현미경

BioSurface Engineering (BSE) Lab

바이오표면공학 연구실 (BioSurface Engineering Lab, BSEL)은 화학(Chemistry), 재료과학(Materials science), 생명 공학(Bioengineering)을 기반으로 다양한 바이오 소자의 표면을 연구합니다. 연구 목표는 나노 소자 표면을 변형하여 최적의 생체 기능성(biofunctionalization), 생체 적합성(biocompatibility)을 가지는 나노 소자를 개발하는 것입니다.

 

이러한 연구는 인체에 사용할 수 있는 소자/기기를 개발하는데 필요한 필수적인 정보를 제공하며, 궁극적으로 식립형 센서(Implantable Biosensors)나 현장 진단형 생체 분자 검출 장치(point-of-care platform)와 같은 차세대 고부가가치 기술에 활용됩니다.

​연구분야

실험실의 연구 목표는 생체 조직과 합성된 소자 사이의 생물학적 반응을 이해하고, 합성된 소자의 표면을 제어함으로서 생체에 사용 가능한 나노 소자를 연구개발 하는 것입니다. 대표적인 연구 주제는 뇌이식인공물과 광학적인 접근을 통한 생체분자 검출 플랫폼 개발입니다. 

마이크로/나노기술을 활용한 상향변환 물질 향상 연구

무기질 호스트 물질에 도핑 되어 있는 란탄족 이온들은 낮은 에너지를 갖는 광자를 연속적으로 흡수하여 더 높은 에너지를 갖는 광자를 방출하는 상향변환(upconversion) 현상을 가지고 있으며, 마이크로/나노미터 크기의 상향변환 물질은 햇빛에 풍부하게 존재하는 적외선 빛을 가시광선으로 변환한다. 이를 통해서 태양전지의 효율을 높이거나, 노이즈가 없는 선명한 바이오 이미징을 구현하거나, 생체투과성이 높은 적외선 빛을 뇌조직 내부에서 가시광선으로 전환하여 효과적인 광자극을 주는 원격 광유전학을 구현하는 등 다양한 차세대 응용분야에서 꾸준한 관심을 끌어왔다.

본 연구실에서는 상향변환 효율 증가 및 발광 스펙트럼 조절을 위해 란탄족 이온과 호스트 물질의 복잡한 상호작용을 연구하고 있으며, 이를 실현하기 위해 플라즈모닉 근접장 강화, 광학 공동안에서의 빛-물질 상호작용, 호스트 이온 결정장의 대칭성 붕괴와 같은 다양한 접근법을 활용한다.

본 연구실은 재료에 내재된 한계를 극복함으로써 학술적/산업적으로 뛰어난 성과를 도출하려고 하며, 이를 통해 상향변환 물질의 잠재적 응용분야인 반-스톡스 쉬프트 마이크로레이저 (제공된 에너지보다 더 큰 에너지의 빔을 방출), 근적외선 영역과 가시광선 영역을 아우르는 광집적회로 등과 같은 차세대 광학 기술의 실현을 구현하기 위해 노력하고 있다.

단일 플라즈모닉 나노입자로 인한 파장-민감 상향변환 향상 현상에 대한 체계적 분석. G Yi, DH Kim*, Journal of Physical Chemistry C 2018

광대역 플라즈모닉 안테나를 활용한 상향변환 향상 및 유연 지문 인식 소자 개발. W Xu, DH Kim*, Advanced Optical Materials 2018

액화-급랭 비정질 매트릭스에서의 초고속 단일-밴드 상향변환. BS Moon, DH Kim*, Advanced Materials 2018

메조스코픽 물체의 나노미터 조작 연구

원자, 나노입자, DNA, 세포 등 작은 물체를 고도로 집중된 광학 영역에 포획할 수 있는 광 집게 기술은 물리적인 접촉 없이 3차원 공간에서 물체를 잡고 움직일 수 있다. 본 연구실에서는 2차원 광 집게 시스템을 개발하여 새로운 현상을 연구하고 새로운 분야를 개발하고 있다.

2차원 물질과 생물학적 물질의 라만 분광법

본 연구실에서는 기존의 라만 분광법과 광 집게 기술을 결합한 라만 분광 시스템을 개발하여차원 물질이나 엑소좀세포와 같은 생물학적 물질의 라만 산란을 측정한다결합된 시스템은 포획된 플라즈모닉 나노입자의 근거리장을 통해 회절 한계를 극복함으로써 향상된 공간 분해능을 달성할 수 있으며또한 기존의 라만 분광법에 비해 라만 강도를 높일 수 있다

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2차원 물질과 생물학적 물질의 라만 분광법

플라즈모닉 나노입자의 광학 프린팅

본 연구실에서는 다중 파장 광 집게 시스템을 개발하여 회절 한계에 의한 프린팅 정밀도를 넘어서는 연구를 진행하고 있다포획된 나노입자를 기판으로 밀어줌으로써 포획된 플라즈모닉 나노입자를 프린팅할 수 있다우리는 프린팅 정밀도를 향상시킴으로써 특정 기능을 가진 독특하고 새로운 나노구조와 나노장치를 개발하고 있다

