- KAIST-폴리페놀팩토리㈜, 상처에는 붙어 지혈하고 코팅하면 물이 빠르게 퍼지는 초친수성 바이오소재 개발
- 공기 중 산소 활용해 고가 화학 결합제·가열 없이 상온에서 30분 만에 제조
- 유리·플라스틱 등 다양한 소재에 균일 코팅…1년 지난 뒤에도 물이 잘 퍼지는 표면 특성 유지
- 공정 단순화하고 수십 리터 규모 생산까지 확인…지혈제·바이오센서·의료기기·기능성 표면처리 활용 기대

상처에는 빠르게 달라붙어 피를 멎게 하고, 유리나 플라스틱에 코팅하면 물방울이 맺히지 않고 닿자마자 쫙 퍼지게 하는 바이오소재가 개발됐다. KAIST 연구진이 천연물질인 키토산과 바이오매스 원료를 이용해 ‘접착’과 물이 표면에 빠르게 퍼지는 ‘초친수성’ 기능을 하나의 소재에 구현했다. 공기 중 산소를 이용해 상온에서 30분 만에 만들 수 있어 지혈제부터 의료기기·바이오센서, 기능성 표면처리까지 다양한 활용이 기대된다.

KAIST(총장 배충식)는 화학과 이해신 교수 연구팀이 갑각류 껍데기에서 얻는 천연 고분자 물질인 키토산(chitosan, CHI)과 식물 등 생물자원에서 얻을 수 있는 바이오매스 기반 원료인 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-benzenetriol, BTO)을 이용해 접착과 초친수성 표면처리 기능을 동시에 갖는 폴리페놀 바이오접착 소재 ‘CHI-B’를 개발했다고 15일 밝혔다.

폴리페놀(polyphenol)은 식물 등에 널리 존재하는 물질로 다양한 물질의 표면과 상호작용해 잘 달라붙는 특성을 갖는다. 이러한 특성 때문에 의료·바이오를 비롯한 다양한 분야의 접착 소재 연구에 활용되고 있다.

CHI-B의 특징은 하나의 소재로 강한 접착성과 물이 잘 퍼지는 표면 특성을 동시에 구현할 수 있다는 점이다. 상처에서는 빠르게 달라붙어 출혈 부위를 막고, 유리나 플라스틱 등에 코팅하면 물이 닿는 즉시 넓게 퍼지는 ‘초친수성(superhydrophilic)’ 표면을 만든다.

초친수성은 물방울이 표면에 동그랗게 맺히지 않고 닿자마자 넓고 얇게 퍼져 표면을 적시는 성질이다. 연구팀은 CHI-B를 유리뿐 아니라 테플론으로 잘 알려진 불소계 고분자 소재인 PTFE, 음료병 등에 널리 쓰이는 플라스틱인 PET, 포장재 등에 사용되는 플라스틱인 PS, 광촉매와 기능성 코팅 등에 활용되는 이산화티타늄(TiO₂) 등 성질이 서로 다른 다양한 소재에 균일하게 코팅하는 데 성공했다.

특히 극미량인 10 ppm(100만 분의 10 수준)의 요소(urea)를 함께 사용하면 CHI-B 코팅 표면을 초친수성으로 만들 수 있었다. 요소는 우리 몸에서도 만들어지는 질소화합물로, 이번 연구에서는 매우 적은 양만으로 코팅 표면에서 물이 빠르게 퍼지는 특성을 구현하는 데 사용됐다.

코팅의 안정성도 확인했다. CHI-B로 처리한 표면은 한 달 이상 세척한 뒤에도 안정적으로 유지됐으며, 1년이 지난 코팅에서도 물이 잘 퍼지는 우수한 젖음 특성을 보였다. 이는 다양한 소재의 표면 성질을 바꾸는 기능성 코팅이나 바이오센서·의료기기 등의 표면처리 소재로 활용될 가능성을 보여준다.

연구팀은 CHI-B의 강한 접착력을 이용해 의료용 지혈 소재로서의 가능성도 확인했다.

세포 독성 평가에서 CHI-B는 높은 생체적합성, 즉 생체 조직이나 세포와 접촉했을 때 유해한 영향을 적게 나타내는 특성을 보였다. 생쥐의 간 출혈 부위에 CHI-B 스펀지를 적용한 결과 출혈량이 대조군보다 크게 감소했다. CHI-B가 출혈 부위에 빠르게 달라붙어 상처를 물리적으로 막으면서 지혈을 도운 것으로 나타났다.

