그래핀이 바이오 분야에 활용될 수 있을까

 

그래핀이 발견된지 벌써 20여년이 지나가고 있습니다.

현재 그래핀은 다양한 분야에서 활용되고 있으며 특히 2차전지, 반도체분야, 복합소재, 필터 등 다양한 분야에서 상용화 단계로 접어 들고 있습니다. 

그러나 최근 바이오 분야로의 그래핀 활용도에 대해 연구가 되고 있는 것을 알게 되어 어느 분야로 연구되고 사업화되고 있는지 궁금증이 들었고, 그래핀의 특성부터 현재 어떤 분야에 응용이 가능할까 궁금하여 문과의 짧은 지식 수준에서 스터디 해보고 작성하였습니다.

 

 

그래핀의 발견

그래핀(Graphene)은 2004년, 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 교수팀이 최초로 분리하여 발견했습니다. 이들은 흑연(graphite)에서 단 한 층의 원자 두께를 가지는 그래핀을 성공적으로 분리해내면서 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.

 

그래핀의 발견 이야기는 과학 역사상 가장 독특하고 흥미로운 에피소드 중 하나로, "테이프와 연필"이라는 단순한 도구들이 세계에서 가장 얇고 강력한 물질의 발견을 이끌어내었습니다.

연필의 심은 흑연으로 이루어져 있는데, 흑연은 여러 층의 탄소 원자가 모여 만들어진 구조로, 평소 우리가 사용하는 연필심도 수많은 그래핀 층으로 이루어져 있습니다.

가임과 노보셀로프는 흑연 조각에 스카치테이프를 붙여 그것을 떼어내는 방법을 시도했습니다. 이 방법을 반복적으로 여러 번 시행하면서, 흑연이 점점 더 얇게 분리되기 시작했습니다. 몇 번의 시도 끝에, 그들은 단일 원자 층 두께의 그래핀을 성공적으로 얻을 수 있었습니다. 이 얇은 층이 바로 "그래핀"이었습니다.

 

그래핀의 특성

그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 구조로 배열된 단일 층의 물질로, 놀라운 물리적, 전기적, 기계적 특성을 가지고 있습니다.

그래핀의 주요 특성으로는 다음과 같습니다 :

• 높은 전기 전도성: 구리보다 100배 이상 높은 전기 전도성을 가짐.
• 높은 열 전도성: 다이아몬드보다 우수한 열 전도성.
• 강도: 강철보다 200배 이상 강하면서도 매우 유연함.
• 투명성: 가시광선에서 거의 투명하게 보임.

 

그러나, 그래핀은 그 뛰어난 특성 덕분에 다양한 분야에서 많은 기대를 받고 있지만, 아직 몇 가지 한계와 도전 과제를 가지고 있습니다. 

그래핀의 주요 도전과제는 다음과 같습니다 :

• 대량생산 : 고품질의 그래핀을 대량으로 저렴하게 생산할수 있어야 합니다. 하지만 대부분의 그래핀제조방법은 고비용과 낮은 생산량의 한계를 가지고 있습니다.
• 일관된 품질 : 그래핀의 특성은 그 품질에 크게 의존합니다. 그러나 현재의 제조 기술로는 일관된 품질의 그래핀을 생산하는 것이 어려운 상황입니다.
• 환경 및 독성 연구 : 그래핀의 독성에 대한 연구가 아직 초기단계에 있습니다. 특히 나노스케일의 그래핀이 생체내에서 어떤 영향을 미칠수 있는지에 대한 연구가 부족합니다.

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바이오분야에서의 그래핀 활용

최근 그래핀의 바이오 분야에서의 잠재력이 발견되며, 아직 상용화 단계 까지 오지는 않았지만 다양한 응용사례가 연구 개발 되고 있습니다. 

대표적으로는 다음과 같은 분야가 있습니다.

 

ㅇ 바이오센서(진단)

그래핀 바이오센서는 그래핀의 독특한 물리적, 전기적 특성을 활용한 바이오센서로, 주로 생체 분자(예: 단백질, DNA, 바이러스 등)의 검출과 진단에 사용됩니다. 주로 의료진단, 환경모니터링, 식품안전 분야에서 활용될수 있을 것으로 보이며, 높은 민감도와 빠른 반응속도 덕분의 기존의 바이오센서보다 더 효율적이고 정확한 진단과 모니터링을 가능하게 해줄 가능성이 있습니다.

 

- 관련 기업, 단체 : Grolltex(미국), 엠씨케이테크(한국)

 

ㅇ 약물전달시스템

그래핀 기반 약물 전달 시스템은 그래핀의 독특한 물리적, 화학적 특성을 활용하여 약물을 효율적이고 정밀하게 전달하는 기술입니다. 이 시스템은 특히 항암제, 항생제, 유전자 치료제 등 다양한 치료제의 전달을 개선하는 데 중점을 두고 있으며, 다음과 같은 주요 요소와 메커니즘을 포함합니다.

•  그래핀산화물 : 물에 잘 분산되며 생체 적합성이 우수합니다. 이 물질은 표면적이 넓고 다양한 약물 분자를 결합할 수 있는 능력을 가지고 있어, 약물 전달을 위한 나노캐리어로 매우 적합합니다.
•  나노캐리어 : 나노미터 크기의 매우 얇고 유연한 구조를 가지고 있어, 약물을 결합하거나 캡슐화하는 데 사용됩니다.
•  지능형 약물전달 시스템 : 지능형 약물 전달 시스템은 그래핀 나노캐리어가 외부 자극에 반응하여 약물을 방출할 수 있도록 설계됩니다. 예를 들어, 암세포 주위의 pH가 일반 조직보다 낮은 점을 이용해, 그래핀 나노캐리어가 특정 pH 환경에서만 약물을 방출하도록 할 수 있습니다.
•  약물방출 조절 : 약물이 일정한 시간 동안 천천히 방출되도록 하여, 치료 효과를 지속적으로 유지할 수 있습니다.

- 관련 기업, 단체 : 한국기초과학연구원

 

ㅇ  기타(화장품 등)

화장품도 바이오로 분류할수 있을지는 모르겠지만, 화장품 시장에서 그래핀은 제약 쪽보다는 더 활발하게 활용되고 있습니다. 

직접적인 효능을 주는것 보다 약물전달 시스템 프로세스와 같이 특정물질을 타겟에 더 잘, 오래 유지할수 있게 도와주는 역할로써 활용되고 있으며, 최근에는 그래핀 자체에 치료 효과를주는 방법으로 사업화 하는 스타트업도 생기고 있는 것으로 보입니다.

- 관련 기업, 단체 : 케이엠제약(한국), 카본엑스(한국)

 

결론

아직 바이오 분야에서의 그래핀 활용은 이제 시작단계로 갈길이 멀다고 생각되었습니다.

독성연구가 충분히 되지 않아 인체에 미치는 영향에 대한 연구가 아직 부족하고, 임상 완료 후에 상용화까지 간 사례가 향균 마스크 등 외에는 아직은 없는 것으로 보입니다.

그러나 센서, 전달물질 등 다양한 분야에서 그래핀의 활용방안을 연구하고 있고, 유럽에서 활발하게 독성연구 등이 이루어지고 있는점은 긍정적으로 보입니다.

앞으로 바이오 분야에서 그래핀이 활용되는 날이 기대됩니다.

 

* 문과의 지식으로 작성된 문서로 오류가 있는 경우 알려주시면 수정, 보완 할수 있도록 하겠습니다