초록 ▼

□ 연구개요
인공심장 등 인체삽입형 의료기기 사업이 활발해 지면서 그러한 의료기기의 구동을 위해 전원공급 시스템개발의 필요성이 증가하고 있음. 이에 이용할 수 있는 적합한 시스템은 효소기반 연료전지 (Enzymatic Biofuel Cell : EBC)임. 연료를 당 및 산소를 이용해 혈액을 연료로 사용할 수 있고, 효소의 특성에 의해 분리막이 필요 없는 소형 연료전지가 가능하여 인체삽입형 의료기기에 적합함. EBC의 개발을 위해서는 anode 및 cathode 용 효소촉매의 개발이 중요한데 두 전극 촉매가 같은 효소인 글루코

□ 연구개요
인공심장 등 인체삽입형 의료기기 사업이 활발해 지면서 그러한 의료기기의 구동을 위해 전원공급 시스템개발의 필요성이 증가하고 있음. 이에 이용할 수 있는 적합한 시스템은 효소기반 연료전지 (Enzymatic Biofuel Cell : EBC)임. 연료를 당 및 산소를 이용해 혈액을 연료로 사용할 수 있고, 효소의 특성에 의해 분리막이 필요 없는 소형 연료전지가 가능하여 인체삽입형 의료기기에 적합함. EBC의 개발을 위해서는 anode 및 cathode 용 효소촉매의 개발이 중요한데 두 전극 촉매가 같은 효소인 글루코스 산화효소에 의해 형성된다면 활용성 및 시장성을 높일 수 있음. 뿐만 아니라 이를 바탕으로 인체삽입형 의료기기에 적용할 수 있는 원통형 EBC 구조를 만들 수 있다면 EBC의 실용적 제작에 한 발 더 다가설 수 있음.

□ 연구 목표대비 연구결과
첫째 목표 : anode 및 cathode 용 효소촉매로 모두 글루코스 산화효소를 이용한 촉매 개발
Anode에는 혈당의 산화반응을 활성화하기 위해, 글루코스산화효소 구조에 매개물질을 포집하여 전자이동을 최적화 시키며, 효소 입자 유출을 최소화 하는 신규 촉매 구조를 개발하였음. 이를 위해 안트라센 가교제 및 매개물질인 퀴논 계열의 물질을 사용함. 안트라센 가교제(Anthracene cross linker, AC)는 글루코스 산화효소와의 화학적 결합을 통해 효소 유출을 최소화하였으며 안트라센에 의해 전자 비편제가 크다는 특징을 이용해 효소의 전자이동을 활성화하였음. 퀴논 계열의 물질은 매개물질전자전달을 통해 산화반응을 활성화 할 수 있는데 기존과 달리 촉매에 직접 매개물질을 포집하여 전자전달을 향상시키는 촉매를 개발함.
Cathode에는 산소 환원반응을 위해 캐스캐이드형 반응기작이 가능한 효소 촉매 구조를 제안 및 개발하였음. 글루코스산화효소를 이용한 산소환원반응을 위해서는 캐스캐이드형 반응기작을 이용함. 캐스캐이드형 효소 촉매 구조는 산소환원반응 (산소→과산화수소)을 촉진하는 글루코스산화효소와, 과산화수소→물 반응을 촉진하는 바이오물질)을 이용함. 이를 위해 바이오 물질로 사용할 수 있는 물질 중 철포피린이 활성인자인 겨자무과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)를 사용함. HRP는 글루코스산화효소와 산소의 반응으로 생성된 유해한 과산화수소를 물로 변환하는 환원반응성이 우수하여 과산화수소를 제거할 뿐만 아니라 과산화수소 환원반응을 통해 cathode의 촉매로 사용가능함. 이러한 특성을 이용하여 글루코스산화효소와 HRP를 이용한 cathode 촉매를 개발함. 이러한 구조 개발을 통해, anode / cathode 두 전극에 모두 같은 효소 (글루코스산화효소) 를 촉매로 이용하므로 부반응억제 및 전자전달의 향상 및 저가의 글루코스산화효소를 이용하므로 경제적으로 이득이 됨.

둘째 목표 : 분리막이 없으며 유연한 원통형 EBC Kit 개발
인체삽입형 의료기기에 적용하기 위해서는 분리막이 없으며 유연한 원통형 EBC Kit 개발이 필요한데 이를 위해 Flow cell 구조로 EBC Kit를 구현하여 최적화된 시스템을 개발하였음. Flow cell은 혈액이 흐르는 형태를 모사한 것으로, 분리막이 없으면서 anode에서 생성된 양이온이 cathode로 원활하게 전달이 가능함. 또한 anode / cathode 두 전극에 모두 같은 효소(글루코스산화효소)를 촉매로 사용함으로써, 공기 조건에서 산소와 anode용 효소 촉매의 글루코스산화효소가 반응하여 생성된 과산화수소를 cathode용 효소 촉매의 연료로 사용가능할 뿐만 아니라 이를 통해 독성이 있는 과산화수소를 제거해주는 부반응억제 효과까지 있어 인체에 삽입하기에 적합한 시스템임. 이를 통해 고성능/초소형이며 유연하고 분리막이 필요없는 원통형의 효소기반 연료전지를 개발했음.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구는 인체삽입형 의료기기 및 바이오소자에 적합한 시스템으로, 연료로 혈액(혈당 및 혈중산소)을 이용하는 효소기반 연료전지의 촉매 및 EBC Kit 개발을 진행하였음. 효소기반 바이오연료전지의 기술들은 바이오 에너지 분야에 새로운 획을 긋는 모멘텀이 될 것이고, 국내 관련 학문 및 산업 발전에 공헌하고 국가 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것으로 예상됨. 적용가능한 응용분야로는 인공장기의 전기공급시스템과 같은 의료기기 분야 및 바이오센서의 전원공급 시스템이 될 것임. 아직 본 연구주제와 관련한 본격적인 시장이 형성되지는 않았으나 본 연구결과물을 통해 인체삽입형 의료기기 및 웨어러블 소재개발이 가속화 될 것이라고 예상하며 차세대 성장동력산업에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• [1] anode 및 cathode 용 효소촉매로 모두 글루코스 산화효소를 이용한 촉매 개발 ... 4
• [2] 분리막이 없으며 유연한 원통형 EBC Kit 개발 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 6
• 4. 참고문헌 ... 7
• 5. 연구성과 ... 7
• 끝페이지 ... 8