- 한 번의 주사와 반복적인 광치료로 부작용 없이 항암치료 - 암 표적성 단일 성분 초분자 펩타이드 광치료제 개발 국내 연구진이 항암치료의 고통을 덜면서 효율성을 획기적으로 높이고, 치료 후 부작용까지 최소화할 광(光)치료 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 테라그노시스연구센터(KU-KIST 융합대학원) 김세훈 센터장 연구팀이 서울대학교 이윤식 교수, 고려대학교 안동준 교수와의 공동연구를 통해 단 한 번의 주사와 반복적인 광치료로 부작용 없이 암을 완전히 제거할 수 있는 암 표적성 광치료제를 개발했다고 밝혔다. 빛을 이용한 암 치료 기술인 광치료 기술은 레이저에 반응하여 암세포를 파괴하는 광민감제를 주사를 통해 주입하여 암 조직에만 축적시킨 후 빛을 쏘아 선택적으로 암세포만 파괴할 수 있는 기술이다. 암세포 주변 조직에 피해가 불가피한 방사선 치료나 일반 화학 요법보다 부작용이 훨씬 적어 반복 치료가 가능하다. 하지만 광민감제는 1회 사용만 가능해 반복 치료를 위해서는 시술할 때마다 광민감제를 투여해야 하고, 치료 후 남아있는 광민감제가 피부나 눈에 축적되어 빛에 의한 부작용을 일으키기 때문에 치료 후 환자에게 일정 기간 햇빛, 실내조명 등으로부터 격리를 권장하고 있다. 이로 인해 치료를 받는 환자는 매번 주삿바늘의 아픔과 격리 생활이라는 또 다른 불편함을 겪어야만 했다. 최근에는 암 조직 내에서만 광치료 효능이 활성화되는 광민감제가 개발되고 있으나 여전히 독성이 있고, 시술할 때마다 주사해야 하는 문제점은 남아있었다. KIST 김세훈 박사팀은 광의학 치료기술의 문제점들을 해결하기 위해 암 조직만 선택적으로 표적하며 특정한 질서를 갖고 뭉쳐 스스로 조립되는 펩타이드를 활용했다. 연구팀은 암 조직을 선택적으로 투과 및 표적화할 수 있는 특성이 있는 고리형 펩타이드(iRGD, internalizing RGD peptide)를 골격으로 하고 광민감제와 빛에 대한 활성을 조절하는 소광제를 적절히 설계하여 암 조직 내에서만 광치료 효능이 활성화되는 펩타이드 기반의 광민감제를 개발했다. 개발된 광민감제는 생체에 주사하면 체온에 의해 활성화되어 연구팀이 설계한 초분자 배열로 뭉쳐 암세포 주변에 저장된 후 암세포를 표적으로 장기간 천천히 방출되어 암세포 내에 자리 잡는다. 이후 광치료를 시술하면 정상 세포는 파괴하지 않고 암세포만 파괴할 수 있게 된다. 연구진이 개발한 광치료제를 종양이 이식된 생쥐 모델에 적용한 결과, 암 조직 주변에 단 한 번 주사로 종양 주변에 저장된 광민감제가 장기간(2~4주) 지속해서 방출되어 종양을 선택적으로 표적하는 결과를 보여주었다. 뿐만 아니라 반복적인 광 노출에도 암 주변 조직 및 주요 장기가 파괴되는 독성이 발견되지 않았으며 반복적인 시술을 통해 암 조직이 완벽히 제거됨을 확인하였다. KIST 김세훈 센터장은 “생체 내에 주사하면 추가적인 보조제 없이도 초분자 자기조립을 통해 저장고를 형성하는 암 표적성 펩타이드 광치료제를 개발했다.”라며 “개발된 광치료제는 암 주변에 단 한 번 주사하는 것만으로도 독성 없이 장기간 반복적인 광치료를 통해 암을 완벽하게 제거할 수 있으며 단일 성분으로 제형이 단순하여서 향후 광의학 치료에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.”라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.25%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Injectable Single-Component Peptide Depot: Autonomously Rechargeable Tumor Photosensitization for Repeated Photodynamic Therapy？ - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조홍준 박사(現, 일리노이 주립대 박사후연구원) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성준 박사(現, 한미약품 연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김세훈 책임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 이윤식 교수 - (교신저자) 고려대학교 화공생명공학과 안동준 교수 <그림설명> [그림1] KIST 연구진이 개발한 암 표적성 초분자 펩타이드 광치료제를 동물실험에 적용한 상황을 그린 모식도. 단 한 번의 초분자 펩타이드 광치료제 주사와 반복적인 광치료를 통하여 암을 완벽치료하였다.

