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2024-11-22 (금)

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[신소재 신기술(115)] 뺨 세포로 사망 위험 예측하는 '후생유전학 시계' 개발

노화로 인한 사망 시기를 미리 예측하는 새로운 후생유전학 시계가 개발됐다. 뺨 안쪽을 면봉으로 긁어서 검사하는 아주 간단한 방법이다. 미국 연구팀이 뺨 세포의 DNA 메틸화를 분석해 사망 위험을 예측하는 2세대 후생유전학 시계 '치크에이지(CheekAge)'를 개발했다고 메디컬 익스프레스와 뉴로사이언스뉴스닷컴이 전했다. 사람의 노화 속도는 유전적 요인, 생활 습관, 환경 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이러한 요인들은 후생유전학적 표시로 DNA에 기록되는데, 치크에이지는 이를 분석해 생물학적 나이를 측정하고 사망 위험을 예측한다. 기존의 후생유전학 시계는 주로 혈액 세포를 이용했지만, 이번 연구에서는 뺨 안쪽 세포를 사용해 검체 채취의 편의성을 높였다. 치크에이지는 약 20만 개 부위의 메틸화 비율을 건강 및 라이프스타일에 대한 전반적인 점수와 연관시켜 생리적 노화의 추정 차이를 반영하여 개발 또는 '훈련'됐다. 연구팀은 1921년과 1936년에 태어난 1513명의 남녀를 대상으로 치크에이지 정확도를 측정했다. 팀은 통계적 프로그래밍을 시용해 영국 에든버러 대학교의 로디언 출생 코호트(LBC) 프로그램을 통해 이들 남녀의 평생을 추적해 치크에이지가 모든 원인으로 인한 사망률을 얼마나 잘 예측하는지 살펴보았다. 그 결과 치크에이지는 혈액 세포에서 측정한 메틸롬 데이터를 사용하더라도 사망 위험을 정확하게 예측하는 것으로 나타났다. 치크에이지 값이 1 표준편차 증가할 때마다 모든 원인으로 인한 사망 위험은 21% 증가했다. 이 새로운 도구는 노화를 모니터링하고 잠재적으로 연령 관련 질병을 추적하는 간단하고 효과적인 방법을 제공할 수 있다. 연구의 제1저자이자 뉴욕에 있는 톨리 헬스(Tally Health)의 전산 생물학 및 데이터 과학 책임자인 막심 쇼히레프(Maxim Shokhirev) 박사는 "우리는 또한 특정 메틸화 부위가 이러한 상관관계에 특히 중요하다는 것을 입증하여 특정 유전자 및 과정과 우리 시계가 포착한 인간 사망률 사이의 잠재적 연관성을 밝혀냈다"고 말했다. 연구팀은 치크에이지가 사망 위험과 관련된 특정 DNA 메틸화 부위를 밝혀냈으며, 이는 특정 유전자와 노화 과정 사이의 연관성을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다고 설명했다. 특히 종양억제 유전자인 PDZRN4, 동물 모델에서 암과 심장 건강과 관련있는 ALPK2와 같은 유전자는 암, 골다공증, 염증, 대사 증후군 등 노화 관련 질병과 연관성이 있는 것으로 나타났다. 연구의 마지막 저자이자 톨리 헬스의 과학 업무 및 교육 책임자인 아디브 존슨(Adive Jonhson) 박사는 "동물 모델에서 ALPK2와 같은 유전자가 수명이나 건강에 영향을 미치는 지 확인하는 것은 흥미로울 것"이라고 말했다. 연구팀은 향후 치크에이지를 활용해 다양한 노화 관련 질병 발생률, 건강 수명 등을 예측하는 연구를 진행할 계획이다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 '프온티어스 인 에이징(Frontiers in Aging)'에 발표됐다.
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2024-10-02
[신소재 신기술(114)] 상어 장 모방한 3D 프린팅 파이프, 역류 없는 액체 흐름 구현

미국 과학자들이 상어의 소화기관에서 영감을 얻어 한 방향으로만 흐르는 파이프를 3D 프린팅 기술로 제작했다. 워싱턴대학교(UW) 연구팀은 상어의 나선형 장 구조를 모방해 3D 프린팅 기술로 '한 방향 흐름 파이프'를 개발했다고 과학 전문매체 뉴아틀라스가 전했다. 이 파이프는 액체가 역류하지 않고 한 방향으로만 흐르도록 설계되어, 상어의 소화기관처럼 효율적인 물질 이동을 가능하게 한다. 인간의 장은 속이 빈 튜브에 불과하지만 상어의 장은 아래쪽 부분에 나선형 판막이라는 것이 있다. 이 나선형 판막은 비교적 짧고 굵은 장의 일부로, 내부에 일종의 코르크 마개와 같은 나선형 구조가 있다. 이 구조는 음식물의 이동 속도를 늦추고 표면적을 넓혀 영양분 흡수 효율을 높이는 역할을 한다. 또한 나선형 장의 구조는 음식물의 역류를 방지하는 데도 도움이 된다. 연구팀은 다양한 형태의 나선형 구조를 가진 파이프를 제작하고 실험을 통해 최적의 구조를 찾아냈다. 그 결과 개발된 파이프는 기존의 무빙 파트가 없는 한 방향 흐름 장치인 태슬라 밸브보다 뛰어난 성능을 보였다. 테슬라 밸브(Tesla Valve)는 니콜라 테슬라가 1920년에 발명한 특수한 형태의 유체 흐름 제어 장치다. 움직이는 부품 없이 유체의 흐름을 제어하는 것이 특징이다. 여러 개의 물방울 모양 루프가 파이프 내부에 배열되어 유체가 순 방향으로 흘르 때는 루프를 따라 부드럽게 통ㅎ과하지만, 약방향으로 흐르려고 하면 루프에 의해 와류가 발생하고 흐름이 저항을 받아 통과가 어려워진다. 특히 부드러운 소재로 제작된 이 파이프는 테슬라 밸브보다 최소 7배 이상 효율적인 흐름을 보였다. 그러나 연구팀은 파이프가 상어의 장 조직보다 100배나 더 단단해 앞으로 개선의 여지가 있다고 밝혔다. 이번 연구는 부드럽고 강하며 프린팅 가능한 폴리머 개발에 대한 화학자들의 동기를 더욱 강화할 것으로 기대된다. 이러한 폴리머는 공학, 의학 등 다양한 분야에서 유체 흐름 제어에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 이번 연구 결과는 미국 국립학회보(PNAS)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-27
[신소재 신기술(113)] 美 조지아 공대, 리튬이온배터리 획기적 개선 음극재 개발

전기자동차(EV) 시장의 케즘(chasm·일시적 수요 정체) 극복 방안의 하나로 '차세대 배터리'가 거론되는 가운데 미국에서 새로운 음극 소재가 개발됐다. 조지아 공과대학은 홈페이지를 통해 하이롱 첸(Hailong Chen) 교수가 이끄는 다기관 연구팀은 리튬이온배터리(LIBs)를 획기적으로 개선할 수 있는 저렴한 새로운 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이는 전기자동차 시장과 대규모 에너지 저장 시스템을 변화시킬 가능성이 있다. 조지아공대 우드러프 기계공학부 및 재료과학·공학부 하이롱 첸 부교수는 "오랫동안 사람들은 기존 음극재보다 저렴하고 지속 가능한 대안을 찾고 있었다. 우리가 그걸 찾은 것 같다"고 말했다. 연구팀에 따르면 획기적인 소재인 삼염화철(FeCl3)은 일반적인 음극재 비용의 1~2%에 불과하지만 동일한 양의 전기를 저장할 수 있다. 음극재는 용량, 에너지 및 효율성에 영향을 미치며 배터리 성능과 수명, 경제성에 중요한 역할을 한다. 첸 교수는 "우리 음극재는 게임 체인저가 될 수 있다"며 "이는 전기차 시장 뿐만 아니라 전체 리튬 이온 배터리 시장을 크게 개선할 것"이라고 말했다. 연구 결과는 학술지 네이처 서스테너빌리티(Nature Sustainability)에 게재됐다. 1990년대 초 소니에 의해 처음 상용화된 리튬이온배터리(LIB)는 스마트폰이나 테블릿과 같은 개인용 전자제품의 폭발적인 성장을 촉발했다. 이 기술은 결국 전기자동차에 동력을 공급하는 신뢰할 수 있고 충전 가능한 고밀도 에너지원으로 발전했다. 그러나 개인용 전자 제품과 달리 전기차와 같은 대규모 에너지 사용자는 LIB 비용에 특히 민감하다. 현재 배터리는 전기차 총 비용의 50%를 차지하며, 이로 인해 이러한 청정 에너지 자동차는 내연 기관 자동차보다 더 비싸다. 더 나은 배터리 구축 구식 알카라인 배터리와 납축 배터리에 비해 리튬이온배터리는 더 작은 패키지에 더 많은 에너지를 저장하고 충전 장치에 더 오래 전원을 공급한다. 그러나 리튬이온배터리에는 코발트나 니켈과 같은 희귀 속이 포함되어 있으며 제조 비용이 높다. 지금까지 LIB용으로 네 가지 유형의 음극만 성공적으로 상용화됐다. 기존 LIB는 액체 전해질을 사용하여 에너지 저장 및 방출을 위한 리튬 이온을 운반한다. 저장할 수 있는 에너지 양에는 엄격한 제한이 있으며 누출 및 화재가 발생할 수 있다. 그러나 모든 고체리튬이온배터리는 고체 전해질을 사용하여 배터리 효율성과 안정성을 크게 높이고 더 안전하게 더 많은 에너지를 저장할 수 있도록 한다. 아직 개발 및 테스트 단계에 있는 이러한 배터리는 상당한 개선이 될 것이다. 연구팀이 개발한 FeCl3 음극, 고체 전해질 및 리튬 금속 양극을 사용하면 전체 배터리 시스템 비용이 현재 LIB의 30-40%에 불과하다. 첸 교수는 "이는 전기차를 내연 기관 자동차보다 훨씬 저렴하게 만들뿐만 아니라 새롭고 유망한 형태의 대규모 에너지 저장 장치를 제공해 전력망의 복원력을 향상시킨다"고 말했다. 이어 "또한 우리가 개발한 음극은 전기차 시장의 지속 가능성과 공급망 안정을 크게 향상시킬 것"이라고 기대했다. 음극재로 염화철(FeCl3) 주목 음극재로서의 FeCl3에 대한 첸의 관심은 고체 전해질 재료 연구에서 시작됐다. 그의 연구실은 2019년부터 기존 상용 산화물 기반 음극을 사용해 고체 배터리를 만들려고 시도했다. 결과는 좋지 않았다. 음극과 전해질 재료가 잘 맞지 않았던 것. 연구원들은 염화물 기반 음극이 염화물 전해질과 더 나은 쌍을 이루어 더 나은 배터리 성능을 제공할 수 있다는 점에 착안했다. 첸 교수는 "우리는 시도해볼 가치가 있는 후보(FeCl3)를 찾았다. 결정구조가 리튬이온 저장 및 운송에 잠재적으로 적합했기 때문이다"라고 설명했다. 현재 전기차에서 가장 많이 사용되는 음극은 산화물이며 엄청난 양의 값비싼 니켈과 코발트가 필요하다. 이는 독성이 있을 수 있으며 환경 문제를 야기할 수 있는 중금속이다. 이와 대조적으로 연구팀이 개발한 새로운 음극에는 철(Fe)과 염소(Cl)만 포함되어 있다. 이는 강철과 식용 소금에서 발견되는 풍부하고 저렴하며 널리 사용되는 원소들이다. 초기 테스트에서 FeCl3는 다른 훨씬 더 비싼 음극만큼 또는 더 나은 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 예를 들어 널리 사용되는 음극 리튬철인산염(LiFePO4, LIF)보다 작동 전압이 더 높다. 작동 전압은 배터리가 장치에 연결될 때 제공하는 전기력으로 정원에서 사용하는 호스의 수압과 유사하다. 연구팀은 이 기술이 5년 이내에 전기차에서 상업적으로 실행 가능할 수 있을 것으로 기대했다. 첸은 현재로서는 연구팀이 FeCl3와 관련 소재를 계속 연구할 것이라고 말했다. ◇ 참고: Zhantao Liu, Jue Liu, Simin Zhao, Sangni Xun, Paul Byaruhanga, Shuo Chen, Yuanzhi Tang, Ting Zhu, Hailong Chen. 「모든 고체 리튬 이온 배터리를 위한 저비용 삼염화철 음극」 Nature Sustainability.
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2024-09-25
[신소재 신기술(112)] AI 혁신, 농업 현장에…오렌지 수확 로봇 개발 성공

