경희대학교 의과대학 김도경 교수 연구팀이 광발성 특성을 가진 소재를 개발하고 이를 이광자현미경 기술과 접목해 몸 속 질병을 관측할 수 있는 연구를 진행했다.

생체 영상화 분야는 최근 각광 받는 분야이다. 세포 단계뿐 아니라, 그 이상이나 이하의 생물학적 과정을 생체 내에서 영상화할 수 있기 때문이다. 의학분야에서는 이 기술을 활용해 질병 작용원리의 규명과 진단, 신약 개발 등의 연구를 진행한다.

김도경 교수 연구팀이 광발성 특성을 가진 새로운 생체 영상화 소재를 개발하고, 이를 이광자현미경 기술에 접목한 연구를 수행했다.

개발한 소재를 동물에게 주사해, 살아있는 동물에서 생체영상화 구현을 확인했다. 해당 연구는 소재분야의 세계 최고 권위 저널인 <Advanced Materials> 온라인 판에 게재됐다.

김도경 교수 연구팀은 이번 연구에서 다공성 실리콘 나노입자(porous silicon nanoparticle)를 이용한 새로운 생체 영상화 소재를 개발했다.

다공성 실리콘 나노입자는 생체 독성이 매우 적고, 표면에 다양한 기능을 부여하는 화학적 방식인 개질화를 통해 질병 특이적 약물전달이 가능해 이상적인 생체적합형 나노물질로 주목 받고 있다.

또한 고유의 적외선 영역 광발성(photoluminescence) 특성은 생체 영상화 연구에 활용이 가능하다는 장점을 지닌다.

김도경 교수는 50nm(나노미터, 1nm=1미터의 10억 분의 1)크기의 입자 개발은 최초라며 “보통 반도체에 많이 쓰이는 실리콘 기판을 깎아서 소재를 만드는데, 이 물질의 안쪽에 양자점이 생기고 광발광 현상이 나타난다”며, “이미 미국에서는 실용화된 소재이므로 생체 영상화에 쓰이는 것에도 문제가 없을 것”이라는 전망을 내놓았다.

광발광 현상은 빛에 의해 에너지를 받아 여기(excitation)되어, 그 에너지로 특정 파장의 빛을 방출하는 현상이다. 광발광 특성을 가지는 물질은 생체 영상화 소재로 널리 사용되고 있다.

연구팀은 다공성 실리콘 나노입자의 크기 조절 및 양자 가둠 효과(quantum confinements effect) 최적화 과정을 통해 이광자 흡수 및 방출 특성을 가지는 새로운 나노입자를 개발하고 나노입자의 화학적·물리학적·광학적 특성을 체계적으로 분석했다.

그는 “이번 결과를 바탕으로 다공성 실리콘 나노입자를 이용한 특정 질병의 선택적 생체 영상화 및 약물전달, 질병의 진단 및 치료 등 관련 후속 연구가 더욱 활발하게 이뤄질 것으로 기대한다”고 밝혔다.

또한 위암과 폐암의 예를 들며 “위암이라면 위에만, 폐암이라면 폐에만 선택적으로 작용해 몸의 다른 부분에는 부담을 주지 않는 치료 방법으로 활용 가능하다”고 말했다.

김 교수는 “앞으로 나노물질과 유기화합물을 섞은 융복합 시스템을 만들어 약물전달뿐 아니라 체외에서 침이나 가래 등 타액에서도 질병을 진단하는 시스템을 개발하고 싶다”고 향후 연구 목표를 밝혔다.

이번 연구는 김도경 교수 연구팀과 캘리포니아주립대 샌디에고(University of California, San Diego) 및 포항공과대학(POSTECH)과의 국제공동연구로 진행됐다.

한편, 김도경 박사는 거제중·고등학교를 졸업하고 미래창조과학부에서 과학인재들에게 지급하는 국가장학금을 동시에 수여받은 인재다. 김 박사는 거제문인협회에서 작가로 활동하고 있는 김임순 소설가의 아들이다.

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