자연에서 가장 강력하다고 알려진 물질이 케블라의 친환경 대안을 제시합니다.

May 14, 2023

자연은 놀라운 강도의 물질을 생산할 수 있으며, 거미줄은 가장 유명한 사례 중 하나입니다. 2015년에 과학자 그룹은 이 분야에서 판도를 바꾸는 발견을 하여 삿갓조개라고 불리는 달라붙는 연체동물의 이빨이 실제로 모든 생물학적 물질 중에서 가장 강한 인장 강도를 가지고 있음을 입증했습니다. 이러한 부싯돌 송곳니에서 영감을 얻어 팀은 Kevlar와 같은 고성능 재료에 대한 보다 지속 가능한 대안을 제공할 수 있는 극도의 강도를 지닌 복합 생체 재료를 생산했습니다.

림펫은 해안선을 따라 있는 바위에 매우 잘 달라붙는 모자 모양의 껍질을 가진 수생 달팽이입니다. 이 해안 생활 방식의 일부는 먹이를 위한 조류를 수집하기 위해 울퉁불퉁한 표면을 이빨로 긁는 것을 포함하며, 여기에는 이 생물의 비교할 수 없는 인장력의 비밀이 있습니다.

2015년 포츠머스 대학교 연구진은 원자력 현미경을 사용하여 림펫 치아 재료를 연구하고 원자 수준으로 분석했습니다. 연구 결과에 따르면 림펫 치아의 인장 강도는 3~6.5기가파스칼(GPa)입니다. 맥락에 따라 거미 드래그라인 실크의 인장 강도는 약 1.3GPa인 반면 강철은 약 1.65GPa입니다. 과학자들은 삿갓조개 치아의 놀라운 인장 강도의 이유가 철을 함유한 토석암의 미세한 결정이 전체에 퍼져 있는 키틴 섬유의 조밀한 네트워크 때문이라고 믿습니다.

연구팀은 이제 혈청 코팅 유리와 그 위에 증착된 키틴 및 산화철로 시작하여 실험실에서 유사한 구조를 형성할 수 있는 시스템을 만들었습니다. 2주 안에, 이것들은 치설이라고 불리는 삿갓조개 치아 형성을 담당하는 기관으로 자가 조직됩니다. 분리된 치설 세포, 조직 샘플, 광물화된 키틴 및 전기방사라는 기술의 조합을 사용하여 과학자들은 너비가 0.2인치(0.2인치)인 생체 모방 삿갓조개 치아의 리본을 성장시킬 수 있었습니다.

이번 연구의 주저자인 로빈 럼니(Robin Rumney) 박사는 “나는 이 과정을 준비하는데 6개월을 보냈다”고 말했다. "저는 세포에 무엇이 필요할지, 어떻게 성장할지에 대해 제가 생각할 수 있는 모든 종류의 순열을 겪었습니다. 이는 실험실 환경에서 흔히 자라는 박테리아나 암세포를 키우는 것과는 매우 다르기 때문에 처음부터 다시 시작해야 했습니다. 뭐가 효과가 있겠어."

극도의 강도를 지닌 새로운 복합 생체재료는 합성재료 영역에서 중요한 위치를 차지하게 될 것이다. 팀이 프로세스를 성공적으로 확장할 수 있다면 생산에 자원 집약적이고 쉽게 재활용되지 않는 케블라 및 플라스틱과 같은 재료에 대한 보다 지속 가능한 대안을 제공할 수 있습니다.

Rumney는 "Kevlar와 같은 완전 합성 복합재가 널리 사용되지만 제조 공정은 독성이 있을 수 있고 재료는 재활용하기 어렵고 비용이 많이 듭니다."라고 설명했습니다. "여기에는 공급 및 제조 방법 측면에서 잠재적으로 훨씬 더 지속 가능하며 수명이 끝나면 생분해될 수 있는 물질이 있습니다."

연구자들은 이제 공정을 최적화하고 대량 생산에 필요한 규모로 합성 림펫 치아를 생산하기 위해 공정을 확장하는 데 관심을 돌리고 있습니다.

"우리의 다음 단계는 철분 형성이 일어나도록 하는 다른 방법을 찾는 것입니다. 따라서 우리는 이를 더 잘 이해하기 위해 림펫 세포의 분비물을 연구하고 있습니다"라고 Rumney는 말했습니다. "만약 그것이 정말 잘 작동한다면 우리는 이미 기관의 유전자 판독 기능을 갖추고 있어 관심 있는 유전자를 추출하고 이를 박테리아나 효모에 넣어 대규모로 성장시킬 수 있을 것입니다. 분명히 바다에 플라스틱 위기가 있습니다. 지금 당장은 플라스틱 사용을 생물학적 대체물로 대체하여 해양 생물을 더 잘 보호하는 방법을 바다 생물로부터 배울 수 있다는 것은 훌륭한 대칭이라고 생각합니다."

이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.

출처: 포츠머스 대학교