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우리 학교 김욱·김은하 교수팀이 대표적 피부 염증 질환인 건선의 치료를 위한 새로운 방식의 나노입자 활용 기술을 제안했다. 해당 기술은 기존 건선 치료제의 단점을 보완하고, 여러 염증성 피부 질환의 치료에 적용할 수 있는 확장성 높은 기술로 새로운 치료제 개발에 활용될 전망이다. 김욱·김은하 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀은 건선 치료제로 개발될 수 있는 새로운 방식의 나노입자 활용 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 연구는 '건선 치료를 위한 경피 흡수 제형 약물로써 히알루론산 나노입자(Hyaluronic acid nanoparticles as a topical agent for treating psoriasis)'라는 제목의 논문으로 나노바이오 분야 국제 저명 학술지 <ACS Nano> 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 대학원 분자과학기술학과 박사과정의 이왕희·양예영 학생과 노준기 박사 졸업생이 공동 제1저자로 참여했다. 건선은 전 세계 인구의 약 3%가 앓고 있는 만성 염증성 피부 질환으로, 전염성은 없으나 재발 가능성이 높다. 피부에 붉은 발진이 나타나면서 두꺼운 각질이 쌓이는 증상을 보이며, 스트레스와 유전, 생활 환경과 면역 등 여러 요인이 복합적으로 작용하여 발병하는 것으로 알려져 있다. 현재 국소 및 전신 치료, 광 치료와 생물학 제제 치료 등이 활용되고 있다. 아주대 연구팀은 건선을 비롯한 피부 염증 치료를 위해 자가조립 히알루론산 나노입자를 활용한 새로운 기술을 제안했다. 자가조립 히알루론산 나노입자는 입자 내부에 약물을 담아 전달하는 ‘약물 전달체’로 사용된다. 생체 친화적이며 독성이 없고 생체 내에서 특정 수용체에 결합하는 등의 장점을 가지고 있어, 약물의 표적 특이적 체내 전달을 위한 수단으로 활발히 연구되어 왔다. 아주대 연구팀은 약물을 포함하지 않은 자가조립 히알루론산 나노입자 자체에서 피부 투과 능력과 피부 염증 제어 및 건선 치료 효능을 발견했다. 이에 해당 나노바이오 기술이 기존 국소 및 전신 건선 치료제의 단점을 극복할 수 있는지 규명, 새로운 피부염증 질환 치료제로서의 개발 가능성을 검증하고자 했다. 이를 위해 연구팀은 물리·화학적 특성 및 조성 변화를 통해 다양한 종류 및 크기의 나노입자를 합성하는 실험을 거쳤다. 그 결과 합성된 나노입자가 보유한 히알루론산 분해효소에 대한 저항성과 체내 안정성, 피부 투과 능력, 피부 염증 제어 및 건선 치료 효과가 소수성 물질의 종류와 히알루론산의 분자량과 관계없이 구(球)형의 외부 히알루론산 껍질에 의한 대식세포 및 활성 억제에 의한 것임을 확인했다. 또한 이러한 성질이 나노입자의 크기가 작을수록 향상됨을 확인하였다. 그 밖에도 피부 염증에 의해 파괴되는 피부장벽 기능이 히알루론산 나노입자에 의해 회복된다는 점도 규명해냈다.현재 건선 치료를 위해서는 국소 치료제와 전신 치료제가 사용되고 있다. 바르는 약 방식의 국소 치료제는 치료 효능이 낮고 약효 지속시간이 짧다. 주사제인 전신 치료제는 그에 비해 치료 효능이 높지만 비용이 많이 들고, 병원을 직접 방문해야 하기에 환자의 치료 편의가 낮다. 국소 치료제와 전신 치료제 모두 치료 중단 시 재발하는 경우가 대부분이며 피부발진, 모낭염, 신장 및 간독성 등의 부작용이 존재한다. 이에 반해 히알루론산 나노입자는 독성을 유발하지 않으면서도 기존 치료제와 비교하여 동등하거나 향상된 건선 치료 효과를 나타냈다. 특히 이번 연구에서 사용된 히알루론산 나노입자를 구성하는 물질은 모두 내인성 물질로 독성이 없고 단가가 낮으며 합성이 용이해, 해당 나노입자 기반의 치료제는 기존 건선 치료제의 단점들을 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 김욱 교수는 “특정 약효가 있는 물질을 히알루론산에 접합하여 사용하거나 기존 약물 전달체로서의 기능을 융합해 나노입자에 특정 약물을 담아 투여하면, 나노입자 자체의 치료 효능에 약물의 치료 효능까지 추가된 이중 또는 다중 치료 효능을 갖는 약물 플랫폼 기술을 개발할 수 있다”며 “이는 건선뿐만 아니라 다른 염증 질환에도 적용 가능하며 환자들의 경제적 부담을 줄이고 부작용은 최소화해 줄 수 있어 실제 환자 편의와 활용에 도움이 될 것”이라고 말했다. 