우리가 아는 감기 바이러스 중 일부는 코로나바이러스 계열이다. 그중 ‘OC43’은 코로나19의 친척 격으로, 감기 증상뿐 아니라 폐렴이나 뇌염까지 유발할 수 있어 면역이 약한 사람에겐 위험하다.

나노바이오융합연구소 유소영(사진) 연구교수팀이 성균관대와의 공동연구를 통해 흔히 생각하는 약이 아닌, ‘박테리오파지’라는 좋은 바이러스를 이용해 감기처럼 퍼지는 코로나바이러스 ‘OC43’의 감염을 차단하고 염증까지 억제할 수 있는 착한 바이러스 ‘Ac-SLPhage’ 치료제를 개발했다. 박테리오파지는 박테리아를 감염시키는 바이러스로, 사람에게는 무해하며 생명공학·의료 분야에서 다양하게 활용된다.

【유소영 연구교수】

‘OC43’는 사람 코로나바이러스의 일종으로, 감기 증상부터 중증 폐렴·뇌염까지 유발할 수 있으며, 숙주를 감염시킬 때 ‘시아산’이라는 물질을 인식해 세포로 침입한다. 

치료제 개발에 나선 연구팀은 시아산 계열 리간드(세포 표면 수용체에 결합해 생물학적 반응을 일으키는 분자)인 9-O-acetylated sialic acid를 박테리오파지 표면에 다중으로 결합시켰다. 그러자 코로나바이러스가 이 가짜 수용체를 진짜로 착각해 달라붙으면서, 결국 숙주 세포에 침입하지 못하고 무력화됐다. 실험 결과, 감염 억제율 99.5%, 세포 손상 최소화, 생존율 향상 등의 효과가 나타났다.

또한, 이 Ac-SLPhage 치료제는 면역세포를 회복형(M2)으로 바꿔 염증을 줄이고 손상된 조직 회복을 돕는다. 

감염이 일어나면 면역세포가 과잉 반응하면서 몸에 해로운 염증이 생긴다. M1은 ‘싸우는 면역세포’, M2는 ‘회복하는 면역세포’인데, Ac-SLPhage는 M2형 분화를 유도해 과잉 염증을 완화하고 손상된 조직 회복을 촉진했다. 이로써 감염으로 인한 염증성 사이토카인(IL-6)의 분비가 줄고, 세포 내 항산화 시스템(HO-1, NQO1)도 강화됐다.

생후 5일령 마우스를 대상으로 한 실험에서 Ac-SLPhage는 감염 전·후 모두 생존율 증가, 폐 조직 염증 감소, 바이러스 농도 저하를 유도했다.

특히, 정맥·비강·복강 투여 모두에서 폐 조직에 선택적으로 축적됐다. 이는 약물이 호흡기 질환 치료의 목표 장기인 폐에 잘 도달했다는 의미로, 감염 부위에 정확하게 작용하는 ‘표적 치료제’로서의 가능성을 보여준다.

면역반응이나 항체 생성도 거의 유발되지 않아 반복 투여가 가능한 치료제로서의 안정성도 확인됐다. 

【‘감기 코로나 바이러스’를 막고 폐를 지키는 착한 바이러스(Ac-SLPhage)의 효능 검증】

(A) 실험 설계도. 감기처럼 생긴 코로나 바이러스(OC43)를 쥐에 감염시키고, 감염 전후로 Ac-SLPhage를 주사해 효과를 비교함.

(B) OC43의 감염은 폐, 비강, 신장 등에 축적되지만 Ac-Phage를 주사한 경우 OC43의 감염이 현저히 줄어듦.

(C) 폐 조직 현미경 사진. 감염되면 폐가 망가지지만, Ac-SLPhage를 맞으면 건강한 폐처럼 구조가 유지됨.

(D) 형광 염색 이미지. 감염된 폐에는 녹색 바이러스 단백질(N-protein)과 빨간색 염증 단백질(IL6)이 늘어나지만 Ac-SLPhage를 맞으면 확연히 줄어듦.

(E) 유전자 발현 분석 결과. 면역세포 중 하나인 대식세포도 M2형으로 유도돼 염증을 완화하고 조직을 회복시키게 됨.

유소영 연구교수는 “이번 연구는 바이러스가 세포에 침투할 때 사용하는 열쇠구멍(리간드)을 속여 감염 자체를 원천 차단하고, 동시에 우리 몸의 면역 시스템이 스스로 회복하도록 유도했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “특히 ‘착한 바이러스’라 불리는 박테리오파지를 기반으로 설계해, 인체에 무해하면서도 면역 회복 효과까지 겸비한 치료 전략을 구현했다. 이는 기존 약물이 도달하지 못한 감염 초기 단계와 숙주 회복 과정을 동시에 공략할 수 있는 기술로, 박테리오파지를 임상 치료제로 활용할 수 있는 실질적 가능성을 제시했을 뿐만 아니라, 비슷한 감염 메커니즘을 가진 다른 경우에도 적용 가능해 코로나바이러스 계열 팬데믹 대응에 대한 기대감을 갖게 한다”고 말했다.

해당 연구 성과는 부산대 나노바이오융합연구소 유소영 연구교수 팀과 성균관대 정우재 교수팀이 공동으로 수행했으며, 세계적 학술지 『Journal of Controlled Release』 9월 10일자에 게재됐다.

- 논문 제목: A multivalent 9-O-acetylated sialic acid-conjugated bacteriophage platform for antiviral and immunomodulatory therapy for human coronavirus OC43(인간 코로나바이러스 OC43에 대한 항바이러스 및 면역조절 치료를 위한 다가 9-O-아세틸 시알산 결합 박테리오파지 플랫폼)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.113996 

이번 연구는 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 과학기술정보통신부 중견연구지원사업 등의 지원을 받았다.

* 상단 연구 이미지: Ac-SLPhage의 작동 방식

- 왼쪽 붉은색 영역은 감기 바이러스(OC43)가 세포에 침투했을 때 발생하는 염증, 산화 스트레스, 세포 손상을 보여준다.

- 오른쪽 녹색 영역은 착한 바이러스 ‘Ac-SLPhage’가 감기 바이러스를 포위하고, 세포를 보호하는 과정을 나타낸다.

- Ac-SLPhage는 코로나 바이러스가 사용하는 시아산을 표면에 다발로 결합해, 바이러스가 세포 대신 파지에 착각하고 달라붙도록 유도한다. 

- 동시에 세포 내 면역 경로(JNK, ERK)를 정상화하고, 항산화 효소(HO-1, NQO-1)를 활성화해 감염된 세포를 보호한다.

[Abstract]

A research team at Pusan National University, led by Research Professor So Young Yoo from the Institute of Nano-Bio Convergence, has developed a “good virus” therapy that can block and control infections caused by the human coronavirus OC43—a cousin of COVID-19 that spreads like a cold but can lead to pneumonia or even brain inflammation.

The team engineered a bacteriophage (a harmless virus that targets bacteria) to display special sugar-like molecules called sialic acids, which OC43 normally uses to enter human cells. By mimicking these entry points, the modified phage tricks the virus into attaching to it instead of healthy cells—stopping infection before it begins.

