Polymorphing hydrogels regulated by photo-reactive DNA cross-links Junho Roh School of Materials Science and Engineering Gwangju Institute of Science and Technology

Abstract

Polymorphing hydrogels regulated by photo-reactive DNA cross-links 광반응성 DNA 가교제에 의해 조절되는 다변형 하이드로젤 다변형 하이드로젤은 요구에 따라 재프로그래밍 가능한 특성을 통해 다른 구조로 변형할 수 있다. 이 개념은 제작 단계에서 변형 능력이 사전에 결정되는 전통적인 형태 변형 하이드로젤의 한계를 넘어선 변형 가능성을 제공한다. 그러나 현재의 다변형 하이드로젤은 복잡하고 지속되지 않는 반응성이나 재구성 가능한 변형을 위해 추가적인 화학적 단계를 요구하는 한계를 가지고 있다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 본 연구에서는 빛의 패턴화 아래 다양한 형태로 변형이 가능한 단순화된 구조를 도입하였으며, 이는 광반응성, 가역적인 DNA hybridization chain reaction을 통해 구현된다. 광반응성 DNA 가교제는 하이드로젤의 형태를 변화시키는 조절자로 작용하며, 이를 통해 원팟(one-pot) 반응으로 정밀하고 역동적인 변형이 가능한 프로그래머블 방식을 제공한다. DNA 가교제는 빛의 파장에 반응하여 형태를 변화시키는 아조벤젠 분자를 포함하고 있다. 가시광선 아래에서는 아조벤젠이 trans 형태를 취하며 혼성화를 촉진한다. 반면 자외선 아래에서는 아조벤젠이 cis 형태로 전환되며 변성을 유도한다. 따라서 가시광선 아래에서는 hybridization chain reaction을 통해 DNA 가교제의 길이가 길어지고 하이드로젤이 팽창한다. 자외선 아래에서는 DNA 가교제가 변성되면서 짧아지고 하이드로젤이 수축한다. 이러한 광반응성 DNA 크로스링크의 길이 조절은 하이드로젤의 용액 교체 없이 가역적인 변형을 가능하게 한다. 또한, maksless lithography system을 활용하여 자외선을 패턴화하여 변형 영역을 요구에 따라 지정하고 부분 수축을 통해 하이드로젤의 다변형을 달성한다. 본 연구에서는 동일한 모양의 막대 모양 하이드로젤을 요구에 따라 구부려 서로 다른 알파벳 모양으로 다양하게 변형하였고, 구부러지는 변형을 이용하여 퍼즐을 맞추는 등 소프트 로보틱스 분야에서 응용 가능함도 보였다. 또한 부분 변형을 통해 첨단 제조 공정인 4D printing에 사용될 수 있음을 확인하였다. 재프로그래밍 가능한 특성과 시공간적 제어 가능성은 높은 프로그래머블 기능을 요구하고 복잡한 공정을 필요로 하는 다기능 소프트 로보틱스 및 응용 분야에 획기적인 솔루션을 제공한다.