지구온난화의 가속화로 극지방의 해빙이 전례 없는 속도로 빠르게 녹고 있다. 이에 따라 해류의 흐름이 불안정해지며 앞으로 극지 바다가 더욱 거세게 요동치고, 불안정해질 것이라는 분석이 제기됐다. 

부산대 IBS(기초과학연구원) 기후물리 연구단 이준이 교수 연구팀은 초고해상도 지구 시스템 모델 시뮬레이션을 통해 인간에 의한 온난화가 해빙을 빠르게 녹여, 바다의 ‘중규모 수평 교란 현상’이 더욱 강화될 것이라고 밝혔다.

‘중규모 수평 교란(mesoscale horizontal stirring)’은 바람, 해류, 그리고 바다 속 소용돌이 등이 만들어 내는 거대한 물결 섞임 현상이다. 수십에서 수백 킬로미터 규모로 바닷물이 수평 방향으로 휘저어지며, 열과 영양분이 퍼지고 플랑크톤이나 어란·유충, 미세 플라스틱과 같은 오염 물질 확산에도 영향을 미친다.

하지만 이러한 극지 해양의 변화를 직접 관측하는 일은 쉽지 않다. 특히 지구온난화가 극지역 소규모 해류와 해양 생태계에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 일은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 지리적 한계로 관측이 제한되고, 위성 관측 자료로는 중규모 해양 과정을 정밀하게 파악하기 어렵기 때문이다.

이에 연구팀은 IBS 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)를 활용해 초고해상도 기후모델(CESM-UHR) CESM-UHR*을 이용한 시뮬레이션을 수행했다. 대기 중 이산화탄소 농도를 현재 수준, 2배, 4배로 설정해 비교한 결과, 이산화탄소 농도가 높아질수록 북극과 남극 연안의 바다가 더욱 거세게 요동쳤다. 온난화가 심화될수록 중규모 수평 교란이 뚜렷하게 증가하는 것이다. 

* CESM-UHR: 완전 결합 기후모델로 대기–해빙–해양 구성 요소를 통합하고, 대기 0.25⁰, 해양 0.1⁰의 수평 해상도를 통해 기후시스템 내 상호작용을 보다 현실적으로 재현한다.

연구진은 이 현상을 정량화하기 위해 ‘유한 크기 리아푸노프 지수(Finite-Size Lyapunov Exponent, FSLE)’*를 활용했다. 이 지수는 가까운 두 유체 입자가 얼마나 빠르게 분리되는지를 보여주며, 값이 클수록 교란이 강화되며 해수의 움직임이 더 활발해지는 것을 의미한다.

* 유한 크기 리아프노프 지수[finite-size Lyapunov exponents(FSLE)]: 유체의 입자 간 분리 속도를 정량화하는 지표로 두 입자가 일정 거리에서 출발해 더 큰 거리로 벌어지는 데 걸리는 시간을 이용해 계산됨. 값이 커질수록 공간적으로 더 빠르게 분리됨을 의미함. 

시뮬레이션 결과, 지구온난화로 인한 해빙의 급격한 감소가 미래 북극해 및 남극 연안 해역의 해류와 난류를 강화하며, 바닷물의 수평 교란을 가속화하는 것으로 나타났다. 

【대기 중 이산화탄소 현재 농도(왼쪽) 및 4배증(오른쪽) 조건에서의 북극해 3월 중규모 수평 교란 비교(위 그림)와 남극해 9월 중규모 수평 교란 비교(아래 그림)】

중규모 수평 교란은 유한 크기 리아프코프 지수(FSLE)를 이용해 정량화했다. FSLE가 높은 값을 가질수록(밝을수록) 수평 교란이 더 강하게 나타남을 의미한다. 

그림 출처: IBS 기후물리 연구단 학생 연구원 이규석 (그림의 기초가 되는 지도는 NASA Visible Earth (https://visibleearth.nasa.gov/)에서 차용)

더불어, 연구진은 북극과 남극에서 교란이 강화되는 원인이 서로 다르다는 점을 밝혀냈다. 북극해에서는 해빙이 줄면서 바람이 해수를 더 강하게 밀어 표층 순환류와 난류를 강화시키는 반면, 남극 연안 해역에서는 녹은 해빙에 의한 담수 유입이 해수의 밀도 차이를 키워 해류 세기와 교란을 강화시키는 것으로 나타났다.

제1저자인 이규석 학생 연구원은 “대륙에 둘러싸인 북극해와 남극 연안 해역의 대조적인 지리적 구조 차이는 해수의 수평 교란 변화를 결정하는 역학 과정에서 근본적인 차이를 가져온다. 그럼에도 지구온난화가 지속될 경우, 두 해역 모두에서 수평 교란이 크게 강화될 것으로 예상된다”라고 설명했다. 

교신저자인 이준이 IBS 기후물리 연구단 및 기후과학연구소 교수는 “미래 극지 해양 수평교란의 증가는 어란·유충의 생존을 포함해 극지 해양 생태계에 큰 영향을 미칠 수 있다”라고 덧붙였다. 

악셀 팀머만 IBS 기후물리 연구단장은 “현재, 우리 연구단에서는 기후와 생명의 상호작용을 보다 효과적으로 통합하는 차세대 지구 시스템 모델을 개발 중이다. 이를 통해, 극지 생태계가 지구온난화에 어떻게 반응하는지에 대한 이해를 높일 수 있을 것”이라며 향후 연구계획을 밝혔다.

이번 연구 결과는 2025년 11월 5일 국제학술지 『Nature Climate Change』에 게재됐다.

- 논문 제목: Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline (해빙 감소로 인해 극지방 해양의 미래 중규모 수평 교란 심화 전망)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41558-025-02471-2 

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 이준이 교수, 이규석 학생 연구원.

[Abstract]

More Polar Ocean Turbulence due to Planetary Warming

A study published in the journal Nature Climate Change by an international team of scientists, from the IBS Center for Climate Physics (ICCP) at Pusan National University in South Korea, presents new evidence that ocean turbulence and a process known as “horizontal stirring” will increase dramatically in the Arctic and Southern Oceans due to human-induced Global Warming and decreasing sea ice coverage.​

“Shaken, not stirred”  - it is widely known how James Bond prefers his Martinis. Stirring works by stretching a fluid into thin streaks, which eventually helps to create turbulence, contributing to the mixing of water properties. In the ocean, a similar stirring process of seawater occurs due to the action of winds and other sources of energy. When it happens horizontally over scales of tens to hundreds of kilometers, it is referred to as mesoscale horizontal stirring (MHS). MHS transports and redistributes heat and nutrients, thereby determining the distribution of plankton in the upper ocean. Moreover, the stretching, rotation, and spatial separation of nearby fluid parcels over time also control the dispersal of fish eggs and larvae, but also of pollutants, such as microplastics.

Due to the remoteness of polar regions, it has remained challenging to study the impact of global warming on small-scale ocean currents and marine ecosystems using ship-based observations and satellite data. Instead, climate scientists have relied heavily on climate computer models. However, the current generation of such models lacks the spatial resolution to resolve small-scale ocean processes relevant to MHS and the production of turbulence and horizontal mixing. 