More than just a blocker, the therapy also helps the immune system recover. It shifts immune cells from an aggressive, inflammatory state to a healing mode, reducing harmful inflammation and boosting antioxidant defenses. In animal studies, the treatment increased survival, protected lung tissue, and showed no serious side effects—even when delivered through the nose or bloodstream.

The study, conducted in collaboration with Sungkyunkwan University, was published in the Journal of Controlled Release on September 10, 2025, and was supported by the Ministry of Health and Welfare and the Ministry of Science and ICT. 

The platform offers a promising strategy for future coronavirus outbreaks and other respiratory infections.

- Author (Pusan National University): So Young Yoo (Institute of Nanobio Convergence)

- Title of original paper: A multivalent 9-O-acetylated sialic acid-conjugated bacteriophage platform for antiviral and immunomodulatory therapy for human coronavirus OC43

- Journal: Jounral of Controlled Release

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.113996 

- Contact e-mail: yoosy2@gmail.com

응용화학공학부 성동기 교수 연구팀은 강성(Rigid)과 연성(Flexible)을 동시에 갖춘 ‘종이접기형’ 복합재료를 개발해, 차세대 로봇, 전개형 우주 구조물, 웨어러블 기기 등에 활용 가능한 소재 및 공정 기술을 확보했다. 강하지만 자유롭게 변신 가능한 트랜스포머 로봇, 작게 접어 우주선에 싣고 나가 우주에서 넓게 펼 수 있는 태양광 패널, 자유롭게 접히는 폴더블 폰. 이 모든 것이 가능할 전망이다.

강철보다 강하면서 강철의 절반 이하로 가벼운 섬유강화 복합재료는 항공기, 자동차, 풍력발전, 레저용품 등에 사용되고 있지만, 단단한 특성으로 인해 유연성이 필요한 첨단 분야 적용에 한계가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 기존의 단일 고분자만을 적용하는 복합재료를 넘어, 강성과 연성을 선택적으로 구현하는 새로운 복합재료 기술을 제안했다. 

연구팀은 두 가지 다른 성질을 가진 고분자 수지를 한 번에 필요한 부위에만 선택적으로 넣을 수 있는 새로운 제조 공정을 개발했다. 이 기술을 ‘다중수지 토출공정(Multi-resin dispensing)’이라고 하는데, 다른 종류의 고분자 수지를 선택적으로 함침해 단단한 수지는 힘을 많이 받는 부위에, 유연한 수지는 접히거나 움직이는 부위에 골라서 넣을 수 있다. 

이 공정을 이용해 연구팀은 대표적인 항공용 경량 구조재인 강성의 탄소섬유(Carbon Fiber)*와 방탄 소재인 연성의 케블라섬유(Kevlar Fiber)**로 일체형 복합재료를 제조했다. 하나의 직물이지만 어떤 부분은 튼튼하고, 어떤 부분은 부드럽게 접히는 일체형 하이브리드 복합재료가 탄생한 것이다.

* 탄소섬유: 탄소 함량이 매우 높은 가볍고 강한 섬유로서 고강도·고탄성 특성이 필요한 항공우주, 자동차, 스포츠용품 등에 널리 사용됨.

** 케블라섬유: 가벼우면서도 철보다 5배 이상 강한 인조 섬유로서 방탄복, 헬멧, 소방복 등 고강도 보호장비에 사용됨.

신규 복합소재는 뛰어난 기계적 물성을 가질 뿐만 아니라, 1,000번에 이르는 반복적 접힘과 펼침에도 우수한 내구성을 유지했다. 

기존에는 강성과 유연성을 동시에 가지려면 여러 재료를 조립하거나 복잡한 공정을 거쳐야 했다. 하지만 이 기술은 한 번의 공정으로, 한 장의 재료에 ‘기능을 구분해서 넣을 수 있는’ 스마트한 방법이다. 

또한, 고가의 장비나 노동력 없이도 2분 내에 복합재료를 만들 수 있는 대량생산 공정으로 산업에 적용하기가 용이할 것으로 전망된다. 특히 신규 공정을 이용해 삼각기둥형 종이접기 구조물(TCO, Triangular cylindrical origami)을 설계해 자동화 공정으로 제작한 후 반복적인 접힘과 펼침 과정에서도 탁월한 내구성과 안정성을 검증했고, 대량생산이 가능한 고속성형 공정 개발로 다양한 산업으로의 활용 가능성을 보였다.

지금까지 유연성이 뛰어나 소프트 로봇에 적용 가능한 소재나 우수한 강성으로 구조재에 적용하는 소재는 각각 많이 개발돼 왔지만, 이번에 개발된 기술은 강·연성을 하나의 구조에서 동시에 구현하는 복합재료를 대량생산할 수 있는 것으로, 로봇 관절부, 우주항공 전개 구조체, 웨어러블 기기 등 첨단산업 분야에서의 폭넓은 활용이 기대된다. 

【왼쪽부터 성동기 교수, 손승모 박사과정생】 

성동기 교수는 “이번 연구는 이종섬유 적층 설계, 다중 고분자의 선택적 토출 공정과 종이접기 구조를 융합해 항공기 수준의 강성을 가지면서도 자유롭게 접고 펴는 전개가 가능한 일체형 복합재료를 수월하게 제조하는 기술을 처음 제안한 것으로, 영화에서 보던 트랜스포머(Transformer) 로봇이나 태양광 돛(Solar sail) 우주선 등을 구현할 수 있는 핵심기술로 발전할 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 고분자복합재료연구실의 독자적인 연구로, 성동기 교수가 교신저자, 손승모 박사과정생이 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업과 미래기술연구실사업의 지원을 받았다.

해당 성과는 국제 학술지 『Composites Part B: Engineering』 10월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Deployable fiber-reinforced polymer for advanced monolithic Rigid-Soft robotics applications(일체형 강·연성 로보틱스용 전개형 섬유강화 복합재료)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112754

* 상단 연구 이미지: 전개 가능한 일체형 복합재료 제조 기술 개발 및 응용 분야 모식도.

(위) 신규 강·연성 일체형 복합재료 고속 성형공정 이미지 및 구조

(가운데) 실제 ‘종이접기’ 복합재료의 압축-전개 이미지

(아래) 신규 소재 및 공정의 응용 분야 - 항공우주, 로보틱스, 웨어러블 디바이스 등

[Abstract]

Researchers at Pusan National University have developed an origami-inspired fiber-reinforced polymer composite that selectively integrates rigid and flexible epoxy resins into carbon and Kevlar fibers within a single structure. This novel multi-resin dispensing method allows rapid fabrication in under two minutes, yielding a composite with excellent mechanical properties and durability under repeated folding, offering significant advancements for robotic joints and deployable aerospace structures.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Seung Mo Son (School of Chemical Engineering)

 · Corresponding author: Dong Gi Seong (Department of Polymer Science and Engineering / School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Deployable fiber-reinforced polymer for advanced monolithic Rigid–Soft robotics applications

- Journal: Composites Part B: Engineering

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112754

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

고분자공학과 이재준(사진) 교수 연구팀이 극한 충격 시 에너지를 효과적으로 흡수하는 새로운 고분자 재료의 원리를 규명했다.