이번 연구의 또 다른 강점은 제조 과정을 크게 단순화했다는 점이다.

기존 키토산 기반 바이오접착제를 만들 때는 키토산과 다른 물질을 화학적으로 연결하기 위해 EDC/NHS와 같은 별도의 화학 결합제가 주로 사용됐다. 이 방식은 고가의 시약뿐 아니라 반응 후 남은 물질을 제거하기 위한 여러 단계의 정제와 긴 투석 과정이 필요해 생산 규모를 확대하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 BTO가 공기 중 산소와 만나 자연스럽게 산화되는 성질에 주목했다. 산화된 BTO는 다른 물질과 쉽게 결합할 수 있는 ‘파라-퀴논(para-quinone)’이라는 반응성이 높은 구조로 바뀌고, 키토산에 있는 ‘아민기(amine group, –NH₂)’와 빠르게 반응한다. 아민기는 질소와 수소를 포함한 화학 구조로, 이번 반응에서는 두 물질이 결합하는 연결 부위 역할을 한다.

쉽게 말하면 공기 중 산소가 BTO를 키토산과 쉽게 결합할 수 있는 상태로 바꿔줘, 기존 화학 결합제의 역할을 대신하도록 한 것이다.

이 원리를 이용하면 별도의 화학 결합제나 가열 과정 없이 상온에서 30분 이내에 CHI-B를 만들 수 있다. 연구팀은 실험실 환경에서 수십 리터 규모까지 생산 규모를 확대해 대량생산 가능성도 확인했다.

CHI-B는 물에 잘 녹는 특성도 보였다. 일반적인 키토산은 물에 잘 녹지 않아 활용에 제약이 있지만, 물을 얼린 뒤 수분을 제거하는 동결건조 방식으로 만든 CHI-B 스펀지는 물에 닿은 뒤 약 15초 만에 완전히 녹았다. 산성 환경뿐 아니라 우리 몸과 비슷한 중성 환경에서도 높은 용해도를 유지했다.

이번 연구는 천연·바이오매스 기반 소재 하나로 접착과 초친수성 표면처리라는 서로 다른 기능을 구현하면서, 실제 산업 적용을 고려한 간단한 제조법과 생산 확장 가능성까지 제시했다는 데 의미가 있다.

향후 출혈 부위에 사용하는 지혈 소재를 비롯해 바이오센서·의료기기, 물의 젖음 특성을 조절해야 하는 다양한 기능성 표면처리 소재 등으로 활용 범위가 확대될 것으로 기대된다.

이해신 교수는 “이번 연구는 하나의 바이오소재로 강한 접착성과 물이 빠르게 퍼지는 초친수성 표면 특성을 함께 구현했다는 데 의미가 있다”며 “제조 과정도 단순하고 생산 규모를 확대할 가능성까지 확인한 만큼 지혈 소재부터 의료기기·바이오센서, 기능성 표면처리까지 다양한 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

KAIST 화학과 석박통합과정 김은우 학생이 제1저자로, 이해신 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)’에 게재됐으며, 지난 4월 30일 온라인 공개됐다.

* 논문명: Sustainable and scalable polyphenolic bioadhesives for hemostasis and surface functionalization 

* 관련 시연 동영상: https://drive.google.com/drive/folders/1toEwNZhy9gBDuo_9mKHWaDU4wtsdlQwJ

한편, 이번 연구는 KAIST 교원창업기업인 폴리페놀팩토리㈜의 지원을 받아 수행됐다.

연구개요

1. 연구 배경
최근 친환경・지속가능 소재에 대한 관심이 증가하면서, 생체 유래 고분자와 폴리페놀(polyphenol)을 활용한 바이오접착 및 기능성 코팅 소재가 차세대 소재 플랫폼으로 주목받고 있다. 특히 폴리페놀 기반 소재는 홍합의 수중 접착 메커니즘에서 영감을 받아 의료용 접착제, 표면 코팅, 항균 소재, 기능성 필름 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 제시되어 왔다. 그러나 기존의 폴리페놀-아민 소재는 대부분 EDC/NHS와 같은 화학 결합제를 필요로 하며, 긴 반응 시간과 복잡한 정제 과정을 거쳐야 한다는 한계가 있었다. 이러한 공정은 많은 화학 시약과 에너지를 필요로 할 뿐 아니라, 대량생산 과정에서 비용 증가와 폐기물 발생 문제를 유발해 산업적 확장성과 지속가능성 측면에서 한계를 지닌다.

