있음을 밝히고 있다. · 신종 전염병의 유입을 막는 것은 불가능하고 언제든 다시 발생할 수 있기에, 추후 발생할 수 있는 전염성 사회재난에 대응할 수 있는 국가적 차원의 심리사회적 방역 방안 마련이 필요함을 제시하고 있다. ※ 언론 참고자료 - 코로나연구 1. 동아일보 https://www.donga.com/news/It/article/all/20200908/102839839/1 2. 연합뉴스 TV https://www.yonhapnewstv.co.kr/news/MYH20200906003600038 https://www.yna.co.kr/view/AKR20200905044100004 3. 매경 https://www.mk.co.kr/news/society/view/2020/09/918328/ - 메르스 연구 1. https://news.joins.com/article/23720342 [출처: 중앙일보] 코로나 스트레스로 공황까지…대구에 ‘심리적 방역’ 절실 2. http://biz.heraldcorp.com/view.php?ud=20160714000138 코리아 헤럴드 경제

  • 나노기술을 이용한 중증 코로나바이러스 감염증-19 및 패혈증 치료 후보 물질개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수

    나노기술을 이용한 중증 코로나바이러스 감염증-19 및 패혈증 치료 후보 물질개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수 연구팀은 국내 공동 연구팀 (이원화 박사, 한국생명공학연구원; 안준홍 교수, 영남대학교병원; 박희호 교수, 강원대학교; 박우람 교수, 가톨릭대학교)과 함께 코로나19(COVID-19) 및 패혈증(sepsis) 환자의 중증도를 선별할 수 있는 바이오마커를 발견하고, 이를 활용한 나노재료 기반 범용 치료 후보 물질을 개발하였다. 2020년 한국을 포함한 전세계적인 코로나19 유행으로 현재까지 3200만명이 넘는 감염자와 100만명이 넘는 사망자가 발생하고 있다. 코로나19 감염은 과염증 반응을 일으켜 국소 및 전신 조직 손상을 초래할 뿐만 아니라, 경증 호흡기 질환에서 중증 진행성 폐렴, 급성 호흡기 증후군 및 패혈증 같은 합병증을 유발한다. 현재 코로나 바이러스에 대항하는 백신이나 뚜렷한 치료법이 없으며, 중증으로 악화되거나 사망하는 환자들을 예측할 수 있는 바이오마커도 없는 실정이다. 박천권 교수 연구팀은 중증 코로나 환자의 혈액에서 NETosis (네토시스 현상; 비정상적으로 활성화된 호중구로 인한 과염증반응으로 세포가 사멸되는 과정이며, 폐혈증과 같은 여러 합병증을 유발함) 관련 인자들이 정상인과 코로나19 경증 환자에 비해 매우 높게 발현되었음을 발견하였고, 이를 억제할 수 있는 체내 DNase-Ⅰ의 농도가 매우 낮음을 확인하였다. 연구팀은 오징어 먹물의 주성분인 ‘멜라닌’의 우수한 생체적합성과 접착특성에 착안하여 체내에서 장시간 혈중 순환이 가능한 나노입자을 제작하였으며, NETosis의 주성분인 DNA를 분해하는 생체분자DNase-Ⅰ을 멜라닌 나노입자 표면에 접착시켜 NETosis를 억제하고 장기간 치료효과를 보일 수 있는 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자를 제작하였다. 박천권 교수 연구팀은 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자가 혈중에서 장시간 약효가 유지됨을 확인하였으며, 또한 중증 코로나 바이러스 환자의 혈액샘플과 패혈증 동물모델에서DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자를 투여하는 것이 DNase-Ⅰ 단독 투여보다 유의미한 차이를 보이며 NETosis를 억제함으로서 과염증 반응을 낮춰 전신 염증을 완화하고 사망률을 낮추는 것을 확인하였다. 이를 통해 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자가 중증 코로나 바이러스 환자의 NETosis 현상을 억제하여 급성 호흡기 증후군, 폐렴, 패혈증으로의 진행을 예방하는데 도움이 되며, 코로나 바이러스 치료에 큰 효과를 보일 수 있다는 점을 밝혔다. 박천권 교수 연구팀은 개발된 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노치료제를 코로나 바이러스의 감염 증상을 잠재적으로 치료할 수 나노입자 기반 신약으로 발전시켜 적용하는 것이 향후 계획이라고 밝혔다. Published article: Park, H. H., Park, W., Lee, Y. Y., Kim, H., Seo, H. S., Choi, D. W., Kwon, H.-K., Na, D. H., Kim, T.-H., Choy, Y. B., Ahn, J. H.,* Lee, W.,* Park, C. G.*, Bioinspired DNase-I-coated melanin-like nanospheres for modulation of infection-associated NETosis dysregulation, Advanced Science, accepted, 2020 (그림 1) DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자 제작 및 생체 적용 모식도 (a) 삼중 코팅법에 의해 제작된 DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자 의 구조. (b) 제작된 DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자가 코로나19 중증 환자의 폐에서 NETosis를 억제시켜 패혈증 진행을 억제하고 코로나19를 치료하는 과정