- 그래핀이 포함된 공진기를 삽입하여 펄스 레이저의 반복 속도 57.8GHz 달성 - 일반 구리 전선에 그래핀을 직접 합성하여 제조 공정 한계 극복 펄스 레이저는 깜빡이듯 빛이 아주 짧은 시간 동안 반복되는 출력 형태의 레이저를 말한다. 시간에 따라 세기가 일정하게 지속되는 연속 레이저보다 에너지를 크게 집속시킬 수 있는 장점이 있는데, 여기에 디지털 신호를 실으면 개개의 펄스가 1비트(bit)의 데이터를 저장할 수 있어 펄스가 반복되는 속도가 빠를수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있다. 그러나, 기존의 일반적인 광섬유 기반 펄스 레이저는 초당 펄스의 개수를 MHz 수준 이상으로 높이는 데 한계가 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 송용원 박사팀이 펨토초로(10-15초) 동작하는 광섬유 펄스 레이저 발진기에 그래핀이 포함된 추가의 공진기를 삽입하여, 펄스를 기존보다 10,000배 이상 빠르게 발생시킬 수 있게 만들었다고 밝혔다. 이를 데이터 통신에 적용하면 데이터의 전송 및 처리 속도가 크게 늘어날 것으로 기대된다. KIST 연구진은 레이저 빛의 파장과 세기가 시간에 따라 변화하는 특성이 상관관계(푸리에변환)로 엮인 것에 주목했다. 레이저 내에 공진기를 삽입하면 펄스 레이저의 파장을 주기적으로 필터링하고, 이를 통해 레이저 세기 변화의 양상을 바꿀 수 있다. 여기에 송용원 박사는 세기가 약한 빛은 흡수하여 사라지게 하고 강한 빛만 통과시켜 세기를 증폭시키는 특성이 있는 그래핀을 공진기에 융합하여, 레이저 세기 변화를 매우 빠른속도로 정확하게 조절되게 하여 펄스의 반복속도를 높게 만들 수 있었다. 또한 일반적으로 그래핀은 촉매금속 표면에서 합성한 후 이것을 분리하여 원하는 기판의 표면으로 옮기게 되는데, 이 과정에서 그래핀이 손상되거나 이물질이 유입되는 문제가 있었다. 이에 KIST 연구진은 구하기 쉬운 구리 전선 표면에 직접 그래핀을 형성시키고, 광섬유를 감아 공진기로 사용함으로써 제조 공정에서 발생하는 효율 저하의 문제점을 해결했다. 그 결과 기존 MHz 수준의 반복 속도를 보이던 펄스 레이저의 한계를 극복하여 57.8GHz의 반복 속도를 얻을 수 있었다. 또한, 레이저를 흡수하면 열이 국소적으로 발생하는 그래핀의 특성을 이용해 추가의 레이저를 소자에 가해주어 그래핀 공진기의 특성을 튜닝할 수 있게 만들었다. KIST 이성재 연구원은 “데이터 트래픽에 대한 수요가 계속 폭발적으로 증가하고 있는 현시점에서 초고속으로 동작하고 특성을 튜닝할 수 있는 극초단 펄스 레이저는 급변하는 데이터 처리 환경에 적응할 수 있는 새로운 방안을 제시할 수 있을 것”라고 말했다. 본 연구를 주도한 송용원 박사는 “공진기와 그래핀 기반의 초고속 펄스 레이저 개발로 나노소재 기반의 광정보 소자분야의 기술 선도와 시장 선점을 가능하게 할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.255%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Graphene Self-Phase-Lockers Formed around a Cu Wire Hub for Ring Resonators Incorporated into 57.8 Gigahertz Fiber Pulsed Lasers - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이성재 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 송용원 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 그래핀과 링 공진기가 융합된 소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스 형성의 모식도. 일반적인 모드 잠금 레이저의 파장 성분을 제어하여 반복률을 극적으로 향상시킴 [그림 2] 그래핀과 링 공진기의 융합 소자를 이용한 고반복률 레이저 펄스의 형성 원리 설명과 출력 펄스의 실험적 특성 [그림 3] 그래핀의 광-온 효과(photo-thermal effect : 빛을 받으면 국소적으로 열을 내는 특성)를 이용한 펄스 반복률 튜닝 설명 모식도와 튜닝 실험 데이터

- 유연성을 극대화하면서도 고효율을 내는 신축성 열전소자 개발 - 공정자동화를 통해 고수율로 대량생산 가능, 자가발전 웨어러블 기기 상용화↑ 열전소자는 소재 양단의 온도 차이로 인해 생성되는 전압을 활용하는 에너지 변환 소자로 산업현장의 폐열 등 버려지는 열에너지를 실생활에서 활용 가능한 전기에너지로 변환시킨다. 기존 열전소자의 경우 단단한 금속 기반 전극과 반도체를 사용하여 유연하지 못하기 때문에 평평하지 못한 표면에서의 열원을 온전히 흡수하기 어려웠지만, 최근에는 신축성이 있어 사람의 피부나 산업현장의 온수 파이프 등 다양한 형태의 열원에 밀착하여 에너지를 생산할 수 있는 유연한 열전소자를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 팀이 서울대학교(서울대, 총장 오세정) 전기정보공학부 홍용택 교수와의 공동연구를 통해 유연성과 열전달 효율을 극대화하여 높은 발전 성능을 가지는 신축성 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 뿐만 아니라 연구팀은 인쇄 공정을 포함한 자동화 공정을 통해 대량생산 방안도 함께 제시했다. 기존의 유연 열전소자 연구에 주로 사용되는 기판의 경우 열전도율이 매우 낮아 열에너지 전달 효율이 낮았고, 유연성이 부족하여 열원과 접촉 시 공기와 같은 열 차단층이 생겨 열 흡수 효율 또한 낮았다. 