초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
신경 퇴행성 장애는 신경계의 다른 부분에 영향을 주어 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 운동기능 장애, 혹은 황반변성과 같은 감각 장애 등을 일으킴. 그래핀 기판에 신경세포를 배양하면 향상된 접착력 및 높은 생존력으로 인해 신경 돌기의 발아 개선 및 증식의 촉진이 발생하기 때문에, 노화와 관련된 퇴행성 장애의 (잠재적) 치료를 위한 혁신적인 플랫폼을 구축할 수 있음. 이때, 그래핀이 신경세포 활동의 조정과 그 원리에 대한 연구가 중요함.
본 과제에서 한국 연구팀은 CVD 합성 그래

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
신경 퇴행성 장애는 신경계의 다른 부분에 영향을 주어 알츠하이머나 파킨슨병과 같은 운동기능 장애, 혹은 황반변성과 같은 감각 장애 등을 일으킴. 그래핀 기판에 신경세포를 배양하면 향상된 접착력 및 높은 생존력으로 인해 신경 돌기의 발아 개선 및 증식의 촉진이 발생하기 때문에, 노화와 관련된 퇴행성 장애의 (잠재적) 치료를 위한 혁신적인 플랫폼을 구축할 수 있음. 이때, 그래핀이 신경세포 활동의 조정과 그 원리에 대한 연구가 중요함.
본 과제에서 한국 연구팀은 CVD 합성 그래핀의 플라즈마 처리를 이용한 표면 기능화를 통해 신경세포 배양 및 활동성 제어에 용이한 그래핀 인공지지체를 구현하고자 함. 이탈리아 연구팀은 합성된 CVD 그래핀 플랫폼 위에 신경세포를 배양하여 각 조건에 따른 신경세포의 활동성을 연구하고, 그래핀 기판이 신경 인터페이스로써 효율적이고 생체적합성이 좋은 플랫폼임을 확인하고자 함. 궁극적으로 신경 이완 이상증 모델에서 (시험관 내 혹은 탈체) 사용할 특성제어 가능한 그래핀 인공지지체를 형성하고 노화 관련 신경 질환을 막기 위한 그래핀 기반 신경 인터페이스의 적용 가능성을 확인하는 것을 최종목표로 함.
■ 전체 내용
￭ 세포 배양에 용이한 기능화 그래핀 인터페이스 형성
그래핀 기능화에 따른 세포 접합성 및 균일화에 대한 연구를 진행함. 제작한 그래핀 소자의 수소 처리 결과 수소화 그래핀 FET가 그래핀 FET에 비해 p도핑된 전기적 특성을 가지고 있어 신경세포의 활동성 제어에 적합함을 확인함. 또한, 수소 처리 후 그래핀 소자의 면 저항이 증가하고 면적과 관계없이 소자의 Dirac point가 증가하며 도핑 정도가 비슷해지는 결과를 통해 전 영역에서 균일한 수소화 그래핀을 형성할 수 있음을 확인함. 또한, 세포와의 접합력에 있어 중요한 요소인 친수성을 증가시키기 위해 수소화 처리시간과 그래핀의 친수성간 상관관계를 확인함. 마스크를 통한 그래핀 샘플의 국소적 수소화와 대면적 라만 맵핑을 통해 수소 처리의 균일도를 확인하고, 이를 통해 균일한 수소화 그래핀을 패터닝하는 기술을 확보함.
￭ 그래핀 기판과 신경세포의 반응 연구
그래핀 기판과 뉴런의 흡착 메커니즘을 이해하기 위해 유리 기판 위에 그래핀과 기능화 그래핀을 전사한 후 기판 후처리 없이 뉴런을 배양함. 그 결과, PDL 코팅이 되지 않은 그래핀의 경우 뉴런이 배양되지 않음을 확인함. 하지만, PET 하부기판 위에 그래핀과 수소화 그래핀을 각각 전사한 기판에서의 박테리아 배양 실험 결과 박테리아의 세포활동 저해 없이 수소화 그래핀의 친수성 증가에 따른 흡착성 증가함을 확인함. 이는 하부기판의 유무에 따라 세포 배양에 차이는 있으나 그래핀이 전사되고 선택적 기능화를 함에 따라 기판 위에 세포를 선택적으로 흡착시켜 어레이를 형성할 수 있고, 세포 배양이 용이함을 보여줌. 또한, 그래핀의 불화 및 수소화를 통해 만들어진 FGr, HGr 플랫폼에서 신경세포의 회복실험을 진행하였고, 일반 PET 기판에 비해 FGr과 HGr에서 더 빠른 회복력을 보이는 것을 확인함. 이를 통해 기능화 그래핀의 우수한 생체적합성을 증명하였음.
■ 1년차
￭ 목표
CVD를 이용하여 그래핀을 대면적으로 합성하고 수소플라즈마 처리를 통한 그래핀 기능화에 따른 그래핀의 표면 특성 변화를 관찰함. 또한, CVD 그래핀의 소자제작 및 기능화를 통해 전기적 특성 변화를 비교하고 생체적합 플랫폼으로써의 적절성을 판단함.
￭ 내용
CVD를 이용한 그래핀의 대면적 합성을 성공적으로 진행하였음. 합성된 그래핀은 플라즈마를 통한 결정립계의 식각 및 구리기판의 산화를 통해 결정립계의 분포를 파악하고, 라만분광기 측정과 FET 제작 후 전기적 특성을 측정하여 합성된 그래핀의 품질을 평가한 결과 낮은 결함과 높은 결정성, 우수한 전기적 특성을 확인하였음.