이스라엘 농업 기술 스타트업 나노벨(Nanovel)이 과수원 등 농장의 과실수에서 과일을 따낼 수 있는 새로운 인공지능(AI) 기반 자율 로봇을 제작, 공개했다고 지역 매체 노카멜스가 전했다. 비용 대비 효과가 좋거나 한국과 같은 과수원 환경에서 적용할 수 있다면, 인건비 등으로 인해 천정부지로 치솟고 있는 과일값 안정에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 나노벨은 이 로봇이 농장의 노동력 부족과 급증하는 생산 비용에 대한 전 세계적 솔루션을 제공할 것이라고 자신했다. 노동력과 생산비라는 두 가지 큰 난제는 미국 애리조나, 캘리포니아, 콜로라도, 뉴멕시코의 농장주들과 협력하는 '웨스턴 그로워스(Western Growers)' 조직의 조사를 통해 해결될 수 있는 것으로 확인됐다고 한다. 나노벨에 따르면 이 로봇은 첨단 엣지 컴퓨팅과 AI 기반 데이터 분석을 기반으로 하고 있다. 이를 통해 높은 수준의 기술적 복잡성을 요구하는 '오렌지 수확'에 성공했다. 울창한 잎사귀 사이에서 오렌지를 선별해 따낸 것이다. 회사는 이 로봇이 세계 최초의 과일 자율 수확 시스템이라고 밝혔다. 개발된 오렌지 수확 로봇은 다중 암(팔) 플랫폼으로 구성되어 있으며 지금은 트랙터로 움직인다. 그러나 회사가 계획하는 차세대 로봇 시스템은 내부 구동 장치와 자율주행 시스템을 갖추게 될 것으로 알려졌다. 망원렌즈 구실도 겸하는 암에는 엣지 컴퓨팅, 첨단 비전 시스템 및 AI가 장착돼 시장 품질 기준을 충족하는 정밀도로 과일을 식별, 평가 및 선택적으로 수확한다. 각 암에는 과일을 고정하는 특허받은 진공 그리퍼(과일을 잡는 손의 기능)와 손상 없이 줄기를 다듬는 커터가 있다. 첫 번째 단계에서 로봇은 오렌지를 수확하고 나중에 다른 감귤류로 확장할 예정이며, 회사의 장기 계획은 레몬, 자몽, 아보카도, 망고, 복숭아, 천도복숭아 수확 로봇으로의 전개다. 나노벨 설립자 겸 CEO인 아이작 매조는 "나노벨의 사명은 자율 수확을 통해 신선한 과일의 가격을 확보하는 것"이라고 말했다. 메조는 "목표는 나노벨의 솔루션을 글로벌 감귤류 시장, 특히 미국과 스페인, 이탈리아와 같은 남유럽 국가에 공급하는 것이다. 우리는 신선한 시장 기준에 맞춘 과실 수확의 새로운 글로벌 표준을 만들고 재배자에게 높은 품질과 경제적 실행 가능성을 보장할 것"이라고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-09-23
[신소재 신기술(111)] 휴스턴 공대 개발 웨어러블 센서, 눈 움직임으로 뇌손상 진단

휴스턴 대학교(HU) 공학팀이 눈의 움직임을 검사해 뇌 질환이나 뇌 손상을 진단하는 웨어러블 센서를 개발했다고 메디컬익스프레스가 전했다. 많은 뇌 질환은 종종 다른 증상이 발현되기 전에 눈 이상으로 나타난다. 눈은 시인들의 표현과 같이 단순히 '영혼을 들여다보는 창'만은 아니다. 인간의 생활을 위해 가장 필요하고 소중한 눈은 또한 뇌의 연장선이며, 뇌 관련 질환의 조기 경고 신호와 그 원인에 대한 정보를 제공할 수 있다. 눈을 검사하면 뇌에 가해지는 신체적, 정신적 충격의 진행과 증상을 추적하는 데 도움이 될 수도 있다. 연구진은 현재의 시선 추적 시스템에는 결함이 있으며, 충분한 양의 데이터를 제공하지 못한다고 지적했다. 게다가 얼굴과 목에 여러 개의 전극이 부착돼 부피가 크고 비싸며 출력이 약하다. 기계공학과 류재현 교수의 UH 연구실에서 박사 후(포스트 닥터) 연구원인 김남인 박사의 도움을 받아 개발한 이 새로운 센서는 비침습적이고 편안하게 착용할 수 있으며 안전하다. 따라서 휴대용 디스플레이 및 컴퓨팅 장치와 결합하면 안구 움직임을 쉽게 지속적으로 측정하고 관찰할 수 있다. 개발된 센서는 특히 매끈하고 유연하며, 구부러지거나 움직일 때 전기를 생성하는 매우 얇은 수정과 같은 필름으로 만들어졌다. 이는 '압전 효과'라는 현상이며, 특정 물질이 적용된 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 관자놀이 부위에 있는 상단, 중간 및 하단 센서 또는 변환기의 출력 전압은 식별 가능한 전압 패턴을 생성한다. 류 교수는 연구 결과가 실린 국제 학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼스(Advanced Healthcare Materials)'에서 "활력 징후 및 생체 의학 매개변수를 관찰하기 위한 피부 부착형 웨어러블 센서는 개인 건강관리 및 휴대용 진단 시스템에서 매우 중요한 구성 요소"라고 보고했다. 이어 "그 중에서도 박막 압전 센서는 저렴한 비용으로 쉽게 제작할 수 있고, 다양한 크기, 경량, 뛰어난 기계적 유연성과 안정성, 빠른 반응 속도, 높은 감도, 높은 신호 대 잡음비, 우수한 장기 안정성과 내구성이라는 고유한 장점을 제공한다"라고 강조했다. 류 교수는 "새로운 센서는 착용하기 쉽고 뇌-눈 관계 연구에 사용해 뇌의 기능적 무결성을 평가할 수 있다"라고 부연했다. 눈 깜박임 패턴에 대한 안과적 평가는 뇌졸중, 다발성 경화증, 파킨슨병 및 알츠하이머병과 같은 질환의 조기 진단에 사용되었다. 또한 안구와 윗 눈꺼풀 조절은 뇌 기능에 영향을 받기 때문에 눈의 움직임은 다양한 뇌 질환과 밀접하게 연관되어 있다. 이전 연구에서는 주의력 결핍 과잉 행동 장애가 있는 어린이의 비정상적인 눈 깜박임 속도와 깜박임 조절을 측정했으며, 자발적인 깜박임은 뇌의 도파민 시스템의 무결성을 측정하는 척도였다. 눈 및 눈의 근육과 관련된 뇌의 운동 뉴런도 자폐증과 관련이 있다. 류 교수는 "우리가 새로 개발한 '유연한 압전 눈 움직임 센서 어레이(F-PEMSA: flexible piezoelectric eye movement sensor array)'가 ADHD(주의력결핍 과다행동장애), 자폐증, 알츠하이머병, 파킨슨병과 같은 뇌 질환 상태뿐만 아니라 뇌진탕 후 증후군 및 외상 후 스트레스 장애와 같은 외상성 뇌 손상의 후유증에 관한 많은 임상 연구에 사용될 수 있다고 생각한다. 잠재적으로 조기에 정확한 진단과 개인화된 치료법의 개발 방향을 제시할 수 있다고 믿는다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-20
[신소재 신기술(110)] 캐나다 연구진, 햇빛 이용해 온실가스를 '유용한 화학물질'로 전환

