의생명융합공학부 박형기(사진) 교수팀은 일본 연구진과 함께 COVID-19 mRNA 백신 접종자의 항체 반응을 대규모로 분석해, 돌파감염(백신 접종을 완료했음에도 감염되는 경우) 위험이 높은 집단을 규명하고 이를 조기에 파악할 수 있는 방법을 제시했다. 

연구팀은 2021년부터 2025년까지 4년에 걸쳐 수집한 약 2,500명의 항체 및 임상 데이터를 수학적 모델링과 AI(인공지능) 기법으로 정밀 분석했다. 이를 통해 mRNA 백신에 의해 유도되는 항체 반응이 △높고 오래 유지되는 ‘내구형’ △충분히 형성되지 않는 ‘취약형’ △처음에는 높게 형성되지만 급격히 줄어드는 ‘급속저하형’ 등 몇 가지 특이적 패턴을 보인다는 사실을 확인했다. 

특히, ‘취약형’과 ‘급속저하형’ 집단은 돌파감염 위험이 유의하게 높았으며, 돌파감염을 경험한 이들은 접종 후 조기 단계에서 혈중 IgA(S) 항체가가 낮게 나타났다. 이는 IgA 항체가 돌파감염 위험을 조기에 가늠할 수 있는 바이오마커로 활용될 가능성을 시사한다. IgA(Immunoglobulin A)는 우리 몸의 점막 면역을 담당하는 대표적인 항체다.

mRNA 백신은 COVID-19 확산을 억제하는 데 큰 역할을 했다. 하지만 접종자 중 일부는 백신을 접종했음에도 불구하고 빠르게 감염을 겪는 경우가 있었다. 이는 백신이 유도하는 항체 반응에 개인차가 크다는 것을 의미하지만, 그동안 백신 유도 항체의 패턴을 정밀하게 분석한 연구는 드물었다. 

이에 연구팀은 백신 접종 후 항체 동태를 면밀히 추적 분석해, 돌파감염 위험이 높은 고위험군을 파악하는 방법을 수립하는 것이 시급하다고 판단해 연구를 시작했다.

이러한 연구에서의 어려운 점은 데이터를 반복적이고 장기적으로 측정하는 데 시간적·물리적 제약이 크다는 점이다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 항체 변동을 설명하는 수학적 모델을 개발해 데이터를 정량적으로 분석할 수 있도록 했다. 

또한 비지도 기계학습(Unsupervised Machine Learning)을 활용해 특이적 항체 변동 패턴을 분류하고, 돌파감염이 빠르게 일어나는 집단을 식별하는 데 성공했다. 그리고, 이러한 집단은 연령 등 기본 임상 정보만으로는 조기 파악이 어렵지만, IgA 항체가 유용한 예측 인자가 될 수 있음을 밝혀냈다.

【연구 개념도】

포스트 코로나 시대와 미래 신종 감염병 대응에서 가장 큰 과제 중 하나는 효율적인 백신 접종 체계 확립이다. 특히, 제한된 의료 자원을 고위험군에 적절히 분배하는 것이 중요하다. 

이번 연구는 수학적 모델과 AI를 결합한 첨단 분석기법으로 개인별 항체 반응 차이를 과학적으로 분류했으며, 이를 통해 추가접종의 적절한 시기와 우선순위를 과학적 근거 기반으로 제시할 수 있게 됐다. 

이 분석기법은 향후 다양한 감염병과 백신 플랫폼의 접종 전략 수립을 위한 분석에 적용 가능하며, 미래 팬데믹 대비와 개인 맞춤형 면역 관리 정책에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 박형기 교수가 제1저자로 수행했으며, 일본 후쿠시마현립의대의 츠보쿠라 마사하루(Masaharu Tsubokura) 교수 연구팀이 수집한 항체 데이터를 바탕으로 일본 나고야대 이와미 신고(Shingo Iwami) 교수 연구팀과 박형기 교수 연구팀이 수학적 모델과 AI 기법을 결합해 분석을 진행했다.

해당 연구 결과는 융합 의학 분야의 세계적 권위지인 『Science Translational Medicine』 9월 17일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Longitudinal antibody titers measured after COVID-19 mRNA vaccination can identify individuals at risk for subsequent infection (COVID-19 mRNA 백신 접종 후 항체 변화 추적을 통한 돌파감염 위험군 규명)

- 논문 링크: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adv4214 

박형기 교수는 “이번 연구를 통해 mRNA 백신 항체 반응의 차이를 정밀하게 규명하고, 추가접종이 더 일찍 필요한 집단을 과학적으로 제시할 수 있었다”며 “이는 향후 백신 정책 수립과 팬데믹 대비 전략 마련에 중요한 근거가 될 것”이라고 말했다.

박 교수는 이어 “이번 연구는 수학적 모델이 기존의 데이터 분석 기법과 결합될 때 다양한 분야의 난제를 해결할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 보여준 점에서도 의미가 크다”고 덧붙였다.

[Abstract]

Although COVID-19 posed a major threat, the success of mRNA vaccines enabled rapid development and distribution, helping to control the pandemic. However, vaccine-induced immunity wanes over time, and large individual differences make it difficult to design optimal booster strategies. Identifying poor responders who fail to sustain antibody levels is therefore crucial for prioritizing revaccination.

In this study, we analyzed longitudinal antibody data from 2526 individuals in Fukushima (2021–2022) using mathematical modeling and machine learning. We identified three distinct antibody persistence patterns—durable, vulnerable, and rapid-decliner—and found that rapid-decliners tended to become infected earlier. This suggests that the ability to maintain antibodies, rather than high initial titers, may be more important for preventing early infection. Additionally, individuals who experienced breakthrough infections showed lower early spike-specific IgA levels after booster vaccination, indicating that IgA may serve as a useful marker for assessing breakthrough infection risk.

