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  • 바이오파운드리의 효율성 극대화를 위한▼실험가격지수 개발 식품생명공학과
    우한민 교수

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    바이오파운드리의 효율성 극대화를 위한▼실험가격지수 개발
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    인간 RNA 정보에서 바이러스 유발 인산화▼ 및 2'-O-메틸화(2OM) 부위 식별 위한 ▼AI도구 개발 융합생명공학과
    발라찬드란마나발란 교수

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    인간 RNA 정보에서 바이러스 유발 인산화▼ 및 2'-O-메틸화(2OM) 부위 식별 위한 ▼AI도구 개발

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  • 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀, 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술인 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표
    화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀, 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술인 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표

    화학공학/고분자공학부 이동엽 교수 연구팀, 바이오의약품 생산 첨단바이오공정의 핵심 기술인 “디지털 동물세포 토탈시스템” 발표 - 가상세포 수리모델과 빅데이터 기반 AI 모델을 통합한 세포 디지털 트윈 - 글로벌 바이오의약품 생산공정의 본격적인 디지털 전환화 기대 ▲(왼쪽부터)성균관대 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수, 공과대학 박서영 연구교수,최동혁 석박통합과정생 화학공학/고분자공학부 이동엽 교수팀이 글로벌 바이오의약품 생산공정의 디지털 트랜스포메이션(DX)를 촉진할 수 있도록 맞춤형으로 설계된 디지털 CHO* 가상세포 모델과 예측 시뮬레이션 기술들을 발표하였다. * CHO(Chinese hamster ovary) 세포: 바이오 의약품(항체와 같은 재조합 단백질)을 생산하는 주요한 동물세포주이다. 중국 햄스터의 난소에서 추출되어 사용되어 왔으며, 세포 유래 바이오 의약품 중 70% 이상이 CHO를 통해 생산된다. 디지털 가상세포 모델은 실제 세포의 유전체 정보로부터 수학적으로 디지털화한 소위 ‘세포 네비게이터’ 혹은 ‘세포 디지털트윈’으로 이를 활용해 여러 환경 및 유전 조건에서 실제 세포의 거동과 내부 대사흐름 및 조절을 모사하고 세포의 변화 양상을 예측할 수 있다. 특히 CHO 세포는 현재 4,700억불 이상의 바이오의약품 시장에서 가장 많이 이용되고 있는 동물 세포주로 2016년 이동엽 교수 연구팀이 이끈 국제 공동연구를 통해 ‘CHO 가상세포 모델(CHO-GEM)’이 최초로 개발되었다. 지난 10년간 CHO-GEM은 바이오의약품 생산 세포주의 특성을 파악하고 다양한 배양공정 연구에 활용되어 왔으나 미래의 차세대/첨단 바이오공정에서는 실시간 데이터의 활용 및 분석, 예측 모델링과 제어를 위한 디지털 전환기술이 필수적으로 요구된다. 연구팀은 다양한 동물세포주와 실시간 배양조건에 따른 세포 생장, 그리고 단백질 의약품의 생산량, 품질 변화 등을 정밀하게 예측하기 위해 대사과정과 더불어 대사조절, 신호전달, 효소활성, 단백질 당화 및 분비 등의 핵심적인 생물학적 기작들을 하나로 통합하여 디지털 세포 토탈시스템을 새롭게 제안하였다. 제1저자인 성균관대 박서영 연구교수는 “배양 공정의 실시간 데이터와 효소활성 데이터를 활용한 AI 모델을 통해 대사반응 시뮬레이션에 대한 예측 오차를 획기적으로 감소시킬 것으로 예상한다”라고 밝혔다. 공동 제1저자인 최동혁 석박통합과정생은 “개발 중인 DX 기반의 토탈시스템을 적용하게 되면 온도, pH, 배지조건 등 다양한 공정조건을 자유롭게 조절해 바이오의약품의 품질과 생산성을 향상시키는 구체적인 전략을 도출할 수 있을 것”이라고 하였다. 이동엽 교수는“바이오공정 디지털 트윈 개념을 새롭게 제시한 이후, 현재 다양한 핵심기술들(센서 및 실시간 모니터링, 데이터관리, AI 예측모델링, 가상세포모델링, 공정제어)에 대한 새로운 접근 방법과 기술적 전략들을 연구하고 있다.”라고 전하며 “세포 및 유전자 치료제나 배양육 생산 등과 같은 동물세포 기반의 DX 공정 분야로 확장시키는 연구도 동시에 진행하고 있다”라며 앞으로 선보일 연구결과물에 대한 기대감을 나타냈다. 한국연구재단의 기초연구실사업(BRL)과 연구개발특구진흥재단의 화이트바이오 혁신 클러스터 사업으로 수행된 이번 연구성과는 셀프레스(Cell Press)에서 발행하는 생명공학 분야에서 권위 있는 저널인 ‘생명공학 동향(Trends in Biotechnology)’에 2024년 3월 28일 온라인 게재되었다. ※ 저널: Trends in Biotechnology(2024), Impact factor 17.3 (2022년 기준), JCR 생명공학 및 응용미생물학 분야 상위 1.6% 저널 ※ 논문명: Driving towards digital biomanufacturing by CHO genome-scale models ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.03.001 ※ 저자 정보: 박서영(성균관대학교, 공동제1저자), 최동혁(성균관대학교, 공동제1저자), 송진승(성균관대학교), 이동엽(성균관대학교, 교신저자) 포함 총 9명

