화학공학/고분자공학부 김재윤 교수팀은 체내에서도 오랜 시간 물리적 형태와 우수한 기계적 물성이 유지되며 체외에서 물리적 자극을 가해 약물 전달 속도 제어가 가능한 하이드로겔을 개발했다.

일반적으로 하이드로겔은 3차원 고분자 네트워크에 물을 90% 이상 함유하고 있어서 약물전달용 소재로 연구되고 있지만, 수용액 상에서 쉽게 팽윤하고 외부 힘이나 물리적 자극에 의해 쉽게 부스러지는 특징을 가지고 있다. 연구팀은 이중가교 하이드로겔에 다공성 입자를 담지하여 원래 길이의 28배까지 늘어날 수 있는 기계적 물성이 매우 우수한 하이드로겔을 개발했다. 개발된 하이드로겔은 체액 조건에서도 오랜 시간 큰 팽윤 없이 물리적 형태 및 우수한 기계적 물성을 가지고 있었다.

 ▲ 개발된 하이드로젤의 모식도 및 우수한 기계적 물성
내부에 담지된 다공성 입자는 표면적이 매우 넓어 수소결합 등을 통해 하이드로겔의 고분자 사슬과의 상호작용이 증대되어 외부 힘에 의한 에너지 소실을 보다 효율적으로 이루어 질 수 있게 해줌으로써 기존의 하이드로겔보다 훨씬 향상된 기계적 물성을 가질 수 있게 한다.

연구팀은 개발한 하이드로겔이 체액 내에서도 쉽게 팽윤되지 않고 물리적인 자극을 주어도 쉽게 망가지지 않는 점에 착안하여, 압축과 같은 물리적 자극을 통해 순간적으로 약물이 외부로 방출되는 자극 응답성 약물 전달 시스템에 적용 가능함을 확인했다. 동물실험을 통해 단백질 약물이 담지된 하이드로겔을 생쥐의 피하에 이식하고 외부에서 물리적 자극을 통해 약물의 방출 속도를 높여 혈액 내 약물 농도를 증가시킬 수 있음을 확인하였다.

▲ 압축을 통한 자극 응답성 약물 전달 시스템으로의 응용

개발된 하이드로겔 제조 기술은 본 연구에서 제시한 약물전달 분야 뿐만 아니라 높은 기계적 강도 및 신축성이 요구되는 하이드로겔이 필요한 조직공학 및 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야로의 적용이 가능할 것으로 예상된다.

본 연구는 연구재단의 선도연구센터, 중견연구자지원사업, 보건산업진흥원의 중개중점연구의 지원으로 수행되었으며, 재료 분야 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials) 11월 10일자에 게재되었으며, Frontispiece 논문으로 선정되었다.

*논문명: Supertough Hybrid Hydrogels Consisting of a Polymer Double-Network and Mesoporous Silica Microrods for Mechanically Stimulated On-Demand Drug Delivery
*게재저널: Advanced Functional Materials (Impact Factor: 12.124)
*저자: 최수지 (박사과정, 제1저자), 최영진(박사과정, 공동저자), 장문선(연구원, 공동저자), 이정희(교수, 공동저자), 정지훈 (부교수, 공동저자), 김재윤 (부교수, 교신저자)