This approach provides valuable evidence for optimizing vaccine allocation and enhancing population-level immunity in future pandemics and the post–COVID-19 era.

- Author (Pusan National University): Hyeongki Park (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Longitudinal antibody titers measured after COVID-19 mRNA vaccination can identify individuals at risk for subsequent infection

- Journal: Science Translational Medicine

- Web link: https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adv4214

- Contact e-mail: hkpark@pusan.ac.kr

응용화학공학부 김채빈 교수 연구팀이 한양대 및 동의대와의 공동연구로, 자기장과 빛을 이용해 정밀하게 제어할 수 있는 상어 피부 모사 마이크로 구조체 개발에 성공했다.

자연계 생물들은 고유의 마이크로 구조를 통해 탁월한 기능을 발현한다. 연구팀은 이 가운데 상어 피부의 구조에 주목했다. 상어 피부는 ‘리블렛(riblet)’이라고 하는 단단한 비늘이 교차하고 층층이 적층된 구조를 이루고 있어, 유체 저항을 줄이고 빠르게 헤엄칠 수 있게 해준다.

이러한 생체 구조를 모사한 인공 상어 피부를 항공기, 선박 등 차세대 운송 수단의 외피에 적용한다면, 마찰 저감을 통해 연료 소모를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 보인다.

실제로 1980년 미국항공우주국(NASA) 랭글리연구소는 인공 상어 피부를 비행기 표면에 부착하면 공기 저항을 감소시킬 수 있다고 보고한 바 있으며, 이 기술은 이후 연료 절감을 위한 핵심 기술로 지속적인 연구가 이어지고 있다.

하지만 상어 피부의 리블렛 구조는 단순한 나열이 아닌, 미세한 비늘이 교차하고 중첩된 3차원 복합 구조를 띠고 있어 기존의 복제 성형(replica molding) 기술로는 정밀한 구현이 매우 어려웠다.

이번 연구에서는 자기장으로 형성된 마이크로 구조체를 빛에 노출해 실시간으로 고정·해제 가능한 혁신적인 재료를 선보였다. 

기존 연구에서는 자기장으로 상어 비늘에 해당하는 인공 리블렛을 원하는 방향으로 구부렸어도 자기장을 제거하면 원래 형태로 돌아갔다. PDMS(폴리디메틸실록산) 같은 유연한 소재를 활용해도, 구조를 고정하기 위해 레진을 함침(含浸)하거나 열과 압력을 가하는 복잡한 후처리 과정이 필요했다.

반면, 이번 연구 소재는 빛을 통해 구조를 고정한 후 필요 시 다시 빛과 자기장으로 원상복귀시킬 수 있다. 이를 위해 연구팀은 ‘동적 공유 결합(Dynamic Covalent Bonds) 기반의 가교 고분자(CAN, Covalent Adaptable Networks)’를 마이크로 구조체에 적용했다. 특히 빛에 반응해 동적 교환 반응을 일으킬 수 있는 이황화 결합(disulfide bond)을 도입함으로써, 광(光) 자극으로 분자 수준에서 결합 재배열을 구현해 마이크로 구조의 성공적인 형상 제어가 가능하도록 설계했다.

【(a) 자기장과 빛을 통해 원격으로 제어되는 샤크 스킨의 제작 모식도

(b) 세워진 형태의 마이크로 구조의 현미경 이미지(왼쪽)와 굽혀진 형태의 마이크로 구조의 현미경 이미지(오른쪽)】

이러한 광반응성 메커니즘은 분자동역학 시뮬레이션을 통해 분자 수준에서 명확하게 규명됐으며, 빛의 세기에 따라 반응 특성이 어떻게 달라지는지도 정밀 분석됐다.

연구팀은 이황화 결합 기반의 CAN과 자성입자를 혼합한 복합재료를 개발했다. 이 소재는 열경화 전 액상의 상태에서 자성 입자를 균일하게 분산시킨 뒤, 자체 개발한 상어 피부 유사 몰드에 주입해 열에 의해 경화된다. 이후 외부 자기장을 활용해 자화(磁化) 프로파일을 설계함으로써, 외부 자기장에 반응하는 정밀한 마이크로 구조를 제작할 수 있었다.

제작된 구조는 초기에는 각 리블렛이 수직으로 세워진 형태이나, 자기장을 적용시키면 자화된 내부 자성 입자들이 반응해 리블렛들이 누운 상태가 된다. 이 상태에서 빛을 쪼이면 굽혀진 구조는 동적 교환반응으로 인해 사슬의 응력을 완화하고 형상을 고정하게 돼 실제 상어 피부와 같이 교차로 적층된 구조를 형성하게 된다. 이는 현재까지 보고된 인공 구조 중 실제 상어 피부와 가장 유사한 수준이다.

【왼쪽부터 김채진 교수, 윤여명 박사과정생】

김채빈 교수는 “이번 기술은 상어 피부 구조를 구현했을 뿐만 아니라, 빛과 자기장을 활용한 지능형 마이크로 구조로 설계해, 향후 에너지 효율화, 스마트 소재, 자가 치유 표면 등 다양한 응용 분야로의 적용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한양대·동의대와의 공동연구로, 응용화학공학부 김채빈 교수가 교신저자, 윤여명 박사과정생이 제1저자로 수행했다. 한국연구재단의 지원을 받았다. 