    2024-03-29

  • 박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발
    박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발

    박천권, 박우람 교수, 나노 하이드로젤 복합체로 유방암 수술 후 재발 및 전이 억제기술 개발 - 기업과 공동연구 통해 상용화 도전 ▲ (왼쪽부터) 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수, 융합생명공학과 박우람 교수, (주)메디아크 김세나 대표, 서희승 박사과정생, 한준혁 박사 글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수와 융합생명공학과 박우람 교수 연구팀은 (주)메디아크(대표 김세나) 연구팀과 다기능성 글라이콜 키토산 하이드로젤과 DNA에 항암제인 독소루비신(doxorubicin)을 결합한 DNA/독소루비신 나노 복합체를 이용하여 유방암의 치료 및 재발 억제가 가능한 신규 면역항암 치료법을 개발하는데 성공했다고 29일 밝혔다. 암 수술 후에는 수술로 인한 몸의 면역 체계 교란, 수술 부위의 염증 반응, 그리고 종양 미세환경의 변화 등으로 인해 우리 몸의 면역 기능이 약해질 수 있다. 이렇게 약해진 면역 기능은 수술 후 남아있는 암세포의 성장과 전이를 촉진할 수 있고, 암의 재발 위험을 높일 수 있다. 따라서 암의 재발을 예방하고 치료 효과를 높이기 위해서는 암 수술 후에는 수술 부위 주변의 면역 기능을 강화하는 것이 중요하다. 글라이콜 키토산은 게, 새우, 및 곤충 등의 외골격에서 추출한 키틴을 가공하여 얻은 키토산을 에틸렌옥사이드와 반응시켜 만들어지는 물질로 약물전달, 조직재생, 및 상처치유 등 다양한 의공학 분야에 활용되고 있다. 본 연구에서는 글라이콜 키토산은 항원제시세포, 특히 수지상세포의 성숙을 유도하여 T세포를 활성화시킬 수 있음을 밝히고 신규 면역 항암 치료제로 개발하였다. ▲ DNA/독소루비신 복합체가 탑재된 글라이콜 키토산 하이드로젤을 활용한 종양 면역 치료 모식도 연구팀은 생쥐 유방암 모델에서 종양을 외과적 수술로 제거한 후, 기능성 나노 하이드로젤 복합체를 종양 부위에 이식하였을 때 나타나는 항암 효과를 평가하였다. 그 결과, 하이드로젤 복합체가 종양의 재발과 성장을 억제하고 생존 기간을 연장시키는 우수한 효능을 보여주었다. 이는 하이드로젤이 국소적이고 장기적으로 면역 반응을 활성화시켜 암세포의 재발과 전이를 효과적으로 억제할 수 있음을 시사하며, 향후 유방암 환자의 수술 후 보조 요법으로 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 이 연구에서 개발된 새로운 다기능성 글라이콜 키토산 하이드로젤을 활용한 면역항암 치료 기술은 암 치료뿐만 아니라 수술 후 암의 재발을 억제하여 환자의 예후를 개선하는 데 기여할 것으로 기대된다. 이는 암 환자에게 더 나은 치료 옵션을 제공할 수 있는 가능성을 보여준다. ▲ 생쥐 유방암 모델에서 종양을 외과적으로 절제 후 DNA/독소루비신 복합체를 탑재한 글라이콜 키토산 하이드로젤 이식에 의한 종양 재발 및 전이 억제능 평가 박천권 교수는 “효과적인 면역치료를 위하여 생체재료, 면역학 및 약물전달학같은 다학제적 접근을 통해 우수한 면역항암 병용 치료법을 개발할 수 있었다”라고 전하며 “암 환자에게 도움이 될 수 있는 다양한 의료기술 개발을 목표로 신규 다기능성 약물전달시스템 연구에 매진하고 싶다”라며 후속 연구계획을 설명했다. ㈜메디아크 김세나 대표는 “산학협력으로 좋은 연구 결과를 얻게 되어 기쁘며, 추후 암 환자에게 도움이 될 수 있는 다양한 의료기술로의 상용화에도 도전하겠다”라며 후속 연구계획을 설명했다. 한국연구재단 및 한국과학기술연구원(KIST)-성균관대학교(SKKU) 융합연구단이 추진하는 연구사업으로 수행된 이번 연구 결과는 생체재료 분야 바이오머티리얼즈 리서치(Biomaterials Research, IF: 11.3, JCR 상위 4.69%)에 3월 23일 온라인 게재되었다. ※ 논문제목: Enhanced Post-Surgical Cancer Treatment Using Methacrylated Glycol Chitosan Hydrogel for Sustained DNA/Doxorubicin Delivery and Immunotherapy ※ 저널: Biomaterials Research(Impact Factor: 11.3) ※ 논문링크: https://spj.science.org/doi/10.34133/bmr.0008