연구팀은 금속-리간드 간 분자 결합이 아주 빠르고 강한 충격(고변형률 응력파)을 받으면 변형률이 낮은 결합이 선택적으로 끊어지며, 이 과정에서 충격 에너지를 흡수하고 흩어지는 현상을 실험과 시뮬레이션을 통해 입증했다.

현대사회는 고속 이동체의 확산, 무인항공기와 위성의 상용화, 우주 탐사 임무의 증가, 국가 간 군사적 긴장과 테러 위협 고조 등으로 인해 초고속 충격이나 폭발 상황에 노출되는 빈도가 점차 증가하고 있다. 이러한 환경에서는 106/s 에 달하는 고변형률 응력파(high strain rate stress wave 또는 충격파 shockwave)가 순간적으로 재료에 전달되며, 기계적 손상뿐 아니라 인명 피해, 정보 손실, 시스템 마비 등 복합적 위험을 유발할 수 있다.

이에 따라, 충격파를 능동적으로 흡수하거나 효과적으로 분산시키는 소재 기술은 미래 사회의 안전과 지속 가능성을 위한 핵심 기술 영역으로 주목받고 있다. 단순한 기계적 강도뿐만 아니라, 극한 응력 하에서 에너지를 소산시키는 ‘스마트한 재료 반응성’이 요구되며, 이번 연구는 바로 이러한 요구에 대한 과학적 해답을 제시하고 있다.

연구팀은 고속 충격 환경에서 고분자 내부의 특정 결합, 특히 금속-리간드 간 정사각형 평면 구조(square planar configuration)가 낮은 결합 변형률로 인해 응력에 집중적으로 반응하며 선택적으로 해리(解離)되고, 이 과정이 전체 시스템의 에너지 소산(dissipation)에 결정적인 역할을 한다는 사실을 실험과 계산을 통해 입증했다.

【레이저 유도 충격파를 활용한 충격파 소산 실험을 통해 금속-이미다졸 결합의 해리에 따른 충격파 감쇠율을 평가.
밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 금속-이미다졸 결합의 기하구조에 따른 변형률 임계점의 변화와 이에 따른 충격파 감쇠 특성의 이해】

이를 위해 레이저 유도 충격파 실험으로 매우 짧은 시간 동안 발생하는 고변형률 응력 환경을 구현하고, 이로 인한 재료 내 분자 구조의 반응을 추적했다. 연구팀은 응력의 경계 조건과 파동의 진행 방향에 따라 금속-리간드 결합 중에서도 리간드가 금속 이온을 중심으로 서로 반대쪽에 위치한 ‘트랜스(trans)’ 형태가 우선적으로 해리되며, 이 해리가 전체 재료 시스템의 에너지 흡수 성능을 향상시킨다는 것을 확인했다.

이번 연구의 또 다른 주목할 점은 실험에 활용된 금속-리간드 기반 고분자 재료가 동적 결합의 특성 덕분에 우수한 자가치유(self-healing) 능력과 재공정성(reprocessability)을 동시에 갖춘다는 점이다. 손상 시에도 스스로 회복이 가능하며 새로운 모양의 형태로 재공정이 가능해, 우주 장비, 방탄 보호 소재, 극한 기능성 코팅 등 극한 환경에서 반복적 충격을 견뎌야 하는 응용 분야에서 기존 고분자 재료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 충격파는 수 마이크로초 내에 수천 배의 변형률(strain rate)을 유발하기 때문에, 이러한 극한 조건에서 동적 결합의 해리 거동을 예측할 수 있는 계산적 접근이 매우 어려웠다.

이에 대해 연구팀은 레이저 유도 충격 실험 데이터를 기반으로 밀도범함수 이론 계산(DFT)을 연계하는 방식으로 해석 프레임워크를 구성했다. 이로써 실제 재료 내부에서 일어나는 결합 해리 현상을 시간·공간적으로 정밀하게 추적할 수 있었으며, 이러한 방식은 향후 금속-리간드 기반 고분자 설계에 실질적이고 재현성 있는 계산 도구로 활용 가능하다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다.

【(a) 연구에 활용된 금속-리간드 결합과 DFT에 활용된 금속-이미다졸 결합 모형
(b) 결합 신장 과정 동안 DFT 계산을 통해 얻은 금속-이미다졸 복합체의 상대적인 에너지 프로파일로,
각 금속의 배위 기하구조를 최대 에너지와 최대 힘을 통해 비교함. 

(c) 다양한 배위 기하구조에 따른 결합 파단 변형률과,
서로 다른 입력 압력에서 충격파에 의해 유도되는 제한적인 압축 변형률의 비교】 

이재준 교수는 “이번 연구는 분자 단위에서 응력파의 영향을 해석하고 재료의 설계로 연결한 실험-계산 통합 사례”라며 “특히 고속 충격 조건에서 변형률 임계점(strain threshold)을 중심으로 설계된 금속-리간드 결합이 고성능 충격흡수재로 기능할 수 있다는 점을 최초로 정량적으로 증명했다”고 설명했다. 

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아, 부산대 고분자공학과 조승래(제1저자, 현 KAIST 신소재공학 석사과정) 학부연구생, 이혜미 석사과정생과 제시은 석사과정생, KIST 학생연구원이자 서울대 재료공학부 이주호 박사과정생, 부산대 기계공학과 배수원 교수, KIST 김태안(공동 교신저자) 박사, 연구 책임자 부산대 고분자공학과 이재준(교신저자) 교수가 주도해 수행했다. 

해당 연구 결과는 고분자 재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 『Polymer Testing』 9월호에 게재됐다. 

- 논문 제목: Enhancing Shock Wave Energy Dissipation in Metallosupramolecular Polymer by Tuning Metal-Imidazole Coordination Interactions (금속-이미다졸 배위 조절을 통한 메탈초분자 고분자의 충격파 에너지 소산 성능 향상) 

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108885  

[Abstract]

Professor Jaejun Lee’s group in Pusan National University, Republic of Korea, in collaboration with Dr. Tae ann Kim’s team at KIST (Korea Institute of Science and Technology), has experimentally and computationally demonstrated how metallosupramolecular bonds dissipate energy under extreme impact. When exposed to very fast, high-strain-rate stress waves, metal-ligand bonds with lower maximum strain selectively break, absorbing and scattering shock energy. The findings were published in the September issue of Polymer Testing (Elsevier top 1% journal, JIF Percentile 98.6 in MATERIALS SCIENCE, CHARACTERIZATION & TESTING).