To overcome this shortcoming, the South Korean research team analyzed results from ultra-high-resolution simulations conducted with the Community Earth System Model version 1.2.2 (CESM-UHR), on the Aleph supercomputer at the Institute for Basic Science in Daejeon. This fully-coupled model integrates atmosphere, sea ice, and ocean components to realistically represent their interactions within the climate system, using a horizontal resolution of 0.25° for the atmosphere and 0.1° for the ocean. The team focused on simulations under present-day (PD), CO2 doubling (2xCO2), and quadrupling (4xCO2) conditions to investigate how MHS responds to human-induced warming.

To characterize the stretching of fluids into elongated filament-like structures (Fig. 1), the research team employed a technique known as finite-size Lyapunov exponents (FSLE), which tracks how quickly neighboring fluid parcels separate over time due to mesoscale ocean eddies (swirling currents with scales of tens to hundreds of kilometers), meandering flows, and ocean fronts. Using daily data from 10 years of simulation, the computationally demanding FSLE calculations show a pronounced future intensification of MHS across the Arctic Ocean and along the Antarctic coastal region (Fig. 1,2), which can be attributed primarily to the dramatic decline in sea ice in a warming world. The researchers found that the mechanisms linking sea ice loss to enhanced MHS differed between the two regions. 

In the Arctic Ocean, the disappearance of sea ice increases the mechanical energy input into the ocean. Uninterrupted by sea ice, a clockwise wind forcing can strengthen both the mean ocean flow and enhance the generation of upper ocean eddies, ultimately leading to intensified MHS (Fig. 1) and turbulence.

By contrast, in the Antarctic coastal region, the projected future strengthening of MHS around Antarctica arises from near-shore freshening due to sea ice decline, which enhances the north-south density gradient. This, in turn, reinforces the mean ocean currents, such as the Antarctic Slope Current, enhancing eddy activity and MHS (Fig. 2). Given that such intensification of MHS is expected to induce major changes in ocean ecosystems as well as in the dispersal of marine pollutants, further research is urgently needed.

“The contrast between the Arctic Ocean, which is enclosed by surrounding continents, and the Southern Ocean, where the continent is encircled by ocean, creates different physical conditions for ocean stirring. But the outcome for ocean stirring under warming is quite similar,” said lead author Gyuseok Yi, a doctoral researcher at the ICCP and Pusan National University.

“Horizontal stirring is a crucial factor for fish larval transport across the ocean. For moderate values, this process connects populations and habitats geographically, increasing their genetic exchange. However, for increasing stirring in the future, larvae can be transported into unsuitable areas where they may not survive,” remarks Prof. June-Yi Lee from the ICCP and co-corresponding author of the study.

Understanding the ecological implications of the author’s main findings requires additional earth system modeling experiments at high spatial resolution, including computer models of plankton and fish. 

“Currently, at the IBS Center for Climate Physics in South Korea, we are developing a new generation of earth system models that better integrates the interactions between climate and life. This will deepen our understanding of how polar ecosystems respond to Global Warming”, said Prof. Axel Timmermann, co-author of the study and director of the ICCP.

- Authors (Pusan National University): Gyuseok Yi, June-Yi Lee (Institute for Basic Science Center for Climate Physics)

- Title of original paper: Future mesoscale horizontal stirring in polar oceans intensified by sea ice decline

- Journal: Nature Climate Change

- Web link: https://doi.org/10.1038/s41558-025-02471-2 

- Contact e-mail: juneyi@pusan.ac.kr

광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 광간섭 단층 촬영(OCT) 기술을 활용해 유화 작품의 크랙(균열) 형태를 3D로 정량 분석한 연구 결과를 발표했다.

연구팀은 미술품의 다양한 크랙 유형(직선형, 수직 직교형, 방사형)에 대해 고해상도 3D OCT 이미지를 획득하고, 크랙의 단면 이미지를 추출해 너비와 깊이를 측정했다. 또한, 크랙의 전체 높이에 걸쳐 Z축 단면적을 측정해 내부 구조 변화를 분석했다. 너비, 깊이, 좌/우측 벽의 깊이, 중심부 깊이 등에 대한 정량적 측정이 이뤄졌는데, 크랙 유형별로 특징적인 결과가 나왔다.

직선형 크랙은 너비와 깊이에서 가장 큰 변화를 보였고, 수직 직교형 크랙은 너비와 깊이에서 최소한의 변화가 나타났다. 방사형 크랙은 너비보다 깊이에서 더 큰 변화가 있었다.

더 세부적인 분석을 위해 크랙 길이에 따른 너비와 깊이의 변화 추이를 살펴본 결과, 직선형 크랙의 경우 가장자리에서 너비와 깊이가 증가하는 경향을 보였고, 수직 직교형과 방사형 크랙은 분기점에서 너비와 깊이 변화가 관찰됐다. 크랙의 Z축 단면적 또한 분석했는데, 크랙의 중심에서 양 끝으로 갈수록, 또는 중앙 수평축 기준의 한쪽 면에서 증가하는 경향을 보였다. 이는 크랙 내부의 3D 구조적 특징을 시각적으로 명확하게 보여주는 것이다.

【편광으로 구현된 나노픽셀의 색변환 및 온-오프 모드】

이번 연구를 통해 얻은 정밀한 크랙 측정 데이터는 보존 및 복원 최적화, 위조품 식별, 작품 가치 보존 분야에서 중요한 의미를 가질 수 있다.

첫째, 크랙의 3D 형태를 정량적으로 파악함으로써, 작품의 손상 정도를 정확히 진단하고, 이에 맞는 최적의 보존 및 복원 전략을 수립할 수 있다. 예를 들어, 크랙의 진행 속도를 예측하고 예방 조치를 취하는 데 활용될 수 있다. 

둘째, 크랙의 미묘한 형태학적 특징은 작품의 진위 여부를 판단하는 데 결정적인 증거가 될 수 있다. 이는 기존의 2D 분석보다 훨씬 더 정확하고 변별력 있는 위조품 식별의 과학적 토대를 제공할 수 있다. 

마지막으로, 예술 작품의 심미적, 경제적, 역사적 가치 손상을 방지하고 적절한 보존에 기여해 인류 문화유산의 지속 가능한 보존에 중요한 역할을 할 수 있다.

김규정 교수는 “OCT가 예술 작품의 상태 지표, 복원, 그리고 진위 판별에 활용될 수 있는 가능성을 제시했다”며 “향후 다양한 예술 재료 및 크랙 유형에 대한 3D 정량 분석 데이터베이스 구축이 중요하며 이러한 연구는 예술 작품의 역사적, 심미적 가치를 보존하고 복원하는 데 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이 같은 연구 성과는 ‘OCT-based quantitative analysis of craquelure morphology in an oil painting(유화 작품 균열 형태에 대한 OCT 기반 정량 분석)’이라는 제목의 논문으로 A&HCI 국제 학술지 『Journal of Cultural Heritage』에 보고돼 7월 12일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.culher.2025.06.017  

이번 연구는 과학기술정보통신부 우수연구자교류지원사업(BrainLink) 및 미래국방혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 광메카트로닉스공학과 김규정 교수(교신저자), 인지메카트로닉스공학과 김수정 박사과정생(제1저자), 미술학과 김지오 교수(공동저자), 프랑스 그르노블 대학 Gilles Nogues(공동저자) 교수가 참여했다.