이를 해결하기 위해 높은 유연성을 가지는 유기물 기반 열전소재의 개발 또한 진행되고 있지만, 기존 무기물 기반 단단한 열전소재와 비교해 현저히 낮은 성능 때문에 실제 웨어러블 기기에 응용하기 어려웠다. 연구팀은 무기물기반 고성능 열전재료를 은 나노와이어가 삽입된 신축성 기판으로 연결하여 열전소자의 저항은 낮추면서 유연성을 높였다. 제작된 열전소자는 유연성이 뛰어나 휘어지거나 늘어나도 안정적인 동작이 가능했다. 또한, 신축성 기판 내부에 열전도율이 높은 금속 입자를 넣어 신축성 기판의 열전달 능력을 기존보다 800%가량 향상시키고, 전력 생산량은 3배 이상 높였다. 연구진은 이와 동시에 소프트 플랫폼 공정부터 열전소자의 형성까지 복잡한 전체공정을 자동화하여 개발한 소자의 대량생산까지도 가능하게 만들었다. 개발한 소자는 산업현장의 고온 감지 센서로 활용하거나 자동차의 내/외부의 온도 차를 이용하여 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서를 만들 수 있어 고온 환경에서 폭발의 위험성이 있는 배터리 기반 센서 시스템의 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 정승준 박사는 “본 연구를 통해 외부의 열을 이용하여 고온 감지 센서 장갑 등 실제 웨어러블 기기를 동작시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었고, 향후에는 체온만으로도 웨어러블 디바이스를 구동시킬 수 있는 유연 열전 플랫폼을 개발할 예정이다.”라며 “본 연구에서 개발된 기능성 복합재료, 열전소자 플랫폼, 고수율 자동화 공정은 향후 배터리 없는 웨어러블 기기 상용화에 기여할 수 있을 것.”이라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 창의형 융합연구사업, 글로벌프런티어사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제학술지 「Nature Communications」 (IF : 12.121) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High-performance compliant thermoelectric generators with magnetically self-assembled soft heat conductors for self-powered wearable electronics - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이병문 박사 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 조현 박사과정(現, 서울대학교) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김희숙 책임연구원 - (교신저자) 서울대학교 전기·정보공학부 홍용택 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정승준 선임연구원 <그림설명> [그림 1] (a) 자유로운 변형이 가능한 고유연성 열전 소자의 모습 (b) 유연성 열전소자를 발광소자와 연결해 뜨거운 물체를 알려주는 자가 발전 장갑을 구현한 모습 [그림 2] (a) 고유연성 고성능 열전 소자의 모식도. (b) 열전달이 뛰어난 소프트 전극 플랫폼의 모식도 (c) 소프트 플랫폼 내에서 정렬된 금속 입자가 열전달 경로를 형성한 모습

- 신장질환 환자 위한 저칼륨 케일 재배 스마트팜 기술 개발 - 케일의 항암성분인 글루코시놀레이트 함량증진으로 항암효과도 2배↑ 칼륨은 사람과 식물에 있어 중요한 필수 미네랄로, 우리 몸에서는 항상성을 유지하는데 역할과 함께 신경 신호 등 생리 반응과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 신장 기능이 원활하지 않은 만성 신부전증 등 혈액 투석이 필요한 환자의 경우, 칼륨 배설 능력의 저하로 고칼륨혈증이 발생하기 쉬우므로 칼륨 섭취량을 제한해야 한다. 그렇지만 칼륨이 풍부한 과일과 채소의 섭취를 제한하면 삶의 질과 건강관리의 어려움이 있으므로 칼륨 함량을 낮추기 위한 대체식품이 필요한 실정이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 스마트팜융합연구센터 노주원 박사 연구팀이 조명 설비를 인공 빛으로 활용하는 인공광형 식물공장(스마트팜)에서 케일 재배 시 배양액에 칼륨을 칼슘으로 대체하여 식물의 생육에는 영향을 주지 않고 저칼륨 케일을 생산하는 데 성공했다고 밝혔다. 또한, 이렇게 생산된 저칼륨 케일은 항암성분인 글루코시놀레이트 (Glucosinolate) 함량이 증가함으로써 기능성이 더욱 향상된 신장질환 환자용 식품으로 개발될 전망이다. 그동안의 인공광형 식물공장을 이용한 저칼륨 채소 재배 방법은 배양액 조성에서 칼륨을 나트륨으로 대체하는 방식을 주로 사용하였으나, 이 경우 채소의 나트륨 함량이 증가하므로 신장질환 환자에 적용하는 데 한계가 있었다. KIST 연구팀은 배양액 조성에 칼륨 대신 우리나라의 대다수 사람들이 권장량보다 적게 섭취하고 있는 무기질인 칼슘을 넣는 방법을 활용했다. 케일 수확 전 2주간 칼륨을 칼슘으로 대체하여 배양액의 칼륨 농도를 조절하고, 나트륨의 함량이 증가하지 않는 저칼륨 케일 생산법을 개발하였다. 