(왼쪽부터) 화공생명공학부 권우성 교수, 장희민 학생, 한채원 학생

화공생명공학부 권우성 교수 연구팀이 대표적인 생체적합성 소재인 실리카에서 인광 특성이 발현될 수 있는 원리를 규명했다. 이 연구를 통해 기존 인광 소재의 한계를 극복하고 중금속이나 방사성 물질 없이도 암을 비롯한 각종 질병을 효과적으로 진단하는 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 

권우성 교수는 UNIST, 한양대와 함께한 ‘실리카 나노입자의 결함 구조 조절을 통한 상온 인광 구현 및 고대비 생체 광영상화 기술 개발(Room-temperature phosphorescence of defect-engineered silica nanoparticles for high-contrast afterglow bioimaging)’ 논문에서 이같은 내용을 발표했다.

연구팀에 따르면 빛을 이용해 생체 내부를 시각화하는 생체 광영상화 기술은 정확한 진단과 효과적인 치료에 필수적이다. 특히 상온 인광*(room-temperature phosphorescence)을 이용한 생체 광영상화 기술은 긴 영상 획득 시간과 높은 신호 대 잡음비를 제공해 더욱 정확한 진단을 가능하게 한다. 

- 상온 인광(room-temperature phosphorescence): 상온 인광은 빛 에너지를 흡수한 물질이 상온에서 오랜 시간 동안 빛을 계속 방출하는 현상이다. 일반적인 형광은 빛 에너지 공급을 멈추는 즉시 방출되는 빛이 사라지는 반면, 인광은 빛 에너지 공급을 멈춘 후에도 수 초에서 수 분, 심지어 수 시간 동안 빛을 계속해서 방출한다.

하지만 기존 상온 인광 소재는 광 안정성과 독성 문제로 인해 사용에 제약이 따르고, 금속이나 유기 형광체를 사용하는 소재는 장기적인 생체 응용에 적합하지 않고 각종 부작용도 유발할 수 있다. 

실리카 나노입자 합성 모식도, 전자현미경 사진 및 상온 인광 방출 모습. 

이러한 문제를 해결하기 위해 권 교수 연구팀은 금속이나 유기 형광체의 도움 없이 자체적으로 상온 인광 특성을 나타내는 실리카 나노입자*를 개발했다. 

- 실리카 나노입자(silica nanoparticle): 실리카 나노입자는 이산화규소(SiO2)로 이루어진 미세한 입자로, 10~1000나노미터 정도의 크기를 갖는다. 내부 미세 구조로 인해 빛과 독특한 상호작용을 보이며, 생체 적합성이 매우 우수해 다양한 분야에 널리 활용되고 있다.

새로운 실리카 나노입자는 뛰어난 광 안정성, 낮은 독성, 장수명 인광 등 장점이 있어 장기적인 생체 응용이나 조직 형광에 의한 방해 없이 정확한 이미지를 얻을 수 있다. 

실리카 나노입자를 활용해 결장암을 진단한 결과

이 연구에서는 생체 광영상화 기술 실증을 위해 실리카 나노입자 표면에 암 표적성 펩타이드를 결합해 결장암을 광학적으로 진단하는 데 성공했다. 이를 통해 암 진단뿐만 아니라 다양한 생체 영상화 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구지원사업, 치매극복연구개발사업단(KDRC), 범부처재생의료기술개발사업단(KFRM) 지원으로 수행됐다. 화공생명공학부 석사과정 장희민 학생(2022년 졸업), 한채원 학생이 공동 제1저자, 권우성 교수가 교신저자로 참여했고, UNIST 바이오메디컬공학과 주진명 교수, 한양대 화학공학과 김경학 교수 연구팀이 함께했다. 

이 논문은 엘스비어(Elsevier)에서 발간하는 국제 학술지 Chemical Engineering Journal(IF=15.10)에 게재됐다.