특히 최근 전 세계적으로 친환경 화학(green chemistry)과 탄소중립 기술에 대한 요구가 높아지면서, 복잡한 화학 공정을 최소화하고 자연 유래 물질을 활용한 고기능성 소재 개발의 중요성이 커지고 있다. 의료・바이오 분야뿐 아니라 기능성 코팅, 표면 개질, 방오 소재 및 친환경 산업용 접착제 시장 역시 빠르게 성장하고 있으며, 다양한 표면에 간단하고 안정적으로 적용 가능한 차세대 바이오접착 소재에 대한 수요도 증가하고 있다.

이에 따라 연구팀은 바이오매스 유래 폴리페놀인 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-benzenetriol, BTO)에 주목하였다. BTO는 공기 중 산소에 의해 빠르고 쉽게 산화되어 높은 반응성을 갖는 para-quinone 구조를 형성하며, 아민기를 포함하는 고분자와 별도의 화학 결합제 없이도 빠르게 공유결합을 형성할 수 있다. 연구팀은 이러한 특성을 이용해 갑각류 유래 천연 고분자인 키토산(chitosan, CHI)과 BTO를 결합하여 새로운 폴리페놀 바이오접착 소재(CHI-B)를 개발하였다.

개발된 CHI-B는 유리, 플라스틱, 실리콘, PTFE 등 다양한 표면에 안정적으로 코팅될 뿐 아니라, 극미량의 요소(urea)만으로도 초친수성(superhydrophilic) 표면을 구현할 수 있음을 확인하였다. 또한 높은 생체적합성과 강력한 지혈 성능을 동시에 나타내어, 의료용 지혈제 및 바이오소재로의 활용 가능성도 입증하였다. 본 연구는 복잡한 화학 결합 공정을 대체할 수 있는 지속가능한 폴리페놀 접착 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

2. 연구 내용 및 중요성
기술적 성과 – 본 연구에서는 기존 폴리페놀 기반 접착 소재의 복잡한 합성 공정을 단순화할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시하였다. 연구팀은 산소에 의해 자연적으로 활성화되는 폴리페놀 반응을 이용해, 별도의 화학 결합제 없이도 빠른 공유결합 형성이 가능함을 확인하였다. 또한 개발된 CHI-B는 높은 수용성과 우수한 표면 범용성을 동시에 나타내어 유리, 플라스틱, 실리콘, PTFE 등 다양한 소재에 안정적인 코팅이 가능했으며, 극미량의 요소(urea)를 이용해 초친수성 표면으로 제어할 수 있음을 입증하였다. 더불어 높은 생체적합성과 우수한 지혈 성능을 함께 보여 기능성 코팅 소재이자 의료용 바이오접착 플랫폼으로서의 가능성을 확인하였다.

산업적 가치 – CHI-B 기반 기술은 의료, 바이오, 코팅 및 표면처리 산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 기존 폴리페놀-아민 소재의 경우 복잡한 화학 공정과 고가의 화학 결합제가 필요했으나, 본 기술은 단순한 수계 반응만으로 빠르게 제조할 수 있어 공정 비용과 환경 부담을 크게 줄일 수 있다. 또한 대면적 코팅, 기능성 표면처리, 초친수성 코팅, 의료용 지혈제 및 바이오접착제 등으로 응용 범위가 넓어 산업적 확장성이 높다. 특히 친환경・지속가능 소재에 대한 글로벌 수요 증가에 따라 차세대 바이오 기반 기능성 소재 플랫폼으로 활용될 가능성이 크다.

사회적 파급 효과 – 최근 친환경 화학 및 지속가능 산업에 대한 관심이 높아지면서, 화학 시약과 에너지 사용을 최소화한 소재 기술의 중요성이 커지고 있다. 본 연구에서 개발한 CHI-B 기술은 자연 유래 원료와 산소 기반 반응을 활용함으로써 보다 환경친화적인 소재 생산 전략을 제시하였다. 또한 의료용 지혈 및 기능성 표면처리와 같은 실질적 응용 가능성을 동시에 보여줌으로써, 의료・산업 현장에서 활용 가능한 지속가능 소재 기술의 새로운 방향성을 제시하였다. 특히 복잡한 화학 공정을 대체할 수 있는 친환경 바이오접착 플랫폼이라는 점에서 향후 다양한 고부가가치 소재 개발로의 확장이 기대된다.