- Author (Pusan National University): Jaejun Lee (Department of Polymer Science and Engineering)　  

- Title of original paper: Enhancing Shock Wave Energy Dissipation in Metallosupramolecular Polymer by Tuning Metal-Imidazole Coordination Interactions

- Journal: Polymer Testing

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108885

- Contact e-mail: jlee-pse@pusan.ac.kr

특정 사건(event)이 언제 발생하는지를 다루는 통계 분석법인 ‘생존분석(Survival Analysis)’을 한층 정교하게 발전시킨 부산대학교 연구팀의 새로운 데이터 분석 기법이 주목받고 있다. 

※ 생존분석(Survival Analysis)에서 ‘생존(survival)’은 어떤 사건이 일어나지 않고 유지되는 기간을 의미한다. 핵심은 사건 발생 여부뿐만 아니라, 시간과 사건 발생 확률을 함께 고려한다는 점이다.

교육학과 이계진(사진) 교수 연구팀은 기존 이산시간 생존분석(Discrete-Time Survival Analysis, DTSA)을 발전시킨 ‘구조적 이산시간 생존분석(Structured Discrete-Time Survival Analysis, S-DTSA)’ 연구를 완성해 국제 저명 학술지 『Structural Equation Modeling: A Multidisciplinary Journal』 9월 3일자에 게재했다. 해당 학술지는 사회과학 연구 방법론 분야에서 권위를 인정받는 SSCI 저널로, 다년간 인용지수 1위를 차지하며 전 세계 연구자들이 참고하고 있다.

- 논문 제목: Discrete-Time Survival Analysis Incorporating Time Structure in Developmental Research(Time-to-event 자료분석을 위한 이산생존분석의 재해석)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1080/10705511.2024.2432598 

이산시간 생존분석(DTSA)은 행동과학 연구에서 사건 발생 확률을 추정하는 데 널리 사용돼 왔다. 예를 들어, 학생이 학업을 중도에 그만두는 시점, 특정 행동이 반복되는 시점, 심리적 증상이 발현되는 시점 등을 분석하는 데 유용하다. 그러나 기존 DTSA는 사건 발생 확률이 시간에 따라 어떻게 변하는지 ‘독립적으로’ 추정하기 때문에, 실제로 존재할 수 있는 선형적 변화나 이차적(곡선형) 변화, 혹은 구간별로 달라지는 변화 양상을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었다.

이로 인해 연구자는 사건 발생 과정을 이론적으로 설명하거나, 실제 데이터에 존재하는 구조적 패턴을 정확히 반영하는 데 어려움을 겪었다.

연구팀이 제안한 Structured DTSA(S-DTSA)는 이러한 문제를 보완했다. 이 방법은 ‘잠재성장곡선모형(latent growth modeling, LGM)’의 틀을 활용해 사건 발생 확률의 변화를 선형, 이차, 혹은 구간별 함수 형태로 구조적으로 모형화할 수 있도록 한다.

【시간 흐름에 따라 관심 사건이 일어날 위험 로짓(hazard logits)의 변화(왼쪽)와

위험 확률(hazard probability)의 변화(오른쪽)를 기존의 전통적 DTSA기법(▲)과 새로운 접근 방법인 S-DTSA기법(●)으로 비교한 그래프】

이를 통해 불필요한 모수 추정을 줄이는 동시에, 사건 발생 확률의 시간적 궤적을 하나의 구조적 패턴으로 이해할 수 있다. 예를 들어 “위험 확률이 언제 가장 높은가?”, “시간이 지남에 따라 위험 곡선이 어떻게 변하는가?”, “집단별 차이는 어떤가?”와 같은 질문에 보다 직관적으로 답할 수 있게 된다.

Structured DTSA의 가장 큰 장점은 간명하면서도 해석력이 뛰어나다는 점이다. 특히 사건 발생 확률이 시간이 지남에 따라 이차곡선 형태로 변하는 경우, 연구자는 최대 위험 시점이나 위험 곡선의 형태를 쉽게 파악할 수 있으며, 이를 통해 집단 간 차이도 명확하게 분석 가능하다.

이계진 교수는 “이번 연구 결과를 통해 교육학 분야에서 비교적 주목받지 못했던 생존분석 기법이 보다 쉽고 널리 활용될 수 있기를 기대한다”며 “발달 연구나 행동 연구에서 사건 발생 과정을 더 정교하게 이해하고 이론적 해석을 확장하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

사회과학 데이터 분석 방법론의 새로운 가능성을 제시한 이번 연구는 교육학, 심리학은 물론 다양한 사회과학 연구에서 사건 발생 시점 분석의 타당성과 응용 범위를 넓혀줄 것으로 기대된다.

[Abstract]

Discrete-time survival analysis (DTSA) is a method widely used by social and behavioral researchers as it aids in the exploration of patterns in time-to-event measures. However, the traditional DTSA models often fail to adequately represent the structured dynamics of hazardous processes. This study introduces structural DTSA, an alternative approach that extends traditional DTSA by incorporating functional forms of hazard changes. With structural DTSA, a reparameterization of the functional forms is also possible for more meaningful interpretations of the results of time-to-event data analyses. This study aims to provide a detailed tutorial on structured DTSA, demonstrating its applicability in social and behavioral research. Henceforth, we demonstrate the application of structured DTSA using data on smoking initiation from the National Longitudinal Study of Youth 1997 (NLSY97). These findings highlight the potential of structured DTSA for various developmental studies.

- Author (Pusan National University): Kejin Lee (Department of Education)

- Title of original paper: Discrete-Time Survival Analysis Incorporating Time Structure in Developmental Research

- Journal: Structural Equation Modeling: A Multidisciplinary Journal

- Web link: https://doi.org/10.1080/10705511.2024.2432598 

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

의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 좁아진 뇌혈관의 실제 구조와 내부 흐름을 그대로 재현한 3D 바이오프린팅 인공 뇌혈관 모델을 개발해, 뇌졸중·치매·혈관염 등 주요 뇌혈관 질환 연구와 약물 평가 분야에 새로운 가능성이 제시됐다.

‘뇌혈관 협착’은 신경혈관 질환의 주요 원인으로, 협착 부위의 비정상적 혈류가 내피세포를 자극해 염증과 병변을 유발한다. 하지만 기존 실험 모델은 체외에서 이런 병리적 환경을 재현하기 어려워 질환 연구와 약물 평가에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 뇌혈관 협착 부위를 모사해 정밀하게 프린팅하고, 그 내부에 내피세포를 배양해 실제와 유사한 환경을 형성했다. 협착 뇌혈관의 구조와 유체역학적 특성을 모사할 수 있도록 점탄성과 재형성력을 높인 ECM(세포외기질)* 기반 하이브리드 바이오잉크를 개발하고, 내장형 3D 동축(同軸) 바이오프린팅 기술을 활용해 내벽, 외벽, 혈류 공간을 동시에 구현해 내경 250~500 ㎛(마이크로미터, 0.001㎜)의 협착 혈관 모델을 제작했다.

* ECM(Extracellular Matrix, 세포외기질): 세포가 자라고 기능할 수 있는 지지 구조물로서, 3D 바이오프린팅 모델에서 혈관 구조 형성과 생리학적 반응 유도에 중요한 역할을 한다.