* 상단 연구진 사진: 오른쪽부터 김규정 교수, 김수정 박사과정생.

[Abstract]

A thorough three-dimensional quantitative analysis of an artwork crack can yield valuable and in-depth information regarding the preservation, restoration, and authenticity of the artwork. In this study, high-resolution three-dimensional optical coherence tomography(OCT) images were obtained for each type of crack, and cross-sectional images of the cracks were extracted. The width and depth distributions were measured over the entire length of the cracks, and the z-axis slice cross-sectional areas were measured over the entire height of the cracks. The analysis revealed that straight cracks exhibited the most significant variations in width and depth. In contrast, vertical cracks exhibited minimal variability in terms of width and depth. Furthermore, radial cracks exhibited greater variability in depth than in width. The z-axis cross-sectional area increased from the center of the crack to both ends or from one side of the central horizontal axis reference of the crack. The utilization of these precise artwork measurement data can facilitate the optimization of preservation and restoration efforts, thereby providing a scientific foundation for the identification of counterfeits. This approach can prevent damage to the aesthetic, economic, and historical value of the artwork and contribute to its appropriate preservation.

- Authors (Pusan National University) 

· First author: Soojung Kim (Department of Cogno-Mechatronic Engineering)

· Corresponding author: Kyujung Kim (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

- Title of original paper: OCT-based quantitative analysis of craquelure morphology in an oil painting

- Journal: Journal of Cultural Heritage

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.culher.2025.06.017

- Contact e-mail: k.kim@pusan.ac.kr

융합의과학과 김윤학 교수와 양산부산대병원 김기훈 전임의 연구팀이 연세대 세브란스병원 연구팀과의 공동연구를 통해 진행성 담도암 환자의 2차 항암치료 효과를 비교한 결과, FOLFIRINOX(폴피리녹스) 요법이 기존 치료법(FOLFOX, FOLFIRI, nal-IRI/FL)보다 생존 기간을 늘리거나 최소한 비슷한 성과를 보이면서도 부작용이 조절 가능한 치료 대안임을 확인했다. 이번 성과는 아직까지 확립된 2차 표준치료가 없는 상황에서 FOLFIRINOX의 임상적 유용성을 제시한 중요한 근거로 평가된다.

FOLFIRINOX(폴피리녹스)는 암 치료에 사용되는 복합 항암화학요법의 명칭으로, 치료에 사용되는 네 가지 항암제 이름에서 따왔다. 원래는 췌장암 치료에서 효과가 입증된 요법인데, 이번 연구처럼 담도암의 2차 치료 대안으로도 가능성이 검증되고 있다.

  1) FOL(류코보린): 항암제의 효과를 높여주는 보조제

  2) F(플루오로우라실): 세포 분열을 억제하는 항암제

  3) IRIN(이리노테칸): DNA 복제를 방해해 암세포 성장을 막는 항암제

  4) OX(옥살리플라틴): DNA 손상을 유발해 암세포 사멸을 유도하는 항암제

연구팀은 단일기관 환자 54명의 실제 진료 데이터를 분석하고, 2011년부터 2022년까지 발표된 전 세계 21편의 연구를 종합한 체계적 문헌고찰 및 메타분석을 수행했다. 그 결과, FOLFIRINOX 치료군은 무진행생존기간(Progression-Free Survival, PFS)과 전체생존기간(Overall Survival, OS)에서 기존 요법 대비 더 긴 경향을 보였다. 치료 과정에서 호중구감소증 등 중증 부작용은 발생했으나 대부분 조절 가능했고, 실제 환자 진료 환경에서도 충분히 적용할 수 있는 가능성이 있었다.

【코호트 연구에서의 무진행생존기간(A) 및 전체생존기간(B)에 대한 Kaplan-Meier 곡선】

담도암은 발생 빈도는 낮지만 조기 발견이 어렵고, 진단 당시 수술이 불가능한 경우가 많다. 현재 1차 표준치료인 젬시타빈+시스플라틴 병합요법의 효과가 제한적이며, 이후 사용할 수 있는 표준화된 2차 치료법은 확립되지 않은 상황이다. 이 때문에 임상 현장에서는 치료 선택지가 부족해 새로운 치료법의 효과와 안전성을 검증하는 연구가 절실했다.

이번 연구는 특정 요법만을 단독 평가하거나 환자 수가 제한적이었던 기존 연구들과 달리, 실제 임상자료와 국제 다기관 근거를 통합해 복합 항암화학요법인 FOLFIRINOX, FOLFOX, FOLFIRI, nal-IRI/FL을 직접 비교·평가했다는 점에서 차별성을 가진다.

이번 연구는 부산대와 양산부산대병원, 연세대 세브란스병원의 협력 연구로 진행됐으며, 융합의과학과 김윤학 교수가 교신저자, 양산부산대병원 직업환경의학과 김기훈 전임의가 제1저자로 수행했다. 부산대와 양산부산대병원 연구팀은 메타분석 과정에서 임상연구 데이터 정제와 통계 시스템 운영을 주도해 연구의 신뢰성과 재현성을 높였다.

【다양한 2차 항암요법에 따른 무진행생존기간(위)과 전체생존기간(아래) Kaplan-Meier 추정치】

특히, 이번 연구에서는 FOLFIRINOX가 진행성 담도암 환자의 2차 항암치료에서 충분히 활용 가능한 요법임을 입증해, 향후 대규모 전향적 임상시험과 환자 맞춤형 치료 전략 수립에 기초 자료로 활용될 가능성을 보였다. 나아가, 학계와 임상 현장에서 담도암 치료 표준 지침 개선에도 기여할 것으로 기대된다.

김윤학 교수는 “이번 연구는 치료 선택지가 제한적인 진행성 담도암 환자에게 새로운 희망을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “FOLFIRINOX의 임상 적용 가능성이 확인된 만큼, 앞으로 환자 맞춤형 치료 전략 수립에 중요한 역할을 할 것”이라고 강조했다.

이번 연구 성과는 올해 9월(온라인) 국제 학술지 『International Journal of Surgery』에 게재됐다.

- 논문 제목: Comparison of second-line chemotherapy regimens in advanced biliary tract cancer: a systematic review, meta-analysis, and single-center retrospective cohort study(진행성 담도암 2차 항암화학요법 비교 연구: 체계적 문헌고찰, 메타분석 및 단일기관 후향적 코호트)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1097/JS9.0000000000003367 

*상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김윤학 교수, 김기훈 전임의.