해당  연구 결과는 저명한 국제 학술지 『Advanced Materials』 10월 2일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지 논문(Front cover)으로 선정됐다.

- 논문 제목: Light Fueled In-Operando Shape Reconfiguration, Fixation, and Recovery of Magnetically Actuated Microtextured Covalent Adaptable Networks (빛을 이용해 형상 전환과 고정, 복원이 가능한 자성으로 구동되는 동적 공유결합으로 가교된 고분자 기반 마이크로 구조)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202503161

【저널 표지 논문 이미지】

[Abstract]

A research team led by Prof. Chae Bin Kim (Pusan National University) has developed innovative disulfide-based covalent adaptable networks (DS-CANs) that enable reversible shape-shifting and fixation using magnetic fields and ultraviolet (UV) light. Traditional magnetic micropillar arrays, composed of PDMS and magnetic particles, deform under a magnetic field but fail to retain their shape once the field is removed. Previous fixation strategies—such as water-soluble binders or thermosetting resins—faced limitations in reversibility and environmental compatibility. The newly developed DS-CANs address these challenges, enabling UV- or heat-triggered shape locking at room temperature without the need for solvents or resins. These materials also offer spatiotemporal control, reprocessability, and self-healing capabilities.

To demonstrate their functionality, the team fabricated DS-CAN/NdFeB micropillar arrays that respond to magnetic fields and retain their programmed shapes after UV exposure. The reversible deformation and fixation processes were further validated using non-equilibrium molecular dynamics and Monte Carlo simulations. Additionally, the successful formation of ribbed microstructures mimicking shark skin highlights the material's potential for complex 3D shaping. This breakthrough opens new possibilities for soft robotics, programmable surfaces, and smart adhesives, while also offering energy-efficient solutions for drag reduction in smart surface and transport systems. 

- Authors (Pusan National University) · Yeomyung Yoon (School of Chemical Engineering) · Chae Bin Kim (School of Chemical Engineering, Department of Polymer Science and Engineering, Research Institute for Convergence of Biomedical Science and Technology)

- Title of original paper: Light-Fueled In-Operando Shape Reconfiguration, Fixation,and Recovery of Magnetically Actuated MicrotexturedCovalent Adaptable Networks

- Journal: Advanced Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adma.202503161

우리가 아는 감기 바이러스 중 일부는 코로나바이러스 계열이다. 그중 ‘OC43’은 코로나19의 친척 격으로, 감기 증상뿐 아니라 폐렴이나 뇌염까지 유발할 수 있어 면역이 약한 사람에겐 위험하다.

나노바이오융합연구소 유소영(사진) 연구교수팀이 성균관대와의 공동연구를 통해 흔히 생각하는 약이 아닌, ‘박테리오파지’라는 좋은 바이러스를 이용해 감기처럼 퍼지는 코로나바이러스 ‘OC43’의 감염을 차단하고 염증까지 억제할 수 있는 착한 바이러스 ‘Ac-SLPhage’ 치료제를 개발했다. 박테리오파지는 박테리아를 감염시키는 바이러스로, 사람에게는 무해하며 생명공학·의료 분야에서 다양하게 활용된다.

【유소영 연구교수】

‘OC43’는 사람 코로나바이러스의 일종으로, 감기 증상부터 중증 폐렴·뇌염까지 유발할 수 있으며, 숙주를 감염시킬 때 ‘시아산’이라는 물질을 인식해 세포로 침입한다. 

치료제 개발에 나선 연구팀은 시아산 계열 리간드(세포 표면 수용체에 결합해 생물학적 반응을 일으키는 분자)인 9-O-acetylated sialic acid를 박테리오파지 표면에 다중으로 결합시켰다. 그러자 코로나바이러스가 이 가짜 수용체를 진짜로 착각해 달라붙으면서, 결국 숙주 세포에 침입하지 못하고 무력화됐다. 실험 결과, 감염 억제율 99.5%, 세포 손상 최소화, 생존율 향상 등의 효과가 나타났다.

또한, 이 Ac-SLPhage 치료제는 면역세포를 회복형(M2)으로 바꿔 염증을 줄이고 손상된 조직 회복을 돕는다. 

감염이 일어나면 면역세포가 과잉 반응하면서 몸에 해로운 염증이 생긴다. M1은 ‘싸우는 면역세포’, M2는 ‘회복하는 면역세포’인데, Ac-SLPhage는 M2형 분화를 유도해 과잉 염증을 완화하고 손상된 조직 회복을 촉진했다. 이로써 감염으로 인한 염증성 사이토카인(IL-6)의 분비가 줄고, 세포 내 항산화 시스템(HO-1, NQO1)도 강화됐다.

생후 5일령 마우스를 대상으로 한 실험에서 Ac-SLPhage는 감염 전·후 모두 생존율 증가, 폐 조직 염증 감소, 바이러스 농도 저하를 유도했다.

특히, 정맥·비강·복강 투여 모두에서 폐 조직에 선택적으로 축적됐다. 이는 약물이 호흡기 질환 치료의 목표 장기인 폐에 잘 도달했다는 의미로, 감염 부위에 정확하게 작용하는 ‘표적 치료제’로서의 가능성을 보여준다.

면역반응이나 항체 생성도 거의 유발되지 않아 반복 투여가 가능한 치료제로서의 안정성도 확인됐다. 

【‘감기 코로나 바이러스’를 막고 폐를 지키는 착한 바이러스(Ac-SLPhage)의 효능 검증】

(A) 실험 설계도. 감기처럼 생긴 코로나 바이러스(OC43)를 쥐에 감염시키고, 감염 전후로 Ac-SLPhage를 주사해 효과를 비교함.