햇빛을 활용해 유해한 온실 가스인 메탄과 이산화탄소를 상온에서도 유용한 화학물질로 전환하는 기술이 개발됐다. 캐나다 맥길 대학교 연구팀이 햇빛을 이용해 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 유용한 화학물질인 '녹색 메탄올'과 '일산화탄소'로 전환하는 혁신적인 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 이 기술은 기후변화 문제 해결과 지속 가능한 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 금, 팔라듐, 질화갈륨, 혼합물을 촉매로 사용해 햇빛에 노출시키면 이산화탄소의 산소 원자가 메탄 분자에 결합하여 '녹색 메탄올'을 생성하는 반응을 유도했다. 이 과정에서 부산물로 일산화탄소로 생성된다. 녹색 메탄올은 재생 가능한 에너지원이나 바이오매스를 활용하여 생산되는 친환경 메탄올이다. 일반적인 메탄올은 화석 연료를 통해 생산되는데, 이 과정에서 많은 양의 온실 가스가 배출된다. 반면, 녹색 메탄올은 탄소 배출을 최소화하거나 아예 배출하지 않는 방식으로 생산되기 때문에 탄소 중립을 위한 중요한 에너지원으로 주목받고 있다. 녹색 메탄올은 선박이나 자동차의 연료로 사용가능하며, 기존 화석 연료보다 탄소 배출량이 적다. 또한 플라스틱이나 합성 섬유 등 다양한 화학제품의 원료로 사용된다. 게다가 수소보다 안전하고 쉽게 저장하고 운송할 수 있어 에너지 저장 매체로도 활용될 수 있다. 맥길 화학과 박사후 연구원 후이 수(Hui Su)는 "자동차에서 나오는 배기가스나 공장에서 나오는 배출물이 햇빛의 도움으로 차량용 청정 연료, 일상적인 플라스틱의 구성 요소, 배터리에 저장된 에너지로 전환되는 상상을 해보자"며 "이것이 바로 새로운 화학 공정이 가능하게 하는 변화의 종류"라고 말했다. 연구팀의 새로운 빛 기반 화학 공정은 상온에서 한 번의 반응으로 메탄과 이산화탄소를 녹색 메탄올과 일산화탄소로 전환한다. 팀은 전환된 두 가지 모두 화학 및 에너지 분야에서 높은 가치를 지닌다고 말했다. 연구를 이끈 차오준 리 교수는 "풍부한 태양 에너지를 활용하여 두 가지 온실 가스를 유용한 제품으로 재활용할 수 있다. 이 과정은 상온에서 진행되며 다른 화학 반응에서 사용되는 고온이나 유해 화학 물질이 필요하지 않다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 맥길 대학교 연구팀은 이 기술이 탄소 중립 목표 달성과 환경 문제를 지속 가능한 미래를 위한 기회로 전환하는데 기여할 것이라고 전망했다.
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2024-09-19
[신소재 신기술(109)] 나노실크 기반 여과 소재, 물속 화학물질과 중금속 제거 효과

화학 물질에 의한 물 오염은 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있는 심각한 문제다. 미국 질병통제예방센터(CDC)의 최근 연구에 따르면, 검사를 받은 사람의 98%가 혈류에서 '영원한 화학 물질'이라고 알려진 화합물 계열인 과불화화합물(PFAS)이 검출됐다. 이런 화학 물질과 중금속을 여과하는 효과가 큰 소재가 MIT 연구팀에 의해 개발됐다고 MIT 공식 홈페이지가 발표했다. 게시글에 따르면 연구팀이 개발한 여과 소재는 화학이나 중금속 오염에 대한 자연 기반 솔루션을 제공할 수 있다고 한다. 상수도 필터로의 우선 활용이 예상된다는 기대다. 이 소재는 천연 실크와 셀룰로오스를 기반으로 하고 있으며, 지속성 화학 물질과 중금속을 광범위하게 제거할 수 있다. 나아가 항균 특성도 강해 필터가 오염되는 것을 방지하는 데 도움이 된다. PFAS 화학 물질은 화장품, 식품 포장, 방수 의류 소재, 소방용 거품, 조리도구용 코팅제 등 제품에 광범위하게 사용돼 오염을 일으킨다. 미국에서만 이 화학 물질로 오염된 5만 7000곳이 확인됐다. 미국 환경보호국(EPA)은 PFAS를 1조 분의 7 미만으로 제한하도록 규제하는 새로운 규정을 마련했으며, 이를 준수하기 위한 PFAS 정화에는 연간 15억 달러가 소요될 것으로 추정한다. 연구팀은 "PFAS 및 유사 화합물에 의한 오염은 실질적인 위협으로, 이번에 개발한 솔루션은 이를 효율적, 경제적으로 해결할 수 있다"라며 "연구팀이 단백질과 셀룰로오스 기반의 소재를 개발한 근본적인 이유"라고 설명했다. 이 연구는 우연히 이루어졌다. 초기 여과 소재 기술은 PFAS 제거와 전혀 관련 없는 목적을 위해 개발됐다. 당초에는 낮은 품질의 위조 종자 확산을 막기 위한 라벨링 시스템을 만드는 용도로 만들어졌다. 연구팀은 실온에서 환경친화적인 물 기반 드롭 캐스팅 방법을 통해 실크 단백질을 균일한 나노스케일 결정 또는 나노섬유로 가공하는 방법을 고안했다. 연구팀은 새로운 나노섬유 재료가 오염 물질을 걸러내는 데도 효과적일 것이라고 보았지만, 초기 시도에서는 효과를 보지 못했다. 그런데 여기에 셀룰로오스를 추가함으로써 해법을 찾아냈다. 팀은 얇은 막으로 형성될 수 있는 실크 기반 섬유에 셀룰로오스를 통합한 다음 셀룰로오스의 전하를 조정해 화학 물질과 중금속 오염 물질을 제거하는 데 매우 효과적인 재료를 생산하는 데 성공했다. 실험 결과 셀룰로오스의 전하는 강력한 항균 특성을 나타냈다. 이는 여과 필터의 주요 고장 원인 중 하나가 박테리아와 곰팡이에 의한 오염이라는 점에서 의미있는 발견이었다. 필터의 항균 특성이 오염 문제를 크게 줄일 수 있게 된 것이다. 실험실 테스트에서 이 여과 재료는 현재 사용되는 일반 재료인 활성탄 또는 과립 활성탄보다 물에서 훨씬 더 많은 오염 물질을 추출해 제거했다. 연구팀은 앞으로 원료의 내구성과 가용성을 개선하는 작업을 이어갈 계획이다. 연구에 활용된 실크 단백질은 실크 섬유 산업의 부산물로 이용할 수 있지만, 소재를 물 여과로 확장하면 공급이 부족할 수 있다. 대체 단백질 소재가 더 낮은 비용으로 같은 기능을 수행할 수도 있을 것이라는 기대다. 연구팀은 이 여과 소재가 주방 수도꼭지에 부착하는 필터로 우선 사용될 가능성이 높다고 말했다. 향후에는 거대 상수도 시설에서의 여과 용도로 확장될 것으로 예상했다. 물론 이는 오염 물질을 확실히 걸러준다는 사실이 입증된 후에 가능한 일이다. 연구팀은 이 소재의 큰 장점이 식품 성분이기 때문에 오염이 발생할 가능성은 매우 낮다고 자신했다. 한편 이 연구는 미국 해군연구소, 미국 국립과학재단, 싱가포르-MIT 연구기술연합의 지원을 받았다.
- IT/바이오
2024-09-12
[신소재 신기술(108)]국제우주정거장서 '금속 3D 프린팅' 첫 성공

유럽우주국(ESA)이 국제우주정거장(ISS)에서 금속 3D 프린터로 부품을 제작하는 데 성공했다. 이는 우주 공간에서 금속 3D 프린팅 기술을 활용한 최초의 사례로, 미래 우주 탐사에 새로운 가능성을 제시했다. ESA는 에어버스와 협력하여 개발한 '금속 3D 프린팅 기술 시연기'를 올해 초 ISS에 발사했다. ESA 우주비행사 안드레아스 모겐센은 이 장비를 ESA 콜럼버스 모듈에 설치했고, 지난 8월, 마침내 우주에서 최초의 3D 금속 형상을 성공적으로 인쇄했다. 미국과 러시아, 유럽연합(EU) 등이 참여한 닥구적 우주 정거장인 국제우주정거장은 1998년 건설이 시작됐으며, 지구 상공에서 400km 떨어진 저궤도를 돌고 있다. 이번 성공은 기존 ISS에서 플라스틱 3D 프린터만 사용되었던 것과 비교하면 획기적인 발전이다. 3D 금속 프린팅 기술은 무중력 상태에서도 필요한 부품을 즉시 제작하고 장비를 수리할 수 있게 해, 장기 우주 탐사 임무의 자율성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 일반적으로 3D 금속 프린터는 금속 합금 분말을 바닥에 깔고 전자빔이나 레이저로 디지털 파일에 기반한 패턴을 소결하는 방식으로 작동한다. 무중력 상태에서 금속을 녹이는 것도 문제지만, 금속 가루를 다루는 것은 위험할 뿐만 아니라 완전히 비현실적이다. 에어버스와 영국 크랜필드 대학이 개발한 금속 3D 프린터는 플라스틱 프린터를 모방해 이 문제를 해결했다. 스테인리스 스틸 와이어를 워크헤드에 공급하고 레이저로 그 자리에서 녹인 다음, 녹은 강철이 즉시 냉각되고, 굳어지도록했다. 안전성을 높이기 위해 전체 작업은 밀폐된 금속 상자에서 원격으로 수행됐ESA에 따르면 이 프린터는 지난 8월 4개의 테스트 형상 중 첫번째 형상을 완성했다. 이에 대해 과학 전문 매체 뉴아틀라스는 "외관상으로는 크게 칭찬할 수준은 아니었다"며 "사실 다소 투박하지만 이 프린터는 승무원이 예비 부품이나 득수 장비를 직접 제작할 수 있도록 함으로써 미래의 임무가 지구로부터 더 독립적으로 수행되는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 보여주는 기술 시연기"라고 전했다. 이번에 제작된 금속 부품은 품질 분석을 위해 다른 3가지 샘플과 함께 지구로 반환될 예정이다. 샘플 중 2개는 네덜란드에 있는 ESA의 기술 심장부(ESTEC)로, 다른 1개는 쾰른에 있는 우주비행사 훈련 센터(EAC)로 보내져 LUNA 시설에 사용되고, 나머지 1개는 덴마크 공과대학교(DTU) 등으로 보내져 추가 연구에 활용될 계획이다. ESA의 인간 및 로봇 탐사 책임자인 다니엘 노이엔슈반더는 "우주에서 최초의 금속 3D 형상을 프린팅한 것은 우주 탐사에 있어 중요한 이정표"라며, "국제적이고 다양한 분야의 팀이 이루어낸 이 성과는 장거리 및 장기 임무에서 필요한 부품을 현장에서 제작할 수 있는 가능성을 열었다"고 평가했다.
- IT/바이오
2024-09-11
[신소재 신기술(107)] AI 모델 활용한 대규모 지진 예측⋯윤리적 문제는 숙제

과학자들이 인공지능(AI) 모델 기술을 활용해 지진 사전 예측 가능성을 제시했다. 알래스카 페어뱅크스 대학(UAF) 연구팀이 AI 기계 학습을 활용해 조기 징후를 감지해 대규모 지진 발생 몇 달 전에 예측할 수 있다는 연구 결과를 발표했다고 사이테크데일리가 7일(현지시간) 전했다. 연구팀은 알래스카와 캘리포니아에서 발생했던 두 차례의 대규모 지진 사례를 분석, 지진 발생전 광범위한 지역에서 발생하는 미세한 지각 활동을 감지해 며칠에서 몇 달전 지진 발생 가능성을 예측할 수 있음을 시사했다. 팀은 기계 학습 기반 탐지 방법을 개발하고, 컴퓨터 알고리즘을 통해 데이터에서 비정상적인 지진 활동을 탐색했다. 특히 2018년 11월 일어난 규모 7.1 강도의 앵커리지 지진과 2019년 규모 6.4~7.1의 캘리포니아 릿지크레스트 지진 발생 전 약 3개월동안 해당 지역의 15~25%에 걸쳐 비정상적인 저강도 지진이 발생했음을 확인했다. 이를 바탕으로 앵커리지 지진 발생 3개월 전부터 30일 이내에 대규모 지진이 발생한 확률이 최대 80%까지 급증했으며, 릿지크레스트 지진 발생 40일전부터 유사한 확률 증가 패턴이 나타났음을 밝혀냈다. 연구에 따르면 대지진이 발생하기 전 대부분 규모 1.5 미만의 지진 활동이 포착됐다. 연구팀은 이러한 저강도 전조 활동의 원인으로 단층 내 공극 유체 압력의 증가를 제시했다. 공극 유체 압력은 암석 내부의 유체 압력을 말한다. 높은 공극 유체 압력은 단층의 기계적 특성을 변화시켜 지역 응력장의 불균일한 변화를 초래하고, 이것이 비정상적인 저강도 지진 활동을 유발한다는 것이다. 연구팀은 기계 학습이 지진 연구에 긍정적인 영향을 미치고 있으며, 방대한 지진 데이터 분석을 통해 지진 발생 전조를 파악하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 강조했다. 그러나 연구팀은 알고리즘의 실시간 적용 및 새로운 지역에서의 활용을 위해 추가적인 검증이 필요하며, 지진 예측의 불확실성으로 인한 윤리적, 실질적인 문제들을 해결해야 한다고 지적했다. 특히 잘못된 예측으로 인한 사회적 혼란과 경제적 손실 가능성을 경고하며, 정확한 예측을 통한 인명 및 재산 피해 최소화와 균형을 맞추는 것이 중요하다고 말했다. 머신 러닝을 기반으로 한 지진 감지 방법은 8월 28일 학술 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다. 이 연구는 UAF 지구물리학 연구소의 타르실로 지로나 조교수가 주도했다. 독일 뮌헨의 루트비히 막시밀리안 대학교의 지질학자 키리아키 드리모니가 연구 공동 저자이다. 지로나는 "저희 논문은 고급 통계 기법, 특히 머신 러닝이 지진 카탈로그에서 얻은 데이터 세트를 분석해 대규모 지진의 전조 현상을 식별할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여준다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-09
[신소재 신기술(106)] 스탠퍼드대, 식용 색소로 투명 쥐 만드는 기술 개발 성공

미국 과학자들이 식용 색소를 이용해 생쥐 피부를 투명하게 만드는 실험에 성공했다. 스탠퍼드대 재료과학 및 공학 궈쑹 홍(Guosong Hong) 교수 팀은 9월 5일 과학 저널 '사이언스(Science)'에서 '타르트라진(Tartrazine)' 또는 '황색 5호(FD&C Yellow #5)'로 알려진 노란색 식용 색소를 통해 생쥐의 복부 피부와 두개골 등 생물학적 조직을 일시적으로 투명하게 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 투명망토는 공상 과학과 판타지 영화의 소재로 곧잘 등장하지만, 식용 염료를 활용해 쥐의 피부를 투명하게 만들어 낸 것은 이번이 처음이다. 여기서 '투명'이라는 개념은 좀 다르다. 일반적으로 투명망토는 인체의 내부까지 투명해져서 육안으로 사람이 안 보이는 것을 의미한다. 하지만 연구팀이 개발한 식용 염료를 바르면 피부만 투명해지고 그안의 혈관과 근육, 뼈 등 내부 구조가 고스란히 드러나 관찰하기에 적합해진다. 연구팀은 특정 탄산음료와 과자에 독특한 주황색을 부여하는 식용 색소인 황색 5호를 사용해 쥐의 피부를 완전히 투명하게 하는 것을 입증했다. 이는 가역적이고 잠재적으로 무독성인 연구 방법으로, 의학과 과학 영상 분야에 혁신을 가져올 수 있다. 해당 연구 내용에 대해서는 영국 일간지 가디언과 과학 전문매체 퍼퓰러사이언스 등 다수 외신이 전했다. 지금까지 연구팀은 이 새로운 발견을 통해 쥐의 복부 내 장기를 관찰하고, 설치류 두개골 주변의 맥동하는 혈류를 살펴보고, 현미경을 통해 근육 조직을 매우 선명하게 볼 수 있었다. 추가적인 연구를 통해 이 방법은 새로운 과학적 발견을 촉진하고, 현미경 기술을 발전시키며, 의료 진단 전략과 치료법을 개선하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 원리는 간단, 색소 바르면 피부 투명해져 쥐의 피부를 투명하게 하는 방법은 간단하다. 황색 5호 용액을 쥐의 피부에 몇 분 동안 마사지하거나 미세 바늘을 사용하면 투명('가시광선의 적색 영역에서 완전한 광학적 투명성')한 피부가 된다. 색소를 씻어내면 피부는 자연스럽고 불투명한 상태로 되돌아간다. 스탠포드 대학교의 공동수석연구 저자이자 생물공학자인 궈쑹 홍 박사는 "피부와 같은 생물학적 조직은 빛이 통과할 때 산란되기 때문에 일반적으로 투명하지 않다"며 "동물의 살은 주로 물과 지방 등 다양한 물질로 이루어진 매트릭스이며, 이 두 종류의 화합물은 서로 다른 각도로 빛을 굴절시킨다고 설명했다. 빛은 한 물질에서 다른 물질로 이동할 때 속도가 변하며 휘어지는 굴절과 흩어지는 산란 현상을 일으킨다. 우리가 물체의 속을 볼 수 없는 것은 바로 산란현상 때문이다. 연구팀은 다양한 색소가 조직 내 빛의 이동 방식을 어떻게 변화시키는 지 모델링하여 일시적으로 피부를 투명하게 하는 이 방법을 개발했다. 팀은 황색 5호와 다른 몇 가지 색소를 투명성 향상 후보로 선정한 후, 실리카 입자와 혼합된 액체, 살아있는 닭의 가슴살, 살아 있는 생쥐와 기타 쥐의 조직 샘플 등을 테스트해 색소가 얼마나 빠르고 깊게 퍼지는 지 측정했다. 또한 이 색소를 다른 광학 현미경 기술과 결합해 황색 5호가 기존 기술을 향상시키는데 사용될 수 있음을 보여줬다. 마지막으로 연구팀은 설치류 실험 대상에서 단기 및 장기적인 영향을 조사하고 쥐가 소변과 대변을 통해 이들 색소를 얼마나 빨리 배출하는 지 추적해 초기 독성 분석을 수행했다. 연구팀은 황색 5호가 24시간 내에 몸을 통과하고 염증이나 자극을 거의 일으키지 않으며 "최소한의 전신 독성"을 나타낸다고 밝혔다. 인체 적용 시기 상조 그러나 이 방법은 아직 완전하지 않다. 예를 들어 살아 있는 생쥐 몸통 전체를 투명하게 만들거나 인간 복부의 내부를 즉시 볼 수 있게 해주지는 못한다. 황색 5호는 조직에 제한적으로 침투할 수 있기 때문에, 표적 전달력과 최적 농도에 대한 정확한 이해 없이는 인간의 살과 같은 덜 투과적인 피부를 통해 내부의 이미지를 얻는 데 유용하지 않을 수 있다. 또한 색소가 광자 산란을 줄이지만 완전히 제거하지는 못한다. 사용되는 조직이 두꺼울수록 이미지는 더 어둡고 선명도가 떨어진다. 게다가 초기 독성 평가는 긍정적이지만, 황색 5호 색소가 장기적으로도 무해하다고 확신할 수 없다. 이는 추가 연구를 통해 풀어야할 과제다. 이에 홍 교수는 추가적인 안정성 연구가 필요하다고 강조하며 "인체 피부에 이를 시도하는 것은 권장하지 않는다. 특히 국소적으로 적용될 때 색소 분자의 인체 독성은 완전히 평가되지 않았다"고 강조했다. 향후 추가 연구를 통해 황색 5호가 인체에 국소적으로 안전하게 사용될 수 있다면 피부암 조기 발견, 혈관을 찾기 어려운 사람들의 혈액 채취 용이성, 레이저 문신 제거 속도 향상, 광열 암 치료 효과 증대 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 전망된다.
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2024-09-06
[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결

세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 '프론티어'가 10년 동안 과학자들의 논쟁의 중심에 섰던 칼슘-48 퍼즐을 해독했다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)의 핵물리학 연구팀은 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프론티어를 활용해 칼슘-48 원자핵의 자기적 특성을 규명하는 데 성공했다고 과학전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 4일(현지시간) 보도했다. 이는 1980년대부터 지속되어온 핵물리학계의 논쟁을 종식시키는 중요한 성과로 평가된다. 칼슘-48, '이중 마법' 핵으로 안정성 높아 칼슘-48은 20개의 양성자와 28개의 중성자로 이루어진 '이중 마법' 핵으로 매우 안정적인 구조를 가지고 있다. 이러한 특성 대문에 핵물리학 연구에 이상적인 물질로 꼽힌다. 하지만 칼슘-48의 자기적 특성은 오랜 기간 동안 논쟁의 대상이었다. 양성자와 전자빔을 사용한 초기 실험에서는 자기 전이 강도가 4제곱 마그네톤으로 측정되었으나 2022년 감마선을 이용한 실험에서는 이 값이 두 배나 높게 나타났기 때문이다. 여기서 '핵 마그네톤'은 원자핵의 자기적 특성을 나타내는 기본 단위다. 쉽게 말해, 핵 마그네톤은 원자핵이 얼마나 강한 자석처럼 행동하는 지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 따라서 4제곱 마그네톤은 칼슘-48 원자핵이 특정 에너지 상태 변화를 겪을 때, 자기장의 세기가 핵 마그네톤 단위로 4의 제곱만큼 변한다는 것을 의미한다. 수퍼컴퓨터 '프론티어' 활용, 10년 논쟁 종식 ORNL 연구팀은 초당 퀸틸리언(quintillion, 100경) 이상의 계산을 수행할 수 있는 세계 최초의 엑사스케일 컴퓨터인 '프론티어' 슈퍼컴퓨터를 활용해 칼슘-48의 자기 전이 강도를 시뮬레이션했다. 그 결과 감마선 실험 결과와 일치하는 값을 얻어냄으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍었다. 또한 이 연구는 핵 내부의 핵자 쌍(양성자와 중성자)의 복잡한 상호작용과 핵이 주변 환경과 상호작용하는 방식을 설명하는 연속 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 초신성 연구에도 영향 이번 연구는 핵물리학뿐만 아니라 천체물리학에도 중요한 의미를 갖는다. 칼슘-48은 초신성 폭발 과정에 풍부하게 생성되는 데, 이 때 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 연구의 제 1저자인 비자야 아차리아는 "칼슘-48의 자기 전이 강도를 설명하는 물리학은 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식도 설명한다"고 말했다. 칼슘-48의 자기 전이 강도에 대한 정확한 이해는 초신성 폭발과정과 우주 형성 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. ORNL 핵천체물리학자 라파엘 힉스는 "이번 연구는 핵의 생성 원리를 밝히는 데 중요한 걸음이며, 별과 행성의 생성부터 원소의 풍바함까지 우주를 형성하는 과정을 더 잘 이해하게 해 줄것"이라고 말했다.
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2024-09-05
[신소재 신기술(104)] 빛으로 암 쫓는다⋯새 광기반 기술, 전립선암 조기 발견 정확도 90%

영국에서 빛을 활용해 전립선암을 90%의 정확도로 조기 진단하는 기술이 개발됐다. 의학 전문매체 메디컬 익스프레스는 2일(현지시간) 영국 애스턴 대학교 연구팀이 새로운 광기반 기술로 암을 더 빠르고, 저렴하며, 덜 고통스럽게 진단할 수 있는 기술 개발의 첫 걸음을 내디뎠다며 이같이 보도했다. 애스턴대 광기술연구소의 이고르 메글린스키 교수 연구 팀은 빛을 기반으로 탈수된 혈액 내 결정체를 분석하는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구는 「3D 뮬러 매트릭스 이미징 접근법을 사용한 혈액막의 다결정 미세구조에 대한 통찰력」이라는 제목의 논문으로 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 저널에 게재됐다. 메글린스키 교수는 새로운 편광 기반 이미지 재구성 기술을 사용해 건조 혈액 샘플의 다결정 구조를 분석했다. 암 초기 단계에 단백질 모양 변화 연구팀은 건강한 지원자, 전립선암 환자, 공격적인 암세포를 가진 환자 등 세 그룹으로 나뉜 크기가 동일한 그룹에서 108개의 혈액 도말 샘플을 분석했다. 암과 같은 질병 초기 단계에서는 혈액 내 단백질의 모양과 결합 방식이 변화하는데, 연구팀은 이러한 단백질의 3차 구조 또는 고유한 3D 모양의 변화와 4차 구조(여러 단백질이 결합되는 방식) 변화를 이용해 세포를 감지하고 분류했다. 이 기술을 통해 팀은 건조 혈액 도말 표본을 상세하게 분석해 건강한 표본과 암 표본 간의 중요한 차이를 식별할 수 있었다. 메글린스키 교수는 "이번 연구는 액체 생검 분야에 획기적인 기술을 도입해 비침습적이고 신뢰할 수 있으며 효율적인 진단 방법을 위한 노력에 부합한다"고 말했다. 이 연구 결과는 조기 진단 및 암 분류 모두에서 90%의 정확도를 보였다. 이는 기존 스크리닝 검사 방법보다 훨씬 높은 수치이다. 또한 조직 생검보다 혈액 샘플을 사용하기 때문에 환자에게 덜 침습적이고 위험성이 낮다. 메글린스키는 "이러한 높은 정확도와 비침습적인 특성은 액체 생검 기술의 중요한 발전을 의미한다"며 "암 진단, 조기 발견, 환자 분류, 모니터링 분야에 혁신을 가져와 종양학 분야와 환자 치료를 크게 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 기대했다.
- IT/바이오
2024-09-03
[신소재 신기술(103)] AI 분석 통해 '자폐증 코드 해독' 획기적인 진전

인공지능(AI) 분석을 통해 자폐증을 진단하는 방법이 개발돼 주목된다. 이 방법을 통해 자폐증 환자 가족들은 장기간의 불확실성을 겪지 않고 조기 치료가 가능해질 것이라고 영국 데일리메일이 전했다. 새로운 AI 분석은 뇌의 생물학적 활동을 통해 자폐증의 유전적 마커를 89~95%의 정확도로 식별할 수 있다고 한다. 새로운 자폐증 진단 방법은 자기공명영상(MRI)을 통한 표준 뇌 매핑으로 시작, AI 도구를 통해 스캔을 다시 분석함으로써 자폐증을 나타낼 수 있는 뇌 내 단백질, 영양소 및 기타 과정의 움직임을 감지한다. 자폐증은 전통적으로 언어 구사 등 사람의 일상 행동 과정을 진행한 의료진에 의해 진단된다. 그리고 자폐증은 강력한 유전적 기반을 가지고 있다. 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 현재 자폐증은 36명의 아동 중 1명 꼴로 나타나고 있다. 이는 미국에서만 매년 9만 명 이상의 아동이 자폐증을 앓고 있음을 의미한다. 그러나 자폐증은 발견하기 어렵기로 악명이 높으며, 자폐증을 앓고 있는 대다수의 어린이는 5세가 될 때까지 진단을 받지 못하고 명확한 행동 징후를 보인다. 설상가상으로 식별 과정에는 일반적으로 수년간의 불확실성, 수십 번의 병원 방문, 언어 검사, 관찰 인터뷰 등을 포함한 다양한 검사가 수반되어 어린이와 가족에게 스트레스가 될 수 있다. 연구진은 이 새로운 진단 기법을 통해 의사들이 자폐증을 유발하는 보다 구체적인 유전자를 찾아낼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 자폐증이 뇌의 성장과 작동 방식을 변화시키는 실제 생물학적 경로를 밝혀내는 것이다. 연구진은 이 방법이 "자폐증 코드를 해독한다"고 밝혔다. 그러나 이 방법이 언제쯤 상업적으로 사용될지에 대해서는 언급하지 않았다. 세인트루이스의 워싱턴 대학 방사선과 신지니 쿤두 박사는 대학원생 연구원 시절, 이 새로운 기계 학습 AI 도구와 수학적 뇌 모델링 기술을 개발했다. 뇌에서 생물학적 물질이 수송되는 방식을 따서 '수송 기반 형태 측정법'이라고 명명된 이 기술은 유전 코드의 핵심 부분과 연결된 패턴을 식별하는 데 중점을 두고 있다. '복제 수 변이(CNV)'라고 불리는 유전자 코드의 염기서열은 삭제되거나 복제된 DNA 세그먼트를 보여준다. 이러한 변화는 과거 연구에서 자폐증과 관련이 있는 것으로 나타났다. 그러나 뇌 형태와의 연관성, 즉 회백질이나 백질과 같은 다양한 유형의 뇌 조직이 뇌에서 어떻게 배열되는지는 잘 알려져 있지 않다. CNV가 뇌 조직 형태와 어떻게 관련이 있는지 알아내는 것은 자폐증의 생물학적 기초를 이해하는 데 중요한 첫 단계가 된다. 쿤두 교수와 UC 샌프란시스코 연구진은 이 같은 연구 결과를 '사이언스 어드밴시스' 저널에 발표했다. 연구에는 자폐증과 관련된 유전적 변이가 알려진 피험자 집단인 비영리 시몬스 그룹의 참여자들이 핵심 데이터를 제공했다. 연구진은 결과를 흐리게 할 수 있는 변수를 줄이기 위해 시몬스 그룹과의 유사성(예: 동일 연령, 성별, 비언어적 IQ)을 기반으로 다른 의료 또는 임상 환경에서 '대조군' 환자'를 모집했다. MRI 스캔 등 의료 데이터를 처리하는 대부분의 기존 머신러닝 방법은 해당 데이터에 숨겨진 많은 생물학적 과정에 대한 수학적 모델을 통합하지 않는다. 과거의 AI 모델은 대신 다양한 환자의 건강 데이터에서 비정상 또는 통계적 이상을 식별하기 위한 패턴만 찾았다. 그러나 이번에 개발한 '수송 기반 형태 계측법'은 연구진이 CNV 및 자폐증과 관련된 결실 또는 중복을 넘어 뇌 구조 내의 훨씬 더 뚜렷한 생물학적 변이를 구별할 수 있다. 연구진은 모든 의료 데이터의 90%가 유사한 영상에서 나온다는 점을 감안할 때, 이 방법이 새로운 유용한 자폐증 정보를 도출하는 데 도움이 될 것으로 기대했다.
- IT/바이오
2024-09-02
[신소재 신기술(102)] 국내 연구진, 플라스틱 생산 미생물 개발⋯석유 기반 플라스틱 대체 가능성 열어

국내 연구진이 석유 기반 플라스틱 산업의 대안으로 생분해성 플라스틱을 생산하는 미생물 개발에 성공했다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀은 플라스틱의 강성과 열 안정성을 높이는 고리형 구조의 폴리머를 생산하는 박테리아를 개발했다. 해당 기술에 대해서는 인터레스팅엔지니어링과 물리학org, 사이테크 데일리 등 다수 외신이 조명했다. 외신에서는 "한국 연구진이 개발한 새로운 '살아있는 플라스틱'은 버려지면 스스로 파괴된다"고 호평했다. 연구를 주도한 KAIST 화학 및 생물분자 연구 책임자인 이상엽 교수는 "(플라스틱) 바이오 제조는 기후 변화와 세계적인 플라스틱 위기를 완화하는 데 중요한 역할을 할 것"이라며 "미래를 위한 더 나은 환경을 보장하기 위해 국제적인 협력을 통해 바이오 기반 제조를 촉진해야 한다"고 강조했다. 일반적으로 고리형 분자는 미생물에 독성을 나타내기 때문에 연구진은 독특한 대사 경로를 설계했다. 이를 통해 대장균은 폴리머를 합성할 뿐만 아니라 폴리머와 그 전구체의 축적을 견딜 수 있게 되었다. 결과적으로 생성된 폴리머는 생분해성이며 약물 전달 시스템과 같은 생물 의학 분야에 유용하게 활용될 수 있는 물리적 특성을 가지고 있다. 최초의 미생물을 이용한 방향족 및 지방족 폴리머 생산 포장과 산업 분야에서 사용되는 대부분의 플라스틱(PET, 폴리스티렌 등)은 고리 모양의 '방향족' 구조를 포함하고 있다. 이전 연구에서는 미생물을 이용하여 방향족 및 지방족(비고리형) 단량체가 혼합된 폴리머를 생산하는 데 성공했지만, 이번 연구는 미생물이 방향족 측쇄(곁가지)를 가진 단량체로만 구성된 폴리머를 생산한 최초의 사례다. 이를 위해 연구팀은 다양한 미생물의 효소를 통합하여 새로운 대사 경로를 만들었고, 이를 통해 박테리아가 페닐락테이트라는 방향족 단량체를 생산할 수 있도록 했다. 그런 다음 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 이러한 페닐락테이트 단량체를 완전한 방향족 폴리머로 효율적으로 조립할 수 있는 폴리머라제 효소를 설계했다. 이상엽 교수는 보도 자료에서 "이 효소는 자연에 존재하는 어떤 효소보다 폴리머를 더 효율적으로 합성할 수 있다"고 설명했다. 산업용 생산을 위한 규모 확대 연구팀은 박테리아의 대사 경로와 폴리머라제 효소를 개선한 후, 6.6리터(1.7갤런) 발효조에서 미생물을 배양하여 실험 규모를 확대했다. 최적화된 균주는 리터당 12.3g의 폴리머(폴리-D-페닐락테이트)를 성공적으로 생산했다. 그러나 상용화를 위해서는 이 수율을 리터당 최소 100g까지 높이는 것을 목표로 하고 있다. 이 교수는 "그 특성에 근거해 우리는 이 폴리머가 특히 약물 전달에 적합할 것이라고 생각한다"며 "주로 분자량이 낮기 때문에 PET만큼 강하지는 않다"고 말했다. 향후 연구진은 다양한 화학적 및 물리적 특성을 가진 추가적인 방향족 단량체 및 폴리머를 개발할 계획이다. 특히 산업용으로 필요한 더 높은 분자량을 가진 폴리머 개발에 주력할 예정이다. 또한 대규모 생산을 가능하게 하기 위해 공정 최적화 작업도 계속 진행할 계획이다. 이상엽 교수는 "수율을 높이기 위해 더 많은 노력을 기울이면 이 방법을 더 큰 규모로 상용화할 수 있을 것"이라며 "생산 공정의 효율성뿐만 아니라 회수 공정도 개선해 생산된 폴리머를 경제적으로 정제할 수 있도록 노력하고 있다"고 밝혔다. 이 연구는 지난 8월 21일 생명공학 분야의 최신 동향과 미래 전망에 대한 리뷰 논문을 주로 다루는 학술지 '트렌드 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-08-31
[신소재 신기술(101)] 버섯 곰팡이 전기 자극으로 바이오하이브리드 로봇 제어

코넬 대학교 연구진이 곰팡이 균사체를 배양해 여기서 나오는 전기 신호를 활용, 일반 로봇보다 환경에 더 잘 반응하는 '바이오 하이브리드' 로봇 제어 방법을 새로 발견했다고 테크익스플로러가 전했다. 로봇 제조에 시간과 기술, 재료 정도가 필요했다면, 이제는 곰팡이까지 더해질 수 있게 됐다. 로봇 제어 기술 개발은 코넬 대학교 롭 셰퍼드 교수가 이끄는 유기로봇연구실의 아난드 미슈라 박사팀이 주도했으며, 「곰팡이 균사의 전기 생리학적 측정을 통해 매개되는 로봇의 감각 운동 제어」라는 제목의 논문은 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 발표했다. 셰퍼드 교수는 "이 연구는 곰팡이가 내는 생체 전기를 사용해 로봇에 환경 감지 및 명령 신호를 제공, 자율성 수준을 향상시키는 첫 번째 성과"라며 "로봇의 전자 장치에 균사체를 배양함으로써, 바이오 하이브리드 로봇이 환경을 감지하고 이에 대응할 수 있도록 할 수 있었다. 이번에는 입력원으로 빛을 사용했지만, 미래에는 화학 물질이 될 것이다. 개발할 미래 로봇은 작물에서 토양의 화학적 성질을 감지하고 비료를 뿌릴 시기를 결정할 수 있을 것"이라고 말했다. 엔지니어들은 로봇을 설계하면서 동물계에서 많은 단서를 얻었다. 동물이 움직이는 방식을 모방하고, 환경을 감지하고, 심지어 땀을 통해 내부 온도를 조절하는 기계를 만들었다. 일부 로봇은 근육 조직 세포와 같은 살아있는 조직을 통합했지만, 이러한 복잡한 생물학적 로봇 시스템은 기능적으로 유지하기 어렵다. 로봇의 성능과 기능을 살리는 작업은 쉽지 않다. 균사체는 버섯의 지하 식물체이며, 여러 가지 장점이 있다. 혹독한 환경에서도 자랄 수 있다. 또 화학적 및 생물학적 신호를 감지하고 여러 입력에 반응할 수 있다. 미슈라 박사는 "기존의 수동 센서는 한 가지 목적으로만 사용되지만 살아있는 시스템은 촉각에 반응하고, 빛에 반응하고, 열에 반응하고, 신호와 같은 알려지지 않은 것에도 반응한다"면서 "미래 로봇 제작은 예상치 못한 환경에서 어떻게 작동할 수 있을까에 초점이 맞추어질 것이다. 우리 연구팀이 찾아낸 ‘살아있는 시스템’을 활용하면 알려지지 않은 입력이 들어와도 로봇이 그에 반응할 것"이라고 밝혔다. 그러나 버섯과 로봇의 통합에는 기술에 대한 지식 이상이 필요하다. 기계나 전자공학뿐 아니라 균류학, 신경 생물학, 신호 처리에 대한 배경 지식 등도 요구된다. 이 모든 분야가 모여야 시스템을 구축할 수 있다. 그래서 연구팀은 신경 생물학 및 행동 분야(브루스 존슨 연구원)의 자문을 구해 균사체 막의 뉴런과 같은 이온 채널로 전달되는 전기 신호를 기록하는 방법을 배웠다. 농업 및 생명 과학 대학의 통합 식물 과학부(캐시 호지 박사)는 균류에 전극을 붙일 때 우려되는 오염을 방지하기 위해 깨끗한 균사체 배양 방법을 전달했다. 미슈라가 개발한 시스템은 △ 진동과 전자기 간섭을 차단하고 균사체의 전기 생리학적 활동을 실시간으로 정확하게 기록하고 처리하는 전기 인터페이스 △ 일종의 신경 회로인 중앙 패턴 생성기에서 영감을 받은 컨트롤러로 구성되어 있다. 기본적으로 이 시스템은 원시 전기 신호를 읽고, 이를 처리하고, 균사체의 리드미컬한 스파이크를 식별한 다음, 해당 정보를 디지털 제어 신호로 변환해 로봇의 액추에이터로 전송한다. 이를 바탕으로 연구팀은 거미 모양의 소프트 로봇과 바퀴 달린 로봇 등 두 가지 바이오 하이브리드 로봇을 제작했다. 개발된 로봇은 세 가지 실험을 완료했다. 첫 번째 실험에서 로봇은 균사체 신호에서 자연스럽고 연속적으로 급증하는 스파이크에 대한 응답으로 걷고 구르는 동작을 시연했다. 그런 다음 연구팀은 자외선으로 로봇을 자극하여 보행 패턴을 변화시켜 균사체가 환경에 반응하는 능력을 입증했다. 세 번째로 연구팀은 균사체의 원래 신호를 완전히 무시할 수 있었다. 이는 로봇 공학과 균류학 분야를 훨씬 넘어섬을 의미한다고 연구팀은 전했다. 신호를 받아들이면 무슨 일이 일어나고 있는지도 이해할 수 있다는 점에서, 이는 로봇을 제어하는 것만이 아니라 생명체와 진정한 연결을 만드는 것이라는 지적이다. 사람이 시각화할 수 없는 신호를 로봇은 시각화하고 있다는 것이다. 한편, 이 연구에는 이탈리아 피렌체 대학교의 김재석 연구원도 참여했다.
- IT/바이오
2024-08-30
[신소재 신기술(100)] 지천에 널린 해양 모래(실리카), 전기 응집으로 굳혀 해안 침식 막는다

저전력 전기로 모래의 주성분인 실리카를 응집해 굳혀 장기적으로 해양 해안선을 강화할 수 있으며, 기후 변화와 해수면 상승에 직면해 해안 침식 위협을 크게 줄일 수 있음이 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 연구팀의 체계적인 분석 결과 입증됐다고 대학이 홈페이지를 통해 밝혔다. 홈페이지 게시글에 따르면 연구팀은 이번 연구에서 꼬막, 백합, 홍합 등과 같은 조개류를 통해 이 기술 개발의 아이디어를 얻었다고 한다. 조개껍데기에 서식하는 해양 생물이 바닷물에 용해된 미네랄을 사용하여 조개껍질을 만드는 원리다. 연구팀은 이와 마찬가지로 이와 동일한 자연적으로 바닷물에 용해된 미네랄을 바닷가 젖은 모래의 실리카와 융합해 천연 시멘트를 형성했다. 조개와 다른 점은 단 하나다. 조개류는 신체의 대사 에너지를 사용해 껍질을 만들었지만, 천연 시멘트는 인위적인 전기 에너지를 사용해 화학 반응을 촉진했다. 테스트 결과 약한 전류는 바다 모래 속 실리카의 구조를 순식간에 변화시켜 모래를 바위와 같은 고체로 변형시켰다. 연구팀은 이 방법이 전 세계 해안선을 자연적인 방파제로 막아 강화할 수 있는 저렴하며 지속 가능한 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대했다. 해안 지역에는 세계 인구의 40% 이상이 거주하며, 이들은 기후 변화와 해수면 상승으로 인한 침식으로 큰 위협을 받고 있다. 침식은 기반 시설의 붕괴와 토지 손실을 일으켜 세계적으로 연간 수십억 달러의 피해를 입힌다. 침식을 완화하기 위한 현재의 접근 방식으로는 방파제 등 구조물을 건설하거나 외부 바인더를 지하에 주입하는 것 등이 있다. 연구팀을 이끈 알레산드로 로타 로리아 박사는 "연구 목표는 보호 구조물을 건설할 필요가 없고 실제 시멘트를 사용하지 않고도 해양 물질을 시멘트처럼 만드는 방법을 개발하는 것이었다. 이번 연구에서 바닷가 모래에 약한 전기 자극을 가함으로써 바닷물에 자연적으로 용해된 미네랄을 고체 미네랄 바인더, 즉 천연 시멘트로 변환, 토양을 시멘트로 접합할 수 있음을 체계적이고 기계적으로 증명했다"고 말했다. 기후 변화는 해수면 상승을 일으키는 등 해안선을 침식하는 좋은 조건을 만들었다. 유럽연합 집행위원회(European Commission) 공동연구센터의 2020년 연구에 따르면 2100년까지 지구 해변의 거의 26%가 바다에 잠길 가능성이 높다. 침식을 막기 위해서는 대체로 두 가지 방법이 사용된다. 보호 구조물 및 장벽을 구축하거나 모래로 구성된 해양 토질을 강화하기 위해 땅에 시멘트를 주입하는 것이다. 그러나 여기에는 여러 가지 문제가 수반된다. 매우 비싸며 지속 가능하지 않다. 방파제는 시간이 지나면 벽 아래로 모래가 침식되고 벽이 무너진다. 이를 막기 위해 구조물을 큰 돌로 만들기도 하지만 이 경우 마일당 수백만 달러의 비용이 든다. 이 역시 돌 아래의 모래는 환경적 스트레스를 받아 결국 액화될 수 있다. 암석은 아래로 가라앉는다. 시멘트 등 바인더를 땅에 주입하는 것은 돌이킬 수 없는 환경적 단점을 갖고 있다. 이 또한 높은 압력과 상당한 양의 에너지를 필요로 한다. 이번 연구는 이를 한꺼번에 해결하는 솔루션이라는 평가를 받는다. 바닷물에는 자연적으로 무수한 이온과 용해된 미네랄이 포함되어 있다. 2~3볼트의 약한 전류가 물에 가해지면 화학 반응을 일으킨다. 이는 연체동물이 껍질을 만들 때 사용하는 것과 동일한 일부 미네랄을 고체 탄산칼슘으로 변환한다. 약간 더 높은 4볼트의 전압을 가하면 이들은 주로 수산화마그네슘, 다양한 석재에서 발견되는 유비쿼터스 광물인 하이드로마그네사이트로 전환될 수 있다. 이러한 미네랄이 모래가 있는 곳에서 합쳐지면 접착제처럼 작용해 모래 입자를 함께 묶는다. 연구팀은 이 공정을 일반적인 실리카 및 석회질 모래에서 화산 근처에서 흔히 발견되는 철 모래에 이르기까지 모든 유형의 모래에 적용했다. 결국 모래는 바위처럼 단단히 굳었다. 광물 자체는 콘크리트보다 훨씬 강했고, 그 결과로 생성된 자연적인 콘크리트는 방파제처럼 강하고 단단해지는 것을 확인했다. 로타 로리아는 처리된 모래가 내구성을 유지하여 수십 년 동안 해안선과 재산을 보호할 것이라고 예측했다. 로타 로리아는 또 이 공법은 해양 생물에 부정적인 영향을 미치지 않는다고 강조했다. 공정에 사용된 전압은 너무 약해서 느낄 수 없다. 다른 연구팀도 해저 구조물을 강화하거나 산호초를 복원하기 위해 유사한 과정을 사용했다고 지적했다. 모든 과정에서 바다 생물이 해를 입지 않았다. 더이상 자연 콘크리트가 필요하지 않을 경우, 역으로 이를 다시 되돌릴 수도 있다고 연구팀은 전했다. 배터리의 양극과 음극 전극만 반대로 전환시키면 전기가 미네랄을 용해시켜 다시 바다로 되돌린다는 것이다. 이 공법은 비용 면에서 특히 경쟁력이 뛰어나다. 입방미터당 투입 자본이 3~6달러에 불과하다는 추정이다. 바인더를 사용해 모래를 접착하고 강화하는 과거의 방법은 입방미터당 최대 70달러의 비용이 들었다. 이미 설치된 철근 콘크리트 방파제 파손 부분도 보완활 수 있다. 기존 해안 기반 시설의 대부분은 철근 콘크리트로 만들어져 있으며, 해수면 상승, 침식 및 극한 날씨 등으로 붕괴된다. 시설에 균열이 생길 경우 이번에 개발된 공법을 적용하면 시설을 재구축할 필요가 없어진다. 한 번의 전기 펄스로 파괴된 균열을 고칠 수 있다. 로타 로리아는 연구팀이 개발한 기술의 응용 분야는 셀 수 없이 많다면서 "방파제 아래의 해저를 강화하거나 모래 언덕을 안정화하고 불안정한 토양 경사를 유지할 수도 있다. 또한 보호 구조물, 해양 기초 및 기타 여러 가지 인프라를 강화하는 데 사용할 수 있다. 해안 지역을 보호하기 위해 이 기술을 적용할 수 있는 방법은 수없이 많다"고 강조했다.
- IT/바이오
2024-08-29
[신소재 신기술(99)] 뇌파 읽는 로봇, 뇌졸중 환자 재활 돕는다

영국 스코틀랜드에서 로봇이 신경 활동을 감지하는 헤드셋을 사용해 환자와 소통하는 시스템을 개발 뇌졸중 환자의 재활 치료에 도움을 줄 전망이다. 뇌졸중에서 회복하는 과정은 오랜 시간이 걸릴 수 있으며, 마비된 팔다리의 기능을 회복하려면 수시간 동안 반복적인 훈련과 운동이 필요하다. 영국 스코틀랜드 에든버러에 있는 공립 종합대학 해리엇와트 대학교 연구팀 과학자들이 뇌파 감지 헤드셋을 통해 환자와 로봇이 소통할 수 있는 시스템을 개발했다고 과학전문매체 인터레스팅엔지니어링과 BBC 등 다수 외신이 전했다. 이 시스템은 '로봇 코치'가 환자의 뇌 신호를 해석하여 의도된 움직임을 이해하고 재활 운동을 돕는 역할을 수행할 수 있도록 한다. 연구팀은 AIT 오스트리아 기술연구소와 협력해 영국 국립로보타리움(National Robotarium)의 인간-로봇 상호작용(HRI) 팀이 주도하는 바이탈리스(VITALISE) 국제 파일럿 연구의 일환으로 이 시스템을 개발해, 오스트리아 수도 비엔나에서 성공적으로 시험된 바 있다. 이 로봇은 사용자의 뇌신호를 처리해 사용자의 의도된 움직임을 이해할 수 있다. 따라서 로봇 재활 코치 역할을 할 수 있다. 이러한 시스템은 노졸중 및 뇌 손상 환자의 팔다리 기능 회복에 활용될 수 있다. 연구진이 개발한 헤드셋은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)기술을 사용해 수술 없이 뇌 활동을 읽을 수 있다. 뇌졸중 및 뇌 손상 환자의 약 80%가 팔다리 기능 장애를 겪는데, 이는 삶의 질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이 헤드셋은 일론 머스크의 뇌과학 스타트업 뉴럴링크의 BCI 기술과 달리, 수술 없이 사용할 수 있다는 점이 장점이다. 연구에 사용된 로봇은 인간 의료 종사자의 개입 없이 환자가 재활 루틴을 실행하도록 돕기 위해 프로그래밍됐다. VITALISE 연구팀은 3개월동안 뇌졸중 및 뇌 손상 환자 16명을 대상으로 로봇 코치 시스템을 시험했다. 6명의 치료사가 참여해 로봇이 홤자의 의도를 이해하고 동기를 부여하는 능력을 평가했다. 또한 환자들에게 로봇의 효과에 대한 설문 조사를 진행했다. 이 프로젝트를 진행한 연구원에 따르면, 급성 뇌졸중과 뇌 손상 생존자의 약 80%가 상지(upper limb, 어깨와 손목 사이의 부분) 장애를 겪는다. 이는 삶의 질에 엄청난 영향을 미칠 수 있다. 그러나 팔다리 운동의 재활에는 오랜기간 반복적인 운동을 해야한다. 뇌손상 환자들은 종종 건망증으로 고통 받으며, 그로 인해 환자 중 약 70%가 처방된 재활 루틴을 완료하지 못한다. 인간-로봇 상호작용을 위한 영국 내셔널 로보타리움의 학술 책임자인 린 베일리(Lynne Baillie)는 보도자료에서 "환자가 개인화된 맞춤형 로봇 코치를 이용할 수 는 미래를 상상한다. 이 코치는 임상의와 전문가가 더욱 성공적인 재활 여정을 제공할 수 있도록 지원한다"고 말했다. AIT 오스트리아 공과대학 기술 경험 센터의 과학자이자 에이에이엘 오스트리아(AAL AUSTRIA)의 부사장인 마르쿠스 가르샬은 보도자료에서 "특히 e헬스 분야에서 공동 설계 방법은 매우 유용하고 효과적이다"라고 말했다. 가르샬은 또한 "반신 마비 환자와 물리 치료사 모두에게 사용자 경험과 접근 방식의 타당성을 검토하는 것이 중요했다"며 "동시에 스코틀랜드 과학자들과 국경을 넘나드는 협력도 매우 고무적이었다. 특히 의료 분야에서 훨씬 더 많은 유럽 협력과 교류가 필요하다"고 밝혔다. 이번 연구는 로봇이 뇌파를 읽고 실시간으로 환자에게 필요한 운동을 제시하며 재활 과정을 돕는 가능성을 보여줬다. 향후 추가 연구를 통해 시스템의 효과와 안전성을 검증하고, 실제 재활 현장에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-08-23
[신소재 신기술(98)] 지속가능한 플라스틱? 친환경 대체 소재 개발