또한, 케일의 생산량 또한 기존 조건과 동일한 수준으로 유지할 수 있었다. KIST 연구진은 케일이 본래 가지고 있는 항암성분인 글루코시놀레이트 함량을 증진시킬 수 있는 방법도 함께 개발하여 파종 후 49일 동안 식물공장에서 재배한 케일에서 고칼륨 조건 대비 총 글루코시놀레이트 함량이 44% 증가하는 것을 확인하였다. 우리 몸속에서 분해되어 실질적으로 항암효과를 나타내는 성분인 글루코브라시신(Glucobassicin)은 약 2.1배, 글루코나스터틴(Gluconasturtiin)은 약 2.4배가 저칼륨 조건에서 증가했다. 최근 인공광형 식물공장을 통한 다양한 채소류 생산에 대해 세계적으로 관심이 높아지고 있음에도 불구하고 높은 시설 투자 및 운영비용으로 인해 산업화가 어려운 현실에서 질병 치료를 위한 특수목적용 천연물원료 생산에 대한 재배기술을 개발함으로써 국내 인공광형 스마트팜 산업화에 기여할 것으로 기대된다. KIST 노주원 박사는 “ 본 연구를 통하여 신장 기능에 어려움이 있어 칼륨 섭취가 제한되는 사람들도 고칼륨혈증에 대한 걱정없이 케일을 섭취할 수 있어 건강한 삶의 질 개선에 도움이 될 것으로 기대된다.”라며 “향후 병원의 환자용 식단 및 가정에서 손쉽게 재배해서 먹을 수 있는 가정용 저칼륨 채소재배기에도 응용하여 산업화하는 방안을 모색할 계획이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 첨단GW바이오사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 농식품 분야 국제학술지 ‘Food Chemistry’ (JCR 분야 상위 3.96%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Production of low potassium kale with increased glucosinolate content from vertical farming as a novel dietary option for renal dysfunction patients - (제 1저자) 한국과학기술연구원 손양주 위촉연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박재억 전문원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 노주원 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 인공광형 식물공장에서 다양한 칼륨 비율의 배양액 조건에서 재배 중인 케일

- 외부 스핀 없이 전류를 걸어 스스로 스핀 방향을 바꾸는 나노 자석 원리 제시 - 기존 스핀 메모리 소자의 패러다임 변화로 상용화 앞당길 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 스핀융합연구단 김경환 박사팀이 차세대 메모리 소자인 스핀 메모리 소자에 관한 새로운 원리를 제시함으로써, 기존 패러다임과는 다른 새로운 응용 가능성을 제시했다고 밝혔다. 기존의 메모리 소자들은 RAM과 같이 빠르게 정보를 읽고 쓸 수 있는 휘발성 메모리와 하드디스크처럼 전력을 차단해도 정보가 유지되지는 비휘발성 메모리로 나뉜다. 최근 관련 학계 및 업계에서는 이들의 장점을 결합하여 빠른 속도를 가지면서 전력을 차단해도 정보가 유지되는 차세대 메모리의 개발을 서두르고 있다. 스핀 메모리 소자는 아주 작은 나노 자석의 N극과 S극의 방향으로 0과 1의 정보를 저장하는 소자이다. 전력이 차단되어도 N극과 S극의 방향은 유지되기 때문에 이미 하드디스크 등에서도 널리 응용되고 있다. 이 나노 자석의 N극과 S극의 방향을 따라서 얼마나 빠르고 쉽게 제어할 수 있는지가 차세대 스핀 메모리의 상용화 여부를 결정한다고 볼 수 있다. 그동안은 외부에서 스핀을 주입하여 나노 자석의 N극과 S극의 방향을 제어해왔다. 여기서 스핀이란 더 이상 자를 수 없는 자석의 기본 단위로, 같은 N극과 S극의 방향을 갖는 무수히 많은 스핀이 한데 모여 하나의 자석을 구성한다고 할 수 있다. 그러므로 외부에서 나노 자석에 많은 스핀을 주입하면 나노 자석의 N극과 S극의 방향을 제어할 수 있다. 하지만 외부의 스핀을 생성하고, 주입하는 효율이 좋지 않아 전력의 소모가 커 상용화에 큰 어려움이 따르고 있었다. 최근 나노 자석에 전류를 걸면 나노 자석 내부에 스핀이 형성된다는 것은 알려진 바 있으나, 이렇게 형성된 스핀의 거동을 분석하는 이론이 정립되지 않아 이들이 어떤 물리적 결과를 가져오는지 연구된 바는 없었다. KIST 김경환 박사는 자성체 내의 스핀 전도 현상을 기술하는 스핀 확산 방정식을 개발하여 이론 체계를 확립하였다. 그 결과, 전류에 의해 형성된 스핀이 외부로 발산될 때 외부에서 주입해주던 스핀과 부호만 반대이고 나머지는 같은 효과를 준다는 사실을 알게 되었다. 그러므로 외부의 스핀 주입이 없이도 나노 자석 스스로 N극과 S극의 방향을 제어할 수 있으며, 기존의 스핀 소자보다 최대 60%가량 전력 소모를 감소시킬 수 있음을 규명했다. 또한, 기존의 외부 스핀을 주입하기 위한 구조물이 필요 없게 되어 간단한 구조로 메모리를 개발할 수 있게 됐다. 김경환 박사는 “본 연구는 자성체 내에서의 스핀 전도 현상에 대한 학술적인 기초를 제공하였을 뿐 아니라, 새로운 패러다임을 통해 차세대 스핀 소자 구현에 가장 큰 걸림돌이었던 전력 소모, 생산 수율 등의 최적화 문제 해결에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 신진연구지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 물리학 분야 저널인 ‘Physical Review Letters‘ (IF: 8.385) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Generalized Spin Drift-Diffusion Formalism in Presence of Spin-Orbit Interaction of Ferromagnets - (제 1저자, 교신저자) KIST 김경환 선임연구원 - (교신저자) 고려대학교 신소재공학부 이경진 교수 (現 KAIST 물리학과) <그림설명> [그림 1] 기존 외부 스핀 주입 방식과 자가생성 스핀 방식의 비교