(B) OC43의 감염은 폐, 비강, 신장 등에 축적되지만 Ac-Phage를 주사한 경우 OC43의 감염이 현저히 줄어듦.

(C) 폐 조직 현미경 사진. 감염되면 폐가 망가지지만, Ac-SLPhage를 맞으면 건강한 폐처럼 구조가 유지됨.

(D) 형광 염색 이미지. 감염된 폐에는 녹색 바이러스 단백질(N-protein)과 빨간색 염증 단백질(IL6)이 늘어나지만 Ac-SLPhage를 맞으면 확연히 줄어듦.

(E) 유전자 발현 분석 결과. 면역세포 중 하나인 대식세포도 M2형으로 유도돼 염증을 완화하고 조직을 회복시키게 됨.

유소영 연구교수는 “이번 연구는 바이러스가 세포에 침투할 때 사용하는 열쇠구멍(리간드)을 속여 감염 자체를 원천 차단하고, 동시에 우리 몸의 면역 시스템이 스스로 회복하도록 유도했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “특히 ‘착한 바이러스’라 불리는 박테리오파지를 기반으로 설계해, 인체에 무해하면서도 면역 회복 효과까지 겸비한 치료 전략을 구현했다. 이는 기존 약물이 도달하지 못한 감염 초기 단계와 숙주 회복 과정을 동시에 공략할 수 있는 기술로, 박테리오파지를 임상 치료제로 활용할 수 있는 실질적 가능성을 제시했을 뿐만 아니라, 비슷한 감염 메커니즘을 가진 다른 경우에도 적용 가능해 코로나바이러스 계열 팬데믹 대응에 대한 기대감을 갖게 한다”고 말했다.

해당 연구 성과는 부산대 나노바이오융합연구소 유소영 연구교수 팀과 성균관대 정우재 교수팀이 공동으로 수행했으며, 세계적 학술지 『Journal of Controlled Release』 9월 10일자에 게재됐다.

- 논문 제목: A multivalent 9-O-acetylated sialic acid-conjugated bacteriophage platform for antiviral and immunomodulatory therapy for human coronavirus OC43(인간 코로나바이러스 OC43에 대한 항바이러스 및 면역조절 치료를 위한 다가 9-O-아세틸 시알산 결합 박테리오파지 플랫폼)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.113996 

이번 연구는 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 과학기술정보통신부 중견연구지원사업 등의 지원을 받았다.

* 상단 연구 이미지: Ac-SLPhage의 작동 방식

- 왼쪽 붉은색 영역은 감기 바이러스(OC43)가 세포에 침투했을 때 발생하는 염증, 산화 스트레스, 세포 손상을 보여준다.

- 오른쪽 녹색 영역은 착한 바이러스 ‘Ac-SLPhage’가 감기 바이러스를 포위하고, 세포를 보호하는 과정을 나타낸다.

- Ac-SLPhage는 코로나 바이러스가 사용하는 시아산을 표면에 다발로 결합해, 바이러스가 세포 대신 파지에 착각하고 달라붙도록 유도한다. 

- 동시에 세포 내 면역 경로(JNK, ERK)를 정상화하고, 항산화 효소(HO-1, NQO-1)를 활성화해 감염된 세포를 보호한다.

[Abstract]

A research team at Pusan National University, led by Research Professor So Young Yoo from the Institute of Nano-Bio Convergence, has developed a “good virus” therapy that can block and control infections caused by the human coronavirus OC43—a cousin of COVID-19 that spreads like a cold but can lead to pneumonia or even brain inflammation.

The team engineered a bacteriophage (a harmless virus that targets bacteria) to display special sugar-like molecules called sialic acids, which OC43 normally uses to enter human cells. By mimicking these entry points, the modified phage tricks the virus into attaching to it instead of healthy cells—stopping infection before it begins.

More than just a blocker, the therapy also helps the immune system recover. It shifts immune cells from an aggressive, inflammatory state to a healing mode, reducing harmful inflammation and boosting antioxidant defenses. In animal studies, the treatment increased survival, protected lung tissue, and showed no serious side effects—even when delivered through the nose or bloodstream.

The study, conducted in collaboration with Sungkyunkwan University, was published in the Journal of Controlled Release on September 10, 2025, and was supported by the Ministry of Health and Welfare and the Ministry of Science and ICT. 

The platform offers a promising strategy for future coronavirus outbreaks and other respiratory infections.

- Author (Pusan National University): So Young Yoo (Institute of Nanobio Convergence)

- Title of original paper: A multivalent 9-O-acetylated sialic acid-conjugated bacteriophage platform for antiviral and immunomodulatory therapy for human coronavirus OC43

- Journal: Jounral of Controlled Release

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2025.113996 

- Contact e-mail: yoosy2@gmail.com

응용화학공학부 성동기 교수 연구팀은 강성(Rigid)과 연성(Flexible)을 동시에 갖춘 ‘종이접기형’ 복합재료를 개발해, 차세대 로봇, 전개형 우주 구조물, 웨어러블 기기 등에 활용 가능한 소재 및 공정 기술을 확보했다. 강하지만 자유롭게 변신 가능한 트랜스포머 로봇, 작게 접어 우주선에 싣고 나가 우주에서 넓게 펼 수 있는 태양광 패널, 자유롭게 접히는 폴더블 폰. 이 모든 것이 가능할 전망이다.

강철보다 강하면서 강철의 절반 이하로 가벼운 섬유강화 복합재료는 항공기, 자동차, 풍력발전, 레저용품 등에 사용되고 있지만, 단단한 특성으로 인해 유연성이 필요한 첨단 분야 적용에 한계가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 기존의 단일 고분자만을 적용하는 복합재료를 넘어, 강성과 연성을 선택적으로 구현하는 새로운 복합재료 기술을 제안했다. 