[Abstract]

Background: Biliary tract cancers (BTCs) are aggressive malignancies with limited treatment options, especially after first-line chemotherapy failure. FOLFIRINOX, though established for pancreatic cancer, has shown promise in advanced BTC, yet its role as a second-line treatment remains unclear. To address this gap, we conducted a retrospective cohort study to evaluate the efficacy and safety of FOLFIRINOX and performed a systematic review with meta-analysis to compare its outcomes with currently recommended regimens, including FOLFIRI, FOLFOX, and nal-IRI/FL.

Methods: We retrospectively analyzed 54 patients with BTC treated with FOLFIRINOX as second-line therapy after progression on first-line chemotherapy at a single tertiary hospital between 2011 and 2022. A systematic review and meta-analysis, registered with PROSPERO, incorporated 21 studies comparing second-line regimens for BTC, assessing progression-free survival (PFS), overall survival (OS), x-objective response rate (ORR), disease control rate (DCR), and safety.

Results: In our cohort, median PFS and OS were 2.7 and 8.9 months, respectively. ORR was 12.5%, and DCR was 52.1%, with 4.2% achieving complete response. Meta-analysis revealed pooled PFS and OS for FOLFIRINOX at 4.15 and 8.91 months, respectively, suggesting a potential benefit over FOLFIRI and FOLFOX. Grade 3–5 neutropenia occurred in 40.7% of patients, leading to dose reductions in 29.6% but low discontinuation rates (3.7%).

Conclusion: FOLFIRINOX demonstrates numerically favorable outcomes compared to current second-line regimens for advanced BTC, with manageable toxicities. These findings suggest FOLFIRINOX as a potential second-line option, warranting further prospective validation and patient selection refinement.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Kihun Kim (Department of Occupational and Environmental Medicine, Pusan National University Yangsan Hospital)

 · Corresponding author: Yun Hak Kim (Department of Anatomy and Department of Biomedical Informatics, Pusan National University)

- Title of original paper: Comparison of second-line chemotherapy regimens in advanced biliary tract cancer: a systematic review, meta-analysis, and single-center retrospective cohort study

- Journal: International Journal of Surgery

- Web link: https://doi.org/10.1097/JS9.0000000000003367 

- Contact e-mail: yunhak10510@pusan.ac.kr

미생물학과 이은희 교수 연구팀이 눈에 보이지 않는 초미세플라스틱을 현장에서 단 10분 만에 검출할 수 있는 휴대형 센서를 개발했다. 이번 성과는 고가 장비와 복잡한 절차에 의존해야 했던 기존 분석법의 한계를 극복하고, 환경·건강 문제 대응에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대된다.

초미세플라스틱은 머리카락 굵기의 수만분의 1에 불과한 1㎛(마이크로미터·1백만분의 1m) 미만 크기의 미세 조각으로, 강·바다는 물론 우리가 매일 마시는 수돗물·정수기 물·생수 등에서도 흔히 발견된다. 실제로 500㎖ 생수 한 병에서 수백만 개가 검출됐다는 연구 결과도 있다. 

문제는 크기가 너무 작아 눈에 보이지 않을 뿐 아니라, 체내에 들어오면 쉽게 배출되지 않아 건강에 악영향을 줄 수 있다는 점이다. 지금까지는 수억 원대 고가 장비와 복잡한 분석 과정에 의존해야 했기 때문에, 현장에서 초미세플라스틱을 즉시 확인하기는 불가능했다.

이에, 연구팀은 형광 기반 측방유동분석법(lateral flow assay, LFA)을 활용해, 크기 200㎚(나노미터·10억분의 1m) 이하의 초미세플라스틱을 신속하고 민감하게 검출할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 플라스틱 표면에 잘 달라붙는 형광 물질(1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimidyl ester)과 초미세플라스틱을 붙잡는 역할을 하는 고분자 물질(polyethyleneimine)을 활용해 새로운 검출 기술을 개발한 것이다. 

이 기술은 폴리스타이렌(PS), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 등 주요 5종 초미세플라스틱을 최소 9.3~163.9㎍/ℓ 수준까지 검출할 수 있으며, 검출 소요 시간은 단 10분에 불과했다. 강물과 바닷물은 물론, 생수·정수기 물·차·탄산수 등 우리가 일상에서 마시는 다양한 물에서도 안정적으로 작동해 실제 환경 적용 가능성을 입증했다. 

연구팀은 휴대용 형광 이미징 장치도 제작해, 검출 결과를 즉시 촬영·분석할 수 있도록 했다. 이를 통해 현장에서 곧바로 실시간 모니터링이 가능함을 확인했다.

이번 연구는 실험실에만 의존하던 기존 분석법의 한계를 극복하고, 저비용·고효율의 현장 검출 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크며, 향후 환경 모니터링은 물론 수질 관리, 식품 안전 등 다양한 분야에서의 활용이 전망된다.

【왼쪽부터 이은희 교수, 장윤수 박사과정생】

연구책임자인 이은희 교수는 “초미세플라스틱 오염은 점점 심각해지고 있으나 기존 분석법은 현장 적용성이 떨어졌다”며 “이번 연구를 통해 누구나 손쉽게 활용할 수 있는 검출 기술을 제시함으로써 환경 문제 해결에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 10월 5일자에 게재됐다.

- 논문 제목: A field-deployable lateral flow assay for rapid and sensitive detection of nanoplastics(초미세플라스틱 신속·고감도 현장 검출을 위한 측방유동분석법 개발)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139662 

이번 연구는 G-LAMP 사업단(중점 테마 연구소: 미래지구 환경 연구소) 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 미생물학과 장윤수 박사과정생이 제1저자, 이은희 교수가 교신저자로 참여했다.

* 상단 연구 이미지: 측방유동분석 기반 휴대용 센서를 활용한 초미세플라스틱 현장 검출 과정(강이나 바다 등에서 채취한 물을 센서에 적용하면, 

초미세플라스틱이 형광 신호로 확인된다.)

[Abstract]

Plastic pollution has emerged as a global concern, with nanoplastics posing a distinct threat due to their small size, high mobility, and persistence. However, conventional nanoplastic detection techniques often rely on sophisticated instruments and extensive preprocessing, limiting their on-site applicability. This study aimed to develop a rapid and portable lateral flow assay (LFA) for on-site detection of nanoplastics smaller than 200 nm in environmental water samples. Here, we present a fluorescence-based LFA capable of detecting five common polymer types–polystyrene, low-density polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, and polyvinyl chloride–within 10 min. The assay achieved detection limits ranging from 9.3–163.9 μg/L, depending on polymer type and particle size. It demonstrated excellent selectivity against common interferents such as bacterium and natural organic matter, and maintained robust performance in complex matrices including bottled water and tea extract. To validate real-world applicability, nanoplastic mixtures were spiked into river water and seawater at concentrations of 3.7 × 10²–3.7 × 10⁴ μg/L, and all five polymer types were successfully detected. These results demonstrate that the developed LFA enables rapid (<10 min), on-site detection of multiple nanoplastic types in real environmental water samples, providing a practical and field-deployable solution to improve monitoring and management of nanoplastic contamination.