한편 이번 성과는 여러 분야 연구자들의 공동·융합 연구를 기반으로 도출됐다. 아주대 최상돈 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과)와 성균관대 박재형 교수(고분자공학부), 중앙대 김정웅 교수(생명과학과), 가톨릭대 의과대학 이은경 교수(생화학교실) 및 광주과학기술원 송우근 교수(생명과학과)팀이 공동으로 참여했고, 국가신약개발사업단 국가신약개발과제(신약기반 확충연구)와 한국연구재단 대학중점연구소 및 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행되었다.# 위 사진 설명 : 뒷줄 왼쪽부터 김욱, 김은하 교수, 앞줄 왼쪽부터 노준기, 이왕희, 양예영국제 저명 학술지 <ACS Nano> 표지논문으로 선정된 아주대 공동 연구팀의 연구성과(자료제공_ACS Nano)
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우리 학교 연구진이 염증성 사이토카인인 TNF 신호를 제어하고 류마티스 마우스 모델에서 효과적인 치료 효능을 보이는 TNF 억제 화합물을 발굴했다. 이에 류마티스 관절염과 크론병, 건선을 비롯한 자가면역질환 치료제에 적용되어 환자들의 치료 편의와 효과를 개선할 수 있을 것으로 기대된다.최상돈 아주대 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과)는 종양괴사인자(tumor necrosis factor, TNF) 신호를 제어하는 TNF 억제 화합물을 발굴했다고 밝혔다. 해당 연구는 '동종삼량체화 인터페이스를 방해하는 경구 활성 소분자 TNF 억제제의 마우스 염증성 관절염 개선(An orally active, small-molecule TNF inhibitor that disrupts the homotrimerization interface improves inflammatory arthritis in mice)'이라는 논문으로 <Science(사이언스)> 자매지인 <Science Signaling(사이언스 시그널링>에 게재됐다. 우리 학교 최상돈 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과, 위 사진 왼쪽), 김문석 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 경희대 의과대학 함대현 교수(위 사진 오른쪽), ㈜에스앤케이테라퓨틱스 마리아 바툴(Maria Batool) 선임연구원이 연구에 참여했다. 자가면역질환은 인체 내 면역세포가 자신의 조직을 공격해 생기는 질환이다. 류마티스 관절염과 크론병, 건선 등이 대표적 자가면역질환이다. 류마티스 관절염은 면역 체계에 의한 지속적인 염증 반응으로 연골에 손상이 생겨 관절을 파괴하는 만성 염증성 자가면역질환이다. 크론병은 구강에서 항문까지 위장관 전체를 침범할 수 있는 만성 난치성 염증성 장 질환, 건선은 면역계가 피부 세포를 병원균으로 오해해 각질을 만들어내는 세포를 지나치게 자극하는 만성 염증성 피부 질환을 말한다.전 세계 자가면역질환 치료제 시장 규모는 연 300조원 이상으로, 종양괴사인자(tumor necrosis factor, TNF) 억제 항체 약물이 치료제 시장의 가장 큰 점유율을 차지하고 있다. TNF는 세포의 증식, 분화 및 자멸사와 같은 다양한 종류의 세포 활동에 관여한다. 종양괴사인자가 과도하게 분비되면 자가면역질환이나 염증성 질환을 유발한다.현재 자가면역질환의 치료를 위해 개발된 TNF 억제 생물학적 제제는 다수 존재(대부분 항체 약물)하지만, 상업적으로 이용이 가능한 소분자(small molecule) 억제제는 개발되어 있지 못하다. 소분자는 생물학적 과정을 조절할 수 있는 저분자량 의 유기 화합물이며 크기는 1nm 정도로, 경구용 약물로 사용할 수 있어 치료제로 선호되는 분자의 형태다. 