  • 인간 뇌 신경세포처럼 동작하는 인공지능(AI) 반도체 시냅스 소자 개발

    전자전기공학부 박진홍 교수 ·서승환 연구원 ·오세용 연구원

    인간 뇌 신경세포처럼 동작하는 인공지능(AI) 반도체 시냅스 소자 개발

    [1] Nature Communications 8월 7일 (IF: 12.121); 선형적이고 대칭적인 장기 기억 강화 및 약화 특성을 갖는 시냅스 모방 반도체 소자 제조 기술 개발; Artificial Van der Waals Hybrid Synapse and its Application to Acoustic Pattern Recognition; 서승환(1저자)/박진홍 교수(교신저자) [2] Nature Communications 9월 14일 (IF: 12.121); 수직 이온-젤 트랜지스터를 이용해 크로스바 어레이로 확장 가능한 인공 시냅스 소자 개발; Vertical Organic Synapse Expandable to 3D Crossbar Array; 오세용(1저자)/박진홍 교수(교신저자) 인간 두뇌의 학습 원리를 모방한 뉴로모픽 칩은 대량의 정보를 병렬적으로 처리하여 소비 전력을 최소화하고, 학습을 통하여 자신의 연산 기능을 향상 시킬 수 있어 차세대 정보처리 칩으로 각광받고 있다. 특히 최근 뉴로모픽 칩의 병렬 정보처리와 학습 능력 구현에 필수적인 시냅스 모방 반도체 소자에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 연구팀은 [1]번 연구에서 선형적인 장기 기억 ‘강화’에 적합한 ‘P형’ 반도체 채널과 장기 기억 ‘약화’에 적합한 ‘N형’ 반도체 채널을 결합해 선형적이면서 대칭적인 장기 기억 강화 및 약화 특성을 갖는 ‘혼성 채널’ 시냅스 모방 반도체 소자를 구현하고, 이들로 구성된 하드웨어 인공신경망을 활용하여 음성 정보 패턴 인식률을 크게 향상시키는 데 성공했다. 또한 [2]번 연구에서는 유기박막 트랜지스터의 채널 영역에 사용되는 고분자 반도체 (poly(3-hexylthiophene), P3HT)층에 저전력 구동이 가능한 이온-젤 게이트 절연체를 도입해 고성능 시냅스 모사 수직형 트랜지스터 소자를 개발했다. 구현된 시냅스 소자는 이온-젤 내부의 이온들의 움직임에 따라 반도체 채널의 전류량이 조절되는 원리를 이용하여 세포막 사이의 신경전달물질의 움직임에 의해 나타나는 생물학적 시냅스의 전기화학적 특성을 효과적으로 모사하였다. 이 연구들은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 7일 및 9월 14일 자 논문으로 게재되었다. * 좌측부터 박진홍 교수, 서승환 박사과정, 오세용 박사과정