- Authors (Pusan National University): 

 · First author: Yunsoo Chang (Department of Microbiology), 

 · Corresponding author: Eun-Hee Lee (Department of Microbiology, Institute for Future Earth)

- Title of original paper: A field-deployable lateral flow assay for rapid and sensitive detection of nanoplastics

- Journal: Journal of Hazardous Materials 

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139662 

- Contact e-mail: leeeh@pusan.ac.kr

광메카트로닉스공학과 김지수·이휘돈 교수 연구팀이 고순도 1.7 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1m) 광원을 기반으로 지방만을 선명하게 구별해내는 초고속 광음향 영상 기술을 개발해 지방 조직 진단 및 대사질환 연구의 새로운 전환점을 마련했다.

지방 조직은 인체의 다양한 대사·면역·염증 반응과 밀접하게 연관돼 있으며, 지방량의 변화는 비만, 지방간, 당대사 이상, 심혈관 질환 등 주요 질환의 조기 지표로 활용될 수 있다. 그러나 기존의 생체 지방 영상 기술은 초음파의 낮은 조직 대비, MRI의 높은 비용과 낮은 접근성, 형광 기반 영상의 낮은 침투 깊이 등의 문제로 지방 조직만을 선택해 고해상도·비침습적으로 관찰하는 데 한계가 있었다.

특히, 지방 조직은 1.7 ㎛ 파장에서 매우 강한 광흡수(optical absorption) 특성을 보이기 때문에, 이 파장을 활용하면 지방층을 다른 조직과 구별해 영상화할 수 있다. 그러나 기존 1.7 ㎛ 광원은 크고 복잡한 장비 구조와 낮은 펄스 에너지, 안정성 부족 등으로 인해 고대비 지방 영상 구현이 어려워, 지방층을 선명하게 관찰할 수 있는 새로운 고성능 광원의 필요성이 제기돼 왔다. 

이에, 연구팀은 광섬유(all-fiber)* 기반의 고스펙트럼 에너지밀도(high spectral energy density)** 1.7 ㎛ 나노초 펄스 광원을 개발해, 지방 조직을 선택적으로 고대비로 시각화하는 새로운 광음향 현미경(Photoacoustic Microscopy, PAM)*** 기술을 제안했다. 이 광원은 완전 광섬유 구조로 소형·안정성이 뛰어나며, 기존 대비 월등히 높은 펄스 에너지와 스펙트럼 에너지 밀도를 제공한다.

* all-fiber 구조: 모든 시스템이 광섬유 기반으로 구성된 형태.

** 고스펙트럼 에너지밀도(high spectral energy density): 일정 파장폭에서 전달할 수 있는 에너지양이 높다는 의미로, 신호 세기·영상 대비 개선의 핵심 파라미터.

*** 광음향 현미경(PAM): 빛을 쏘면 조직이 흡수한 에너지가 초음파로 변환되는데, 이 신호를 검출해 조직 구조를 영상화하는 기술. 혈관, 지방, 멜라닌 등 빛 흡수율이 높은 조직을 선명하게 영상화하는 것이 특징.

【연구팀이 개발한 광원을 이용해 획득한 선택적 지방조직 광음향 영상】

이 시스템은 고출력 나노초 펄스를 기반으로 강력한 지방 선택적 광음향 신호를 생성하며, 기존 대비 지방-비지방 조직 간 대비가 획기적으로 향상된 영상을 실시간으로 확보할 수 있다. 깊이 축에서의 분해능 또한 개선돼 정량적 지방 분석이 가능한 고신뢰도 영상 시스템을 구현했다. 이를 통해 지방조직 두께 측정, 지방대사 연구, 피하지방 구조 분석, 지방성 질환 조기 진단, 비만·지방간 연구, 약물 반응 모니터링, 미용·피부의학 분야 등 다양한 영역에서 활용이 기대된다.

또한, 광섬유 구조 덕분에 기존 대비 충격과 열 변화에 강하고, 정렬이 불필요하며, 소형화가 용이해 실제 임상·동물 연구 환경에도 적합한 성능을 확인했다. 현장형(Point-of-care) 의료 진단 기기, 휴대형 PAM 시스템으로의 확장 가능성도 크며, 국내 의료광학 및 광원 산업 경쟁력을 크게 높일 수 있을 것으로 전망된다.

해당 기술을 바이오·의학 분야에 적용할 경우, 지방 조직을 선택적으로 고해상도·고대비로 시각화할 수 있어 지방 대사 질환, 지방층 구조 변화, 피하지방 분포, 지방조직의 염증 반응 등 다양한 생체지표를 비침습적으로 추적할 수 있다. 

교신저자인 김지수 교수와 이휘돈 교수는 “이번 연구는 지방조직만을 선택적으로 고대비로 영상화할 수 있는 혁신적인 광원 기술로, 기존 광원의 여러 한계 중 특히 영상속도, 지방대비도 등을 크게 뛰어넘는 새로운 접근”이라며 “향후 대사성 질환 조기 진단, 지방 연구, 의료·바이오 영상 분야에서 매우 중요한 기술적 전환점이 될 것“이라고 밝혔다.

이번 연구는 부산대 광메카트로닉스공학과 김지수 교수와 이휘돈 교수 및 미국 듀크대학 조순우 박사가 교신저자, 부산대 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 박성진 박사와 박상민 박사가 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『Photoacoustics』 8월호에 게재됐다.

- 논문 제목: High Spectral Energy Density All-Fiber Nanosecond Pulsed 1.7 ㎛ Light Source for Photoacoustic Microscopy(1.7 ㎛ 대역 고순도 나노초 펄스레이저를 이용한 광음향 영상 시스템)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2025.100744 

해당 연구는 과학기술정보통신부 선도연구센터, 보건복지부 연구중심병원 육성 R&D사업 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 이휘돈 교수, 김지수 교수.

[Abstract]

We present a high spectral energy density all-fiber nanosecond pulsed 1.7 μm light source specifically designed for photoacoustic microscopy (PAM). The system targets the 1st overtone absorption of C–H bonds near 1720 nm within the near-infrared-III (NIR-III) window, where lipids exhibit strong optical absorption, and tissues benefit

from reduced scattering and high permissible fluence. To achieve narrow-linewidth, high pulse energy, and high pulse repetition rate (PRR), we developed a master oscillator fiber amplifier architecture based on stimulated Raman scattering. A 1589.80 nm Raman pump and a custom-built narrow-linewidth Raman seed laser were employed to generate spectrally pure 1719.44 nm pulses (~0.10 nm linewidth). The proposed light source delivers nanosecond pulses (~5 ns) with high pulse energy (≥2.2 μJ) and tunable PRRs up to 300 kHz, resulting in a spectral energy density of approximately 22 μJ/nm—significantly higher than that of conventional 1.7 μm light sources. Performance of the NIR-PAM system was validated through resolution testing with a 1951 USAF target, demonstrating a spatial resolution of approximately 4.14 μm and an axial resolution of approximately 85.5 μm. Phantom imaging of CH2-rich polymer films and ex vivo lipid-rich biological tissues confirmed the system’s high spatial fidelity and strong contrast for lipid-specific structures. This compact, stable, and spectrally refined light source with high spectral energy density can offer an effective solution for high-resolution, label-free molecular imaging and represents a promising platform for clinical photoacoustic imaging applications involving lipid detection and metabolic disease diagnostics.