특히, 돼지 유래 혈관 탈세포화 ECM(vascular dECM)에 콜라겐과 알지네이트를 혼합한 하이브리드 바이오잉크를 개발해, 기계적 강도를 약 65배 향상시켰다. 기존의 ECM 단독 바이오잉크는 프린팅 후 수축 및 붕괴 문제가 있었으나, 콜라겐이 구조적 수축을 억제하고 알지네이트가 빠른 겔화를 유도함으로써 안정적인 혈관 내강을 유지할 수 있었다.

* 혈관 유래 탈세포화 ECM(VdECM): 돼지 대동맥 조직에서 유래한 탈세포화 생체재료로, 콜라겐·엘라스틴·글리코사미노글리칸(GAGs) 등 주요 세포외기질 성분이 풍부하게 보존돼 있다.

모델 제작 후에는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 시뮬레이션으로 협착 혈관 내 병리적 흐름 특성을 분석했다. 그 결과, 미세입자인 형광 마이크로비드를 이용한 실제 투과성 실험과 일치했으며, 협착 부위에서의 난류 발생과 재순환 영역이 실시간으로 시각화됐다.

【3D 바이오프린팅 기반 협착성 뇌혈관 모델의 제작 및 내피 반응 시각화】

그림은 이번 연구에서 개발한 협착성 뇌혈관 모델의 제작 과정과 주요 특징을 보여준다.
3D 동축 바이오프린팅 기술을 통해 병리적 협착 구조를 구현하고, 이를 통해 정상과 교란 유동 환경에서의 내피세포 반응 차이를 모사했다.
또한, 실제 제작된 뇌혈관 칩 시스템과 내피세포(HUVEC 및 HBMEC)의 부착 및 성장 과정을 시각적으로 제시함으로써 기능성 혈관 내피 형성을 입증했다.

제작된 혈관 구조 내에 인간 뇌혈관 내피세포(HBMEC)와 제대정맥 내피세포(HUVEC)를 배양한 결과, CD31, ZO-1, VE-cadherin 등 내피세포 접합 단백질이 고르게 발현됐으며, 분자량에 따른 투과성 차이를 나타내는 등 생리학적으로 기능성 있는 혈관 내피로 파악됐다.

구조뿐만 아니라 혈류에 따라 변하는 염증 반응까지 재현했다는 점이 주목된다. 협착 부위에서 혈류가 왜곡되고 압력이 달라지면서 염증성 접착분자인 ICAM-1과 VCAM-1의 발현이 각각 약 2.2배, 1.5배까지 높아졌는데, 이는 실제 동맥경화 등의 염증 반응과 유사한 결과다. 연구팀의 모델이 혈류 유도성 염증 반응을 정량적으로 재현할 수 있음을 보여준다.

김병수 교수는 “이번 연구는 병리적 혈류 환경을 체외에서 구현하고, 이에 따른 내피세포의 염증 반응까지 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 혈관 질환의 기전 연구는 물론, 약물 반응 평가와 맞춤형 치료 전략 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

【왼쪽부터 김병수 교수, 최민주 석사졸업생】

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 바이오의료기술개발사업과 우수신진연구사업, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트의 지원을 받았다​. 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수와 포항공대 기계공학부 조동우 교수가 공동 교신저자, 부산대 의생명융합공학부 최민주 석사졸업생(현 한국재료연구원 소속)과 포항공대 기계공학과 박원빈 박사(현 티센바이오팜 소속)가 공동 제1저자로 수행했다.

혈류역학 기반 뇌혈관 질환 모델링의 새로운 가능성을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지 『어드밴스드 펑셔녈 머티리얼즈(Advanced Functional Materials』 6월 30일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-induced Endothelial Responses(기계적 강화 ECM 바이오잉크 기반 3D 동축 바이오프린팅을 활용한 협착 뇌혈관 및 혈류역학적 내피 반응 모델링)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276 

[Abstract]

Hemodynamic Stress and Cerebrovascular Disease Modeling
Hemodynamic forces such as shear stress and disturbed flow play a crucial role in cerebrovascular diseases including atherosclerosis and stroke. However, existing in vitro models have limited ability to replicate pathological flow environments and the resulting endothelial responses. To address this challenge, the research team developed a physiologically relevant model of stenotic brain vessels capable of mimicking disease-specific flow dynamics and inflammation.

Embedded 3D Coaxial Bioprinting and Hybrid Bioink Development

The team applied an embedded 3D coaxial bioprinting technique to fabricate stenotic vascular structures with tunable inner diameters (250–500 μm). To enhance the mechanical stability of the vessels, a hybrid bioink was developed by combining vascular tissue-derived decellularized ECM (VdECM) with collagen and alginate. Rheological and mechanical testing demonstrated that this formulation achieved a ~65-fold increase in dynamic modulus compared to VdECM alone, enabling stable, perfusable vessel fabrication.

Replication of Pathological Flow and Endothelial Inflammation

Using computational fluid dynamics (CFD) simulations, the model reproduced disturbed flow conditions characteristic of stenotic regions, including areas of low shear stress and flow recirculation. When human endothelial cells (HUVECs and HBMECs) were cultured within the printed vessels, they formed functional barriers expressing junctional proteins such as CD31, ZO-1, and VE-cadherin. Under disturbed flow, inflammatory markers ICAM-1 and VCAM-1 were upregulated by ~2.2-fold and ~1.5-fold, respectively, confirming shear-induced endothelial activation.

Quantitative Platform for Disease Modeling and Drug Testing

This study establishes a quantifiable and reproducible platform for investigating the interplay between vascular geometry, hemodynamics, and cellular inflammation. Unlike traditional microfluidic systems, the bioprinted model allows for precise structural customization and the use of ECM-derived bioinks with tissue-specific properties. The platform can be further extended for personalized disease modeling, therapeutic screening, and implantable graft development.

Future Directions

The modular and scalable nature of this bioprinting system enables its application to a wide range of vascular disease models beyond the brain, including coronary and peripheral arteries. Future studies may focus on integrating immune cells, neurovascular components, and in vivo implantation to evaluate long-term functionality and translational potential.

- Authors (Pusan National University): · Byoung Soo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

 · Min-Ju Choi (Department of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-Induced Endothelial Responses

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276  

- Contact e-mail: bskim7@pusan.ac.kr

의생명융합공학부 김민우 교수 연구팀이 광음향 및 초음파(PAUS, photoacoustic and ultrasound) 영상 기술을 결합해, AI를 기반으로 3D 해부학적 구조를 정밀하게 재구성하는 새로운 방법을 제시했다.

보통 병원에서 사용하는 초음파 영상은 2D(평면) 이미지로 제공되며, 의료진이 손으로 초음파 기기(탐촉자)를 직접 움직이며 원하는 부위를 스캔한다. 그러나 인체는 복잡한 3차원 구조이기 때문에, 2차원 영상만으로는 실제 몸속의 상태를 정확히 파악하기에 한계가 있다. 