  • 전립선비대증 환자의 미충족 의료 발생요인 규명

    의학과 이규성 교수 ·의료기기산업학과 이문재 교수

    전립선비대증 환자의 미충족 의료 발생요인 규명

    일차의료를 중심으로 전립선비대증의 예방, 조기치료 유도 필요 융합연구를 통해 ICT 기반 의료기기, 돌봄 로봇 활용으로 미충족 의료 해결 가능성 시사 성균관대학교 비뇨의학과 이규성 교수(삼성서울병원 연구부원장, 의료기기산업학과) 연구팀과 고려대학교 보건정책관리학부 최만규 교수 연구팀, 성균관대학교 의료기기산업학과 이문재 교수 연구팀이 공동으로 연구한 전립선비대증 환자의 미충족 의료에 대한 논문이 세계적 학술지 ‘Journal of Clinical Medicine’에 온라인으로 지난 3월 25일(수)에 게재되었다. 전립선비대증은 생명에 치명적인 질병은 아니나 배뇨장애 등의 증상으로 일상생활에 불편함을 가져와 삶의 질을 저하시키는 질병 중 하나이다. 노인성 질환인 전립선비대증은 최근 비만, 당뇨, 고혈압과 같은 대사증후군 환자의 증가로 유병률이 증가하고 있다. 그러나 이를 노화의 과정 또는 일시적인 증상이라 여겨 의료서비스를 제때 받지 못해 전립선비대증 환자의 미충족 의료경험이 증가하고 있는 상황이다. 연구팀은 전립선비대증 환자의 미충족 의료 요인을 분석하기 위해 Andersen’s Behavioral Model을 활용하였다. Andersen’s Behavioral Model은 의료서비스 이용의 예측 요인을 분석하고, 의료이용에 영향을 미치는 요인을 측정하고 있어 미충족 의료 연구에서도 사용되고 있다. Andersen’s Behavioral Model은 의료서비스 이용과 관련된 요인들을 소인요인, 가능요인, 필요요인으로 나누어 범주화하고 있다. 지금까지 미충족 의료에 대한 여러 연구들이 진행되어왔지만, 전립선비대증 환자의 미충족 의료를 유발하는 근본적인 원인을 규명하는 연구는 부재한 상황이었다. 이에 연구팀은 전립선비대증 환자의 미충족 의료 원인을 밝히고, 환자를 효과적으로 관리할 수 있는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 연구결과에 따르면 Andersen’s Behavioral Model 중 소인요인에서는 연령, 교육수준이 미충족 의료에 영향을 미쳤으며, 가능요인에서는 의료보장유형이 영향을 미쳤다. 또한 필요요인에서는 와병경험이 전립선비대증 환자의 미충족 의료에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 상대적으로 연령이 낮은 환자일수록 미충족 의료 경험이 많았으며, 교육수준이 높을수록 미충족 의료 경험이 낮은 것으로 나타났다. 또한 건강보험 혜택을 받을수록 미충족 의료 경험이 줄어들었으며, 병상에 누워있는 환자일수록 미충족 의료 경험이 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 이러한 연구결과를 바탕으로 전립선비대증 환자의 미충족 의료 경험을 줄이기 위해서는 질병에 대한 정확한 정보를 사전에 제공하여 증상이 발견되었을 때 조기에 치료받을 수 있도록 유도할 필요가 있음을 확인했다. 또한 전립선비대증과 같이 환자가 스스로 건강 문제를 무시하는 경우가 많은 질환은 예방, 조기진단 등의 중요성을 강조하는 정책적 노력이 필요하다고 강조했다. 특히 연구팀은 임상, 보건학 등의 융합연구로 새로운 관점에서 미충족 의료를 해결하고자 하였다. 본 논문의 제1저자인 이문재 교수는 “예방, 조기진단에 대한 교육을 위해서는 일차의료의 활용이 필요하며, 일차의료 중심으로 이루어지고 있는 커뮤니티케어 사업으로 질병의 지속적인 관리가 이루어질 것으로 기대된다”라고 전하며, “특히 신체활동에 제한을 받는 전립선비대증 환자의 경우 ICT 기반 의료기기, 돌봄 로봇 등을 활용하여 의료서비스를 제공한다면 미충족 의료를 해결할 수 있을 것이다”라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 일반공동연구지원사업(NRF-2019S1A5A2A03040304)의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명: Unmet Medical Needs of Patients with Benign Prostate Enlargement ※ 논문 출처: https://www.mdpi.com/673294  

