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생체공학전공 김선정·장용우 교수, 세포 에너지 저장 원리에 착안한 차세대 체내 에너지 충전시스템 개발
작성자 : 한양대학교 공과대학(help@hanyang.ac.kr)   작성일 : 21.04.26   조회수 : 447

김선정 교수      장용우 교수

김선정 교수(좌) / 장용우 교수(우)

 

한양대 생체공학과 김선정·장용우 교수 공동연구팀이 세포가 에너지를 저장하는 원리에 착안한 ‘생체 삽입형 슈퍼커패시터(supercapacitor)’를 개발했다고, 한양대가 13일 밝혔다. 해당 기술은 차세대 체내 에너지 충전시스템으로 사용할 수 있으며, 심장의 페이스메이커(pacemaker) 제작에 사용할 경우 배터리 교체를 위한 주기적 수술이 불필요해질 전망이다.


슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면 간 단순한 이온 이동이나 표면화학 반응에 의한 충전 현상을 이용하는 에너지 저장장치다. 일반 슈퍼커패시터에 비해 단위면적당 수십 배 많은 에너지를 저장할 수 있고, 리튬이온전지와 비교해 고속 충전과 반영구적 수명 등 우수한 특성을 지녀 미래 친환경 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 하지만 슈퍼커패시터의 성능향상을 위해 금속산화물을 함께 사용하는 과정에서 생체에 사용할 경우, 생체 적합성이 문제점으로 지적됐다. 

공동연구팀은 해당 문제에 대한 해결책을 세포의 미토콘드리아에서 발견했다. 미토콘드리아는 세포가 필요로 하는 에너지를 생성 및 저장하는 소기관(organelle)이며, NAD(Nicotinamide adenine dinucleotide)는 이 과정에서 생성된 전자를 저장해 미토콘드리아의 전자전달계에 전달해 ATP(Adenosine triphosphate) 에너지를 생성시키는 필수 생체분자다.

공동연구팀은 미토콘드리아가 NAD 생체분자를 통해 전자를 제공받는 점에 착안, 전기전도성이 우수한 탄소나노튜브 실(yarn) 내부에 NAD 생체분자를 넣어 탄소나노튜브 실이 가지고 있는 슈퍼커패시터의 성능을 최대 12배까지 향상시켰다.

이렇게 개발된 슈퍼커패시터는 생체분자를 사용했기에 생체환경에 존재하는 전해질을 이용해 전기를 저장할 수 있고, 생체 적합성이 뛰어나다는 장점을 가졌다. 또 섬유형태로 제작돼 인체 내부 장기나 안쪽에 쉽게 꿰맬 수 있어 응용성이 높았다. 이어진 생체실험에서 실험용 쥐의 생체에 NAD 탄소나노튜브 섬유를 삽입했을 때 정상적인 슈퍼커패시터의 성능을 보였으며, 삽입 후 2주의 시간이 지나도 70% 이상의 성능을 유지하며 면역반응을 일으키지 않는 것을 확인했다.


이번 연구는 삽입형 의료기기를 위한 생체에너지 자가발전 모듈 및 체외충전 시스템 발전의 큰 전환점을 마련했다는 점에서 큰 의미를 가진다고 평가받는다.

김선정 교수는 “그동안 생체 삽입형 슈퍼커패시터의 성능향상을 위한 생체적합성 물질을 찾는 것이 큰 난관이었는데, 이 답을 우리 몸을 구성하고 있는 세포의 에너지 저장 시스템에서 찾았다”면서 “생체모방공학의 쾌거”라고 말했다.

이번 연구결과 (Implantable Biosupercapacitor Inspired by the Cellular Redox System)는 케미컬 분야 세계적 권위지인 「Angewandte Chemie」 저널에 2일 온라인 게재됐다.

 

 

위 사진: NAD 생체분자를 포함하고 있는 탄소나노튜브 섬유의 구조적 그림 아래 사진 : NAD 슈퍼커패시터 섬유를 생쥐의 복부 안쪽에 부착한 모습. (외부 전해질 없이 생체 내 전해질을 이용해 에너지 저장이 가능하다.)

위 사진: NAD 생체분자를 포함하고 있는 탄소나노튜브 섬유의 구조적 그림 아래 사진 : NAD 슈퍼커패시터 섬유를 생쥐의 복부 안쪽에 부착한 모습. (외부 전해질 없이 생체 내 전해질을 이용해 에너지 저장이 가능하다.)

 

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