    2024-03-29

  • 양자생명물리과학원 조한상 교수, 반복적인 보톡스 투여의 뇌 면역체계 교란 및 뇌 신경손상 유발 규명
    양자생명물리과학원 조한상 교수, 반복적인 보톡스 투여의 뇌 면역체계 교란 및 뇌 신경손상 유발 규명

    양자생명물리과학원 조한상 교수, 반복적인 보톡스 투여의 뇌 면역체계 교란 및 뇌 신경손상 유발 규명 - 약물중독에 의한 뇌질환 기전 연구 및 치료제 개발 초석이 될 연구 - Advanced Science 2월호 게재 ▲ 양자생명물리과학원 조한상 교수(왼쪽, 교신저자)와 Ghuncha Ambrin(오른쪽, 제1저자) 양자생명물리과학원(IQB) 생명물리학과 조한상 교수 연구팀은 매사추세츠주립대(Massachusetts Dartmus) Bal Ram Singh 교수, 노스캐롤라이나주립대(North Carolina Charlotte) Charles Y. Lee 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 반복적으로 투여된 보톡스가 말초신경을 거슬러서 뇌로 침투하여 뇌 면역체계를 교란시키고 뇌 신경세포 손상을 유발한다는 사실을 세계 최초로 규명하였다. 보툴리눔 톡신(Botulinum Neurotoxin)은 식중독균인 클로스트리디움 보툴리눔(Clostidiumbotulinum)이 생산하는 신경독소(neurotoxin)로서 적절한 치료를 하지 않으면 호흡이 마비되어 사망할 수 있으며 사망률이 5~10%에 이르며 이는 다른 식중독에 비해 높은 편이다. 하지만 이 보툴리눔 톡신을 극소량으로 한정적인 부위에 선택적으로 사용하면 근육 및 신경질환 등의 증상을 치료하거나 미용 성형 분야에서 주름제거 효과가 있어 저농도의 보툴리눔 톡신 A는 보톡스(Botox)라는 이름으로 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. 조한상 교수 연구팀은 3차원 미세유체요소 기반의 플랫폼에 인간 신경 줄기세포와 면역세포를 3차원 배양한 인간 미니뇌 모델을 개발하고, 이를 활용하여 보톡스에 의해 유도되는 뇌 신경염증 활동 및 뇌 신경세포 손상을 구현하고 그에 관한 세부 기전을 명시했다. 반복적으로 투여된 보톡스는 신경세포 분비 전달물질인 아세틴콜린의 양을 줄이고 이에 따라 미세아교세포가 활성화하고 전환성장인자에 의해 신경세포의 보완단백질(C3, C5)이 생성된다. 연구팀에 따르면 미세아교 세포의 염증 활동이 신경세포 시냅스를 감소시키고 치매유도물질로 알려진 타우(tau) 단백질을 축적하며 신경세포 사멸을 유도한다는 것이다. ▲ 인간 미니뇌에서 보톡스 처리 전(좌)에 비해 처리 후(우)에 줄어든 신경세포 조한상 교수는 “이번 연구결과는 보톡스의 반복적인 투여가 퇴행성 뇌질환을 일으킬 수 있음을 밝힘으로써 보톡스 투여에 대한 경각심을 높일 수 있을 것이다”라고 설명했다. 이번 연구결과는 다학제 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF: 15.1) 2월호에 게재되었다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 과학기술정보통신부 및 보건복지부 치매극복연구개발사업(Korea Dementia Research Center, KDRC)의 지원으로 수행되었다. ※ 논문제목: Botulinum Neurotoxin Induces Neurotoxic Microglia Mediated by Exogenous Inflammatory Responses ※ 저널: Advanced Science ※ DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202305326

    2024-03-28

  • 성균관대-포스텍, 탈부착하는 조립형 탄성 메타물질 개발
    성균관대-포스텍, 탈부착하는 조립형 탄성 메타물질 개발

    포스텍-성균관대, 탈부착하는 조립형 탄성 메타물질 개발 <전자신문, 2024.03.28.>

    2024-03-28

  • 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 공동연구팀, 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발
    화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발

