스위스 연방 재료과학 기술 연구소(EMPA)의 연구자들은 셀룰로스 나노결정에 기초한 환경 친화적 3D 프린터용 잉크를 개발하는데 성공했다. 이 기술은 임플란트와 다른 생체 의학 분야에 활용할 수 있는 뛰어난 기계적 특성을 갖는 미세구조를 조립하는데도 이용될 수 있다.

예를 들어서 자동차 부품을 위한 3D 미세구조 재료를 생산하기 위하여 EMPA의 연구자들은 지난 수년간 "직접 잉크 쓰기(Direct Ink Writing: DIW)"로 불리는 3D 프린팅 기술을 이용해왔다. 이 방식에서는 파스타 기계와 유사하게 점성 물질인 프린팅 잉크를 프린터 노즐에서 외부로 짜낸 후에 표면에 놓여지게 만든다. 이번에 EMPA의 응용 목재 재료 실험실의 Gilberto Siqueira와 Tanja Zimmermann은 미국 하버드 대학 및 스위스 취리히 연방공과대학의 연구자들과 협력하여 셀룰로스 나노결정에 기초한 환경 친화적 3D 프린터용 잉크를 개발했다.

리그닌 및 헤미셀룰로스와 함께 셀룰로스는 목재의 주요 구성 요소 중 하나이다. 이 바이오폴리머는 긴 섬유 모양을 갖춘 포도당 사슬로 구성되어 있다. 일부 영역에서 셀룰로스 섬유는 보다 규칙적인 구조를 나타내고 있다. Siqueira는 "보다 높은 수준의 규칙이 있는 영역에서는 훨씬 결정화된 형태가 나타났다. 우리는 이들 부위에 산을 이용한 정제를 실시하여 우리가 원하는 것을 얻어낼 수 있다."라고 설명했다. 최종적으로 얻어지는 셀룰로스 나노결정은 작은 막대 모양의 구조로 길이는 120nm이고 직경은 6.5nm라고 한다. 연구팀은 이들 나노결정을 새로운 형태의 환경 친화적 3D 프린터 잉크를 만드는데 이용하기를 원하고 있다. 기존 3D 프린터용 잉크들은 나노결정이 최대 2.5%로서 바이오 재료가 아주 적게 함유되어 있다. 연구팀은 이러한 비율을 늘리기를 원하며, 최대 20%의 나노결정을 함유하는 것을 희망하고 있다.

Siqueira는 "가장 큰 어려움은 점성 탄력을 일관성 있게 유지하면서도 3D 프린터 노즐을 통하여 분사될 수 있어야 한다는 점이다."라고 밝혔다. 잉크는 충분히 걸쭉해야 하며, 그래야만 인쇄된 재료가 건조되거나 경화되기 전에 형태를 갖추며, 만들어진 형태에서 바로 녹아 내리지 않기 때문이다. 연구팀의 첫 번째 셀룰로스 나노결정 혼합물은 물에 기반했다. 이런 방식은 효과가 있었지만 매우 부서지기 쉬운 재료가 만들어졌다. 때문에 연구팀은 두 번째로 결정의 장점을 보유하고 있는 폴리머 기반 조성을 준비했다. 이 셀룰로스 나노결정은 인쇄되고 UV 조사로 경화시킨 후에 폴리머 구성요소와 교차 결합을 형성하였으며, 이것이 현저히 높은 수준의 기계적 강성을 보유한 복합 재료를 만들어주었다.

연구팀을 어렵게 만들었던 원인을 다시 생각해보면 상당히 간단한 것이다. Siqueira는 "대부분의 폴리머들은 발수성 또는 소수성인 반면에 셀룰로스는 물을 끌어들이는 친수성이다. 그 결과로 이들은 공존하기 매우 어렵다."라고 밝혔다. 때문에 연구팀은 셀룰로스 나노결정의 표면을 모두 화학적으로 변형시켜야만 했다.

얻어진 미세구조에 대한 첫 번째 인쇄와 X선 분석 후에 연구팀은 인쇄된 물체의 셀룰로스 나노결정들이 인쇄된 방향으로 거의 일정하게 정렬되어 있는 것을 발견했다. 연구팀은 인쇄 노즐을 통하여 잉크를 밀어내는데 이용된 기계적 힘이 이들을 정렬하는데 충분한 것으로 결론을 내렸다. Siqueira는 "예를 들어서 특정 방향에서 특정 기계적 강도를 갖는 것을 인쇄하기를 원한다면 나노결정의 방향으로 쉽게 통제할 수 있다는 점이 매우 흥미로웠다."라고 밝혔다.

이들의 탁월한 기계적 특성은 DIW 잉크에 이용되는 탄소 섬유와 같은 다른 재료들과 비교하여 결정적인 장점을 제시하고 있다. 더하여 EMPA 연구팀의 새로운 형태의 잉크는 재생가능 재료인 셀룰로스에서 만들어진다. Siqueira는 "셀룰로스는 지구 상에서 가장 많이 발생하는 천연 폴리머 형태이다."라고 밝혔다. 셀룰로스는 나무뿐만 아니라 다른 식물이나 심지어 세균에서도 생성된다. 여러 셀룰로스 원료에서 분리되는 결정들은 형태와 크기에서 서로 차이가 크지만 성질을 다르지 않다고 한다. 그는 "그러나 나에게 가장 중요한 활용 분야는 이식물이나 인공장기와 같은 생체 의학이다."라고 밝혔다. 연구팀은 셀룰로스 나노결정 재료들이 뛰어난 기계적 특성과 화학적 변형 가능성 및 인쇄 증의 정렬 특성 때문에 여러 다양한 분야에 활용하는데 적합할 것으로 확신하고 있다.

이들의 가능성은 EMPA에서 추가로 연구되고 있다고 한다. 박사 과정생이 이들 재료와 인쇄물의 다른 활용 분야 개발에 초점을 맞추고 있다. 더하여 석사 과정생들은 다른 생물학적 잉크 개발을 진행하고 있다고 한다. Siqueira는 "이 분야의 연구는 아직 초기 단계이다. 바이오폴리머의 인쇄는 현재 뜨거운 주제이다."라고 밝혔다.

본 자료 이용 시, 출처: 한국바이오안전성정보센터(KBCH)『바이오화학산업동향(TWB)』를 밝혀 주시기 바랍니다.

원문출처

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170530082212.htm