그러나 다른 생물학적 기능에 영향을 미치지 않으면서 TNF를 효과적으로 억제하는 소분자 억제제의 개발은 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 공동 연구팀은 인공지능(AI)과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 TNF의 삼량화를 억제할 수 있는 화합물을 발굴했다. 4000만개의 후보물질을 스크리닝하고 개량하는 과정을 통해 새 화합물의 효과를 세포·동물실험을 통해 입증해 낸 것이다. 연구팀이 발굴한 TNF 억제 화합물은 세포 자멸사를 지연시켜 인간 및 마우스 세포에서 사멸 완화 효과를 보였고, 염증성 사이토카인들의 분비를 억제함을 확인했다. 또한 콜라젠 유발 다발성 관절염의 마우스 모델에서 발 부종, 무릎관절 병리의 조직학적 지표, 관절의 염증 침윤 및 전체 관절염 지수를 크게 감소시켰다. 이 물질은 경구 투여가 가능해 류마티스 관절염, 크론병, 건선을 비롯한 다수의 자가면역질환 치료제로 개발될 수 있을 전망이다.최상돈 아주대 교수는 "컴퓨터 시뮬레이션과 분자역학에 기반한 신약 개발 시스템을 통해 경구 투여가 가능한 자가면역질환 화합물 치료제 개발의 가능성을 제시한 것이 이번 연구의 성과"라며 "이 플랫폼을 이용하면 다양한 질환의 치료제 개발이 신속하게 이루어질 수 있다"라고 설명했다. 최 교수는 "실제 이를 활용해 건선, 루푸스, 알츠하이머, 비알콜성 지방간염, 제2당뇨, 크론병, 심부전, 다발성경화증 등에 대한 치료제 개발이 진행되고 있다"고 덧붙였다. 이번 연구는 국가신약개발사업단의 국가신약개발사업 및 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 류마티스 관절염 마우스 모델에서 연구진이 개발한 TIM1c 소분자 화합물의 항관절염 활성에 대한 행동 및 해부학적 평가
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전자공학과 박성준 교수 공동 연구팀이 높은 동작 범위와 채널 전도도를 갖는 IGZO 뉴로모픽 전자소자를 개발하는 데 성공했다. 이 전자소자를 활용하면 차세대 기술로 주목받고 있는 뉴로모픽 반도체 기술에 적용이 가능할 전망이다. 박성준 교수(전자공학과, 사진 오른쪽)는 세계 최고 수준의 높은 동작 범위(dynamic range)와 채널 전도도(channel conductance)를 갖는 IGZO 뉴로모픽 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 해당 논문은 '초-동적범위 IGZO 뉴로모픽 트랜지스터(Ultra-large dynamic range synaptic indium gallium zinc oxide transistors)'라는 제목으로 국제 저명 학술지 <어플라이드 머터리얼스 투데이(Applied materials today)> 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 전자공학과 석사과정의 곽태현 학생(사진 왼쪽)과 한국화학연구소(KRICT) 김명진 박사, 미국 퍼듀대 이원준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 박성준 아주대 교수와 한국화학연구소화학소재연구본부 고기능고분자연구센터의 김용석 센터장은 공동교신저자로, 한국화학연구소 김은채 연구원, 고려대 왕건욱 교수·장진곤 박사, 전북대 김태욱 교수는 공동저자로 참여했다.IGZO(InGaZnO, 인듐갈륨아연산화물)는 디스플레이 산업에서 널리 활용되고 있는 화합물 반도체로, 고사양의 OLED(유기 발광 다이오드) 구동소자로 쓰이고 있다. 아주대 연구팀은 IGZO와 다양한 산화물을 기반으로, 기능성 반도체와 인간 신경구조와 유사한 뉴로모픽(Neuromorphic) 전자소자를 연구해왔다. 차세대 기술로 주목받고 있는 뉴로모픽 전자소자는 인간의 뇌와 같이 연산과 저장을 동시에 할 수 있어 전력 소모가 적고 연산 속도가 빠르다. 사물 인터넷, 자율 주행 등에의 폭넓은 활용을 위해서는 데이터 처리가 빠르고 효율적인 반도체가 필요하기에 최근 산업계에서는 뉴로모픽 반도체를 주목해왔다.