​플라모직 나노입자의 광학 프린팅

In-situ preparation and evaluation of AgNPs- cored-shelled with environmental poly tannic acid for wound healing: In vitro study

최근, 다양한 금속 나노입자가 개발되고 있으며 독특한 화학적 특성 때문에 국부적 표면 플라스몬 공명 (LSPR), 센서, 의학, 전자, 광학 등 많은 용도에 사용되고 있다. 이러한 나노입자 중에서 은 나노입자 (AgNP)는 특히 뛰어난 물리적, 화학적, 생물학적 특성 때문에 광범위하게 연구되고 분석되어 왔다. AgNP는 입자의 크기, 구성성분 그리고 구조에 따라 그 특성이 변화된다. 따라서, 자신이 원하는 용도에 필요한 특성을 극대화하기 위한 연구가 지속되고 있다.

                  그러나, AgNP는 표면 에너지가 높아 산화 및 집산 성향이 높은데, 이를 산업적으로 대규모 적용을 하기 위해서는 고농도에서의 콜로이드 안정성의 향상이 필요하다.

                  따라서, 우리는 친환경적인 탄닌산을 환원제 및 Capping agent로 사용하여 AgNP 표면에 코어-쉘을 형성하여 높은 수욜의 안정적인 은 나노입자의 합성을 시도하였다. 합성된 AgNP는 활성 섬유에 적용하여 염증을 유발하는 박테리아를 죽이고 상처 치유에 도움을 줄 수 있는 창상치료제로 활용되었다.

Synthesis of Core-Shell Silver Nanoparticles (Ag@PTA)

Schematic of Wound Dressing

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TEM images of the prepared AgNPs capped with Tannic Acid

플라즈모닉스를 이용한 생체분자 검출 플랫폼

생체분자 검출 플랫폼은 건강 진단, 질병 조기 진단, 질병 예측 등 진단 의학에서 중대한 역할을 합니다. 따라서 우수한 감도와 감별 능력을 갖춘 플랫폼 개발이 필수적입니다.

본 연구실에서는 혈액과 같은 복잡한 생물 시료에서 미량의 생화학적 분자들을 검출하는 고감도의 생체 기능성 나노 소자를 연구합니다. 이런 나노 소자는 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 현상과 표면 증강 라만 분광법(surface enhanced Raman spectroscopy)을 통해 용액 속이나 기판 위에서 검출을 시행합니다. 이 소자는 단일 나노 입자, 이량체(Dimer), 3D 구조체 등 다양한 유-무기 복합체로 구성됩니다. 생체분자의 결합 정도에 따라 광학적 신호가 바뀌는 LSPR현상을 이용하여 복잡한 기기의 도움없이 육안으로도 생체 분자를 검출 할 수 있으며, 특히 DNA의 상보적 결합을 이용한 나노 입자 이량체 개발을 통해 기존의 검출 한계를 104만큼 향상을 가능케 하였습니다. 

또한, 간소화된 고성능의 검출 방식을 개발하기위해, 비용 효율이 높고, 제조가 간단한 나노소자 합성법과 검진기기 개발을 위해 노력하고 있습니다. 이러한 노력은 저비용의 현장 진단 장비의 대량 생산을 가능하게 하는 근간 기술이 될 것입니다.

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금 나노막대의 암시야 이미지와 플라즈모닉 분석 장비

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나노입자간의 거리를 조절할 수 있는 이량체를 개발하여 색 변화를 통해서 DNA감지를 할 수 있는 방법을 제안. Guo L, Kim DH*, Small 2013

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나노입자의 응집시 이량체만을 구성하도록 조절하는 기술을 개발하여 극소량의 비브리오콜레라균 검진에 적용, Guo L, Kim DH*, Journal of the American Chemical Society 2013

또한 활성 플라즈모닉스를 이용하여 가스 분자의 검출도 가능케 하는 방법을 고안. Chen L, Kim DH*, Chemical Communications 2015

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하나의 나노입자에서 여러가지 색이 발현될 수 있음을 실험적으로 입증. Huang Y and Kim DH* Nanoscale 2012

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3차원적으로 구성된 TiO2 나노구조체를 만들어 글루코스 검진에 이용. Si P, Kim DH*, ACS Nano 2011.

뇌이식물의 기능 향상을 위한 면역반응 조절 표면연구

뇌이식물의 표면에는 면역반응을 조절하는 생체분자가 존재하는데 우리는 이러한 면역에 관계하는 생체분자를 분자수준에서 연구하고 조절합니다. 이렇게 개발된 뇌이식 인공물은 뉴런의 행동을 장기간에 걸쳐서 모니터링할 수 있도록 도와주는 기능을 합니다. 이 연구는 식립형 생체분자의 표면에 비특이적으로 흡착되는 단백질이 세포 표면에 존재하는 단백질과 상당히 다르다는 문제에서 시작됩니다. 결과적으로 이런 비특이적 흡착되는 단백질 층은 염증을 유발하고, 염증 감소를 주관하는 생체분자의 수를 감소시키는 역할을 합니다.

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뇌에 이식하는 인공구조물의 표면을 개선하고 생체 분자를 전달하는 기술을 개발하여 뇌공학 연구에 발판이 될수 있는 장치