- Authors (Pusan National University)

· Corresponding authors: Jeesu Kim, Hwidon Lee (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

· First authors: Seongjin Bak, Sang Min Park (Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology)

- Title of original paper: High Spectral Energy Density All-Fiber Nanosecond Pulsed 1.7 μm Light Source for Photoacoustic Microscopy

- Journal: Photoacoustics

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2025.100744 

- Contact e-mail: hwidonlee@pusan.ac.kr

분자생물학과 정의만 교수 연구팀이 임신 중 초기 신경 발달 시기의 ‘환경호르몬’으로 알려진 내분비계 교란물질(Endocrine disrupting chemicals, EDCs) 노출이 후각 신경 및 후각 신경의 기원인 뇌실하 영역(subventricular zone)에서 세포사멸을 일으키는 것을 발견하고, 그로 인해 냄새 탐지 능력이 감소할 수 있음을 확인했다.

‘내분비계 교란물질’은 체내 호르몬의 정상 기능을 교란시킬 수 있는 화학물질이다. 이 물질은 우리가 흔히 접하는 화장품, 캔, 플라스틱, 페인트, 의약품에서 광범위하게 사용되는데, 인간에게 무분별하게 노출되면서 건강에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고돼 왔다. 이에 전 세계적으로 내분비계 교란물질의 독성과 위해성에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

정의만 교수팀은 알킬페놀 계열의 내분비계 교란물질인 옥틸페놀(4-tert-octylphenol)이 마우스의 후각 신경에 미치는 영향을 조사해, 내분비계 교란물질이 후각 신경에도 영향을 줄 수 있음을 규명했다.

연구팀은 신경발달 시기 옥틸페놀 노출이 후각구의 사구체 층에서 후각 신호 처리와 관련된 도파민성 및 칼레티닌성 세포를 감소시킨다는 것을 확인했다. 성체기 행동 실험을 통해 후각 능력을 평가한 결과 후각 능력이 실제로 감소됐음을 알 수 있었다.

연구팀은 출생 1일 차인 마우스의 뇌실하 영역에 AAV1-CAG-GFP(형광 발현 재조합 아데노 바이러스)를 주입해 뇌세포에 감염시킨 후 출생 후 5일 차 및 성체기 후각구에서 세포의 형태를 살폈다. 그 결과, 옥틸페놀에 노출된 자손 마우스에서 수상돌기의 길이 감소가 관찰됐다. 이러한 결과는 후각 능력의 감소와 밀접한 관계가 있다.

연구팀은 등쪽 뇌실하 영역(dorsal subventricular zone)에서 세포 증식 마커인 BrdU(Bromodeoxyuridine), Ki-67, Phospho-Histone H3를 통해 신경 세포의 수가 감소했음을 확인했으며, 세포사멸 마커인 cleaved caspase-3와 Tunel assay 방법을 통해 옥틸페놀에 노출된 자손 마우스의 해당 영역에서 세포사멸이 발생함을 확인했다.

【환경호르몬인 옥틸페놀의 모계 노출이 자손 마우스 후각구와 뇌실하 영역에 미치는 영향】 

임신 중 자손마우스의 옥틸페놀 노출은 뇌실하 영역 및 후각구 신경 발달 악영향을 미침. 그로 인해 성체기에서 냄새 탐지 능력 감소 확인

또한 연구팀은 후각구에서도 세포 증식 마커가 감소됨을 발견하고, 이 결과를 통해 뇌실하 영역에서의 신경세포 감소가 후각구 (olfactory bulb) 신경 발달에도 직접적인 악영향을 미친다는 점을 밝혀냈다. 이러한 내분비계 교란물질이 후각 신경에도 영향을 줄 수 있다는 연구 결과는 새롭게 밝혀진 발견이다.

이번 연구는 뇌 발달이 활발히 진행되는 임신기부터 수유기까지 어미 마우스에 옥틸페놀을 투여해 자손 마우스가 옥틸페놀에 노출되도록 했으며, 이를 성체가 될 때까지 사육하며 영향을 분석했다.

또한, 연구팀은 마이크로어레이 분석(Microarray)을 통해 옥틸페놀 노출에 의한 자손 마우스 뇌의 유전자 발현 변화 양상을 확인했다. 그 결과, 옥틸페놀 노출군에서 대조군에 비해 후각 수용체, 페로몬 수용체 관련 유전자들의 발현량이 감소했다. 이는 옥틸페놀 노출이 후각구의 유전자 수준에도 악영향을 미친다는 것을 시사하며, 옥틸페놀의 모계 노출이 성체가 된 후에도 지속적인 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.

이번 연구는 내분비계 교란물질이 후각 기관에 악영향을 줄 수 있다는 새로운 발견으로, 향후 내분비계 교란물질에 대한 연구에 신선한 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 전망된다.

연구책임을 맡은 정의만 교수는 “이번 연구를 통해 내분비계 교란물질이 뇌 발달 과정에 미칠 수 있는 영향에 대한 새로운 관점을 제공했다”며 “앞으로의 연구에서도 다양한 환경적 요인이 뇌 발달에 미치는 영향을 탐구해 그러한 요인들의 위험성을 제고하고, 관련 정책 및 규제 수립에 기여할 수 있도록 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.

해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 10월 5일자에 게재됐다.

- 논문 제목: New insights into the olfactory development disrupted by 4-tert-Octylphenol in offspring mice (자손 마우스에서 옥틸페놀의 후각 발달 교란 효과에 대한 새로운 이해)

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425024896

이번 연구는 G-LAMP 사업단(중점 테마 연구소: 미래지구 환경 연구소) 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 부산대 분자생물학과 이동훈 석사과정생이 제1저자, 연구책임자 정의만 교수가 교신저자로 수행했다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 정의만 교수, 이동훈 석사과정생.

[Abstract]

4-tert-Octylphenol (4t-OP) is an endocrine-disrupting chemical widely used in industrial products that exert neurotoxic effects, thus affecting hippocampal neurogenesis and cognitive function. However, its effect on the subventricular zone (SVZ), a crucial neurogenic niche, remains unclear. The present study demonstrated that maternal 4t-OP exposure significantly reduced neurogenesis in the dorsal SVZ, the primary source of dopaminergic periglomerular cells and superficial granule cells, in the olfactory bulb (OB) in mouse offspring. This reduction in neural progenitor populations led to decreased numbers of OB neurons, particularly tyrosine hydroxylase- and calretinin-positive cells, which play a key role in olfactory processing. These changes persisted in adulthood and were associated with olfactory dysfunction, including impaired odor detection and reduced social odor preference in behavioral tests. These findings indicate that 4t-OP exposure disrupts SVZ neurogenesis, leading to long-term sensory and behavioral deficits, highlighting its potential neurodevelopmental risks. Moreover, the observed impairment in olfactory function induced by 4t-OP exposure provides new insight into how endocrine-disrupting chemicals affect sensory organs.