또한, 간접 플라즈마 방식을 이용하여 그래핀을 수소화하고 이에 따라 그래핀의 친수성과 p도핑된 전기적 특성 등 신경세포 배양 및 활동성 제어에 필요한 특성을 확보하였음.
■ 2년차
￭ 목표
수소화 정도에 따른 그래핀의 친수성 특성 변화 및 전기전도도 변화를 관찰하여 생체 플랫폼 형성의 제어 인자를 확보하고 자 함. 합성된 대면적 그래핀의 기능화 균일성을 확보하고, 형성된 그래핀 기판 위에 신경세포를 배양하여 그래핀-신경세포간 반응 메커니즘을 규명하고자함.
￭ 내용
그래핀의 수소화 처리시간이 길어질수록 친수성 정도는 연속적으로 증가하고 최종적으로 초친수성이 되는 것을 확인함. 또한, 대면적 라만 매핑을 통해 기판 전체적으로 균일한 수소화가 이루어짐을 확인함.
그래핀 위 신경세포 배양 실험 결과, 친수성 수소화 그래핀 기판 위에서 뉴런의 생존율이 그래핀이 없는 기판 대비 우수함을 확인하였고, 그래핀에 의하여 뉴런의 활동성이 향상되는 결과를 확인함. 또한, 전기전도도가 그래핀 대비 낮은 수소화 그래핀 위에서도 뉴런의 활동성이 유지되는 것을 통해 그래핀 및 수소화 그래핀의 활용 가능성을 확인함.
■ 3년차
￭ 목표
기능화 그래핀에서 결정성 및 전기전도도에 따른 세포 배양의 차이를 규명하고자 함. 또한, 일부 손상된 신경세포를 기능화 그래핀에 배양하고 신경세포 복원 연구를 함으로써 기능화 그래핀의 생체적합성 및 효율성을 판단하고자 함. 본 연구는 수소화 그래핀 뿐만 아니라 불화 그래핀으로도 진행하고자 함.
￭ 내용
그래핀 합성 온도에 따라 결정성의 차이가 있고 이에 따라 신경세포의 응집도에 차이가 있었으나, 배양 및 네트워크 형성에는 큰 차이가 없음이 확인됨. 따라서 수소화 그래핀은 결정성 및 전기전도도 차이에 상관없이 효율적인 세포 배양 플랫폼이 가능함을 확인함.
또한 FGr 및 HGr에서의 손상된 신경세포 배양 및 복원 실험을 통해 FGr/PET, HGr/PET에서 PET, Gr/PET에 비해 신경돌기의 재성장이 더 빠르게 일어나는 것을 확인하였고, 이를 통해 기능화 그래핀의 효율성이 확인됨.

□ 연구개발성과
책임연구자 이관형 교수는 포르투갈 INL 연구소 방문과 Graphene 2019 학회 참석을 통해 이탈리아 연구팀과 교류를 진행하고 INL과 추가적인 MOU 체결하였음. INL 소속 Andrea Capasso 박사가 서울대를 방문하여 연구 교류를 진행하고 상대국 연구 진행 상황과 기술 교류, 정보교환을 수행하여 지속적인 인적 교류도 활발하게 진행하였으나, 2019년 12월에 발생한 COVID-19의 여파로 2020년 이후 인적 교류에는 어려움이 있었음. 하지만, 샘플 교환 및 화상회의 등을 통해 기술교환 및 정보교환을 지속적으로 이루어 냄. 이를 통해 SCIE 국제 저널 논문 4편을 출판, 국내외 학술대회 연구발표 7건, 박사 3명의 인력을 배출함.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구를 통해 지속 가능한 건강관리 및 고령화 사회와 같은 중요한 사회적 이슈를 해결할 수 있음. 소재와 바이오 분야의 국제협력을 통한 새로운 접근법으로 대학, 기업 및 연구센터의 국제적인 공동 연구 및 협력 연구의 기회 창출을 촉진할 수 있음. 본 과제의 목표인 신경세포 재생을 위한 기능성 그래핀 기반 바이오 플랫폼의 개발 및 고도의 생체적 뉴런 거동 연구는 한국-이탈리아 사이의 활발한 협력을 위한 기초 연구 활동으로 작용할 것이고 더 활발하고 영향력 있는 대규모 공동 연구로 발전할 수 있음. 각 연구팀의 자체 전문 기술과 폭넓은 연구 경험의 공유는 큰 시너지 효과를 창출할 수 있어, 본 연구를 통해 형성된 한국-이탈리아간 긴밀한 연구 체인을 통해 협력이 미비했던 재료과학과 신경과학을 잇는 훌륭한 융합 연구의 본보기가 될 것이며 두 분야 간의 간극을 메울 수 있을 것으로 기대함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행내용 ... 6
• 2-1. CVD 그래핀 성장 및 표면 기능화 ... 6
• 2-2. 그래핀의 전기전도도 및 친수성 제어 ... 9
• 2-3. 그래핀 기판과 신경세포의 반응 연구 ... 12
• 2-4. 그래핀 구조에 따른 세포 배양 연구 ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 17
• 1) 연구 수행 결과 ... 17
• 2) 목표 달성 수준 ... 25
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 25
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 25
• 2) 자체 보완활동 ... 25
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 26
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 26
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 26
• 끝페이지 ... 27