    화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체 개발 - 종양 내부 산소 공급으로 압전촉매 기반 항암 치료 효과 증진 확인 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 방석호 교수, 인천대 심민석 교수, 고려대 봉기완 교수 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀은 인천대 나노바이오공학전공 심민석 교수 연구팀, 고려대 봉기완 교수 연구팀과 공동연구를 통해 항암 치료를 위한 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체를 개발하였다. 암 치료법은 암의 종류, 진행 정도, 개인의 건강 상태 등에 따라 다양하다. 그 중 널리 알려진 방법은 수술을 통한 종양 절제와 방사선 치료를 통한 종양 파괴 및 성장 억제, 항암 약물 치료 등이 있다. 하지만 이들은 종양의 위치, 개인의 건강 상태 등 환자의 조건에 큰 영향을 받는 방식이라 한계가 분명하며 새로운 방식의 항암 치료법이 계속 연구되고 있다. 기존 암 치료의 경우 화학요법으로 인한 부작용으로 주변 정상 조식의 세포 사멸이 일어나는 위험이 있어 외부 물리력을 받아 활성산소를 생성하여 암세포의 사멸을 유도하는 압전 나노 물질 기반의 항암 치료법이 효과적인 암 치료 전략으로 주목을 받고 있다. ▲ 압전촉매 기반 pH 반응성 다종 구획 운반체의 암세포 사멸 기전 압전 나노 물질의 경우 초음파와 같은 기계적인 자극을 받아 압전촉매 효과에 의한 산화환원 반응을 통해 활성산소를 생성하여 세포의 사멸을 유도하는데, 이런 치료법은 물질의 투여 이후 목표 부위에만 초음파를 조사하여 선택적으로 암세포를 제거할 수 있다. 그러나 활성산소를 생성하는 과정에서 산소가 소모되고, 물질이 투여된 암 내부는 저산소 환경이라는 한계점이 존재한다. 이에 공동 연구팀은 주입된 압전 나노 물질이 효과적으로 활성산소를 발생시킬 수 있도록 종양 내부에서 자체적으로 산소를 공급할 수 있는 압전촉매 기반의 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체를 개발하였다. 이 입자는 압전촉매인 금 나노입자 코팅 산화아연 나노로드(Au@P-ZnO NRs)와 산소를 생성할 catalase(CAT)를 탑재하였고, 산성 조건에서 분해되도록 설계되었다. 산성 조건인 종양 내부에 주입된 입자는 순차적으로 분해되고, 초기에 먼저 방출된 CAT는 암세포 내부로 들어가 산소를 생성하며 이것은 나중에 방출되는 Au@P-ZnO NRs의 활성산소 발생 효율을 증가시켜 높은 효율의 세포 사멸을 유발한다. 위와 같은 특성은 산성 조건인 종양 내부에서만 작동하여 주변 정상 조직의 피해를 줄일 수 있다. 나아가 연구팀은 pH 반응성 다중 구획 약물 전달체가 실제 마우스의 종양에 주입되어 암세포의 빠른 세포 사멸을 유도하였음을 확인할 수 있었고, 저산소 조건에서 발현되는 인자인 Hif-1 alpha의 발현도 크게 감소한 것을 확인하였다. ▲ pH 반응성 다중 구획 약물 전달체의 in vivo 치료능 확인 방석호 교수는 “후속 연구를 통해 임상 연구에서의 실제 응용 가능성을 확인할 예정”이라고 설명했다. 연구팀의 이번 연구 결과는 화학공학 분야 세계권위지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 19) 저널에 1월 24일 온라인 게재되었으며 내부 표지 논문(inside cover)으로 선정되었다. ※ 논문제목: Oxygen-Supplying Piezocatalytic Therapy of Hypoxic Tumors by Intratumoral Delivery of pH-Responsive Multicompartmental Carriers with Sequential Drug Release Capability ※ 저널: Advanced Functional Materials ※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202306078

    2024-03-27

  • SAINT 신성식 교수 연구팀, 美 MIT 연구팀과 고효율 페로브스카이트 태양전지 원리 최초 규명
    SAINT 신성식 교수 연구팀, 美 MIT 연구팀과 고효율 페로브스카이트 태양전지 원리 최초 규명

    SAINT 신성식 교수 연구팀, 美 MIT 연구팀과 고효율 페로브스카이트 태양전지 원리 최초 규명 - 초고효율 광전소자 개발을 위한 교두보 마련 - 에너지 분야 저명 국제학술지 네이처 에너지(Nature Energy) 게재 ▲ 왼쪽부터 데인 드퀼레츠(Dane W. deQuilettes) 박사(제1저자), 신성식 교수(교신저자), 문지 바웬디(Moungi Bawendi) 교수(교신저자), 블라디미르 불로비치(Vladimir Bulovic) 교수(교신저자) 성균나노과학기술원(SAINT) 신성식 교수 연구팀이 2023년 노벨화학상 수상자인 문지 바웬디(Moungi Bawendi) 교수가 이끄는 MIT 연구팀과의 글로벌 협력 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지 고효율에 대한 원리를 규명했다고 밝혔다. 신 교수 연구팀은 2016년부터 MIT 문지 바웬디 교수와 고효율 페로브스카이트 태양전지 관련 핵심기술을 개발해왔으며, 연구 결과를 네이처 등 다수의 학술지에 발표하였고, 핵심 특허를 확보해왔다. 특히, 페로브스카이트 박막 표면제어 기술과 산화물 전자수송소재 기술을 개발하여 세계 최초로 25% 이상의 광·전 변환 효율 시대를 열었으며, 미국 국립재생에너지 연구소(NREL)로부터 효율과 안정성을 인정받았다. 공동 발표 논문들이 1년에 평균 500회 이상 인용될 만큼 지금도 널리 사용되고 있는 기술이지만 고효율에 대한 정확한 원리 규명에는 난항을 겪고 있었다. 그러나 최근 MIT의 블라디미르 불로비치(Vladimir Bulovic) 교수팀이 협력하면서 고효율 페로브스카이트 태양전지 원리를 규명하는 데 성공했다. 연구진은 2019년 공동으로 발표한 페로브스카이트 표면제어 기술이, 단순히 결함을 제거할 뿐만 아니라, 할라이드 교환 반응을 발생시키고, 페로브스카이트 소재 표면에서 내부까지 브롬의 농도구배와 표면 전기장 변화를 유발한다는 것을 최초로 발견하였다. 특히 이러한 표면제어 기술에서 생기는 표면 전기장이 재결합을 크게 억제하고, 전하추출효율을 증가시켜 태양전지의 효율을 크게 향상시킨다는 사실을 밝혔다. ▲ (왼쪽) 페로브스카이트 태양전지 단면 투과전자현미경 이미지 (오른쪽) 다양한 물질들의 캐리어 수명 비교 이러한 특성을 바탕으로 페로브스카이트 박막 자체의 표면 재결합 속도(SRV)를 7cm/s까지 낮출 수 있었고, 30μs 이상의 기록적인 전하 캐리어 수명을 확보해 향후 페로브스카이트 기반 광전소자의 효율을 향상시킬 수 있는 교두보가 될 것으로 기대하고 있다. 신성식 교수는 “연구를 통해 규명한 페로브스카이트 표면에서 전기장이 형성되는 메커니즘은 기존 GaAs나 CIGS 태양전지와는 크게 다르며, 향후 페로브스카이트 박막 표면의 전기장과 밴드갭을 최적화하여 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트 LED의 효율도 크게 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다. 문지 바웬디 교수도 “한국의 탑-티어(Top-tier) 연구기관과의 지속적인 교류를 통해서 기존 기술을 더욱 발전시키겠다”라고 말했다. 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 주관하는 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)과 한국연구재단의 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구성과는 에너지 분야 저명한 국제학술지인 네이처 에너지(Nature Energy, IF: 56.7) 지에 최근 게재되었다. ※ 논문명: Reduced recombination via tunable surface fields in perovskite thin films ※ 저자명: 신성식 교수, Moungi Bawendi 교수, Vladimir Bulovic 교수(교신저자), Dane W. deQuilettes 박사(제1저자)