- Authors (Pusan National University): Dong Hun Lee, Eui-Man Jung (Department of Molecular Biology)

- Title of original paper: New insights into the olfactory development disrupted by 4-tert-Octylphenol in offspring mice

- Journal: Journal of Hazardous Materials

- Web link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425024896 

- Contact e-mail: jungem@pusan.ac.kr

의생명융합공학부 박형기(사진) 교수팀은 일본 연구진과 함께 COVID-19 mRNA 백신 접종자의 항체 반응을 대규모로 분석해, 돌파감염(백신 접종을 완료했음에도 감염되는 경우) 위험이 높은 집단을 규명하고 이를 조기에 파악할 수 있는 방법을 제시했다. 

연구팀은 2021년부터 2025년까지 4년에 걸쳐 수집한 약 2,500명의 항체 및 임상 데이터를 수학적 모델링과 AI(인공지능) 기법으로 정밀 분석했다. 이를 통해 mRNA 백신에 의해 유도되는 항체 반응이 △높고 오래 유지되는 ‘내구형’ △충분히 형성되지 않는 ‘취약형’ △처음에는 높게 형성되지만 급격히 줄어드는 ‘급속저하형’ 등 몇 가지 특이적 패턴을 보인다는 사실을 확인했다. 

특히, ‘취약형’과 ‘급속저하형’ 집단은 돌파감염 위험이 유의하게 높았으며, 돌파감염을 경험한 이들은 접종 후 조기 단계에서 혈중 IgA(S) 항체가가 낮게 나타났다. 이는 IgA 항체가 돌파감염 위험을 조기에 가늠할 수 있는 바이오마커로 활용될 가능성을 시사한다. IgA(Immunoglobulin A)는 우리 몸의 점막 면역을 담당하는 대표적인 항체다.

mRNA 백신은 COVID-19 확산을 억제하는 데 큰 역할을 했다. 하지만 접종자 중 일부는 백신을 접종했음에도 불구하고 빠르게 감염을 겪는 경우가 있었다. 이는 백신이 유도하는 항체 반응에 개인차가 크다는 것을 의미하지만, 그동안 백신 유도 항체의 패턴을 정밀하게 분석한 연구는 드물었다. 

이에 연구팀은 백신 접종 후 항체 동태를 면밀히 추적 분석해, 돌파감염 위험이 높은 고위험군을 파악하는 방법을 수립하는 것이 시급하다고 판단해 연구를 시작했다.

이러한 연구에서의 어려운 점은 데이터를 반복적이고 장기적으로 측정하는 데 시간적·물리적 제약이 크다는 점이다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 항체 변동을 설명하는 수학적 모델을 개발해 데이터를 정량적으로 분석할 수 있도록 했다. 

또한 비지도 기계학습(Unsupervised Machine Learning)을 활용해 특이적 항체 변동 패턴을 분류하고, 돌파감염이 빠르게 일어나는 집단을 식별하는 데 성공했다. 그리고, 이러한 집단은 연령 등 기본 임상 정보만으로는 조기 파악이 어렵지만, IgA 항체가 유용한 예측 인자가 될 수 있음을 밝혀냈다.

【연구 개념도】

포스트 코로나 시대와 미래 신종 감염병 대응에서 가장 큰 과제 중 하나는 효율적인 백신 접종 체계 확립이다. 특히, 제한된 의료 자원을 고위험군에 적절히 분배하는 것이 중요하다. 

이번 연구는 수학적 모델과 AI를 결합한 첨단 분석기법으로 개인별 항체 반응 차이를 과학적으로 분류했으며, 이를 통해 추가접종의 적절한 시기와 우선순위를 과학적 근거 기반으로 제시할 수 있게 됐다. 

이 분석기법은 향후 다양한 감염병과 백신 플랫폼의 접종 전략 수립을 위한 분석에 적용 가능하며, 미래 팬데믹 대비와 개인 맞춤형 면역 관리 정책에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 박형기 교수가 제1저자로 수행했으며, 일본 후쿠시마현립의대의 츠보쿠라 마사하루(Masaharu Tsubokura) 교수 연구팀이 수집한 항체 데이터를 바탕으로 일본 나고야대 이와미 신고(Shingo Iwami) 교수 연구팀과 박형기 교수 연구팀이 수학적 모델과 AI 기법을 결합해 분석을 진행했다.

해당 연구 결과는 융합 의학 분야의 세계적 권위지인 『Science Translational Medicine』 9월 17일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Longitudinal antibody titers measured after COVID-19 mRNA vaccination can identify individuals at risk for subsequent infection (COVID-19 mRNA 백신 접종 후 항체 변화 추적을 통한 돌파감염 위험군 규명)

- 논문 링크: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adv4214 

박형기 교수는 “이번 연구를 통해 mRNA 백신 항체 반응의 차이를 정밀하게 규명하고, 추가접종이 더 일찍 필요한 집단을 과학적으로 제시할 수 있었다”며 “이는 향후 백신 정책 수립과 팬데믹 대비 전략 마련에 중요한 근거가 될 것”이라고 말했다.

박 교수는 이어 “이번 연구는 수학적 모델이 기존의 데이터 분석 기법과 결합될 때 다양한 분야의 난제를 해결할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 보여준 점에서도 의미가 크다”고 덧붙였다.

[Abstract]

Although COVID-19 posed a major threat, the success of mRNA vaccines enabled rapid development and distribution, helping to control the pandemic. However, vaccine-induced immunity wanes over time, and large individual differences make it difficult to design optimal booster strategies. Identifying poor responders who fail to sustain antibody levels is therefore crucial for prioritizing revaccination.

In this study, we analyzed longitudinal antibody data from 2526 individuals in Fukushima (2021–2022) using mathematical modeling and machine learning. We identified three distinct antibody persistence patterns—durable, vulnerable, and rapid-decliner—and found that rapid-decliners tended to become infected earlier. This suggests that the ability to maintain antibodies, rather than high initial titers, may be more important for preventing early infection. Additionally, individuals who experienced breakthrough infections showed lower early spike-specific IgA levels after booster vaccination, indicating that IgA may serve as a useful marker for assessing breakthrough infection risk.

This approach provides valuable evidence for optimizing vaccine allocation and enhancing population-level immunity in future pandemics and the post–COVID-19 era.

- Author (Pusan National University): Hyeongki Park (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Longitudinal antibody titers measured after COVID-19 mRNA vaccination can identify individuals at risk for subsequent infection

- Journal: Science Translational Medicine

- Web link: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adv4214

- Contact e-mail: hkpark@pusan.ac.kr

응용화학공학부 김채빈 교수 연구팀이 한양대 및 동의대와의 공동연구로, 자기장과 빛을 이용해 정밀하게 제어할 수 있는 상어 피부 모사 마이크로 구조체 개발에 성공했다.