요즘 광음향 및 초음파 장비에는 카메라의 파노라마 기능처럼 탐촉자를 움직이면서 넓은 2D 영상을 만들어내는 기술이 쓰이고 있다. 하지만, 탐촉자를 평면을 벗어난 방향으로 움직일 때, 이 여러 영상들을 이어 붙여서 3D 구조로 재구성하는 기술은 아직 상용화되지 않았다.

이런 프리핸드(손으로 자유롭게 움직이는 방식의) 3D 초음파 영상 기술을 실제로 활용하려면, 탐촉자의 움직임을 추적할 수 있는 센서가 필요하다. 그런데 센서를 탐촉자에 부착하면 장비가 커지고 무거워 사용이 불편해지고, 다른 의료기기와의 간섭으로 센서의 정확도도 떨어지는 문제가 생긴다. 스캔할 수 있는 범위도 좁아 일반적인 진료 현장에서는 활용이 쉽지 않다. 이러한 제약들이 초음파 영상의 정확한 해석과 실용성을 떨어뜨리는 요인이 돼 왔다. 

이에, 부산대 연구팀은 ‘MoGLo-Net(Motion-based Global-Local Network)’이라는 인공지능 기반 모델을 통해, 복잡한 조직 구조를 가진 인체 내부를 자동으로 손쉽게 고품질 3차원으로 재구성할 수 있는 기술을 선보였다. 

연구팀 기술에서는 AI가 초음파 영상 간의 미세한 움직임을 정밀하게 분석해 탐촉자의 경로를 스스로 계산하고, 이를 기반으로 해부학적 구조를 입체적으로 구현한다. 별도의 외부 위치 센서 없이도 영상 간 움직임을 정밀하게 분석한 자율 스캔 방식으로 레이저와 초음파를 활용해 고해상도 3D 영상을 생성한 것이다. 

【3차원 초음파 및 광음향 영상기법 프로토콜】 

연구팀은 이 기술을 활용해 초음파와 레이저를 함께 사용하는 ‘광음향 영상’으로 아주 작은 혈관까지 3D로 보여주는 예시도 구현함으로써, 실제 임상 현장에서도 이 기술이 유용하게 쓰일 수 있음을 보였다. 

이러한 3D 재구성 기술은 의료진이 정확한 해부학적 구조를 실시간으로 파악함으로써 의료 진단 및 치료 계획을 수립하는 데 도움을 줄 수 있다. 특히, 프리핸드 3D 기술의 상용화도 가능해져, 혈관구조뿐만 아니라, 신경, 다양한 장기, 암조직과 같은 복잡한 영역의 3D 시각화로 확장해 진단의 정확도 향상이 기대된다.

또한, 이번에 개발된 기술은 MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상)처럼 인체 내부의 복잡한 해부학 구조를 3차원으로 정밀하게 보여줄 수 있다는 점에서도 주목된다. 고가의 대형 장비가 필요한 MRI와 달리, 이 기술은 별도의 위치 센서나 특수 장비 없이도 소형 초음파 장비만으로 고해상도 3D 영상을 자동으로, 그리고 실시간으로 재구성할 수 있다는 점에서 의료 현장에서의 활용성이 눈에 띈다. 

MRI에 비해 영상의 해상도나 조직 구분 능력 등 일부 제한이 있을 수 있지만, 상대적으로 저렴하고 간편한 장비로 3차원 고해상도 영상을 구현해 기존 영상 장비를 보완하는 실용적인 대안이 될 수 있을 전망이다. 특히, 진료실, 응급 현장, 수술실 등 다양한 의료 환경에서 보다 손쉽고 빠르게 정밀 진단을 지원할 수 있는 차세대 기술로의 발전 가능성이 주목된다.

김민우 교수는 “초음파 영상은 그동안 사용자의 스캔 실력과 경험에 많이 의존해 왔다. 이번에 개발한 기술이 상용화된다면, 스캔된 모든 영역으로부터 정형화된 3D 구조를 제공할 수 있어 사용자의 숙련도에 덜 민감해지는 장점이 있다. 또한, 프리핸드 방식으로 광음향 3D 영상(레이저+초음파를 활용한 영상기법)을 확장한 첫 시도로, 이를 통해 프리핸드 광음향 기술의 임상 활용을 가속화할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

AI 기반 기술을 활용해 레이저와 초음파 자율 스캔으로 넓은 영역의 3D 구조를 정밀하게 재구성할 수 있는 가능성을 제시한 이번 연구는 의생명융합공학부 김민우 교수가 교신저자, 정보융합공학과 AI전공 이시열 박사과정생이 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『IEEE Transactions on Medical Imaging』 6월 13일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Enhancing Free-hand 3D Photoacoustic and Ultrasound Reconstruction using Deep Learning(딥러닝을 활용한 프리핸드 3차원 광음향 & 초음파 영상 복원)

- 논문 링크: https://ieeexplore.ieee.org/document/11036110 

해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구, 정보통신기획평가원의 인공지능융합혁신인재양성사업과 생성AI선도인재양성사업 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김민우 교수, 이시열 박사과정생.

[Abstract]

This study addresses the challenge of reconstructing 3D anatomical structures in medical imaging, focusing on ultrasound, which typically provides 2D images. Existing 3D ultrasound technologies require specialized transducers and have limited scan ranges, while freehand 3D reconstruction is not yet applied. This research develops a method using AI to estimate the transducer's movement based on the relationships between consecutive images, overcoming the need for sensors that could interfere with the scanning process. Additionally, by integrating photoacoustic imaging with ultrasound, the study demonstrates the 3D reconstruction of microvascular structures. This innovation advances ultrasound and photoacoustic imaging, enabling more accurate anatomical analysis and expanding 3D visualization to complex areas like blood vessels, nerves, organs, and tumors.

- Authors (Pusan National University) 

 · SiYeoul Lee (Department of Information Convergence Engineering)

 · MinWoo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Enhancing Free-hand 3D Photoacoustic and Ultrasound Reconstruction using Deep Learning

- Journal: IEEE Transactions on Medical Imaging

- Web link: https://ieeexplore.ieee.org/document/11036110 

- Contact e-mail: mkim180@pusan.ac.kr

물리학과 진형진 교수 연구팀이 일본 연구진과의 공동연구를 통해 마치 폐처럼 산소를 들이마시고 내뱉는 기능을 안정적으로 수행하는 새로운 금속 산화물 소재를 개발했다.

연구팀은 스트론튬(Sr), 철(Fe), 코발트(Co)를 조합해 만든 금속 산화물이 단순한 가스 환경에서도 반복적으로 산소를 흡수·방출할 뿐만 아니라, 이 과정에서 재료가 분해되지 않으며 안정적인 구조를 유지한다는 사실을 입증했다. 

연구를 주도한 진형진 교수는 “이 결정은 마치 폐처럼 작동해, 필요에 따라 산소를 들이쉬고 내뱉는 독특한 기능을 갖는다”며 “이러한 산소 제어 능력은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등에서의 응용 가능성이 매우 크다”고 설명했다. 

