차세대 신소재로 각광받는 그래핀(graphene)이 사람의 생체와 연계되는 바이오닉스(bionics) 시스템을 구축하는 데 꼭 필요한 소재라는 것이 밝혀지면서, 산업 전 분야로 그 활용범위가 넓어지고 있다.

바이오닉스란 생체의 기구와 기능을 공학적으로 연구하여 거기에서 얻은 지식을 기술적 문제에 응용하는 분야를 말한다. 생체공학 또는 인간기계공학 등이 모두 바이오닉스 분야에 포함된다. 바이오닉스의 목적은 생체 기능을 연구하여 생체와 같이 동작하는 시스템을 만드는 데 있다.

물리과학 전문매체인 피직스월드(physicsworld)는 온라인 판을 통해 독일의 과학자들이 그래핀 기반의 트랜지스터를 이용하여, 시각이 손상된 사람들을 도울 수 있는 전자망막처럼 디지털 디바이스와 생체신경을 연결시키는 바이오닉스 시스템을 개발하고 있다고 최근 보도했다.

DNA와 하이브리드화가 가능한 그래핀

최근 들어 다양한 종류의 무기재료와 바이오분자가 융합되어 생체적합성 및 재생성을 나타내는 바이오 분자들이 등장하였다. 이는 독특한 2중 나선구조를 가지고 있는 DNA가 분자 또는 나노재료와 하이브리드를 형성할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문이다.

DNA는 그래핀(graphene)이나 플러렌(fullerene) 같은 탄소나노 재료와 하이브리드화가 가능하다. 그중에서도 비교적 낮은 생산원가와 넓은 검출면적, 그리고 생체적합도 같은 독특한 전자적 성질을 가지고 있는 그래핀은 특히 주목 받고 있는 탄소나노 재료라 할 수 있다.


DNA-그래핀 간의 하이브리드 재료를 얻기 위한 방법으로는 한 성분의 화합물이 다른 성분의 표면과 초분자 상호작용을 하여 흡착하는 방법과 한 성분의 분자를 다른 성분의 분자 내에 있는 빈 공간 등에 삽입하는 물리적인 방법, DNA와 그래핀 간에 공유결합 또는 비공유 결합을 통하여 연결시키는 화학적 방법이 있다.

그래핀의 소재가 알려지기 전부터 독일 막스플랑크 생화학 연구소의 피터 프롬헤르츠(Peter Fromherz)와 같은 이 분야의 선구자들은 이미 사람의 신경계를 이루는 기본적인 단위세포인 뉴런(neuron)들과 실리콘 소자들을 접촉시키는 데 20년 이상을 바쳐 연구해 왔다.

최근 그래핀의 활용을 신중히 검토하고 있는 막스플랑크 연구소의 목표는 손상되고 상실된 신경 시스템의 기능을 늘리거나 이를 보완해 줄 수 있는 인공신경 기관을 만드는 것이다.

바이오닉스 소재로 장점이 더 많은 그래핀

그래핀 기반의 바이오닉스 시스템 연구는 신경세포가 세포막 사이에 생성하는 작은 전압이 핵심이다. 이 전압은 세포 안으로 들어오는 나트륨 이온과 세포 밖으로 향하는 칼륨 이온 간에 발생하는 전위차에 의해 발생한다.

1970년대 이래 생체물리학자들은 세포를 둘러싼 전해액 특성의 급격한 변화를 전기장 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)를 이용하여 감지하려고 노력해 왔다. 이 FET를 활용하여 만든 디바이스를 용액 게이트(SGFET, Solution-gated FET)라고 부른다.

바이오닉스 시스템의 초기 연구는 상당 부분 실리콘을 이용하여 진행되었다. 이후 지난 2004년에 그래핀이 등장하면서 과학자들은 이 소재를 활용하면 더 나은 SGFET를 만들 수 있음을 알았다.


이와 관련하여 현재 그래핀 기반의 바이오닉스 시스템 프로젝트를 이끌고 있는 뮌헨공대의 요세 가리도(Jose Garrido)박사는 “예전과는 달리 요즘에는 실리콘이 아닌 그래핀을 사용한다”며, “실리콘에 비해 그래핀은 여러가지 장점들이 있다”고 밝혔다.

가리도 박사는 “우선 그래핀 표면은 실리콘과는 달리 깨끗한 상태를 유지하는 반면 실리콘은 전해액 속에 담그면 산화막이 생성되면서 성능 저하가 생기고, 두 번째로는 두뇌나 그와 유사한 조직 내에 이식하려면 구부릴 수 있는 소재라야 하는데 그래핀은 실리콘보다 훨씬 더 유연하다”라고 덧붙였다. 

가리도 박사는 “SGFET가 종래의 그래핀 FET와는 다르다”며, “FET의 경우는 그래핀 채널을 통해 흐르는 전류가 인접한 전극에 가해지는 전압의 변화에 의해서 조절될 수 있는 반면에 SGFET의 경우는 게이트 전압이 일정하게 유지된 상태에서 그래핀이 세포의 전해질 환경에 놓여진다”고 소개했다.

가리도 박사에 따르면, 용액 내 이온 농도에 어떤 변화가 생기면, 이는 바로 그래핀의 전기적 특성에 영향을 미치게 되기 때문에 전기 전도도가 변하게 되고 그래핀 채널 내를 흐르는 전류가 변한다. 이 때문에 신경세포가 점화되면 전기신호도 감지되는 것으로 나타났다.

시각이 손상된 사람을 돕는 전자망막 이식도 가능

현재, 가리도 박사가 이끄는 연구진은 살아있는 세포와 신경 조직에 전자 디바이스가 연계된 인터페이스에 초점을 맞추고 있다. 연구진은 이번 연구가 미래의 바이오닉스 시스템을 향한 그래핀 기반의 전자 플랫폼을 개발하는 전체 목표 중 일부분이라고 보고 있다.

가리도 박사는 “SGFET의 중요한 응용분야 중 하나가 시각이 손상된 사람을 돕는 전자망막 이식 분야일 것”이라며, “약 1천여 개의 어레이(array) 정도면 사람이 이미지를 감지하는 데 충분한 정보를 두뇌에 전달할 수 있을 것이라고 보는데, 이와 함께 중요하게 고려되어야 할 분야로 인공관절을 제어하는 대뇌피질 이식이 있다”고 거론했다.

이와 함께 가리도 박사는 “1천 개 정도의 그래핀 SGFET 어레이를 만드는 것은 곧바로 가능하지만 그것을 인간에 이식하는 것은 결코 쉽지 않은 일이기 때문에 앞으로도 상당한 연구가 필요할 것”이라고 전망했다.

가리도 박사가 언급한 어레이는 인공적으로 배양된 신경세포의 점화 신호를 감지하는 데 이용된다. 그동안 연구원들은 신경세포가 그래핀층 가까이에서 오랜 시간 살아있는 것을 보았기 때문에 SGFET가 진짜로 살아있는 생체 조직에서도 작동하는 것을 보여주려고 준비하고 있다.