3. 연구성과의 기대 효과 및 활용방안
친환경 바이오접착제 및 기능성 코팅 소재 개발: CHI-B는 별도의 화학 결합제 없이 빠르게 합성 가능한 지속가능 바이오접착 소재로, 다양한 산업 분야에서 친환경 대체 소재로 활용될 수 있다. 특히 기존 폴리페놀 기반 접착 소재의 복잡한 공정을 단순화함으로써 대량생산 및 산업화 가능성을 크게 높였다.

초친수성 표면처리 및 기능성 코팅 기술 적용: CHI-B는 유리, 플라스틱, 실리콘, PTFE 등 다양한 표면에 안정적으로 코팅될 수 있으며, 초친수성(superhydrophilic) 표면 구현이 가능하다. 이를 활용해 방오 코팅, 기능성 필름, 바이오 인터페이스 및 산업용 표면처리 기술 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다.

의료용 지혈제 및 바이오소재 개발: 높은 생체적합성과 강력한 지혈 성능을 기반으로 응급 지혈제, 수술용 바이오접착제 및 조직 봉합 보조 소재 등 의료용 바이오소재로의 활용 가능성이 높다. 특히 빠른 부착성과 물리적 봉합 능력을 동시에 갖추고 있어 차세대 의료용 접착 플랫폼으로 확장될 수 있다.

지속가능 화학 기반 산업 확대: 본 기술은 바이오매스 유래 폴리페놀(BTO)과 천연 고분자인 키토산을 활용하여 친환경적으로 제조된다는 점에서, 지속가능 화학(green chemistry) 기반 소재 산업 확대에 기여할 수 있다. 또한 복잡한 화학 시약과 에너지 사용을 줄일 수 있어 환경 부담 저감 및 탄소중립형 소재 생산 기술로의 발전 가능성이 크다.

다양한 고부가가치 소재 플랫폼으로의 확장 가능성: CHI-B는 접착, 코팅, 표면 기능화, 생체재료 특성을 동시에 갖춘 다기능 플랫폼 소재로, 향후 바이오・의료・전자・환경 소재 등 다양한 분야로 응용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

1. 폴리페놀(Polyphenol)
다수의 페놀성 하이드록실기(-OH)를 가지는 천연 유래 화합물로, 항산화 능력과 다양한 분자와의 상호작용 특성을 갖는다. 홍합 접착 단백질의 화학적 특성과 유사한 반응성을 보여 바이오접착 및 표면 코팅 소재로 주목받고 있다.

2. 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol, BTO)
세 개의 하이드록실기를 가지는 바이오매스 유래 폴리페놀 화합물이다. 공기 중 산소에 의해 자연적으로 산화되어 quinone 구조를 형성하며, 아민기와 빠르게 반응할 수 있는 높은 반응성을 가진다.

3. 키토산(Chitosan)
갑각류 껍질 유래의 천연 고분자로, 높은 생체적합성과 생분해성을 가진다. 다수의 아민기를 포함하고 있어 바이오접착제, 약물 전달체 및 기능성 바이오소재 등에 폭넓게 활용된다.

4. Quinone(퀴논)
폴리페놀이 산화되면서 생성되는 반응성 구조로, 아민기와 쉽게 공유결합을 형성할 수 있다. 본 연구에서는 BTO가 산화되어 생성된 quinone이 키토산과 빠르게 결합하는 핵심 반응 중간체 역할을 수행한다.

5. 초친수성(Superhydrophilicity)
표면에 물이 매우 빠르게 퍼지는 특성을 의미한다. 일반적으로 물 접촉각(water contact angle)이 5° 이하인 상태를 의미하며, 방오 코팅 및 기능성 표면처리 기술에 활용된다.

6. 바이오접착제(Bioadhesive)
생체조직 또는 다양한 표면에 안정적으로 부착될 수 있는 접착 소재를 의미한다. 의료용 지혈제, 조직 봉합, 기능성 코팅 등 다양한 바이오 의료 분야에서 활용된다.