소재의 산소 제어는 최소한의 배출로 수소에서 전기를 생산하는 고체 산화물 연료전지와 같은 기술에 필수적이다. 또한 전기 스위치처럼 열을 전달할 수 있는 열 트랜지스터나 날씨에 따라 열 흐름을 조절하는 스마트 윈도우에서도 중요한 역할을 한다.

지금까지 이러한 산소 제어가 가능한 대부분의 소재는 너무 약하거나 지나치게 높은 고온 등 극한 조건에서만 작동했다. 그러나 이번에 개발한 새로운 소재는 특히 기존 SOFC가 작동하는 극한 조건(예: 800도 이상) 대신, 상대적으로 온화한 환경에서도 산소를 안정적으로 조절할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 기존의 문제였던 재료의 취약성과 비가역성도 극복했다.

연구팀은 산소가 다시 재료에 주입될 때, 결정 구조가 원래 형태로 완전히 되돌아오는 가역성을 실험을 통해 증명했다. 

【이번 연구에서 개발된 소재의 선택적 산소 배출】

공동 저자인 히로미치 오타(Hiromichi Ohta) 일본 홋카이도대 전자과학연구소 교수는 “이 소재는 실시간으로 스스로 조절하는 ‘스마트 재료’ 개발의 핵심 요소가 될 것”이라며 “청정 에너지는 물론, 전자기기, 환경 친화 건축 소재 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 열려 있다”고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 향후 탄소 중립을 위한 신재생 에너지 기술에 실질적인 기여를 할 수 있는 기반 기술로, 관련 산업계와 학계의 높은 관심이 예상된다.

이 같은 성과는 부산대 물리학과에서 박사 학위를 받은 이준혁 박사(현 화학연구원 소속)가 제1저자, 부산대 진형진 교수가 교신저자로 수행한 논문 ‘Selective reduction in epitaxial SrFe0.5Co0.5O2.5 and its reversibility(에피텍셜 SrFe_0.5Co_0.5O_2.5 내에서의 선택적 환원 및 가역성)’에 소개됐다. 본 연구에는 포항가속기연구소 김영학 박사와 가천대 윤상문 교수 연구팀에서 참여했다. 

해당 연구는 저명한 국제학술지 『Nature Communications』 8월 15일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-025-62612-1 

이 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자사업, 교육부의 한국기초과학지원연구원 국가연구시설진흥센터 인프라 고도화 사업, 한국연구재단의 한일협력연구 등의 지원을 받아 수행됐다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 교신저자 진형진 교수와 공동저자 정혜윤 박사과정생, 류상균 박사후연구원.

[Abstract]

A team of scientists from Korea and Japan has discovered a new type of crystal that can "breathe"—releasing and absorbing oxygen repeatedly at relatively low temperatures. This unique ability could transform the way we develop clean energy technologies, including fuel cells, energy-saving windows, and smart thermal devices. The newly developed material is a special kind of metal oxide made of strontium, iron, and cobalt. What makes it extraordinary is that it can release oxygen when heated in a simple gas environment and then take it back in, all without falling apart. This process can be repeated many times, making it ideal for real-world applications.

Controlling oxygen in materials is crucial for technologies like solid oxide fuel cells, which produce electricity from hydrogen with minimal emissions. It also plays a role in thermal transistors—devices that can direct heat like electrical switches—and in smart windows that adjust their heat flow depending on the weather.

Until now, most materials that could do this kind of oxygen control were too fragile or operated only at the harsh conditions like extremely high temperatures. This new material works under milder conditions and remains stable. The team also showed that the material could return to its original form when oxygen was reintroduced, proving the process is fully reversible. 

- Authors (Pusan National University): Joonhyuk Lee, Hyoungjeen Jeen (Department of Physics)

- Title of original paper: Selective reduction in epitaxial SrFe_0.5Co_0.5O_2.5 and its reversibility

- Journal: Nature Communications

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41467-025-62612-1 

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

광메카트로닉스공학과 홍석원 교수와 한의과학과 신화경 교수 연구팀이 두께 약 3.6 ㎛(마이크로미터, 1㎛=0.001㎜)의 초박막 유연 신경 프로브를 개발했다. 

‘신경 프로브(Neural Probe)’는 뇌와 같은 신경 조직에 삽입해 신경세포의 전기 신호를 기록하거나 자극을 전달하는 미세 전자소자로, 신경과학 연구, 뇌질환 진단 및 치료, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 개발 등에 핵심 도구로 활용된다. 

연구팀은 이번에 개발한 신경 프로브를 마우스의 뇌 깊은 부위(deep brain)에 삽입해 32채널 전기생리학적 신호를 고해상도로 기록하는 데 성공함과 동시에, 심부 뇌 자극(Deep Brain Stimulation, DBS) 실험까지 수행함으로써 하나의 장비로 뇌 신호 측정과 치료 자극을 동시에 수행할 수 있는 가능성을 보였다.

【저널 표지 이미지】 

차세대 유연 전자소자 기술과 신경공학이 융합된 이번 연구 성과는 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 6월 5일자 표지 논문으로 소개되며 생체친화적인 신경 인터페이스 개발에 중요한 전환점을 마련할 것으로 기대된다.

- 논문 제목: Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact(뇌 심부 신호 모니터링 및 자극을 위한 생체 적합성 신경 탐침의 생체 모방 설계: 면역 반응 강화 접촉을 위한 초밀착형 신경인터페이스)

- 논문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417727 

연구팀은 반도체 공정에 널리 사용되는 SU-8 포토레지스트를 기판(유연한 바닥층)과 패시베이션층(절연 보호막)으로 활용했다. SU-8은 빛에 반응해 굳는 에폭시 기반의 특수 플라스틱으로, 가볍고 얇으면서도 튼튼해 신경 프로브 제작에 투입됐다. 그 위에는 전기를 전달하는 금(Au) 전극과 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 샌드위치처럼 얇게 겹겹이 쌓아 올려, 전극과 보호막이 한데 어우러진 단층(polymer/metal/polymer) 초박막 구조를 완성했다.

이러한 구조는 두께를 3.6 마이크로미터로 대폭 줄이면서도 유연성과 기능성을 동시에 확보할 수 있어, 생체 조직에 더 잘 적응하고 안정적으로 작동할 수 있는 장점이 있다.

특히 불규칙한 기계적 움직임에도 프로브가 부드럽게 적응할 수 있도록 ‘키리가미(kirigami)’라는 미세 오려내기 기법을 적용해 접히거나 늘어나도록 설계했다. 이를 통해 마우스 뇌의 미세 움직임(micromotion)이 빈번한 상황에서도 자극이나 기록 신호가 정확히 유지되도록 했다.

연구팀은 신경 프로브가 체내에 삽입될 때 발생할 수 있는 면역 반응을 줄이기 위해, 프로브 표면에 라미닌(laminin)이라는 물질을 코팅했다. ‘라미닌’은 우리 몸의 세포외기질(ECM)을 구성하는 주요 성분 중 하나로, 세포가 안정적으로 자리를 잡고 염증 반응을 줄이는 데 도움을 준다.

