중앙대 배진혜 교수팀, 강하고 질기면서 4배까지 늘어나는 인공 인대 개발 … 의료·로봇 활용 기대

중앙대학교는 화학공학과 배진혜 교수가 이끄는 국제 공동연구팀이 관절의 인대(ligament)와 유사한 구조와 기계적 특성을 보이는 고강도·고강성·고인성 하이드로겔을 개발했다고 7일 밝혔다.

인대는 수분 함량이 높은 콜라겐 섬유 다발로 이뤄져 있으며, 내부에 국소적으로 미네랄-콜라겐 복합체가 존재해 다른 조직보다 매우 높은 강도와 강성을 나타낸다.

연구팀은 이런 구조에서 착안해 수분 함량이 높은 섬유 형태의 하이드로겔을 합성한 뒤 다발 구조로 집합하고, 각 하이드로겔 내부에 무기입자–고분자 복합체 형성을 유도했다. 이를 통해 개발된 하이드로겔은 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 매우 높은 강도·강성·인성을 동시에 확보했다.

특히 내부 구조가 외부에서 가해지는 힘을 고르게 분산해 61±8MPa의 인장 강도와 131±15MPa의 탄성 계수, 135±11MJ m⁻³의 인성, 그리고 400% 이상의 신축성까지 보이는 독특한 기계적 특성을 지녔다.

배 교수는 "이번에 개발한 하이드로겔의 전구체(precursor)는 압출성이 우수해 섬유 제작뿐만 아니라 3차원(3D) 프린팅 재료로도 사용할 수 있다"면서 "섬유 형태의 하이드로겔에 그치지 않고 다양한 형태로 제작할 수 있다. 고강도·고강성·고인성 하이드로겔을 구현하는 원천소재 기술로서 소프트 로봇이나 의료기기 등 많은 분야에 활용될 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적인 과학 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난해 12월 13일 게재됐다. 중앙대 지동환 박사와 미국 캘리포니아대(UC) 샌디에이고캠퍼스의 재료과학·공학 프로그램 소속 디웨이 시 연구원이 공동 제1저자, 중앙대 배진혜 교수가 교신저자로 각각 참여했다.