    2024-03-26

  • 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발
    신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발

    신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발 - 이산화탄소 분해하여 재활용이 가능한 신재생 에너지원 생산 - 에너지 분야 국제학술지, 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 3월호 표지논문 선정 ▲ (왼쪽부터) 조형균 교수, 김동수 박사, 오신영 연구원, 이학현 연구원 신소재공학부 조형균 교수 연구팀(김동수 박사, 오신영, 이학현 연구원)이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 광전극과 나노입자 촉매 융합연구를 통하여 고부가가치 화합물로 제조할 수 있는 친환경 신재생 에너지 기술을 개발했다. 이산화탄소의 분해를 위해서는 외부로부터 많은 에너지가 요구되는데 광전기화학적 이산화탄소(CO2) 분해는 태양광을 활용하여 이산화탄소로부터 신재생 에너지원을 생성하는 기술로 친환경적인 미래 기술이다. 연구팀은 원자단위의 선택적 광환원 촉매 기술력을 반도체 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 탄소중립 달성 및 이산화탄소 분해 상용화의 가능성을 확인하였다. 무한한 청정에너지인 태양광을 활용하여 이산화탄소 분해에 필요한 에너지를 최소화하며 동시에 95% 이상 일산화탄소로(CO) 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이는 현재까지 논문으로 보고된 수치 중 가장 높은 결과값이다. ▲ 광전극과 금속나노 촉매의 전기화학적 결합의 효과를 통해 광전류 240% 향상 및 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 분해 대기 중 온실가스를 제거함과 동시에 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있는 일산화탄소(CO), 에탄올(C2H6O), 메탄올(CH3OH), 개미산(HCOOH) 등의 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이지만 이산화탄소 분자는 화학적으로 높은 안정성을 지녀 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 큰 난제로 여겨지고 있다. 연구팀이 개발한 광전기화학적 이산화탄소 전환 및 분해 기술은 태양광과 전기를 활용해 온실가스인 이산화탄소를 재활용 가능한 신재생 에너지원인 탄소화합물로 바꾸는 기술이다. 이 기술은 지구온난화를 일으키는 온실가스의 감축을 위한 수단으로 최근 많은 주목을 받고 있다. 또한, 일산화탄소는 초산, 플라스틱을 비롯한 다양한 화학물질을 생산할 수 있으며, 합성 연료유, 메탄올과 같은 대체에너지원을 생산하는 데 필요한 원료 물질이다. 이산화탄소 광전기화학적 전환은 광흡수층과 촉매의 결합이 중요하다. 광전기화학 전환에 높은 활성을 보이는 금, 백금, 은과 같은 귀금속 촉매는 전환 비용이 높아 기술적 비용 절감에 한계를 겪고 있다. 따라서, 기존 귀금속 촉매 물질에서 저비용 촉매로의 변화와 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지원을 태양광으로 유도할 수 있는 적합한 반도체 광전극 및 시스템 개발이 필요한 실정이다. ▲ 가) 광흡수층 반도체 및 나노촉매 개요도와 구조, 나) 주사전자현미경 및 투과전자현미경을 통한 나노크기 촉매분석 연구팀은 저비용의 나노입자 구리(Cu) 촉매를 산화물 반도체(Cu2O) 흡수층으로부터 전기화학적 성장하여 촉매와 흡수층 사이 흡착력 증가 및 계면저항 감소에 대한 시너지 효과를 발생시켜 이산화탄소 분해에 사용되는 과전압을 줄임과 동시에 이산화탄소 분자를 보다 효과적으로 분해하여 95% 이상 일산화탄소로 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이에 연구팀은 산화구리(Cu2O) 흡수층의 본질적인 광환원 반응을 이용하여 제조된 나노입자 구리 촉매로 효율적인 이산화탄소 환원을 대면적, 저비용으로 가능하게 하는 혁신적인 2단계 촉매 생성 전략을 제안하였다. 이 접근법은 ▲물리적으로 밀도 높게 분산된 구리 나노입자의 성장과 ▲전기화학 구리 클러스터 촉매의 전기화학 결합으로 인하여 효과적으로 이산화탄소 분해를 달성하였다. 광흡수층(Cu2O)과 구리 촉매의 결합은 광부식 억제와 함께 0VRHE에서 -1.2mA/cm2의 광전류 성능을 보여주며 고순도 일산화탄소 생성물을 생성할 수 있다. ▲ 나노 구리(Cu) 촉매 와 산화물 반도체(Cu2O)가 전기화학 결합된 광전극 (가) 태양에너지를 통해 인가 에너지가 절약된 광전기화학 이산화탄소 분해 및 장시간 안정성 (나) 태양에너지 없이 전기화학 이산화탄소 분해 조형균 교수 연구팀의 김동수 박사는 “무한한 태양광을 통해 지구온난화를 막아낼 이산화탄소 분해 촉매 형성의 새로운 발견이며, 고효율 이산화탄소 광전기화학 분해 연구의 초석이 될 것”이라며 “가장 시급한 글로벌 이슈인 탄소중립과 지속가능한 에너지원 발견에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 “광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 지난 1월 9일 온라인 게재 및 3월호 표지를 장식했다. ※ 논문제목: Harmonized Physical and Electrochemical Process Design for Densely Dispersed Cu Catalysts on Cu2O Absorbers for Efficient Photoelectrochemical CO2 Reduction Reaction

