Shi, Q., Liu, H., Tang, D., Li, Y., Li, X., & Xu, F. (2019). Bioactuators based on stimulus-responsive hydrogels and their emerging biomedical applications. NPG Asia Materials, 11(1), 64.
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swelling ratio:
하이드로젤이 물이나 용액을 흡수해서 부풀었을 때, 얼마나 커졌는지를 나타내는 수치
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response time:
하이드로젤이 외부 자극을 받고 팽창하거나 수축하기 시작해서, 목적한 변화가 완료되는 데 걸리는 시간
1. 주제
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바이오액추에이터
→ 자극에 반응하여 물리적 변형을 일으키는 소프트 액추에이터로, 인공 근육, 약물 전달 시스템, 세포 환경 제어 등에 쓰임.
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특히 하이드로젤은 높은 수분함량, 생체적합성, ECM 유사 구조 덕분에 바이오 액추에이터에 적합한 재료로 주목받고 있음.
2. 자극 반응형 하이드로젤
(1) pH-responsive
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예시: p(AAc-co-HEMA), PAAc, PAA
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원리: pH 변화 → 하이드로젤 내 전하 변화 → 팽창/수축
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응용: 마이크로유체 밸브, 약물 방출 캡슐, 셀프조절 센서
(2) Thermo-responsive
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예시: PNIPAAm
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원리: 특정 온도(LCST) 넘으면 수축, 식으면 팽창
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응용: 세포 캡처/방출, 열에 반응하는 드러그 딜리버리
(3) Electric-responsive
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전기장에 의해 이온 이동 → 하이드로젤 수축
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예시: PAAc, PAMPS, Chitosan
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응용: 인공 근육, 전기 자극 기반 약물 방출
(4) Magnetic-responsive
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Fe₃O₄ 같은 나노입자를 하이드로젤에 삽입하여 외부 자기장에 반응
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응용: 인공 손가락, 근육 모사 섬유, 세포 변형 실험
(5) 기타: 빛, 습도, 산화환원, 생체분자
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빛: 자외선/적외선 이용한 제어 가능
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습도/산화환원: 특수 환경 감지용
3. 하이드로겔 기반 바이오액추에이터의 응용
(1) 바이오센서
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반복 사용 가능, pH/온도/이온 농도 감지
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예: DNAzyme 기반 Pb²⁺ 감지 센서
(2) 약물 전달 시스템
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특정 pH나 온도 조건에서 약물 방출
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자기장 기반 약물 제어, 예: 레보도파 방출
(3) 인공 근육
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마그네틱 섬유(예: 젤마(GelMA)-PEGDMA 하이드로겔)로 수축/이완 운동 재현
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실제 근육과 유사한 기계적 특성 (탄성률, 신장률)
(4) 세포 미세환경 조절
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세포가 자라는 하이드로젤을 변형시켜 기계적 자극 제공
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세포 확산, 정렬, 분화 유도 가능 (예: 골격근 분화)