뉴로모픽 소자의 전기적 매개변수 중 ▲동적 범위와 ▲채널 전도도는 데이터 저장의 가용 범위 및 데이터 전달을 위한 신호강도를 의미하며, 대규모 병렬 데이터 처리를 위해서는 동시에 높은 수치의 값을 확보하는 것이 중요하다. 기존의 뉴로모픽 전자장치는 반도체 혹은 절연체의 고유 특성으로 인해 동작 범위와 전도도가 낮다는 한계를 보여왔다. 이에 데이터 송수신 시 낮은 데이터 신호 강도로 인해 데이터 증폭을 위한 전력 소모가 많고, 잡음(노이즈)에 의해 계산의 정확도가 낮아지는 원인이 되어 왔다. 이를 개선하기 위해 그동안 학계에서는 여러 방안을 연구·적용해왔다. 계면 전자 트랩 효과, 강자성 절연체 사용, 전해질 이온 기반 동작 등과 같은 기존의 방법들은 데이터 저장 시간이 길지 못하고, 장기적 구동 시 채널 물질과 절연체의 특성 변화로 인해 요구 수준 이상의 동작 범위와 채널 전도도를 만족시키지 못했다. 공동 연구팀은 합성된 고분자 절연체층을 자외선 환경에서 광가교(photo-crosslink, 빛을 이용해 고분자를 서로 연결(cross-linking)시키는 화학 반응) 할 때 첨가되는 가교제의 양에 따라 내부 수산기(hydroxyl group, 수소와 산소로 이루어진 작용기 -OH)의 양이 변하는 현상에 주목했다. 연구팀은 자외선 광에너지와 극성 용매가 수산기를 증가시키는 한편 필름의 결합력도 높여 내·외부 환경 및 화학적 안정성을 동시에 향상시킨다는 사실을 규명해냈다. 이를 바탕으로 높은 동작 범위를 확보하고, 구동 안정성이 높은 IGZO 뉴로모픽 소자를 개발하는 데 성공했다. 이에 뉴로모픽 반도체 연구 개발을 진행 중인 화학·반도체 소재 및 응용 분야 산업계에서 높은 관심을 받을 것으로 전망된다.박성준 교수는 "이번 연구는 세계 최고 수준의 동적 범위와 채널 전도도를 동시에 만족하는 뉴로모픽 전자소자를 성공적으로 개발했다는 데 그 의의가 있다"며 "화학소재 합성 및 반도체 공학의 융합기술로, 앞으로 AI 알고리즘을 동반한 사물인터넷(IoT) 기술, 가상화(AR, VR, XR) 기술, 의료 빅데이터 분석 및 진단 등에 널리 활용될 것으로 기대한다"고 전했다.한편 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단(기본연구, 기초연구실, 이공학학술연구기반구축, 미래소재디스커버리사업, 대학ICT연구센터지원사업 (ITRC)), 산업통상자원부(K-센서 기술개발사업), 산업통상자원부(바이오 융복합기술 전문인력양성 사업)의 지원으로 수행되었다.<신경전달 물질을 통해 시냅스 가소성이 변화하는 원리와 연구팀이 제안한 인공 뉴런 소자 개념도>
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우리 대학 연구진이 초박막형 두께로 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 소재를 개발했다. 사람 머리카락 굵기의 10분의 1 수준에 해당하는 두께로, 이 소재 설계 기술을 이용하면 레이저와 통신 등을 위한 다양한 광학 변환 소재의 개발이 가능해질 전망이다. 권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)와 이상민 한국과학기술원(KAIST) 교수(물리학과, 사진 오른쪽) 연구팀은 기존 광학결정의 비선형성을 월등히 뛰어넘는 새로운 양이온과 이에 적합한 음이온을 도입하는 새로운 결정 기술을 적용하여, 기존에 없던 극한의 비선형광학 특성을 가지는 유기결정을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 온라인판에 게재되었다. 논문 제목은 "극한 초분극도를 가지는 새로운 종류의 유기 결정: 고효율 및 광대역 평면 스펙트럼 대역을 가지는 테라헤르츠 발생(A New Class of Organic Crystals with Extremely Large Hyperpolarizability: Efficient THz Wave Generation with Wide Flat-Spectral-Band)"이다.비선형 광학(nonlinear optics)은 빛과 물질 간에 일어나는 비선형적 특성을 연구하는 학문으로, 주파수(파장)로 대표되는 빛의 특성을 바꾸는 광변조 기술과 고감도 분석 등에 활용된다. 