연구팀은 두 가지 다른 성질을 가진 고분자 수지를 한 번에 필요한 부위에만 선택적으로 넣을 수 있는 새로운 제조 공정을 개발했다. 이 기술을 ‘다중수지 토출공정(Multi-resin dispensing)’이라고 하는데, 다른 종류의 고분자 수지를 선택적으로 함침해 단단한 수지는 힘을 많이 받는 부위에, 유연한 수지는 접히거나 움직이는 부위에 골라서 넣을 수 있다. 

이 공정을 이용해 연구팀은 대표적인 항공용 경량 구조재인 강성의 탄소섬유(Carbon Fiber)*와 방탄 소재인 연성의 케블라섬유(Kevlar Fiber)**로 일체형 복합재료를 제조했다. 하나의 직물이지만 어떤 부분은 튼튼하고, 어떤 부분은 부드럽게 접히는 일체형 하이브리드 복합재료가 탄생한 것이다.

* 탄소섬유: 탄소 함량이 매우 높은 가볍고 강한 섬유로서 고강도·고탄성 특성이 필요한 항공우주, 자동차, 스포츠용품 등에 널리 사용됨.

** 케블라섬유: 가벼우면서도 철보다 5배 이상 강한 인조 섬유로서 방탄복, 헬멧, 소방복 등 고강도 보호장비에 사용됨.

신규 복합소재는 뛰어난 기계적 물성을 가질 뿐만 아니라, 1,000번에 이르는 반복적 접힘과 펼침에도 우수한 내구성을 유지했다. 

기존에는 강성과 유연성을 동시에 가지려면 여러 재료를 조립하거나 복잡한 공정을 거쳐야 했다. 하지만 이 기술은 한 번의 공정으로, 한 장의 재료에 ‘기능을 구분해서 넣을 수 있는’ 스마트한 방법이다. 

또한, 고가의 장비나 노동력 없이도 2분 내에 복합재료를 만들 수 있는 대량생산 공정으로 산업에 적용하기가 용이할 것으로 전망된다. 특히 신규 공정을 이용해 삼각기둥형 종이접기 구조물(TCO, Triangular cylindrical origami)을 설계해 자동화 공정으로 제작한 후 반복적인 접힘과 펼침 과정에서도 탁월한 내구성과 안정성을 검증했고, 대량생산이 가능한 고속성형 공정 개발로 다양한 산업으로의 활용 가능성을 보였다.

지금까지 유연성이 뛰어나 소프트 로봇에 적용 가능한 소재나 우수한 강성으로 구조재에 적용하는 소재는 각각 많이 개발돼 왔지만, 이번에 개발된 기술은 강·연성을 하나의 구조에서 동시에 구현하는 복합재료를 대량생산할 수 있는 것으로, 로봇 관절부, 우주항공 전개 구조체, 웨어러블 기기 등 첨단산업 분야에서의 폭넓은 활용이 기대된다. 

【왼쪽부터 성동기 교수, 손승모 박사과정생】 

성동기 교수는 “이번 연구는 이종섬유 적층 설계, 다중 고분자의 선택적 토출 공정과 종이접기 구조를 융합해 항공기 수준의 강성을 가지면서도 자유롭게 접고 펴는 전개가 가능한 일체형 복합재료를 수월하게 제조하는 기술을 처음 제안한 것으로, 영화에서 보던 트랜스포머(Transformer) 로봇이나 태양광 돛(Solar sail) 우주선 등을 구현할 수 있는 핵심기술로 발전할 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 고분자복합재료연구실의 독자적인 연구로, 성동기 교수가 교신저자, 손승모 박사과정생이 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업과 미래기술연구실사업의 지원을 받았다.

해당 성과는 국제 학술지 『Composites Part B: Engineering』 10월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Deployable fiber-reinforced polymer for advanced monolithic Rigid-Soft robotics applications(일체형 강·연성 로보틱스용 전개형 섬유강화 복합재료)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112754

* 상단 연구 이미지: 전개 가능한 일체형 복합재료 제조 기술 개발 및 응용 분야 모식도.

(위) 신규 강·연성 일체형 복합재료 고속 성형공정 이미지 및 구조

(가운데) 실제 ‘종이접기’ 복합재료의 압축-전개 이미지

(아래) 신규 소재 및 공정의 응용 분야 - 항공우주, 로보틱스, 웨어러블 디바이스 등

[Abstract]

Researchers at Pusan National University have developed an origami-inspired fiber-reinforced polymer composite that selectively integrates rigid and flexible epoxy resins into carbon and Kevlar fibers within a single structure. This novel multi-resin dispensing method allows rapid fabrication in under two minutes, yielding a composite with excellent mechanical properties and durability under repeated folding, offering significant advancements for robotic joints and deployable aerospace structures.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Seung Mo Son (School of Chemical Engineering)

 · Corresponding author: Dong Gi Seong (Department of Polymer Science and Engineering / School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Deployable fiber-reinforced polymer for advanced monolithic Rigid–Soft robotics applications

- Journal: Composites Part B: Engineering

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112754

- Contact e-mail: dgseong@pusan.ac.kr 

고분자공학과 이재준(사진) 교수 연구팀이 극한 충격 시 에너지를 효과적으로 흡수하는 새로운 고분자 재료의 원리를 규명했다.