  • 스티커처럼 간단히 말초신경에 이식 가능한 적응형 인공전자신경외피 개발

    전자전기공학부 손동희 교수

    스티커처럼 간단히 말초신경에 이식 가능한 적응형 인공전자신경외피 개발

    기존의 커프(Cuff)형 인공전자신경외피는 말초신경에 부착되어 신경 신호 수집 및 전기자극 기능을 발휘하는 신경보철용 전자소자로 응용되어 왔다. 하지만 장기간 신경에 부착될 때 소재와 신경간의 물성차이로 인해 염증에 의한 섬유화가 급속히 진행되어 신경압박을 일으키게 되고, 결국 신경괴사를 초래한다. 또한 말초신경에 부착 시 수술 시간이 길고, 기계적 안정성이 낮아서 장기간 임상에 적용되기 어려웠다. 이러한 문제점을 해결하고자 전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(이하 KIST, 원장 윤석진) 바이오메디컬융합연구본부 이효진 박사, 윤인찬 본부장, 송강일 박사, 서현선 연구원과의 공동연구를 통해, 자가결합 가능한 신축성 소재 기반의 적응형 인공전자신경외피(Adaptive Self-healing Electronic Epineurium)를 개발했다. 성균관대-KIST 공동연구진은 생체적합성이 우수한 자가치유 소재 기반의 신축성 기판 및 전극을 이용하여 인공전자신경외피가 말초신경에 스티커처럼 매우 쉽고 빠르게 고정될 수 있도록 하였고, 이로 인해 수술시간이 대폭 감소 될 뿐 아니라 후유증도 줄어들게 하였다. 또한, 인공전자신경외피의 동적응력완화(Dynamic Stress Relaxation) 특성은 장기간의 말초신경 압박 없이 안전하게 감각 신경 신호 측정과 운동 신경 유발이 가능하다. 적응형 인공전자신경외피를 쥐의 좌골신경에 이식한 후, 6주 동안 외부의 기계적 자극을 달리하여 기계적 자극의 수용기를 통해 감각신호의 세기를 성공적으로 구분할 수 있었다. 또한, 말초신경에 이식한 7주 후에 전기자극을 하여 안정적으로 운동 신경 유발을 하였다. 이러한 감각신호 수집 및 자극은 14주까지 가능하였고, 전기자극은 최대 32주까지 가능하였다. 특히 양방향 신경 신호 수집 및 전기자극 기능은 쥐가 마취가 깬 이후에도 안정적으로 유지되었다. 성균관대-KIST 공동연구진에서 개발한 이번 적응형 인공전자신경외피는 절단된 신경계를 인공적으로 연결하는 신경-대-신경 인터페이스로도 활용될 수 있음을 입증했다. 이러한 연구결과는 차세대 인공 신경보철 장치 개발 및 신경계 질환 재활 연구에 큰 혁신이 될 전망이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 한국연구재단기초연구사업, 정보통신기획평가원 정보통신․방송 기술개발사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 이 연구결과는 권위 있는 국제 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications, IF: 12.121)지에 8월 21일 논문으로 게재되었다. * (논문명) Adaptive self-healing electronic epineurium for chronic bidirectional neural interfaces 손동희 교수는 “이번 연구 성과는 기존의 신경 보철 분야의 한계를 극복 할 수 있는 새로운 패러다임의 신경인터페이스를 개발한 것으로, 사람의 신경계의 재활을 위한 스마트 전자약 구현 가능성을 열었다”면서“향후 로봇이나 보철용 인공 신경계 네트위킹 기술의 초석이 될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. (그림 1) 쥐의 좌골신경에 이식된 적응형 인공전자신경외피 (그림 2) 인공전자신경외피의 말초신경 부착 및 신경 압박 제거 원리 적응형 인공전자신경외피의 말초신경 신호 수집 및 전기자극 성능(왼쪽: 신경신호 수집 / 오른쪽: 신경 전기자극) (그림 3) 인공전자신경외피의 신경 신호 수집 및 전기자극 성능