시험관 실험에서, 염증 반응을 일으키는 지질다당류(LPS) 물질로 자극한 뇌 면역세포들(마이크로글리아와 아스트로사이트)에 라미닌을 처리한 결과, 염증 반응의 지표인 단백질들(IBA-1, GFAP)의 수치가 약 25~30% 줄었고, 세포 손상을 유발하는 활성산소(ROS)도 현저히 감소했다. 이는 실제 동물실험에서도 라미닌 코팅이 신경 프로브 주변의 염증성 반응과 흉터 조직을 억제해, 장기간 안정적으로 뇌 전기신호를 기록할 수 있음을 보여준다.

연구팀은 개발한 신경 프로브를 마우스의 뇌에 삽입해, 뇌 표면부터 깊은 부위(시상하부)까지 약 195 마이크로미터 간격으로 총 32개의 미세 전극을 나란히 배치했다. 이 배열 덕분에, 넓은 뇌 영역에서 동시에 신경 신호를 정밀하게 측정할 수 있게 됐다. 

이 장치를 통해 연구팀은 뇌의 느린 전기 흐름(국소장 전위, LFP)과 개별 신경세포의 활동 즉, 스파이크 신호를 동시에 포착할 수 있었다. 신호의 해상도는 기존 대비 월등히 향상된 수준이었다.

뇌의 기억과 학습을 담당하는 해마 부위에 카바콜(Carbachol)이라는 신경전달물질을 직접 주입한 뒤 실시간으로 반응을 관찰한 결과, 약물 주입 75초 뒤부터 신경세포의 활동이 급격히 증가했다가, 4분 후에는 다시 정상으로 회복되는 과정을 아주 세밀하게 추적할 수 있었다. 이처럼 실시간으로 뇌의 반응을 정확히 기록하고 분석할 수 있는 기술은 신경과학 연구는 물론, 뇌질환 진단이나 치료기기 개발에도 큰 도움이 될 수 있다.

【왼쪽부터 a) 키리가미 구조 기반 초박막 최소침습형 뇌신경 프로브의 임플란트 구조

b) 실험용 마우스 두개골 개방 및 프로브 삽입 사진 

c) 뇌 신호 기록 위치 및 데이터

d) DBS 자극 전·중·후의 주파수-위상 변화 및 장기간 삽입 후 염증 반응 평가】 

또한 연구진은 파킨슨병 모델 마우스를 대상으로 심부 뇌 자극(DBS) 실험을 진행했다. 이 실험은 뇌 속 깊은 곳을 전기 자극해 운동 기능을 회복시키는 치료법을 모방한 것이다. 

실험 결과, 자극 전후에 뇌에서 측정된 전기 신호 패턴(LFP)이 뚜렷하게 달라졌고, 마우스의 움직임 능력도 눈에 띄게 개선됐다. 이는 연구팀이 개발한 초박막 유연 신경 프로브가 기존의 딱딱한 실리콘 전극보다 뇌에 더 부드럽게 작용하며, 신경세포를 손상시키지 않고 자극을 전달할 수 있음을 보여준다. 즉, 이 기술은 보다 안전하고 효과적인 뇌 질환 치료용 전극으로 실제 임상에 적용될 가능성을 크게 높인 셈이다.

최근 글로벌 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 분야에서는 일론 머스크 테슬라 최고경영자가 이끄는 뉴럴링크(Neuralink)가 약 6억 5,000만 달러 규모의 투자금을 유치해 초기 임상시험 단계에 돌입했다. 뉴럴링크는 인간에게 이식형 칩을 장착한 뒤 시각·언어 기능 회복과 사지 마비 환자의 디지털 기기 제어 실험을 속속 성공시키며 주목받고 있다. 

이러한 상황에서 부산대 연구팀이 개발한 초박막 키리가미 기반 프로브는 ‘면역 반응 억제’와 ‘초고해상도 신호 기록’이라는 두 가지 난제를 동시에 해결했다는 점에서, 국내외 BCI 연구와 시너지를 일으킬 것으로 기대된다.

실험을 주도한 인지메카트로닉스공학과 정정화 박사과정 연구원은 “기존 실리콘 기반 전극은 뇌 조직과의 물리적 불일치 때문에 염증 반응이 발생해 장기간 기록이 어렵다는 한계가 있었다”며 “우리 연구진의 초박막 유연 프로브는 마우스 뇌에 삽입했을 때 염증 반응을 최소화하면서도 고해상도 신호를 안정적으로 얻어낼 수 있었다”고 설명했다. 

홍석원 교수와 신화경 교수는 “앞으로 광유전학(optogenetics)용 광섬유나 미세약물주입 채널, 무선 전력전송 모듈을 결합하면 실시간 광자극과 전기신호 기록을 동시에 수행하는 차세대 뇌 연구 플랫폼으로 발전시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터, 집단연구지원사업 기초연구실 지원을 받아, 인지메카트로닉스공학과 정정화, 허경화 박사과정생, 반도체특성화대학산업단 권영우 산학협력중점교수, 컬러변조초감각인지기술 선도연구센터 채선영 박사, 한의과학과 김민재 박사가 제1저자, 광메카트로닉스공학과 홍석원 교수, 한의과학과 신화경 교수가 교신저자로 수행했다. 연구진은 우수한 성과를 바탕으로 향후 임상용 이식형 의료기기 상용화에도 박차를 가할 계획이다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 신화경 교수, 홍석원 교수.

[Abstract]

The ability to measure changes in neural activities using devices implanted in the brain can be useful for recording brain signals to assess specific risk factors, monitor the development of brain diseases, and expand the understanding of neural circuitry. Here, a neuroimplantable interface is introduced that integrates biomaterials with an advanced structural design to facilitate monitoring of electrophysiological responses in widespread brain regions. The neural interface uses biocompatible and photopatternable materials to create ultrathin, homogeneous encapsulant/substrate laminates. Comprehensive in vitro tests of the laminin-enveloped neural interface demonstrate efficacy in relieving inflammation via a biomimetic strategy by diminishing microglia and astrocyte aggregation near recording sites, enhancing periodic signal acquisition. The performance is evaluated by injecting an acetylcholine receptor agonist into mouse brains. This approach enables to monitor real-time signal changes, gain insights into neural network dynamics by assessing stimulus-evoked signaling at specific sites, and identify signaling patterns and hippocampal synaptic connections. Additionally, in a Parkinson's disease mouse model, deep brain stimulation is performed and signals are recorded to confirm symptom amelioration, offering a biomedical device approach. The key strategy highlights intact neural electrodes with biocompatible, mechanically compliant materials conferring compact bioelectronic functionalities, high neuronal microenvironment compatibility, and pathological neural system recognition.

- Authors (Pusan National University): Suck Won Hong (Department of Cogno-Mechatronics Engineering), Hwa Kyoung Shin (Department of Korean Medical Science)

- Title of original paper: Biomimetic Design of Biocompatible Neural Probes for Deep Brain Signal Monitoring and Stimulation: Super Static Interface for Immune Response-Enhanced Contact

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417727

- Contact e-mail: swhong@pusan.ac.kr, julie@pusan.ac.kr