뼈는 운동을 통해 하중이 가해지면 내부에서 미네랄이 합성돼 골밀도가 증가하며 더욱 강해진다. 한미 공동 연구진이 이 원리에서 영감을 얻은 생체모방기술로 사용할수록 단단해지는 신소재를 개발했다.
강성훈 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구진은 미국 존스홉킨스대, 조지아공과대와의 공동연구를 통해 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 7일 게재됐다.
일반적으로 건물이나 차량 등을 구성하는 재료는 반복적인 하중을 받으면 성능이 저하돼 고장이나 파손이 발생할 수 있다. 연구진은 이를 해결하고자 뼈를 주목했다. 뼈는 응력이 가해졌을 때 세포의 작용에 의해 미네랄을 형성해서 더욱 강해진다.
연구진은 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전 바탕재를 만든 뒤 그 안에 피와 유사한 미네랄 성분을 갖는 전해질을 넣은 복합재료를 합성했다. 압전은 힘을 전기로 변환하는 작용을 말한다. 개발한 재료에 주기적인 힘을 가한 후 재료의 물성 변화를 측정했더니, 응력의 빈도와 크기에 비례해서 재료의 강성이 높아지고 충격을 흡수하는 능력도 향상됐다.
마이크로 컴퓨터단층촬영(CT)으로 내부 구조를 관찰한 결과, 미네랄이 반복적인 응력에 의해 다공성 재료 내부에 형성되고 커다란 힘이 가해졌을 때는 파괴되면서 에너지를 분산시키고 다시 반복적인 응력을 가하면 미네랄이 다시 형성됐다.
강성훈 교수는 “개발한 신소재는 기존 재료와는 달리 반복적으로 사용할수록 강성과 충격 흡수가 잘되는 특성을 가진다”며 “인공 관절뿐만 아니라, 항공기, 선박, 자동차, 구조물 등 다양한 분야에 해당 원리를 응용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
참고 자료
Science Advances(2025), DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adt3979
