한빛사 인터뷰
- 등록2023-05-30
- 조회1,185
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
란타나이드 이온이 도핑된 나노재료의 경우, 근적외선 영역에서 바이오-이미지 처리에 있어서 활용 가능성이 매우 크지만, 광열 치료로 사용되기 어려운 한계점이 있었습니다. 예를 들어, 란타나이드의 광열효과는 Cross-relaxation(CR) 현상을 기반으로 하는 것으로 이온 내에서 특수한 에너지 준위에서의 에너지 주고받음 현상이 해소되면서 열에너지로 전환되는 개념입니다. 이 CR 효과만으로 인한 광열효과는 매우 낮은 광열효과를 보여 제한적으로 사용되어왔습니다. 본 연구는 란타나이드 이온인 Neodymium(Nd), Ytterbium (Yb) 그리고 Thulium(Tm)을 NaYF4 호스트에 도핑하여 다기능성 입자를 디자인하였고 기능은 다음과 같습니다.
(그림1) 긴-수명을 가지는 근적외선 이미징 및 물 분자를 국소적으로 가열하기 위한 다기능성 입자의 모식도
1) 국소적 물 분자 가열을 위한 광열효과 전략: 근적외선 파장대인 1.0 μm 영역에서 물 분자의 강한 흡광을 이용하기 위해서, Neodymium-Ytterbium (Nd-Yb)으로 이루어진 란타나이드-기반 소재를 개발했습니다. 이 입자는 808 nm의 레이저를 조사하면 1.0 μm 파장을 강하게 발광합니다. 물의 근적외선 대 파장인 1.0 μm 영역에서는 물 분자의 O-H 분자 진동으로 강한 흡광을 가지게 됩니다. 이 현상을 기반으로 물 분자를 국소적으로 가열할 수 있게 되었습니다.
2) 추가로, Nd-Yb로 이루어진 란타나이드-기반 소재에 Thulium (Tm)을 도핑하여 근적외선 영역에서 긴-수명을 가지는 신호의 영상처리 기능을 탑재하였습니다. 근적외선 영역에서 긴-수명을 가지는 신호의 장점은 근적외선 영역은 눈에 보이는 가시광선 영역보다 빛-투과도가 높고 빛-산란 의한 영향을 덜 받기 때문에, 깊이가 있는 쥐의 생체 내에서 신호의 감도를 더 향상할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 수 마이크로-초의 긴-수명을 가지는 신호는 수 나노-초를 가지는 자가형광 신호를 피해 신호를 탐지할 수 있어 신호의 감도를 더 향상할 수 있었습니다.
최종적으로 만들어진 입자는 악성 뇌종양인 교모세포종을 진단 및 치료할 수 있는 분야에 적용하였습니다. 교모세포종(Glioblastoma multiforme, GBM)은 뇌 조직에 존재하는 신경교세포에서 발생하는 종양으로 가장 흔한 악성 종양으로 알려져 있습니다. 이와 관련된 동물실험은 한양대 생명공학과 이동윤 교수님 연구실과의 공동연구를 통해 김형식 박사가 수행하였습니다.
만들어진 나노입자는 플라즈몬 공명으로 인한 광열효과를 일으키는 금나노입자 그리고 소재의 흡광으로 인한 광열효과를 일으키는 탄소 양자점 같은 방식이 아닌, 본 연구에서 개발된 나노입자는 생체의 주요 성분인 물 분자의 1.0 μm 영역에서 강한 흡광을 기반으로 하여 광열효과를 일으켜, 물에서 선택적으로 광열효과가 필요한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 동물실험에서는 개발된 나노입자에 뇌종양을 표적 할 수 있는 리간드를 추가 도입하여 선택적으로 뇌종양을 타겟하는 방식을 채택했습니다. 이후 뇌종양 부위에 특수한 광섬유를 이용해 빛을 비추어 이미징을 동반한 국소적 물 분자 가열이 이루어졌습니다. 이 과정에서 뇌종양 조직은 빛에 의해 가열되어 광열 치료 효과를 발휘하며, 78.9%의 조양조직을 제거하는 성과를 얻었습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
저는 한양대학교 화학과의 첨단나노바이오소재 연구실에서 이준석 교수님의 지도 하에 연구를 진행하고 있습니다. 저희 실험실은 다양한 기능성 나노소재를 디자인 및 개발하여 응용하는 연구를 진행하고 있습니다. 저희가 만든 소재들을 기업에 기술이전하고 제품으로 인허가도 받을 만큼 논문으로 끝나는 연구가 아니라 실제 생활에 쓰일 수 있는 연구라는 점이 연구자 입장에서 매력적입니다. 저희 연구실은 앞서 언급한 것처럼, 학생들이 다양한 주제를 가지고 연구하고 있기 때문에 교수님과 학생들이 주기적으로 세미나를 진행하여 연구에 대한 의견을 주고받으며 좋은 시너지를 내고 있습니다. 가장 좋은 점은 연구자들이 연구 활동에 집중할 수 있도록 지원해주고 계시며, 교내에서는 좋은 실험 기기들을 사용할 수 있도록 지원이 잘 되고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
실험부터 논문 작성까지 한 순간도 쉬웠던 순간이 없었습니다만, 저희 교수님의 지도 덕분에 잘 마무리할 수 있었던 것 같습니다. 결국 논문 형태로 마무리를 지어야 내가 연구자로서 어떤 일을 했다는 것을 인정받을 수 있다는 것이 냉혹하면서도 중요하다는 걸 느꼈습니다. 또한 교수님 및 동료들과 함께 연구를 진행하고 결과에 대한 토론을 할 때, 연구에 대한 재미와 연구자로서 보람을 느끼며 연구라는 분야에서 어떻게 해 나가야 할지 어렴풋이 느껴지기도 합니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
박사과정을 하면서 느끼는 것이 세상이 너무 빠르게 변한다는 것입니다. 최근 인공지능의 발달로 직업에 관한 우려가 큽니다. 인공지능 시대의 과도기인 현시 점에서 앞으로 미래를 예측해보자면, 소위 말해 장인이 살아남는 시대라고 할 수 있을 것 같습니다. 나노입자 합성에 있어서 노하우와 하이테크 기술은 절대 인공지능이 대체할 수 없는 영역이라고 생각됩니다. 위 관점에서 보았을 때 이 분야로 진학하려는 후배들에게 적극 추천해 드립니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
본 연구에서 사용된 란타나이드가 도핑된 나노입자 재료는 여러 기능을 추가할 수 있는 장점이 있지만, 아직 골드나노입자 또는 카본 양자점과 같은 재료와 비교했을 때 광열 변환 효율이 낮은 편입니다. 따라서 광열 변환 효율을 개선하기 위한 연구를 진행해보고 싶습니다.
#lanthanide nanoparticle
# photothermal therapy
# lifetime imaging
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