KAIST, 접착 및 초친수성 표면 제어 다기능 바이오소재 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 상처 부위에는 강력하게 달라붙어 즉각적인 지혈 작용을 일으키고, 유리나 플라스틱 표면에 코팅하면 물방울이 맺히지 않고 즉시 얇게 퍼지는 '초친수성' 기능을 단 하나의 물질로 구현한 친환경 바이오소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 화학과 이해신 교수 연구팀이 갑각류 껍데기 유래 천연 고분자인 키토산(CHI)과 바이오매스 원료인 '1,2,4-벤젠트리올'(BTO)을 결합해 다기능 폴리페놀 바이오접착 소재 'CHI-B'를 개발했다고 15일 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '머티리얼스 호라이즌스'에 게재됐다.

기존 키토산 기반 바이오접착제는 서로 다른 물질의 카복실기와 아민기를 화학적으로 결합하는 데 활용되는 결합 시약인 'EDC/NHS'와 같은 고가의 화학 결합제와 복잡한 정제 과정을 거쳐 대량생산에 한계가 있었다.

연구팀은 BTO가 공기 중 산소와 만나 빠르고 자연스럽게 산화되며 생성되는 높은 반응성의 파라-퀴논(para-quinone) 구조에 주목해 별도의 화학 결합제나 가열 없이 상온에서 30분 만에 결합을 이뤄내는 수용액 합성 방식을 완성했다.

이 공정은 실험실 환경에서 수십 리터 규모까지 대량생산 가능성이 확인돼 공정 비용과 환경 부담을 획기적으로 줄인 것이 특징이다.

'CHI-B'는 강한 접착성과 우수한 수용성을 동시에 지녀 테플론(PTFE), 플라스틱(PET, PS), 이산화티타늄(TiO₂) 등 성질이 다른 기재 표면에 균일하게 적용된다.

특히 극미량인 10ppm 수준의 요소(urea)를 첨가하는 것만으로 물 접촉각을 극대화해 물이 닿자마자 퍼지는 초친수성 표면으로 변환시켰으며 1년이 지난 코팅면에서도 젖음 특성과 안정성이 장기간 지속됨을 입증했다.

의료용 지혈 소재로서의 우수성도 확인됐다.

동결건조한 'CHI-B' 스펀지는 중성 환경에서 물에 닿은 지 15초 만에 완전히 녹았으며 생쥐 간 출혈 모델에 적용한 결과 출혈 부위를 물리적으로 빠르게 막아 출혈량을 대폭 감소시켰다.

연구팀은 BTO의 빠른 공기 산화 속도를 정밀 제어하는 핵심 반응 조건을 최적화함으로써 단점으로 여겨졌던 높은 반응성을 신속한 공유결합 형성의 장점으로 승화시켰다.

이번 연구는 자연 유래 원료와 산소를 결합해 친환경 화학(Green Chemistry) 기치를 실현함과 동시에, 의료용 지혈제부터 방오 코팅, 바이오센서 및 기능성 표면처리까지 아우르는 고부가가치 다기능 소재 플랫폼의 양산 상용화 기틀을 마련했다는 평가를 받는다.

이해신 교수는 "향후 키토산 뿐만 아니라 다양한 바이오 기반 고분자와 폴리페놀 소재에도 이러한 합성 전략을 적용할 수 있는지 연구하고 동시에 대량생산 공정을 더욱 최적화해 실제 산업 현장에서 활용할 수 있는 지속가능한 소재 생산 플랫폼으로 발전시킬 계획"이라고 밝혔다.