자연계 생물들은 고유의 마이크로 구조를 통해 탁월한 기능을 발현한다. 연구팀은 이 가운데 상어 피부의 구조에 주목했다. 상어 피부는 ‘리블렛(riblet)’이라고 하는 단단한 비늘이 교차하고 층층이 적층된 구조를 이루고 있어, 유체 저항을 줄이고 빠르게 헤엄칠 수 있게 해준다.

이러한 생체 구조를 모사한 인공 상어 피부를 항공기, 선박 등 차세대 운송 수단의 외피에 적용한다면, 마찰 저감을 통해 연료 소모를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 보인다.

실제로 1980년 미국항공우주국(NASA) 랭글리연구소는 인공 상어 피부를 비행기 표면에 부착하면 공기 저항을 감소시킬 수 있다고 보고한 바 있으며, 이 기술은 이후 연료 절감을 위한 핵심 기술로 지속적인 연구가 이어지고 있다.

하지만 상어 피부의 리블렛 구조는 단순한 나열이 아닌, 미세한 비늘이 교차하고 중첩된 3차원 복합 구조를 띠고 있어 기존의 복제 성형(replica molding) 기술로는 정밀한 구현이 매우 어려웠다.

이번 연구에서는 자기장으로 형성된 마이크로 구조체를 빛에 노출해 실시간으로 고정·해제 가능한 혁신적인 재료를 선보였다. 

기존 연구에서는 자기장으로 상어 비늘에 해당하는 인공 리블렛을 원하는 방향으로 구부렸어도 자기장을 제거하면 원래 형태로 돌아갔다. PDMS(폴리디메틸실록산) 같은 유연한 소재를 활용해도, 구조를 고정하기 위해 레진을 함침(含浸)하거나 열과 압력을 가하는 복잡한 후처리 과정이 필요했다.

반면, 이번 연구 소재는 빛을 통해 구조를 고정한 후 필요 시 다시 빛과 자기장으로 원상복귀시킬 수 있다. 이를 위해 연구팀은 ‘동적 공유 결합(Dynamic Covalent Bonds) 기반의 가교 고분자(CAN, Covalent Adaptable Networks)’를 마이크로 구조체에 적용했다. 특히 빛에 반응해 동적 교환 반응을 일으킬 수 있는 이황화 결합(disulfide bond)을 도입함으로써, 광(光) 자극으로 분자 수준에서 결합 재배열을 구현해 마이크로 구조의 성공적인 형상 제어가 가능하도록 설계했다.

【(a) 자기장과 빛을 통해 원격으로 제어되는 샤크 스킨의 제작 모식도

(b) 세워진 형태의 마이크로 구조의 현미경 이미지(왼쪽)와 굽혀진 형태의 마이크로 구조의 현미경 이미지(오른쪽)】

이러한 광반응성 메커니즘은 분자동역학 시뮬레이션을 통해 분자 수준에서 명확하게 규명됐으며, 빛의 세기에 따라 반응 특성이 어떻게 달라지는지도 정밀 분석됐다.

연구팀은 이황화 결합 기반의 CAN과 자성입자를 혼합한 복합재료를 개발했다. 이 소재는 열경화 전 액상의 상태에서 자성 입자를 균일하게 분산시킨 뒤, 자체 개발한 상어 피부 유사 몰드에 주입해 열에 의해 경화된다. 이후 외부 자기장을 활용해 자화(磁化) 프로파일을 설계함으로써, 외부 자기장에 반응하는 정밀한 마이크로 구조를 제작할 수 있었다.

제작된 구조는 초기에는 각 리블렛이 수직으로 세워진 형태이나, 자기장을 적용시키면 자화된 내부 자성 입자들이 반응해 리블렛들이 누운 상태가 된다. 이 상태에서 빛을 쪼이면 굽혀진 구조는 동적 교환반응으로 인해 사슬의 응력을 완화하고 형상을 고정하게 돼 실제 상어 피부와 같이 교차로 적층된 구조를 형성하게 된다. 이는 현재까지 보고된 인공 구조 중 실제 상어 피부와 가장 유사한 수준이다.

【왼쪽부터 김채진 교수, 윤여명 박사과정생】

김채빈 교수는 “이번 기술은 상어 피부 구조를 구현했을 뿐만 아니라, 빛과 자기장을 활용한 지능형 마이크로 구조로 설계해, 향후 에너지 효율화, 스마트 소재, 자가 치유 표면 등 다양한 응용 분야로의 적용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한양대·동의대와의 공동연구로, 응용화학공학부 김채빈 교수가 교신저자, 윤여명 박사과정생이 제1저자로 수행했다. 한국연구재단의 지원을 받았다. 

해당  연구 결과는 저명한 국제 학술지 『Advanced Materials』 10월 2일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문(Front cover)으로 선정됐다.

- 논문 제목: Light Fueled In-Operando Shape Reconfiguration, Fixation, and Recovery of Magnetically Actuated Microtextured Covalent Adaptable Networks (빛을 이용해 형상 전환과 고정, 복원이 가능한 자성으로 구동되는 동적 공유결합으로 가교된 고분자 기반 마이크로 구조)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202503161

【저널 표지 논문 이미지】

[Abstract]

A research team led by Prof. Chae Bin Kim (Pusan National University) has developed innovative disulfide-based covalent adaptable networks (DS-CANs) that enable reversible shape-shifting and fixation using magnetic fields and ultraviolet (UV) light. Traditional magnetic micropillar arrays, composed of PDMS and magnetic particles, deform under a magnetic field but fail to retain their shape once the field is removed. Previous fixation strategies—such as water-soluble binders or thermosetting resins—faced limitations in reversibility and environmental compatibility. The newly developed DS-CANs address these challenges, enabling UV- or heat-triggered shape locking at room temperature without the need for solvents or resins. These materials also offer spatiotemporal control, reprocessability, and self-healing capabilities.

To demonstrate their functionality, the team fabricated DS-CAN/NdFeB micropillar arrays that respond to magnetic fields and retain their programmed shapes after UV exposure. The reversible deformation and fixation processes were further validated using non-equilibrium molecular dynamics and Monte Carlo simulations. Additionally, the successful formation of ribbed microstructures mimicking shark skin highlights the material's potential for complex 3D shaping. This breakthrough opens new possibilities for soft robotics, programmable surfaces, and smart adhesives, while also offering energy-efficient solutions for drag reduction in smart surface and transport systems. 

- Authors (Pusan National University) · Yeomyung Yoon (School of Chemical Engineering) · Chae Bin Kim (School of Chemical Engineering, Department of Polymer Science and Engineering, Research Institute for Convergence of Biomedical Science and Technology)

- Title of original paper: Light-Fueled In-Operando Shape Reconfiguration, Fixation,and Recovery of Magnetically Actuated MicrotexturedCovalent Adaptable Networks

- Journal: Advanced Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adma.202503161