    2024-03-22

  • 삼성융합의과학원 원홍희 교수 연구팀, ‘창의성’과 ‘정신장애’ 간 유전적 연관성 밝혔다
    삼성융합의과학원 원홍희 교수 연구팀, ‘창의성’과 ‘정신장애’ 간 유전적 연관성 밝혔다

    국내 연구팀, ‘창의성’과 ‘정신장애’ 간 유전적 연관성 밝혔다 <디지틀조선일보, 2024.03.14.>,

    2024-03-21

  • 융합생명공학과 박우람 교수, 기능성 지질나노입자 활용 간암 표적형 면역세포치료제 개발
    융합생명공학과 박우람 교수, 기능성 지질나노입자 활용 간암 표적형 면역세포치료제 개발

    융합생명공학과 박우람 교수, 기능성 지질나노입자 활용 간암 표적형 면역세포치료제 개발 - 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 지난 7일 논문 게재 ▲ 융합생명공학과 박우람 교수(왼쪽)와 신하은 박사(오른쪽) 융합생명공학과 박우람 교수 연구팀은 자연살해세포(NK세포)를 활성화하고 동시에 유전적 엔지니어링이 가능한 기능성 지질나노입자(Lipid nanoparticle, LNP)의 개발을 통해 NK세포 기반 간암 표적형 면역세포치료제를 구축하여 효능이 뛰어난 간암 치료용 면역세포치료제를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 면역세포치료제는 우리 몸의 면역세포를 이용해 암세포를 공격하는 혁신적인 치료법으로 알려져있다. 그중 NK세포는 특별한 항원 없이도 암세포를 직접 인식하고 살상할 수 있다. 이 치료법의 큰 장점은 건강한 사람의 NK세포를 사용할 수 있어 환자 자신의 세포를 이용하는 것보다 세포 확보가 쉽고 비용이 낮으며 효율과 안정성이 높다는 점이다. 이 때문에 NK세포 기반 면역세포치료제는 암 치료 분야에서 매우 유망한 치료 전략이다. 하지만 암 치료에 활용되는 NK세포의 유전자 조작이 어려워 국내외 연구자들은 이를 극복하기 위해 노력하고 있다. NK세포에서는 암세포를 표적으로 하는 Chimeric Antigen Receptor(CAR)이라는 특별한 수용체의 유전자의 전달이 제한되어 이를 엔지니어링하는 데 어려움이 있다. 박우람 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 NK세포에 유전자를 효율적으로 전달할 수 있고 동시에 NK세포의 암 치료 능력을 향상시킬 수 있는 기능성 지질나노입자를 개발하는 데 성공했다. 연구진은 이 기능성 지질나노입자를 사용하여 유전자가 NK세포 내에서 높게 발현되고, 암세포를 더 효과적으로 사멸시킬 수 있는 간암 치료용 NK세포 기반의 면역세포치료제를 만들었다. 연구팀은 개발한 기능성 지질나노입자를 이용하면 생쥐와 사람 유래 NK세포에서 암을 공격하는 수용체가 더 많이 만들어지고 암세포를 더 잘 죽일 수 있게 되었다는 것을 확인했다. 삼성서울병원 의학과 조덕 교수팀과의 공동 연구를 통해 이 기술이 사람 유래 NK세포에서도 효과가 있음을 확인하여 임상 적용 가능성을 보여주었다. 이 새로운 NK세포 치료제는 생쥐 실험에서 간암뿐만 아니라 복막암까지 효과적으로 없애는 것을 확인했으며 간 기능도 정상으로 돌아오는 것을 확인할 수 있었다. 이는 연구팀이 만든 암 표적형 NK세포 치료제가 암을 효과적으로 치료할 가능성이 크다는 것을 의미한다. 박우람 교수는 “기존의 면역세포치료제로는 치료하기 어려웠던 고형암을 목표로 삼아, 새로운 치료제 개발에 착수했다. 이 과정에서 COVID-19 백신 개발에 사용된 지질나노입자 기술을 응용하여 효과적인 NK세포 기반의 면역치료제를 만드는 데 성공했다”며 “앞으로도 생명공학, 나노기술, 면역학, 및 의료영상학 등 여러 분야의 전문 지식을 결합하여 난치성 질환을 치료할 수 있는 새로운 나노의약품 개발에 전념할 계획”이라고 밝혔다. ▲ 생쥐 간암 모델에서 NK세포 면역세포 치료제의 암 표적형 면역항암치료 한국연구재단 및 한국보건산업진흥원이 추진하는 연구사업으로 수행된 이번 연구 결과는 생체재료 분야 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19, JCR: 4.21%)에 3월 7일 온라인 게재되었다. ※ 논문 제목: Enhancing CAR-NK cell against solid tumors through chemical and genetic fortification with DOTAP-functionalized lipid nanoparticles, ※ 저널: Advanced functional materials (Impact factor: 19) ※ 게재일: 2024년 3월 7일(온라인) ※ 제1저자: 신하은 박사, 교신저자: 박우람 교수 ※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202315721

