서강대학교 “연성물질공학 연구실” (김정욱 교수)

연구실 개요

연성물질공학 연구실(Soft Matter Engineering Lab)에서는 고분자, 특히 수용액에 의해 팽창된 고분자 네트워크인 하이드로젤을 연구하고 이를 의공학 분야(biomedical engineering)에 응용하는 연구를 진행한다. 또한, 본 연구실에서는 유한요소해석법(finite element analysis)를 이용하여 고분자 네트워크의 거동을 이해하는 연구도 진행한다. 의공학 분야에서는 주로 하이드로젤 및 미세유체소자를 이용하여 혈관의 특성이 모사된 세포칩을 개발하고 이를 이용하여 다양한 기계적 힘의 조합에 따른 혈관내피세포의 거동 특성 및 이로 인한 질병(동맥경화 등)을 연구한다. 또한, 의과대학과 협업을 통해 신장투석 환자에서 주로 발생하는 혈관막힘현상을 이해하고 해결책을 제시하고자 세포칩 및 유한요소해석법을 통한 연구를 진행 중이다. 이러한 세포칩 및 유한요소해석법을 이용하여 밸브를 포함하는 체내 림프관 내 수축을 통한 림프액의 전달에 관한 연구도 진행 중이다. 그리고 본 연구실에서 활용하는 세포칩을 C1 가스 연구에도 활용하고 있다. 메탄가스 전환이 가능한 미생물 균주는 대형 반응기 내에서 불균일하고 복합적인 환경(국소적 온도, 농도, 전단응력 변화 등)을 경험하는데, 이때 개별 환경에 따라 미생물 균주의 전환 효율이 어떻게 달라지는지에 대한 연구를 진행 중이다. 또한, 본 연구실에서는 하이드로젤의 형성과 내부 구조에 관한 연구를 진행하고 있다. 일반적으로 세포연구 및 조직공학에서 인공 세포외기질(extracellular matrix)로 사용되는 하이드로젤의 형성은 고분자 중합을 통해 이루어지므로 세포독성을 갖거나 이를 회피하기 위해 물리적 가교를 통해 이루어지므로 기계적 물성이 매우 취약한 특성이 있다. 본 연구실에서는 이러한 세포독성 및 취약한 기계적 특성을 극복할 수 있는 하이드로젤 형성법을 연구하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 하이드로젤 기반 미세유체소자를 이용한 세포칩

1) 혈관 및 림프관 특성이 모사된 세포칩을 이용한 의공학 연구
인체 혈관 및 림프관에는 다양한 생물학적, 화학적, 기계적 특성이 존재하고 이는 혈관 및 림프의 기능 및 질병과 밀접한 연관이 있다. 본 연구실에서는 고분자 네트워크로 구성된 하이드로젤과 미세유체소자를 이용하여 혈관의 기계생물학을 연구하고 림프의 흐름 특성을 연구한다. 본 연구는 실험과 더불어 유한요소해석법을 통해 진행된다. (그림 1)

2) C1 가스전환 균주의 외부조건 의존성 연구
또한, 본 연구실은 미세유체소자를 이용하여 메탄가스 전환이 가능한 미생물 균주가 반응기 조건에 따라 전환 효율이 어떻게 달라지는지를 연구하고 있다. 대형 반응기 내에서 배양 환경(가스 농도, 온도, pH, 전단응력 등)은 시간과 공간에 따라 매우 불균일하다. 본 연구에서는 배양 환경이 균일하게 유지되는 미세유체소자 기반의 마이크로 반응기를 설계하고 이를 이용하여 미생물 균주의 각 배양 환경에 따른 전환 효율을 연구하며, 이를 통해 대형 반응기에서의 평균 전환 효율을 예측하는 연구를 진행한다. (그림 2)

2. 고분자 네트워크 관련 연구

1) 새로운 고분자 네트워크 중합법 관련 연구
생체외 세포연구 및 조직 재생과 치료를 목적으로 하는 조직공학에서 세포가 배양되는 공간(인공 세포외기질)로 사용되는 하이드로젤은 고분자 중합을 통해 형성된다. 자유라디칼 중합을 통해 고분자 네트워크를 형성하는 경우, 중합 과정에서 세포독성을 갖는 자유라디칼이 사용되는 단점이 있고, 이러한 세포독성을 회피하기 위해 물리적 가교를 통해 고분자 네트워크를 형성하는 경우, 기계적 물성이 매우 취약한 특성이 있다. 본 연구실에서는 이러한 세포독성 및 취약한 기계적 물성을 극복할 수 있는 고분자 네트워크 형성법을 연구하고 있다. (그림 3)

연구실 현황

연성물질공학 연구실은 김정욱 교수를 비롯하여 박사후과정 1명, 박사과정 학생 2명, 석사과정 학생 3명으로 총 7명의 실원으로 구성되어 있다. 여러 의과대학(서울대학교 안과/신경과, 가톨릭대학교 내과 등)과 협업을 통해 의공학 연구를 진행하고 있으며, 국내 고분자 관련 분석/합성/시뮬레이션 전문가들과 지속적인 협동 연구를 진행하고 있다.