물거미(Argyroneta aquaticaspider)에서 영감을 받아 연구원들은 수개월 동안 지속될 수 있는 안정적인 섀시를 갖춘 초소수성 표면을 개발했습니다. 이러한 표면은 수술 감염 감소와 같은 생의학 분야와 파이프 부식 방지와 같은 산업 분야에서 사용될 수 있습니다.

거미 중 한 종은 평생 물 속에서 살아갑니다. 하지만 거미의 폐는 대기 중 산소만 호흡할 수 있습니다. 어떻게 이루어 집니까? Argyroneta aquatica라고 불리는 거미는 몸에 수백만 개의 거칠고 소수성 털을 가지고 있습니다. 이 털은 몸 주위의 공기를 가두어 산소 저장소를 형성하고 거미의 폐와 물 사이의 장벽 역할을 합니다.

재료 과학자들은 수십 년 동안 이 얇은 공기 보호층을 활용하려고 노력해 왔습니다. 이렇게 하면 부식, 박테리아 성장, 해양 생물 부착, 화학적 오염 및 액체가 표면에 미치는 기타 유해한 영향을 방지하는 수중 초소수성 표면이 생성됩니다. 그러나 플라스트론은 수중에서 극도로 불안정하며 실험실에서 몇 시간 동안만 표면에 건조한 상태를 유지할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

이제 Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS), Harvard University의 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, 독일의 Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg 및 핀란드의 Aalto University가 이끄는 연구진이 몇 달 동안 물 속에 머물 수 있는 안정적인 원형질막을 갖춘 초소수성 표면을 개발했습니다. 팀의 전반적인 전략은 혈액을 밀어내고 박테리아와 따개비, 홍합과 같은 해양 유기체의 부착을 크게 줄이거 나 방지하는 오래 지속되는 수중 초소수성 표면을 만들어 생물 의학 및 산업 분야의 다양한 응용 분야를 여는 것입니다.

논문의 공동저자인 Amy Smith Berylson 재료 과학 교수이자 SEAS의 화학 및 화학 생물학 교수인 Joanna Aizenberg는 "생물 영감 재료 연구는 자연에서 진화된 우아한 솔루션을 인간이 만든 재료의 영역에 지속적으로 도입하여 이전에는 볼 수 없었던 특성을 가진 새로운 재료를 도입할 수 있게 하는 매우 흥미로운 분야입니다."라고 말했습니다. "이 연구는 이러한 원리를 밝혀내는 것이 물 속에서 초소수성을 유지하는 표면의 개발로 이어질 수 있음을 보여줍니다."

Aizenberg는 Wyss Institute의 부교수이기도 합니다. 이 연구는 Nature Materials 저널에 게재되었습니다.

연구자들은 안정적인 수중 섀시가 이론적으로 가능하다는 사실을 20년 동안 알고 있었지만 지금까지 이를 실험적으로 증명할 수는 없었습니다.

플라스트론의 가장 큰 문제점 중 하나는 Argyroneta aquatica의 털처럼 형성하기 위해 거친 표면이 필요하다는 것입니다. 그러나 이러한 거칠기는 표면을 기계적으로 불안정하게 만들고 온도, 압력의 작은 변동 또는 작은 결함에 취약합니다.

일반적으로 사용되는 저렴한 티타늄 합금으로 만들어진 호기성 표면은 내구성이 뛰어난 원형질막을 갖고 있으며 혈액 배양 접시에 수백 번 담가도 건조한 상태를 유지합니다. 이미지 출처: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

혁신적인 기술과 발견

인공적으로 생성된 초소수성 표면을 평가하기 위한 현재 기술은 두 가지 매개변수만 고려하는데, 이는 수중 공기 입자의 안정성에 대한 충분한 정보를 제공하지 않습니다. Aizenberg, Jaakko V.I. 티모넨과 로빈 H.A. 알토 대학의 Ras, 플로리다 대학의 Alexander B. Tesler, Wolfgang H. Goldmann과 그들의 팀은 표면 거칠기, 표면 분자의 소수성, 표면 적용 범위, 접촉각 및 기타 정보를 포함한 더 많은 매개 변수를 결정했습니다.

이 새로운 접근법과 간단한 제조 기술을 사용하여 팀은 이전 실험보다 수천 시간 동안 표면을 건조하게 유지하고 심지어 생물학적 종의 원형질막보다 오래 지속되는 오래 지속되는 원형질막을 가진 일반적으로 사용되는 저렴한 티타늄 합금을 사용하여 소위 호기성 표면을 설계했습니다.

"우리는 20년 전에 이론가들이 개발한 특성화 방법을 사용하여 표면이 안정적이라는 것을 보여주었습니다. 이는 새로운 유형의 극도로 반발력이 있고 내구성이 뛰어난 초소수성 표면을 만들었을 뿐만 아니라 다른 재료로 다시 수행할 수 있는 방법도 있다는 것을 의미합니다."라고 SEAS와 Wyss Institute에서 박사후 연구원으로 일했으며 논문의 첫 번째 저자인 Tesler는 말했습니다.

연구진은 기둥의 안정성을 입증하기 위해 표면을 구부리고, 비틀고, 뜨거운 물과 차가운 물을 뿌리고, 모래와 강철로 연마하여 표면이 호기성 상태로 유지되는 것을 방지하는 다양한 테스트를 수행했습니다. 208일 동안 혈액 페트리 접시에 수백 번 물에 담가두었습니다. 표면의 대장균과 따개비의 성장을 심각하게 감소시키고 홍합의 부착을 완전히 방지합니다.

"이 시스템의 안정성, 단순성 및 확장성은 실제 응용에 매우 유용합니다."라고 SEAS 대학원생이자 논문 공동 저자인 Stefan Kolle이 말했습니다. "여기에 설명된 특성화 방법을 통해 우리는 안정성을 위해 초소수성 표면을 최적화하는 간단한 툴킷을 시연하며, 이는 적용 공간을 극적으로 변화시킵니다."

논문의 수석 저자이자 전 하버드 대학교 연구원인 Goldman은 이 응용 분야에는 수술 후 감염을 줄이기 위한 생물의학 응용이나 스텐트와 같은 생분해성 임플란트 등이 포함된다고 말했습니다. 파이프와 센서를 부식으로부터 보호하기 위해 수중에서도 사용할 수 있습니다. 미래에는 Eisenberg와 그녀의 팀이 오염으로부터 표면을 더욱 보호하기 위해 10여 년 전에 개발한 SLIPS(액체 주입 다공성 표면)라는 매우 미끄러운 코팅과 결합할 수도 있습니다.