연구팀은 금속-리간드 간 분자 결합이 아주 빠르고 강한 충격(고변형률 응력파)을 받으면 변형률이 낮은 결합이 선택적으로 끊어지며, 이 과정에서 충격 에너지를 흡수하고 흩어지는 현상을 실험과 시뮬레이션을 통해 입증했다.

현대사회는 고속 이동체의 확산, 무인항공기와 위성의 상용화, 우주 탐사 임무의 증가, 국가 간 군사적 긴장과 테러 위협 고조 등으로 인해 초고속 충격이나 폭발 상황에 노출되는 빈도가 점차 증가하고 있다. 이러한 환경에서는 106/s 에 달하는 고변형률 응력파(high strain rate stress wave 또는 충격파 shockwave)가 순간적으로 재료에 전달되며, 기계적 손상뿐 아니라 인명 피해, 정보 손실, 시스템 마비 등 복합적 위험을 유발할 수 있다.

이에 따라, 충격파를 능동적으로 흡수하거나 효과적으로 분산시키는 소재 기술은 미래 사회의 안전과 지속 가능성을 위한 핵심 기술 영역으로 주목받고 있다. 단순한 기계적 강도뿐만 아니라, 극한 응력 하에서 에너지를 소산시키는 ‘스마트한 재료 반응성’이 요구되며, 이번 연구는 바로 이러한 요구에 대한 과학적 해답을 제시하고 있다.

연구팀은 고속 충격 환경에서 고분자 내부의 특정 결합, 특히 금속-리간드 간 정사각형 평면 구조(square planar configuration)가 낮은 결합 변형률로 인해 응력에 집중적으로 반응하며 선택적으로 해리(解離)되고, 이 과정이 전체 시스템의 에너지 소산(dissipation)에 결정적인 역할을 한다는 사실을 실험과 계산을 통해 입증했다.

【레이저 유도 충격파를 활용한 충격파 소산 실험을 통해 금속-이미다졸 결합의 해리에 따른 충격파 감쇠율을 평가.
밀도범함수 이론(DFT) 계산을 통해 금속-이미다졸 결합의 기하구조에 따른 변형률 임계점의 변화와 이에 따른 충격파 감쇠 특성의 이해】

이를 위해 레이저 유도 충격파 실험으로 매우 짧은 시간 동안 발생하는 고변형률 응력 환경을 구현하고, 이로 인한 재료 내 분자 구조의 반응을 추적했다. 연구팀은 응력의 경계 조건과 파동의 진행 방향에 따라 금속-리간드 결합 중에서도 리간드가 금속 이온을 중심으로 서로 반대쪽에 위치한 ‘트랜스(trans)’ 형태가 우선적으로 해리되며, 이 해리가 전체 재료 시스템의 에너지 흡수 성능을 향상시킨다는 것을 확인했다.

이번 연구의 또 다른 주목할 점은 실험에 활용된 금속-리간드 기반 고분자 재료가 동적 결합의 특성 덕분에 우수한 자가치유(self-healing) 능력과 재공정성(reprocessability)을 동시에 갖춘다는 점이다. 손상 시에도 스스로 회복이 가능하며 새로운 모양의 형태로 재공정이 가능해, 우주 장비, 방탄 보호 소재, 극한 기능성 코팅 등 극한 환경에서 반복적 충격을 견뎌야 하는 응용 분야에서 기존 고분자 재료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 충격파는 수 마이크로초 내에 수천 배의 변형률(strain rate)을 유발하기 때문에, 이러한 극한 조건에서 동적 결합의 해리 거동을 예측할 수 있는 계산적 접근이 매우 어려웠다.

이에 대해 연구팀은 레이저 유도 충격 실험 데이터를 기반으로 밀도범함수 이론 계산(DFT)을 연계하는 방식으로 해석 프레임워크를 구성했다. 이로써 실제 재료 내부에서 일어나는 결합 해리 현상을 시간·공간적으로 정밀하게 추적할 수 있었으며, 이러한 방식은 향후 금속-리간드 기반 고분자 설계에 실질적이고 재현성 있는 계산 도구로 활용 가능하다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다.

【(a) 연구에 활용된 금속-리간드 결합과 DFT에 활용된 금속-이미다졸 결합 모형
(b) 결합 신장 과정 동안 DFT 계산을 통해 얻은 금속-이미다졸 복합체의 상대적인 에너지 프로파일로,
각 금속의 배위 기하구조를 최대 에너지와 최대 힘을 통해 비교함. 

(c) 다양한 배위 기하구조에 따른 결합 파단 변형률과,
서로 다른 입력 압력에서 충격파에 의해 유도되는 제한적인 압축 변형률의 비교】 

이재준 교수는 “이번 연구는 분자 단위에서 응력파의 영향을 해석하고 재료의 설계로 연결한 실험-계산 통합 사례”라며 “특히 고속 충격 조건에서 변형률 임계점(strain threshold)을 중심으로 설계된 금속-리간드 결합이 고성능 충격흡수재로 기능할 수 있다는 점을 최초로 정량적으로 증명했다”고 설명했다. 

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아, 부산대 고분자공학과 조승래(제1저자, 현 KAIST 신소재공학 석사과정) 학부연구생, 이혜미 석사과정생과 제시은 석사과정생, KIST 학생연구원이자 서울대 재료공학부 이주호 박사과정생, 부산대 기계공학과 배수원 교수, KIST 김태안(공동 교신저자) 박사, 연구 책임자 부산대 고분자공학과 이재준(교신저자) 교수가 주도해 수행했다. 

해당 연구 결과는 고분자 재료 분야의 권위 있는 국제 학술지 『Polymer Testing』 9월호에 게재됐다. 

