"치료·기능성 화장품에 효과" 하이드로겔 성능 높일 설계 전략 개발

하이드로겔의 강도를 높이고 접착성·분해 속도를 제어할 수 있는 기술이 개발됐다. 하이드로겔은 콘택트렌즈·여드름 패치·상처 치료용 드레싱 등 바이오·헬스케어 분야에서 널리 사용되는 젤 소재다.

KAIST는 화학과 이해신 교수 연구팀이 천연 항산화 성분 폴리페놀(Polyphenol)의 일종인 '탄닌산(Tannic Acid)'으로 해조류 유래 하이드로겔의 새로운 소재 설계 전략을 개발했다고 9일 밝혔다.

하이드로겔은 피부에 밀착된 상태에서도 약물, 유효성분을 머금을 수 있어 ▲약물 전달체 ▲창상피복재(상처 부위의 보호·치유를 돕는 의료용 드레싱) ▲조직공학용 지지체(인공 조직 재생을 돕는 구조체) ▲화장품 소재 등으로 활용된다.

(왼쪽부터) 양한열 연구원, 이해신 교수. KAIST

새롭게 개발한 설계 전략은 하이드로겔의 기계적 강도와 접착성을 높이고, 분해 속도를 조절해 이 같은 역할을 극대화하는 게 핵심이다.

연구에서 연구팀이 주목한 것은 하이드로겔 소재의 일종인 '카파-카라기난(κ-Carrageenan)'이다. 카파-카라기난은 우뭇가사리 등 붉은 해조류(홍조류)에서 추출한 천연 고분자로, 젤리와 소스 등 식품의 점도를 높이는 동시에 형태를 유지하는 데 사용된다.

하지만 그간에는 카파-카라기난으로 만든 하이드로겔의 성능을 높이는 데 한계가 따랐다. 카파-카라기난 분자에 다량 포함된 황산기(Sulfate Group) 구조가 같은 극의 자석끼리 서로 밀어내듯 '분자 간 반발력'을 만들어 촘촘한 구조 형성을 방해한 까닭이다. 하이드로겔의 강도와 접착성을 높이거나 분해 속도를 원하는 수준으로 조절하는 게 어려웠던 것도 같은 이유다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 천연 폴리페놀인 탄닌산에 주목했다. 폴리페놀은 식물이 자외선과 병해충 등으로부터 스스로를 보호하기 위해 만든 천연 성분으로, 여러 물질과 동시에 결합할 수 있는 특성을 가졌다.

특히 탄닌산은 여러 개의 결합 부위(갈롤기)를 가져 카파-카라기난의 황산기와 강하게 상호작용, 분자를 서로 연결하는 역할을 한다. 이를 활용하면 하이드로겔 구조를 강화할 수 있다고 연구팀은 판단했다.

AI 생성 이미지. KAIST

실제 황산기가 탄닌산을 만났을 때 하이드로겔은 더욱 단단해졌다. 탄닌산을 첨가한 카파-카라기난 하이드로겔의 저장탄성률(젤의 단단함과 탄성을 나타내는 지표)은 1632Pa로, 순수 카파-카라기난 하이드로겔(294Pa)보다 5배 이상 향상된 것이다.

이는 하이드로겔이 외부 압력이나 변형에도 안정적으로 형태를 유지할 수 있음을 의미한다. 바꿔 말해 상처 치료용 드레싱과 약물전달 패치의 내구성·사용성을 높일 수 있다는 이야기다.

연구팀은 하이드로겔의 빠른 분해성과 강한 접착성을 동시에 구현하는 데도 성공했다. 탄닌산이 첨가된 하이드로겔은 인체의 위·장 환경을 모사한 실험에서 상대적으로 빠르게 분해됐고, 피부와 거친 표면에는 강하게 부착된 결과를 보였다.

이해신 교수는 "이번 연구는 화학 합성 없이 천연 성분만으로도 하이드로겔의 강도·접착성·분해 속도를 동시 제어할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "연구팀은 연구 결과가 향후 식품·화장품·바이오소재 분야에서 보다 안전하고, 단순한 방식의 천연 고분자 겔 플랫폼으로 확장·활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr