너무 늘어나서 측정 불가능한 ‘겔’

30배 이상 늘려도 안 찢어지는 상식 밖의 강인성

인공건·인대용 겔 재료의 개발에 도움이 될 수도 있다?

<  PIXABAY 제공 >

[객원 에디터 6기 / 최하연 기자] 도쿄대학의 사카이 타카마사 교수를 비롯한 연구팀은 2022년 4월 7일에 30배 이상 늘려도 찢어지지 않는 겔을 개발했다고 발표했다.

이번 연구에서는 과자봉지를 열 때 칼집이 있는 부분에 힘을 가하는 것과 비슷하게, 겔을 늘려도 힘이 집중되는 부분에서는 균열이 발생하지 않고 겔이 경화되는 현상을 이용했다. 일반적으로 겔을 늘리면 힘이 약한 부분에 균열이 생기고 찢어지는 현상이 발생하지만, 이번에 개발된 겔은 겔이 늘어남에 따라 결정화되어 균열이 발생하지 않고 강인해진다.

이러한 역학적 힘에 약한 부분 즉 나노 수준의 미세한 결함은 겔이나 유리와 같은 완벽히 균일하지 않은 재료에 반드시 존재한다. 일반 겔을 늘리면, 힘에 약한 부분에 힘이 집중되어, 작은 균열이 생겨, 점점 그 균열이 커지며, 최종적으로 찢어진다. 이 연구에서 사용된 겔은 나노 레벨에서의 고분자가 그물 모양의 구조를 이루고 있으며, 겔이 늘어남에 따라 결정화되어 단단해지는 메커니즘을 가지고 있다. 특히, 3분기 겔은 4분기 겔보다 결정화가 더 쉽게 일어나는데, 이는 고분자가 효율적으로 배향되어 신장 유기 결정화가 일어나기 때문이다.

겔의 구조를 나노 레벨로 살펴보면 끈과 같은 고분자가 그물 같은 구조를 하고 있다. 이것이 늘어나면 그물 모양의 끈이 접혀 다발이 되어 결정화(신장 유기 결정화)한다. 이것이 겔이 늘어나면, 단단해지는 메커니즘이다. 

이 결정화는 일반적인 4분기 망목구조를 가진 4분기 겔에서도 일어나지만, 이번 3분기 망목구조를 가진 3분기 겔은 더 일어나기 쉽다. 겔의 변형 시 3분기 구조가 4분기 구조와 비교하여 고분자가 배향되기 쉬운 것이 효율적인 신장 유기 결정화로 이어졌을 것으로 예상된다고 연구진은 밝혔다.

사실, 연구팀은 너무 늘어나서 곤란하다고 밝혔다. 사카이 교수 등의 연구진은 원래 인공 관절과 인대로서 몸에 삽입하는 재료로서 겔을 개발하고 있었다. 그러나 이 겔은 너무 늘어나기 때문에 기본적으로 생체조직에 가깝지 않다. 

그러나 겔을 인공건·인대 등의 의료재료에 응용하기 위해서는 강인화가 필수적이다. 지금까지 많은 강인화 겔에 대한 연구가 이루어져 왔지만, 처음 1회 변형에 대해서는 높은 강인성을 발휘하지만, 반복 부하를 가하면 강도가 현저하게 감소하는 문제가 있었다. 이 때문에, 몇 번이나 반복 부하를 가해도 항상 일정한 강인성을 발휘하는 겔의 개발이 요망되고 있다. 그러한 상황 속에서, 이번 개발된 3분기 겔은 여러 번 반복 부하를 가해도 항상 일정한 강인성을 유지하였으며, 생체조직과 유사한 성질을 갖추고 있다.

연구팀은 앞으로 잘 늘어나는 부분을 억제하고 생체조직과 유사한 겔을 개발할 계획이며, 이는 의료용으로 응용될 수 있는 높은 잠재력을 가지고 있다.