- 논문 제목: Enhancing Shock Wave Energy Dissipation in Metallosupramolecular Polymer by Tuning Metal-Imidazole Coordination Interactions (금속-이미다졸 배위 조절을 통한 메탈초분자 고분자의 충격파 에너지 소산 성능 향상) 

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108885  

[Abstract]

Professor Jaejun Lee’s group in Pusan National University, Republic of Korea, in collaboration with Dr. Tae ann Kim’s team at KIST (Korea Institute of Science and Technology), has experimentally and computationally demonstrated how metallosupramolecular bonds dissipate energy under extreme impact. When exposed to very fast, high-strain-rate stress waves, metal-ligand bonds with lower maximum strain selectively break, absorbing and scattering shock energy. The findings were published in the September issue of Polymer Testing (Elsevier top 1% journal, JIF Percentile 98.6 in MATERIALS SCIENCE, CHARACTERIZATION & TESTING).

- Author (Pusan National University): Jaejun Lee (Department of Polymer Science and Engineering)　  

- Title of original paper: Enhancing Shock Wave Energy Dissipation in Metallosupramolecular Polymer by Tuning Metal-Imidazole Coordination Interactions

- Journal: Polymer Testing

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108885

- Contact e-mail: jlee-pse@pusan.ac.kr

특정 사건(event)이 언제 발생하는지를 다루는 통계 분석법인 ‘생존분석(Survival Analysis)’을 한층 정교하게 발전시킨 부산대학교 연구팀의 새로운 데이터 분석 기법이 주목받고 있다. 

※ 생존분석(Survival Analysis)에서 ‘생존(survival)’은 어떤 사건이 일어나지 않고 유지되는 기간을 의미한다. 핵심은 사건 발생 여부뿐만 아니라, 시간과 사건 발생 확률을 함께 고려한다는 점이다.

교육학과 이계진(사진) 교수 연구팀은 기존 이산시간 생존분석(Discrete-Time Survival Analysis, DTSA)을 발전시킨 ‘구조적 이산시간 생존분석(Structured Discrete-Time Survival Analysis, S-DTSA)’ 연구를 완성해 국제 저명 학술지 『Structural Equation Modeling: A Multidisciplinary Journal』 9월 3일자에 게재했다. 해당 학술지는 사회과학 연구 방법론 분야에서 권위를 인정받는 SSCI 저널로, 다년간 인용지수 1위를 차지하며 전 세계 연구자들이 참고하고 있다.

- 논문 제목: Discrete-Time Survival Analysis Incorporating Time Structure in Developmental Research(Time-to-event 자료분석을 위한 이산생존분석의 재해석)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1080/10705511.2024.2432598 

이산시간 생존분석(DTSA)은 행동과학 연구에서 사건 발생 확률을 추정하는 데 널리 사용돼 왔다. 예를 들어, 학생이 학업을 중도에 그만두는 시점, 특정 행동이 반복되는 시점, 심리적 증상이 발현되는 시점 등을 분석하는 데 유용하다. 그러나 기존 DTSA는 사건 발생 확률이 시간에 따라 어떻게 변하는지 ‘독립적으로’ 추정하기 때문에, 실제로 존재할 수 있는 선형적 변화나 이차적(곡선형) 변화, 혹은 구간별로 달라지는 변화 양상을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었다.

이로 인해 연구자는 사건 발생 과정을 이론적으로 설명하거나, 실제 데이터에 존재하는 구조적 패턴을 정확히 반영하는 데 어려움을 겪었다.

연구팀이 제안한 Structured DTSA(S-DTSA)는 이러한 문제를 보완했다. 이 방법은 ‘잠재성장곡선모형(latent growth modeling, LGM)’의 틀을 활용해 사건 발생 확률의 변화를 선형, 이차, 혹은 구간별 함수 형태로 구조적으로 모형화할 수 있도록 한다.

【시간 흐름에 따라 관심 사건이 일어날 위험 로짓(hazard logits)의 변화(왼쪽)와

위험 확률(hazard probability)의 변화(오른쪽)를 기존의 전통적 DTSA기법(▲)과 새로운 접근 방법인 S-DTSA기법(●)으로 비교한 그래프】

이를 통해 불필요한 모수 추정을 줄이는 동시에, 사건 발생 확률의 시간적 궤적을 하나의 구조적 패턴으로 이해할 수 있다. 예를 들어 “위험 확률이 언제 가장 높은가?”, “시간이 지남에 따라 위험 곡선이 어떻게 변하는가?”, “집단별 차이는 어떤가?”와 같은 질문에 보다 직관적으로 답할 수 있게 된다.

Structured DTSA의 가장 큰 장점은 간명하면서도 해석력이 뛰어나다는 점이다. 특히 사건 발생 확률이 시간이 지남에 따라 이차곡선 형태로 변하는 경우, 연구자는 최대 위험 시점이나 위험 곡선의 형태를 쉽게 파악할 수 있으며, 이를 통해 집단 간 차이도 명확하게 분석 가능하다.

이계진 교수는 “이번 연구 결과를 통해 교육학 분야에서 비교적 주목받지 못했던 생존분석 기법이 보다 쉽고 널리 활용될 수 있기를 기대한다”며 “발달 연구나 행동 연구에서 사건 발생 과정을 더 정교하게 이해하고 이론적 해석을 확장하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

사회과학 데이터 분석 방법론의 새로운 가능성을 제시한 이번 연구는 교육학, 심리학은 물론 다양한 사회과학 연구에서 사건 발생 시점 분석의 타당성과 응용 범위를 넓혀줄 것으로 기대된다.