영국에서 친환경 플라스틱 소재가 개발돼 플라스틱 오염 문제 해결에 한 걸음 더 가까이 다가서고 있다. 워릭 대학교 연구진은 플라스틱과 유사하지만 환경 파괴를 일으키지 않아 보다 지속 가능한 소재인 유기 공융체를 테스트했다고 테크 타임스가 20일(현지시간) 보도했다. 이 신소재는 플라스틱을 대체하고 전 세계의 플라스틱 의존도를 낮출 잠재력을 가지고 있다고 연구팀은 밝혔다. 수년 동안 플라스틱 폐기물은 기하급수적으로 증가했다. 특히 오랜 시간 분해되지 않고 매립지에 축적되거나 바다로 흘러들어가 환경 문제를 야기해왔다. 플라스틱 해양 투기는 미세 플라스틱(5mm미만인 플라스틱)으로 쪼개져 심해 오염으로 이어져 해양 식량 사슬을 오염시키고, 조개류나 해산물 등을 통해 인체에 재침투되는 결과를 낳고 있다. 특히 인체에 침투한 미세 플라스틱은 심장마비나 뇌졸중 발병 위험을 높이고, 사망률을 높이는 요인이 되고 있다. 전 세계적으로 플라스틱 제품 사용 감축을 위한 노력이 이어져왔지만 가볍고 내구성이 뛰어난 강점을 지닌 플라스틱은 여전히 다양한 산업에서 중요한 소재로 사용되고 있다. 유럽 플라스틱 산업 협회인 플라스틱스유럽(Plastics Europe)에 따르면, 2020년 세계 플라스틱 생산량은 2018년보다 800만 톤 증가한 3억 6700만 톤에 달했다. 프랑스 파리 에펠탑의 무게는 약 1만톤에 달한다. 2020년 전 세계 플라스틱 생산량은 에펠탑이 3만6700개가 만들어진 것과 맞먹는 양이다. 전 세계 플라스틱 생산량은 2040년까지 두 배, 2060년까지 세 배로 증가할 것으로 예상되며, 그 증가분의 대부분은 일회용 플라스틱에서 발생한다. 워릭 대학교 연구팀은 혼합하면 새로운 "유기 및 점성 액체"를 형성하는 특정 유기 분자를 발견했으며, 이를 '(지속가능한 플라스틱) 유망 후보'라고 불렀다. 또한 시차 주사 열량계(DSC) 및 UV-Vis 분광법과 같은 첨단 기술을 사용해 새로운 소수성 물질을 정확하게 측정했다. 연구팀은 결정 성분을 혼합해 '유기 공융체'라고 불리는 새로운 물질을 개발했다. 팀은 이 물질리 폴리머를 대체할 잠재력을 가진 '소수성 공융 분자 액체'를 개발하는 데 성공했다고 여긴다. 매우 짧은 수명 한계 그러나 이 소재는 수명이 매우 짧다는 한계를 가지고 있다. 연구팀은 테스트 결과 최대 14개월 동안만 지속될 수 있음을 확인했다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 제조 과정에서 안정성과 가공성을 보장할 수 있었다. 플라스틱은 한때 다양한 산업, 특히 제품과 소비재에 널리 사용되면서 혁신적인 소재로 여겨졌다. 그러나 유기 물질과 달리 분해가 되지 않아 폐기와 재활용 등에서 심각한 환경 오염 문제를 일으키고 있다. 일회용 플라스틱 및 기타 형태의 플라스틱 사용을 줄이기 위한 노력이 있지만 문제는 여전히 남아 있다. 재활용 외에도 과학을 이용해 플라스틱을 제거하는 방법을 개발하는 연구가 진행중이다. 한 연구에서는 플라스틱을 분해할 수 있는 유전자 조작 박테리아를 개발해 해양에 적용할 계획을 가지고 있다. 일회용 플라스틱을 줄이기 위해서는 다회용품을 사용하고, 텀블러나 개인 컵을 들고 다니거나 플라스틱 빨대 사용을 줄이는 등 일상 속의 작은 노력이 필요할 때다.
- 포커스온
2024-08-22
[신소재 신기술(97)] 나노스케일 물체 온도 측정 소재 개발⋯초소형 온도계 활용 기대

미국 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스(UC Irvine) 연구팀이 온도 변화에 따라 색이 변하는 1차원 나노 물질을 개발했다. 이 연구 결과는 나노 크기 물체의 온도를 측정할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 연구 결과는 학술지 '첨단 소재(Advanced Material)'에 게재됐다. 연구를 주도한 UC 어바인 막스 아르기야 화학 교수는 "이번 연구 결과를 통해 매우 작고 민감한 온도계를 만들 수 있게 됐다"며 "이는 우리 실험실에서 나온 가장 실용적이고 응용 가능성이 높은 연구 중 하나"라고 밝혔다. 아르기야 교수는 이 온도계를 '나노 크기의 무드 링'에 비유했다. 무드 링은 착용자의 체온에 따라 색이 변하는 장신구다. 하지만 이번에 개발된 나노 물질은 단순히 온도를 질적으로 측정하는 것을 넘어, 색 변화를 통해 나노 스케일에서 온도를 정량적으로 측정할 수 있다. 아르기야 교수는 "많은 생물학적 및 산업 공정이 미세한 온도 변화 추적에 의존하기 때문에 온도 측정은 매우 중요하다"며 "이제 세포 내부 온도까지 측정할 수 있는 온도계를 개발할 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 연구팀의 박사후 연구원 드미트리 코르도바는 이 광학 온도계가 회로와 데이터 저장 장치를 포함한 마이크로 및 나노 전자 장치의 온도를 측정하고 효율성을 평가하는 데에도 잠재적으로 활용될 수 있다고 설명했다. 그는 "이미 산업 분야에서는 컴퓨터 부품 제조 시 광학 온도계를 사용하고 있지만, 이번에 개발된 새로운 물질은 "기존보다 최소 10배 이상 민감하다"고 강조했다. 이번 연구의 핵심적인 발견은 코르도바와 동료 연구원들이 실험실에서 나노미터 길이 규모에서 나선형 '슬링키'와 유사한 결정을 성장시키는 과정에서 이루어졌다. 연구팀은 처음에는 이 결정이 어떤 온도에서 분해되는지 확인하기 위해 열 스트레스를 가했다. 코르도바와 학부 연구원 레오 청은 그 과정에서 결정의 색이 온도에 따라 노란색에서 주황색으로 체계적으로 변화하는 것을 발견했다. 연구팀은 색이 나타내는 온도 범위를 정밀하게 측정했고, 옅은 노란색은 영하 190도, 붉은 주황색은 영상 200도 정도의 온도에 해당한다는 사실을 확인했다. 아르기야 교수는 "측정의 정확성을 확보하기 위해 많은 노력을 기울였다"고 말했다. 연구팀은 나노 스케일의 물질 샘플을 얻기 위해 벌크 규모의 결정에 접착 테이프를 붙이고 떼어낸 후, 테이프에 붙은 나노 스케일 샘플을 투명 기판에 옮겼다. 아르기야는 "이 구조들을 떼어내 나노 스케일 온도계로 사용할 수 있으며, 다른 재료나 표면에 옮기거나 재구성하여 결합할 수 있다"고 설명했다. 그는 이번 발견이 나노미터 스케일에서 온도를 측정하는 새로운 종류의 물질을 발견하는 첫걸음이라고 말했다. 다음 단계로, 연구팀은 더 넓은 온도 범위를 측정할 수 있는 온도계를 개발하기 위해 다른 나노 스케일 물질을 테스트할 계획이다. 아르기야는 "이제 더 민감한 물질을 만들기 위해 재료 설계 규칙을 해킹하려고 노력하고 있다"며 "벌크 스케일에서 나노 스케일까지 광학 온도 측정을 위한 도구 상자를 열려고 한다"고 밝혔다.
- 포커스온
2024-08-19
[신소재 신기술(96)] 혈당 변화에 즉각 대응하는 '스마트 인슐린' 나온다

실시간으로 혈당 수치에 맞춰 조절되는 획기적인 유형의 스마트 인슐린이 개발돼 전 세계적으로 수백만 명에 달하는 1형 당뇨병 환자 치료를 혁신할 가능성이 높아졌다고 신기술 개발 동향을 알리는 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 개발된 스마트 인슐린은 필요할 때까지 신체에서 비활성 상태를 유지하다가 혈당을 관리할 시점이 되면 즉시 활성화되어 혈당을 낮추도록 설계됐다. 즉, 혈중 포도당 농도에 반응해 작용하는 스마트 포도당 반응성 인슐린(GRI: Glucose Responding Insulin )이다. 스마트 인슐린은 미국, 영국, 호주, 중국 등의 연구원들이 연합해 개발했다. 이 프로젝트를 담당한 기관 중 하나인 영국 청소년당뇨병연구재단(JDRF: Juvenile Diabetes Research Fund)의 책임자인 레이첼 코너는 "인슐린은 100년 이상 1형 당뇨병 환자들의 생명을 구해 당뇨 치료를 혁신했지만 여전히 충분하지 않다. 인슐린으로 포도당 수치를 관리하는 것은 어려우며, 이제는 과학계가 그 해결책을 찾아야 할 때다"라고 말했다. 현재 증세가 심한 1형 당뇨병 환자는 생존을 위해 하루에 최대 10번까지 합성 인슐린을 주사해야 한다. 혈당 수치의 끊임없는 오르내림은 단기 및 장기적으로 합병증을 유발하는 등 심각한 문제를 일으킬 수 있으며 정신 건강에도 영향을 미칠 수 있다. 기존 인슐린은 주사 시 혈당 수치를 안정시키는 데는 도움이 된다. 그러나 향후의 혈당 변동까지 관리할 수는 없다. 이 때문에 환자가 몇 시간 내에 더 많은 인슐린을 주사해야 하는 경우가 많다. 새로운 포도당 반응성 인슐린은 기존의 인슐린과는 다르게 작용한다. 혈당 수치가 높아질 때만 활성화돼 고혈당을 예방하고, 수치가 너무 낮아지면 비활성화돼 저혈당을 예방한다. 전문가들은 스마트 인슐린이 상용화되는 미래에는 환자가 일주일에 한 번만 인슐린을 투여하면 될 것이라고 추정했다. 스마트 인슐린을 개발한 과학자들은 연구를 가속하기 위해 수백만 달러의 보조금을 받았다. 제1형 당뇨병에 대한 새로운 치료법을 발견하기 위해 영국 당뇨병협회, JDRF, 스티브 모건 재단이 협력, 첨단 연구에 5000만 파운드(873억 원)를 투자하고 있으며 '1형 당뇨병 그랜드 챌린지'를 통해 지원하고 있다. 그랜드 챌린지의 과학 자문 위원회 부의장인 팀 하이즈 박사는 스마트 인슐린이 당뇨병과의 싸움에서 새로운 시대의 시작을 알리는 게임체인저가 될 수 있다고 기대했다. 그는 가디언지와의 인터뷰에서 "1형 당뇨병을 앓고 있는 사람들은 혈당 균형을 맞추기 위해 매일 많은 노력을 기울여야 한다"며 "이번에 개발된 포도당 반응성 인슐린, 소위 스마트 인슐린은 ‘인슐린의 성배’로 생각되며, 이는 약물 요법 중 1형 당뇨병을 치료하는 데 가장 효과적인 솔루션이 될 것"이라고 기대했다. 1형 당뇨병 그랜드 챌린지는 제1형 당뇨병 치료 혁신을 위해 새로운 연구 프로젝트 6개에 270만 파운드(약 47억2200만원) 이상의 자금을 지원하고 있다. 이 자금은 차세대 인슐린 개발을 가속하여 제1형 당뇨병 환자의 삶을 개선하는데 크게 기여하고 있다. 미국, 호주, 중국의 대학에서 수행되는 이 연구는 더 빠르게 작용하면서, 더 정확하게는 1형 당뇨병 관리를 용이하게 함으로써 합병증을 줄이는 인슐린을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 프로젝트 중 4개는 포도당 반응성 인슐린(GRI)을 연구하고 있다.
- IT/바이오
2024-08-16

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