이러한 광학 연구에 쓰이는 비선형 광학 결정(nonlinear optical crystal)은 물질 내에서 주파수를 비롯한 다양한 빛의 특성을 조절할 수 있는 소재다. 전자기파의 주파수를 높은 주파수로 변환하거나, 반대로 낮은 주파수로도 바꿀 수 있어서다. 빛의 핵심 특성인 주파수를 변환할 수 있다면, 빛의 특성 조절을 통해 다양한 방식으로 빛을 광범위하게 활용할 수 있게 된다. 예를 들어 눈으로 볼 수 없는 적외선의 빛을 높은 주파수의 가시광선으로 바꿀 수 있어 눈으로 확인할 수 있게 되고, 이와는 반대로 적외선의 빛을 이용해 낮은 주파수인 테라헤르츠파(terahertz wave, THz)를 만들어 낼 수도 있다. 또한 빛의 특성을 조절해 빛을 이용하는 다양한 분석 장비에서 그동안 측정하지 못하던 소재를 분석할 수 있게 되거나, 이전에 비해 더 넓은 부분을 볼 수도 있게 된다.그러나 기존에 활용되던 유기 소재 및 무기 소재의 광학 결정은 낮은 테라헤르츠파 주파수 변환 효율을 나타낸다는 점이 한계로 지적되어 왔다. 이를 개선하기 위해 밀리미터 이상 두께의 광학 결정을 사용하는 방법이 제시되었으나, 이러한 방법 역시 여러 측면에서 한계를 보여왔다. 예를 들어 좁은 대역의 테라헤르츠파만을 발생시키거나, 주파수 대역에 많은 공백이 나타나는 등의 문제다. 그동안 테라헤르츠 광원 소재를 연구해 온 권오필 교수 연구팀은 새로운 설계를 통해 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 이온성 유기광학 소재를 개발하는 데 성공했다. 테라헤르츠파(terahertz wave, THz)는 빛과 전파 두 가지 특성을 동시에 띄는 독특한 전자기파다. 인체에 무해하고 인간의 눈에 보이지 않는 부분까지 선택적으로 관찰할 수 있다. 의료와 보안, 환경, 산업계 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다.이온성 유기광학 소재는 양이온 분자와 음이온 분자로 이루어져 있다. 기존에 개발되어 주로 사용되어 오던 이온성 광학 소재의 경우, 사용된 음이온의 종류가 매우 한정적이었으며 유사한 크기를 가지고 있었다. 주파수 변환 효율은 비선형성이 높을수록 향상되는데, 소재의 비선형성 향상을 위해 양이온 분자를 새로 설계해야 하는 상황에서는, 기존의 음이온 도입으로 문제를 해결하기 어렵다는 한계가 존재했다. 이에 공동 연구팀은 지금까지 보고된 비선형성을 뛰어넘는 극한의 비선형성을 가지는 새로운 양이온 분자를 설계하면서, 동시에 이에 적합한 음이온을 도입했다. 연구팀은 이를 기반으로 마이크로미터 두께의 초박막형 주파수 변환 소재를 개발해냈다. 이번 연구에서 개발한 10 마이크로미터 두께의 새로운 초박막형 광학결정은 기존에 상업화되어 있는 무기 결정에 비해 100분의1 수준 두께다. 초박막형 두께로도 기존 무기 결정 보다 약 5배 높은 주파수 변환 효율을 보였으며, 더 넓은 대역의 더 평평한 스펙트럼 형태를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킴을 확인했다. 고효율 광대역 테라헤르츠파의 발생은 더 넓은 주파수 대역에서 더욱 고감도로 분석이 가능함을 의미한다. 이에 기존의 다른 레이저로는 탐지할 수 없었던 위험·유해한 물질의 고감도 식별이나 보안 측면에서 장점을 가지는 테라헤르츠 탐지·분석 기술 등에 응용될 전망이다. 권오필 교수는 "이번에 개발한 새로운 비선형 광학 결정 소재는 테라헤르츠뿐 아니라 다양한 전자기파 변조·변환 소자에도 적용 가능할 것으로 기대한다"며 "이와 같은 고효율 비선형 광학 소재는 전자기파의 주파수, 위상, 크기 등을 바꿀 수 있는 다양한 레이저와 통신 소자에 활용할 수 있다"고 말했다.(그림 위) 아주대·카이스트 공동 연구팀이 새로 개발한 초박막형 변환소재는 기존 무기소재보다 강하고, 넓은 영역의 평평한 테라헤르츠 스펙트럼을 발생시킴. 이는 이상적인 테라헤르츠 분광기 광원(하단 좌측)의 요구사항을 만족시킴. 이와 달리 일반적인 테라헤르츠 분광기 광원(하단 우측)은 많은 주파수 공백이 발생됨.
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