    2024-03-19

  • SAINT 전일 교수 공동연구팀, 친환경 투명유연전극 고분자 기판 개발을 통한 폴더블 페로브스카이트 태양전지 구현
    SAINT 전일 교수 공동연구팀, 친환경 투명유연전극 고분자 기판 개발을 통한 폴더블 페로브스카이트 태양전지 구현

    SAINT 전일 교수 공동연구팀, 친환경 투명유연전극 고분자 기판 개발을 통한 폴더블 페로브스카이트 태양전지 구현 - Carbon Energy 게재 ▲ (왼쪽부터) 김언수 박사, 남정석 박사과정생, 윤정진 박사, 서울대 최만수 교수, 성균관대 전일 교수 SAINT 전일 교수 연구팀이 서울대학교 최만수 교수 연구팀과 공동으로 용액 공정 탄소나노튜브 소재가 적용된 친환경의 투명유연전극 고분자 기판을 개발하고 이를 이용해 폴더블 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다고 밝혔다. 휴대용 에너지 기술의 수요는 최근 스마트 디바이스의 발전 방향에 상응하여 개발되어야 한다. 예를 들면 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 다양한 폼팩터 또는 바이오(건강), 드론과 관련된 다양한 애플리케이션들이 이에 해당한다. 따라서 에너지 디바이스는 높은 에너지의 생산과 저장 성능이라는 본질적인 성능 요건뿐만 아니라 이러한 변화에 대응할 수 있는 기계적인 유연성 및 대면적 생산에 대한 호환성 등의 요건들을 추가로 갖추어야 한다. 페로브스카이트 태양전지는 유/무기 혼합 페로브스카이트 결정을 광 흡수체로 활용하는 차세대 태양전지로 기존 실리콘 태양전지가 가지지 못하는 유연성 특성을 가진다. 그래서 다양한 애플리케이션을 가지는 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 유연 디바이스 구현을 위해서는 투명 전극 소재와 이를 포함하는 유연 기판이 가장 중요하다. 기존의 널리 사용되고 있는 전극 소재인 인듐주석산화물(indium tin oxide, 이하 ITO)는 광학적·전기적 특성이 우수하나 기계적 유연성이 떨어진다. 또한 폴리머 기반전극 소재인 PH1000(PEDOT:PSS)는 화학적인 안정성이 떨어져서 아직 실생활의 적용에는 적합하지 않다. 또한, 태양광 기술의 대면적화(태양광 모듈/패널 구현)을 위해서는 전극층을 비롯한 특정 층들을 레이저로 가르는 공정이 필수적이며 이 과정에서 디바이스가 열손상을 입을 수 있다. 유연 디바이스의 경우 열적 안정성이 높지 않은 플라스틱 소재를 주로 사용한다. 이러한 점에서 유연 디바이스의 전극/기판 측의 선택에 있어서 뛰어난 광/전기적 특성, 높은 기계적 유연성, 열적 안정성의 요건들이 중요하게 고려되어야 한다. 탄소나노튜브-패릴린C “전극/기판” 복합체 개발일반적으로 탄소나노튜브를 전극층으로 사용하는 디바이스의 경우, 디바이스의 제작은 탄소나노튜브 전극층을 형성하고 그 위에 이루어지게 된다. 용액 공정으로 도포되는 탄소나노튜브는 그 형태를 유지하기 위한 유기 바인더(binder)가 존재하는데 이 바인더 물질이 탄소나노튜브 층의 표면으로 몰리려는 성향이 있다. 이 바인더는 전기적으로 절연체의 특징을 가지기 때문에 태양전지를 비롯한 디바이스의 입장에서는 성능을 낮추는 요인 중의 하나이기도 하다. 연구팀은 용액 공정이 가능한 이중벽탄소나노튜브(double-walled carbon nanotubes, 이하 DWNT)를 전극 소재로서 폴리카보네이트 층에 도포하고, 그 위에 실제 기판으로 사용될 패릴린-C 폴리머를 저온 CVD로 형성하였다. 이 상태에서 DWNT의 바인더는 DWNT의 표면에 해당되는 DWNT와 패릴린-C의 계면에 몰리게 된다. 그 다음 유기 용액 공정을 통해 폴리카보네이트를 선택적으로 제거하면, DWNT가 패럴린-C에 도포된 형태의 투명전극이 만들어진다. 