  • 코로나19 환자, 비스테로이드성 소염진통제 사용 시 건강 더 악화

    약학과 신주영 교수 ·정한얼, 이혜성 연구원

    코로나19 환자, 비스테로이드성 소염진통제 사용 시 건강 더 악화

    약학대학 신주영 교수와 정한얼, 이혜성 연구원은 우리나라 보건의료 빅데이터를 활용하여 코로나바이러스감염증19(이하 코로나19)로 입원한 성인 환자에서의 비스테로이드성 소염진통제(NonSteroidal antiinflammatory drugs, 이하 NSAIDs) 사용여부에 따른 전반적인 건강결과 악화 위험성 확인했다고 밝혔다. 이는 국내에서 많이 사용되는 이부프로펜(Ibuprofen) 등 총 18개 성분을 포함한 결과이다. 2019년 말 처음 발견된 코로나19는 SARS-COV-2 바이러스(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) 감염에 의해 발생하는 호흡기 질환으로, 2020년 8월 25일 기준 전 세계 214개 국가에서 총 2,433만여 명이 감염되었으며 그 중 835만여 명이 사망한 것으로 나타났다. 코로나19의 주요 증상으로는 고열, 기침, 가쁨 숨 등이 있으며, 이 중 열, 근육통과 같은 증상관리를 위해 NSAIDs가 많이 사용되고 있다. 하지만 지난 3월, 프랑스 보건복지부 장관은 코로나19 환자에게 해열진통소염제인 NSAIDs를 사용하는 것이 환자의 건강상태를 악화시킬 수 있다는 우려가 제기된 바 있다. 왜냐하면 NSAIDs 사용 후 젊은 코로나19 환자 4명에게서 심각한 합병증이 발생하였기 때문이다. 이러한 우려와 더불어 다른 NSAIDs에 비해 아세트아미노펜(Acetaminophen)의 부작용 위험이 더 낮았다는 기존 선행연구들을 참고하여 코로나19 환자에게 해열 등의 완화목적으로 아세트아미노펜을 1차 치료제로 사용해야한다고 권고하였으며, WHO도 이를 지지하는 성명을 냈다. NSAIDs 사용이 코로나19 환자에게 위험할 수 있다는 근거로 코로나19 바이러스가 안지오텐신-전환효소 2(Angiotensin-converting enzyme 2, 이하 ACE2)와 결합하여 체내로 들어온다는 동물실험을 들었는데, 이는 NSAIDs가 ACE2 발현을 증가시킬 수 있다는 주장이 있었기 때문이다. 그 외로는 NSAIDs가 B림프구 내 염증물질인 사이클로옥시게나제-2(Cyclooxygenase-2) 발현을 유도, 항체 형성을 방해하거나 외부 병원균으로부터 신체 면역에 필수적인 인터페론-감마 생산을 억제한다는 가설도 제기된 바 있다. 하지만, 이에 대한 임상적 근거가 아직 명확하게 확립되지 않아 미국 FDA, 유럽 EMA, 호주 TGA 등 여러 해외 의약품 규제기관에서는 코로나19 환자에서의 NSAIDs를 사용하는 현재 치료행태를 변경해서는 안 된다는 성명을 냈었고, WHO 또한 NSAIDs 사용의 위험에 대한 지지를 철회하고 다시 NSAIDs를 사용하지 않을 근거가 아직까지는 부족하다는 입장임을 밝혔다. 이렇게 안전성 근거 확립이 필요한 상황임에도 불구하고 아직까지 전 세계적으로 코로나19 환자에서의 NSAIDs과 관련된 관찰연구는 수행된 바 없었다. 이에 본 연구팀은 세계적으로 저명한 미국 하버드 대학교 임상연구진, 캐나다 맥길 대학교 약물역학연구진을 포함하여 국제협력연구팀을 구성하였으며, 지난 3월 27일 보건복지부와 건강보험심사평가원에서 구축한 코로나19 빅데이터 플랫폼을 활용하여 본 연구를 수행하였다. 해당 플랫폼으로 제공되는 자료는 행위별수가제를 기반으로 제공되는 코로나19 환자들의 실제임상데이터(Real-World Data, RWD)이다. 연구대상자는 올해 4월 8일 기준 코로나19로 입원한 19세 이상 성인으로 제한하였으며, 입원시점 이전 7일부터 당일 사이에 NSAIDs 사용기록을 확인하여 ‘NSAIDs 사용군’과 ‘NSAIDs 비사용군’으로 분류하였다. 또한, NSAIDs 사용군과 비사용군 간에 존재할 수 있는 인구학적 및 임상학적 특징 차이를 보정하기 위하여, 연령, 성별, 보험가입종류, 과거질환력, 과거병용약물 기록 등을 기반으로 산출한 성향점수를 가중치로 적용하여 다양한 건강결과 악화의 위험을 평가하였다. 위와 같이 연구를 수행한 결과, 총 코로나19로 입원한 성인 환자는 총 1,824명이었으며, 이 중 NSAIDs 사용군이 354명, NSAIDs 비사용군이 1,470명이었다. 그리고 NSAIDs 비사용군 대비, 사용군에서의 사망, 중환자실 입원, 인공호흡기 사용, 패혈증 발생 위험이 1.54배 높은 것을 확인하였다. 또한, 심부전, 뇌졸중, 급성심근경색을 포함한 심혈관계 이상반응 및 급성신부전 발생 위험이 높을 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 교신저자인 신주영 교수는 “본 연구결과는 실제 임상현장에서 코로나19 환자의 해열 또는 통증을 치료할 때 환자의 건강상태와 편익-위험을 평가한 후 NSAIDs를 신중히 처방해야한다는 근거로써 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 또한, 정한얼, 이혜성 연구원은 “코로나19로 전 세계가 힘든 시점에 환자 치료에 있어 중요한 정보를 제공할 수 있어 의의가 크며, 우리나라 보건의료 빅데이터의 우수성을 알릴 수 있는 좋은 기회였다”고 말했다. 본 연구의 학술논문은 감염병 분야 세계적인 학술지인 임상감염병(Clinical Infectious Disease, IF=8.313, JCR Ranking 3.2%)에 7월 27일(월) 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Association Between Nonsteroidal Antiinflammatory Drug Use and Adverse Clinical Outcomes Among Adults Hospitalized With Coronavirus 2019 in South Korea: A Nationwide Study ※ 논문 출처: https://academic.oup.com/cid/article/doi/10.1093/cid/ciaa1056/5876905?searchresult=1 ※ 관련 보도자료 연합뉴스: https://www.yna.co.kr/view/AKR20200805147700017 조선일보: https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/06/2020080601112.html 한국경제: https://www.hankyung.com/it/article/202008067897Y