- 혈관으로 분화하는 줄기세포의 이식 초기 분포 영상을 통해 치료 효능 예측 - 혈관 재생을 위한 세포치료제 분야 연구에 응용 최근 식습관의 변화와 흡연, 음주로 인해 비만, 당뇨, 고혈압 등의 증가로 발끝이 썩어들어가는 중증하지혈과 같은 허혈성 질환의 고위험군 수가 증가하고 있다. 이러한 허혈성 질환을 치료하기 위해 새로운 혈관을 형성하는 줄기세포인 ‘혈관내피 전구세포’에 관한 연구가 활발하다. 혈관내피 전구세포는 허혈성 부위 등 혈관형성이 필요한 부위로 이동한 후 혈관의 내피세포로 분화하거나 혈관의 형성을 돕는 인자를 방출하여 혈관재생을 유도하기 때문에 허혈성 질환을 비롯한 혈관과 관련된 질환의 세포치료제로 개발할 수 있다. 그러나 혈관 재생능력이 뛰어난 혈관내피 전구세포를 혈관재생을 위한 세포치료제로 사용하더라도 치료 결과는 체내 이식된 세포의 생존, 치료 부위로의 이동과 같은 다양한 변수에 의해 다르게 나타나며 정확한 점이 있어 허혈성 질환의 치료제는 아직 상용화되지 못하고 임상단계에 머물러 있는 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 테라그노시스연구센터 김광명 박사팀이 (주)T&R Biofab 문성환 박사팀과의 공동연구를 통해 혈관내피 전구세포의 체내 이식 후 초기 분포 및 이동을 형광 영상으로 추적하여 초기 이식된 혈관내피 전구세포의 분포에 따른 치료 효능을 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. KIST 김광명 박사팀은 형광물질을 혈관내피 전구세포 표면에 결합시킨 후 형광분자단층촬영을 통해 식별 가능하게 했다. 그 후 중증하지허혈질환 쥐의 허벅다리에 이식된 세포를 28일 동안 영상을 통해 추적하여 세포의 체내 움직임을 확인하고, 레이저 측정을 통해 혈류가 복원되는 과정을 추적, 관찰하였다. 그 결과 혈관내피 전구세포가 허혈성 질환이 발생한 조직으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 세포치료제 이식 초기에 혈관내피 전구세포를 촬영한 영상을 분석한 결과, 두 가지 형태로 주입된 것을 확인할 수 있었다. 하나는 응축되어 있는 ‘둥근 모양’, 다른 하나는 널리 퍼진 ‘확장된 모양’이었다. 이 두 가지 형태로 실험군을 분류하여 치료 효능을 관찰한 결과 처음 이식된 곳에 잘 응축되어 있던 ‘둥근 모양’의 실험군에서 세포가 더 잘 이동하고 치료 효능이 좋았음을 확인했다. 이를 통해 치료 초기에 치료제가 응축된 ‘둥근 모양’으로 형성되어야 앞으로의 치료 효능이 좋으리라는 것을 예측할 수 있었다. 본 연구를 주도한 KIST 김광명 박사는 “초기에 이식된 세포치료제의 형태 및 체내 초기 변화를 빠르고 정확하게 모니터링하는 기술은 이식된 혈관내피 전구세포의 허혈성 질환 치료효능을 초기에 예측할 수 있도록 하여 향후 허혈성 질환 치료를 위한 세포치료제 개발 분야에 활용될 것”으로 기대하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 생체재료 분야 국제 저널인 ‘Biomaterials’ (IF: 10.317, JCR 분야 상위 1.316%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Predicting in vivo therapeutic efficacy of bioorthogonally labeled endothelial progenitor cells in hind limb ischemia models via non-invasive fluorescence molecular tomography - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임승호 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 윤홍열 선임연구원 - (교신저자) T&R Biofab 문성환 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김광명 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 생물직교성 클릭화학을 이용한 혈관내피 전구세포의 형광 표지 및 하지허혈 쥐 모델에 이식 후 모니터링 모식도 [그림 2] FMT로 관찰한 이식된 혈관내피 전구세포의 시간에 따른 체내 이동 이미지 세포 이식 직후의 형광의 분포가 응축된 모양일 경우 형광으로 표지된 혈관내피 전구세포는 시간에 따라 배쪽 (혈관 폐색 부위)으로 이동하는 것을 볼 수 있음. 그러나 확장된 모양으로 이식된 혈관내피 전구세포는 배쪽으로의 이동 뿐만아니라 주변으로 확산되는 경향을 보이며, 28일째 형광이 관찰되지 않음 [그림 3] 혈관내피 전구세포 이식후 하지허혈 쥐 모델의 혈류 재생 및 사지괴사 모니터링 세포 주입 직후 응축된 모양으로 혈관내피 전구세포가 이식된 쥐에서 더 높은 혈류 재생 유도 및 사지 괴사 방지가 일어나는 것을 확인함