해당 투명전극은 태양전지가 형성될 DWNT면에 바인더가 거의 없는 상태가 되어 태양전지를 제작했을 때 전기적인 손실을 획기적으로 감소시킨 것이 이 전극/기판 복합체의 핵심이다. 개발된 복합체는 다음과 같은 2가지의 특장점을 가지고 있다. 1. 태양전지 효율 및 기계적 유연성 연구팀은 제작된 복합체를 활용한 유연 페로브스카이트 태양전지가 18.11%의 효율을 나타낸다고 밝혔다. 이는 기존 ITO 소재를 활용하는 태양전지 효율인 18.89%에 근접한 효율이며, 지금까지 보고된 탄소나노튜브 투명 전극 기반 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 성능이다. ▲ 제작된 복합체를 활용한 유연 페로브스카이트 태양전지의 구조와 디바이스 특성 유연 태양전지의 기계적 유연성 테스트(굽힘 테스트) 결과 ITO 기반 디바이스의 경우 해당 조건에서 몇 차례의 굽힘 사이클만으로도 효율(PCE, power conversion efficiency)이 급격하게 떨어진다. 이는 ITO 전극 소재가 낮은 기계적인 유연성을 가졌기 때문이다. 반면 DWNT와 폴리머 전극(PH1000) 디바이스는 10,000회의 사이클에도 안정적으로 성능을 유지하여 전극 소재로서 우수한 기계적 유연성 특성을 보였다. ▲ 3가지 타입의 유연전극 소자의 10,000회 굽힘 테스트에 따른 효율 변화 2. 대면적화 공정 적합성 – 열적 안정성 마지막으로 연구팀은 태양전지 기술의 대면적화 공정 적합성을 비교하기 위하여 레이저 공정에 대한 취약성 테스트를 수행하였다. 아래 이미지는 전도성 원자 힘 현미경(c-AFM) 데이터로, 표면의 전기 전도성 분포를 파악하는 데 이용된다. 레이저 공정 후 두 가지 전극(DWNT, 폴리머 PH1000) 표면에 대한 c-AFM 데이터를 통해 DWNT/패릴린 복합체의 경우 레이저 공정 후에도 밝은 영역들이 유지되는 것을 보였으며 이는 DWNT 전극이 레이저 공정 후에도 전극으로서의 기능을 잘 유지하고 있음을 의미한다. 반면 폴리머 전극인 PH1000의 경우 밝은 영역들이 존재하지 않는 것을 보여, PH1000 전극은 기계적인 유연성을 가지고 있으나 열적 안정성이 떨어져서 대면적화에는 적합하지 않음을 의미한다. 연구팀은 이를 통해 이 연구에서 개발된 DWNT/패릴린 복합체가 유연 태양전지의 유연성과 대면적화 측면에서의 문제점들을 해결하고 개발을 가속화할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다. ▲ 레이저 공정(P2, P3)이후의 C-AFM 이미지 ▲ 용액형 탄소나노튜브 투명전극 기반 대면적 폴더블 태양전지 모듈의 모식도 ※ 논문명: Enhanced Performance of Solution-Processed Carbon Nanotube Transparent Electrodes through Vertical Separation of Binders by using Eco-friendly Parylene Substrate: Prospects for Laser-Scribing Perovskite Solar Modules ※ 학술지: Carbon Energy(IF: 21.556) ※ 저자: 김언수 박사(공동 제1저자, 서울대 멀티스케일 에너지 연구단/프런티어 에너지 솔루션), 남정석 연구원(공동 제1저자, 성균관대 SAINT 나노공학과 박사과정), 윤정진 박사(공동 제1저자, 펜실베니아주립대학교 재료공학과), 한지예 박사(성균관대 SAINT 나노공학과), 최만수 교수(공동교신저자, 서울대 멀티스케일 에너지 시스템 연구단/프런티어 에너지 솔루션), 전일 교수(공동교신저자, 성균관대 SAINT 나노공학과)

    2024-03-08