  • 4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다

    나노구조물리 연구단 이영희 교수 ·반 루엔 뉴엔, 두옹 딘 록, 이상협 연구원

    4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다

    흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 데다 투명해서 반도체 전극으로 많이 쓰인다. 또 몇 개의 단층 그래핀이 겹쳐있는지에 따라 응용성이 크게 달라진다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능하고, 반도체의 특징인 밴드갭(Band Gap)을 조절할 수 있다. 그러나 이제까지 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 기르기는 어려웠다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다. 4층짜리 균일한 그래핀은 최초일 뿐만 아니라, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 대면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 것으로 기대된다. 고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다. 이 때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고 900℃ 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다. 이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다. 공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다,”고 설명했다. 이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다. 이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기이며, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다. 공동교신저자인 이영희 연구단장은“이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법이며, 기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”며 이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다고 의의를 밝혔다. 이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 예정이다. 이번 연구성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=31.538) 誌 에 7월 28일 0시(한국 시간)에 게재되었다. [그림 1] 구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도 고온에서의 구리-실리콘 합금화 과정부터 균일한 다층 그래핀 성장 과정을 보여주고 있다. [그림 2] 1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진. 투과전자현미경 측정을 통해 단층과 다층 그래핀의 층수를 보여주고 있다. 왼쪽 위부터 시계방향으로 1층, 2층, 3층, 4층 짜리 그래핀이다. [그림 3] 실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진 메탄 농도 조절을 통해 다층 그래핀의 층수 조절이 가능했고, 또한 원하는 층수의 다층 그래핀을 웨이퍼 규모로 성장하는 것을 보여줬다.

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