- 열, 습도, UV등 다양한 자극을 감지하여 스스로 손상이 복원되는 소재 - UV 20분 조사시 95%이상 균열과 물성이 복원되는 투명 폴리이미드 수많은 사람들의 가슴을 아프게 한 스마트폰 액정 수리비... 더 이상 걱정거리가 아닐 수도 있게 됐다. 국내 연구진이 스스로 손상을 회복할 수 있는 스마트폰 액정 소재를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 구조용복합소재연구센터 정용채 센터장 연구팀이 연세대학교(연세대, 총장 서승환) 한학수 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 소재에서 발생한 균열이나 손상된 기능을 스스로 복원할 수 있는 자가 치유 투명 전자소재를 개발했다고 밝혔다. 투명 폴리이미드(CPI, Colorless Polyimide)는 뛰어난 기계적, 전기적, 화학적 물성을 갖고 있다. 유리처럼 투명하고 강도가 세면서도 수십만 번 접어도 흠집이 나지 않아 폴더블, 플렉서블 디스플레이 등의 모바일 제품에도 이미 상용화되어 활용되고 있으며 항공우주, 태양전지 등 산업 전반에서 활용되고 있는 소재이다. 이처럼, 다양한 산업군에 폭 넓게 사용되는 소재이기 때문에 노출되는 다양한 환경에서 발생할 수 있는 균열과 지속적인 전자파에 의한 파괴 등을 해결하여 내구성을 확보하려는 노력이 끊이지 않고 있다. 일부 연구진에서는 첨가제를 넣거나 표면에 단단한 보호층을 코팅해 해결하고자 했으나, 근원적인 소재의 손상을 막을 수는 없었다. KIST-연세대 공동연구팀은 투명 폴리이미드의 장점은 유지하면서도 균열이나 손상된 기능을 어떠한 환경에서도 쉽고 빠르게 능동적으로 복원할 수 있도록 식물의 일종인 아마 씨에서 추출한 아마인유(Linseed oil)를 활용하여 자가 치유 투명 폴리이미드를 개발하였다. 아마인유는 상온(25℃)에서 쉽게 경화되는 특성이 있어 그림을 보존하기 위한 코팅 물질로도 많이 사용되고 있다. KIST 연구진은 아마인유를 담은 마이크로캡슐을 제조한 후, 제조한 마이크로 캡슐을 실리콘과 섞어 투명 폴리이미드 위에 코팅하여 보호층을 만들었다. 연구진이 개발한 소재는 손상이 생기면 마이크로 캡슐이 터져 아마인유가 흘러나와 손상된 부분으로 이동한 뒤 경화되어 스스로 복원될 수 있게 됐다. 이러한 자가치유 기능은 국소적인 손상에서 국부적인 손상범위까지 복원할 수 있다는 장점이 있다. 지금까지 알려진 다른 자가 복원 기능은 부드러운 소재에서만 구현할 수 있었으며 거기에 뜨거운 열을 가해야 복원될 수 있었다. 이와는 달리 공동 연구진이 개발한 소재는 단단한 소재임에도 자가 치유 기능을 갖고 있으며, 고온의 열을 가하지 않아도 상온에서도 스스로 복원되며 습도, 자외선에도 반응하여 치유 속도가 더 빨라지는 장점을 갖고 있어 최대 20분 이내에 손상의 95% 이상이 복원되었다. 정용채 센터장은 “손상된 고분자 소재의 물성과 수명을 근원적으로 해결할 수 있는 자가복원 투명 폴리이미드를 제조하였고, 유연디스플레이 및 전자재료 디바이스 등 그 소재의 응용범위를 제시했다는 데 의의가 있다.”라고 말하며 “향후 보다 향상된 물성확보를 위해서 추가적인 구조를 검토하고 응용범위를 확대할 예정이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 및 복합소재 분야 국제저널인 ‘Composite Part B: Engineering’(JCR 분야 상위 1.67%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Interfacial Adhesion and Self-Healing Kinetics of Multi-Stimuli Responsive Colorless Polymer Bilayer Structure - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김영남 연구원 - (제 1저자) 피츠버그대학교 남기호 박사후연구원 - (교신저자) 연세대학교 한학수 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정용채 책임연구원 <그림설명> [그림1] 자가복원 투명 폴리이미드 제조방법 [그림2] <p class="p1" style="text-align: justify; font-variant-numeric: normal; font-variant-east-asian: normal; font-stretch: normal; line-height: normal; font-family: " helvetica="" neue";"="">(좌) 자가복원 투명 폴리이미드의 형상자유도, (우) 개발된 투명 폴리이미드의 자가복원 특성

- 전자현미경 사진으로 순식간에 자성체 물성 분석완료 - KIST-경희대 연구진, 딥러닝 기술을 이용한 자성체 특성 연구 현재 사용되고 있는 실리콘 반도체의 집적도 한계를 극복하고 초저전력, 고성능 차세대 반도체 개발을 위해 전자의 ‘스핀(spin)’과 ‘전자공학(electronics)’을 함께 연구하는 스핀트로닉스(spintronics)에 관한 연구가 활발하다. 자성 메모리(MRAM) 등의 스핀트로닉스 소자를 개발하기 위해서는 자성을 띠는 물질인 자성체를 이용하는데, 이 자성체들의 온도에 대한 안정성, 변화에 대응하는 속도 등의 물성들을 정확히 파악해야 소자 개발에 이용할 수 있다. 이를 위해 국내 연구진이 스핀트로닉스의 소재인 자성체의 물성을 순식간에 분석하는 인공지능을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 스핀융합연구단 권희영, 최준우 박사팀이 경희대학교 원창연 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 인공지능 기술을 활용하여 자성체의 스핀구조 이미지로부터 자기적 물성을 추정하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 개발한 인공지능은 딥러닝 기술로, 기존에는 수십 시간까지 걸리던 소재 분석을 순식간에 해결할 수 있다. 자성체는 물질을 구성하는 미세단위 자석인 스핀이 같은 방향으로 정렬된 영역인 ‘자성 도메인’들을 갖고 있는데, 이러한 자성 도메인들이 형성되고 변화함에 따라 다양한 자기적 현상들이 나타나는 것으로 알려져 있다. 그동안은 자성 도메인의 특성을 좀 더 정확하고 깊게 이해하기 위해 다양한 실험을 통해 직접 물성을 측정해왔으며, 이를 위해 많은 시간과 자원을 쏟아야 했다. KIST-경희대학교 공동연구진은 딥러닝 기술을 활용하여 위와 같은 한계를 극복했다. 인공지능에 기계학습 알고리즘을 적용하여 기존 자성 도메인 이미지들을 학습시키고, 새로운 자성 도메인 이미지를 보면 그 물질의 자기적 물성을 추정하도록 했다. 그 결과 자성체의 전자현미경 이미지를 입력하고 실시간으로 해당 자성체의 자기적 물성을 추정할 수 있게 됐다. 뿐만 아니라 실제 관측한 데이터와 인공지능이 추정한 값을 비교했더니 그 오차가 1% 내외로 추정 정확도가 매우 높았다. KIST 권희영 박사는 “인공지능 기술들이 자성 도메인의 특성을 분석하기 위해 어떻게 활용될 수 있는지에 관한 새로운 길을 제시하였다.”라고 말하면서, “이러한 인공지능 기술을 활용해 자성 시스템을 분석하는 새로운 연구 방법은 실험과 이론의 연결을 강화하고, 나아가 인공지능 기술과 순수과학 연구의 융합이라는 새로운 연구 분야의 확장이 이루어질 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)지원의 KIST 주요사업, 교육부(장관 유은혜)지원의 학문후속세대양성사업 등으로 수행되었다. 연구 결과는 과학분야의 국제 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다, * (논문명) Magnetic Hamiltonian parameter estimation using deep learning techniques - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 권희영 박사후연구원 - (공저자) 한국과학기술연구원 최준우 선임연구원 - (교신저자) 경희대학교 원창연 교수 <그림설명> [그림 1] 깊은 인공신경망을 통한 자성 물성 추정에 관한 개념도

- 인공장기 기반 독성평가기법 개발로 환경 위해성 평가 표준화 제시 - 3차원 세포 맞춤형 지지체 개발을 통한 동물 대체 환경 독성 평가기법 확립 새롭게 개발된 화학물질이나 화장품 등 화학물질을 원료로 개발된 신규 제품은 인체에 대한 독성과 환경에 대한 독성 두 가지 부문의 평가를 모두 통과하여 안전성을 확인받아야만 시중에 유통될 수 있다. 위 평가를 통과하지 못하면 내분비 장애 물질의 일종인 비스페놀A(BPA)처럼 유통이 금지된다. 화학물질의 환경 독성 평가는 물벼룩, 녹조 그리고 인간의 유전자와 90% 이상 동일한 물고기인 제브라피쉬 이 세 가지를 대상으로 시험을 해야 하는데, 최근 제브라피쉬는 척추동물로 분류되어 동물실험의 윤리적 문제에 직면하여 보건당국의 허가를 받아야만 실험할 수 있게 됐다. 이런 상황을 극복하고자 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 독일 현지법인인 KIST 유럽연구소(소장 김준경) 환경안전성연구단 김용준 단장 연구팀이 미국 일리노이 대학교 공현준 교수 연구팀과 공동연구를 통해 제브라피쉬의 간을 모사한 오가노이드(Organoid)를 배양하여 동물실험을 대체하면서 환경에 대한 장기적 독성 및 유해성을 평가할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다. 제브라피쉬를 이용하여 내분비 장애에 영향을 미치는지를 평가할 수 있는 지표 물질인 ‘비텔로제닌(Vitellogenin)’에 대한 유해성 평가 기법은 독성학 분야에서 널리 이용되고 있다. 그러나 제브라피쉬를 대체하여 시험하기 위하여 개발된 제브라피쉬 오가노이드는 아직 고농도의 VTG를 생성할 수 있는 조직으로 배양할 수 없어 실제 독성평가에 사용할 수 없었다. 공동연구진은 제브라피쉬 간세포를 배양하기 위해 폴리에틸렌 글리콜(Polyethiylene glycol, PEG)을 활용하여 오가노이드의 뼈대(지지체)를 제작하였다. 그 결과, 제브라피쉬 간세포들이 스스로 결합하고 조립되어 28일 동안 형상을 유지하여 장기적으로 배양할 수 있게 되었다. 연구진은 이러한 배양방식을 통하여 6주 이상 장기적 영향을 평가할 수 있는 만성독성 시험용 제브라피쉬의 인공 간 오가노이드 개발에 성공하였다. 이 인공 간을 활용하면 제브라피쉬를 대상으로 직접 시험한 것과 유사한 결과를 도출할 수 있어 윤리적 문제가 있는 동물실험을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 연구팀이 개발한 제브라피쉬 간세포의 3차원 생체모사 시스템을 활용하면, 내분비 장애 물질이 환경에 미치는 장기적 영향을 단시간에 평가할 수 있다. KIST 유럽연구소 김준경 소장은 “KIST 유럽연구소는 그간 축적된 환경안전성 분야의 연구 경험을 집약하여 2018년부터 ‘생태계 내 내분비 장애 물질 독성발현경로 프레임워크 개발’ 연구에 매진해왔다.”라고 말하며 “독성평가 및 동물대체시험법 분야 자체 보유 역량을 기반으로 국민 체감형 안전 및 보건 기술 개발지원을 위해 노력하겠다.”라고 강조했다. 공동연구팀을 이끈 김용준 단장은 “글로벌 수준의 동물대체시험법 기반 독성평가 관련 기술을 확보해 국내 기술이전을 위한 기반을 마련하는 것이 단기적인 목표”라며 “앞으로 다양한 내분비 장애 물질이 환경에 미치는 영향을 분석할 수 있는 독성 신호체계를 개발하여 환경 독성 분야에 새로운 대체 시험법을 개발하는 데 주력할 예정이다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합과제와 KIST 유럽연구소 중점연구과제를 통해 진행됐으며, 해당 연구 성과는 Environmental Science & Technology(IF : 7.86, JCR 분야상위(%) : 5.47) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Matrix softness-mediated 3D zebrafish hepatocyte modulates response to endocrine disrupting chemicals - (교신저자) 한국과학기술연구원 유럽연구소 김용준 책임연구원 - (교신저자) 미국 일리노이대학 공현준 교수 <그림설명> [그림 1] PEG를 활용한 지지체의 Elastic modulus 변화 [그림 2] 제브라피쉬 간세포 장기배양 및 생리활성을 촉진하기 위한 지지체 구성 [그림 3] 세포 지지체에 따른 바이오 마커 발현 변화

- 공기 중 바이러스 포집 및 검출 일체형 진단 플랫폼 개발 - 일회용 포집·진단 키트를 이용한 부유 바이러스의 빠르고 선택적인 탐지 국내 연구진이 공기 중의 특정 바이러스를 현장에서 바로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 분자인식연구센터 이준석 박사팀이 광주과학기술원(GIST, 총장 김기선) 화학과 김민곤 교수팀, 건국대학교 (총장 전영재) 수의학과 송창선 교수팀과의 공동연구를 통해 공기 중의 바이러스를 현장에서 포집하고 동시에 검출할 수 있는 진단 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 현재 공기 중에 퍼져있는 각종 세균, 곰팡이, 바이러스와 같은 생물학적 위해물질을 검사하기 위해서는 검사할 장소의 공기를 포집하고 포집한 공기를 실험실에 가져온 후 적게는 수 시간에서 길게는 수일이 소요되는 별도의 분석 공정이 필요하다. 실험실로 옮기지 않고 현장에서 바로 검사할 수 있는 기존 기술은 세균 또는 곰팡이의 농도를 모니터링할 수는 있었으나, 특정 미생물의 유무나 입자 크기가 작은 바이러스를 구별하는 데는 한계가 있었다. KIST-GIST 공동연구진은 공기 중의 바이러스를 현장에서 일회용 키트를 활용하여 손쉽게 포집하고 동시에 검출할 수 있는 일체형 진단 플랫폼을 개발했다. 연구진이 개발한 일회용 바이러스 포집·진단 키트는 임신 진단 키트와 유사한 형태로 별도의 세척이나 분리 없이 하나의 키트 내에서 10분~30분간의 포집 후 20분의 분석을 통해 현장에서 최대 50분 안에 포집, 분석의 모든 과정을 완료하여 손쉽게 부유 바이러스의 존재를 확인할 수 있다. 개발한 진단 플랫폼은 공기 채집기를 통해 부유 바이러스를 유리 섬유로 이루어진 필터인 다공성 패드에 수집, 농축하고 모세관 현상을 이용하여 검출 영역으로 이동시킨다. 이동한 바이러스는 특정 바이러스에만 반응하는 항체가 부착된 적외선 발광 나노입자와 결합되어 여러 바이러스가 공존하고 있는 환경에서도 원하는 바이러스를 선택적으로 검출할 수 있다. 또한, 이러한 진단 키트를 동시에 4개 이상 삽입할 수 있는 형태로 제작하여 동시에 여러 종류의 바이러스를 검출할 수도 있다. 부유 바이러스는 실내 공간의 크기, 공조 시스템의 유무, 온도 및 습도 등의 외부 요인에 영향을 받기 때문에 공동연구진은 개발한 플랫폼을 검증하기 위해 외부 요인들을 조절할 수 있는 인공 부유 바이러스 조성 시스템을 구축하여 일정한 조건에서 실험을 진행했다. 넓은 공간에 확산되어 있는 인플루엔자 바이러스를 포집하여 다공성 패드 내에서 약 100만 배 이상의 농도로 농축하였으며, 패드 표면에 부착된 바이러스들을 표면 전처리 및 분석용액 최적화를 통해 약 82% 수준의 효율로 회수하여 검출 영역으로 이동시켜 분석할 수 있었다. KIST 이준석 박사는 “현장에서 포집하고 바로 분석이 가능한 플랫폼으로 코로나19 바이러스와 같은 공기중에 부유 중인 생물학적 위해 인자를 현장 진단하여 실내 공기 오염 모니터링 시스템으로 응용할 수 있다.”라고 밝혔다. 본 연구는 삼성미래기술육성사업 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘ACS Sensors’ (IF: 7.333, JCR 분야 상위 2.907%) 최신 호에 게재되었으며, 표지논문으로 선정되어 출판될 예정이다. * (논문명) An Integrated Bioaerosol Sampling/Monitoring Platform: Field-deployable and Rapid Detection of Airborne Viruses - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이인애 박사후연구원 - (제 1저자) 광주과학기술원 석영웅 박사후연구원 - (교신저자) 광주과학기술원 김민곤 교수| - (교신저자) 한국과학기술연구원 이준석 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 표지논문 선정 이미지 [그림 2] 공기 중 바이러스를 포집하고 탐지하는 일체형 분석 플랫폼 개략도 공기 채집기를 통해 부유 바이러스를 다공성 패드에 수집 및 농축하고 모세관 작용을 이용하여 검출 영역으로 바이러스를 이동시킨다. 포집과 검출의 과정이 일회용 진단 키트 내에서 이루어져 현장에서 쉽고 빠르게 부유 바이러스 분석이 가능하다.