[Abstract]

Discrete-time survival analysis (DTSA) is a method widely used by social and behavioral researchers as it aids in the exploration of patterns in time-to-event measures. However, the traditional DTSA models often fail to adequately represent the structured dynamics of hazardous processes. This study introduces structural DTSA, an alternative approach that extends traditional DTSA by incorporating functional forms of hazard changes. With structural DTSA, a reparameterization of the functional forms is also possible for more meaningful interpretations of the results of time-to-event data analyses. This study aims to provide a detailed tutorial on structured DTSA, demonstrating its applicability in social and behavioral research. Henceforth, we demonstrate the application of structured DTSA using data on smoking initiation from the National Longitudinal Study of Youth 1997 (NLSY97). These findings highlight the potential of structured DTSA for various developmental studies.

- Author (Pusan National University): Kejin Lee (Department of Education)

- Title of original paper: Discrete-Time Survival Analysis Incorporating Time Structure in Developmental Research

- Journal: Structural Equation Modeling: A Multidisciplinary Journal

- Web link: https://doi.org/10.1080/10705511.2024.2432598 

- Contact e-mail: kejin@pusan.ac.kr

의생명융합공학부 김병수 교수 연구팀이 좁아진 뇌혈관의 실제 구조와 내부 흐름을 그대로 재현한 3D 바이오프린팅 인공 뇌혈관 모델을 개발해, 뇌졸중·치매·혈관염 등 주요 뇌혈관 질환 연구와 약물 평가 분야에 새로운 가능성이 제시됐다.

‘뇌혈관 협착’은 신경혈관 질환의 주요 원인으로, 협착 부위의 비정상적 혈류가 내피세포를 자극해 염증과 병변을 유발한다. 하지만 기존 실험 모델은 체외에서 이런 병리적 환경을 재현하기 어려워 질환 연구와 약물 평가에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 뇌혈관 협착 부위를 모사해 정밀하게 프린팅하고, 그 내부에 내피세포를 배양해 실제와 유사한 환경을 형성했다. 협착 뇌혈관의 구조와 유체역학적 특성을 모사할 수 있도록 점탄성과 재형성력을 높인 ECM(세포외기질)* 기반 하이브리드 바이오잉크를 개발하고, 내장형 3D 동축(同軸) 바이오프린팅 기술을 활용해 내벽, 외벽, 혈류 공간을 동시에 구현해 내경 250~500 ㎛(마이크로미터, 0.001㎜)의 협착 혈관 모델을 제작했다.

* ECM(Extracellular Matrix, 세포외기질): 세포가 자라고 기능할 수 있는 지지 구조물로서, 3D 바이오프린팅 모델에서 혈관 구조 형성과 생리학적 반응 유도에 중요한 역할을 한다.

특히, 돼지 유래 혈관 탈세포화 ECM(vascular dECM)에 콜라겐과 알지네이트를 혼합한 하이브리드 바이오잉크를 개발해, 기계적 강도를 약 65배 향상시켰다. 기존의 ECM 단독 바이오잉크는 프린팅 후 수축 및 붕괴 문제가 있었으나, 콜라겐이 구조적 수축을 억제하고 알지네이트가 빠른 겔화를 유도함으로써 안정적인 혈관 내강을 유지할 수 있었다.

* 혈관 유래 탈세포화 ECM(VdECM): 돼지 대동맥 조직에서 유래한 탈세포화 생체재료로, 콜라겐·엘라스틴·글리코사미노글리칸(GAGs) 등 주요 세포외기질 성분이 풍부하게 보존돼 있다.

모델 제작 후에는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 시뮬레이션으로 협착 혈관 내 병리적 흐름 특성을 분석했다. 그 결과, 미세입자인 형광 마이크로비드를 이용한 실제 투과성 실험과 일치했으며, 협착 부위에서의 난류 발생과 재순환 영역이 실시간으로 시각화됐다.

【3D 바이오프린팅 기반 협착성 뇌혈관 모델의 제작 및 내피 반응 시각화】

그림은 이번 연구에서 개발한 협착성 뇌혈관 모델의 제작 과정과 주요 특징을 보여준다.
3D 동축 바이오프린팅 기술을 통해 병리적 협착 구조를 구현하고, 이를 통해 정상과 교란 유동 환경에서의 내피세포 반응 차이를 모사했다.
또한, 실제 제작된 뇌혈관 칩 시스템과 내피세포(HUVEC 및 HBMEC)의 부착 및 성장 과정을 시각적으로 제시함으로써 기능성 혈관 내피 형성을 입증했다.

제작된 혈관 구조 내에 인간 뇌혈관 내피세포(HBMEC)와 제대정맥 내피세포(HUVEC)를 배양한 결과, CD31, ZO-1, VE-cadherin 등 내피세포 접합 단백질이 고르게 발현됐으며, 분자량에 따른 투과성 차이를 나타내는 등 생리학적으로 기능성 있는 혈관 내피로 파악됐다.

구조뿐만 아니라 혈류에 따라 변하는 염증 반응까지 재현했다는 점이 주목된다. 협착 부위에서 혈류가 왜곡되고 압력이 달라지면서 염증성 접착분자인 ICAM-1과 VCAM-1의 발현이 각각 약 2.2배, 1.5배까지 높아졌는데, 이는 실제 동맥경화 등의 염증 반응과 유사한 결과다. 연구팀의 모델이 혈류 유도성 염증 반응을 정량적으로 재현할 수 있음을 보여준다.

김병수 교수는 “이번 연구는 병리적 혈류 환경을 체외에서 구현하고, 이에 따른 내피세포의 염증 반응까지 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다는 점에서 의의가 크다”며 “향후 혈관 질환의 기전 연구는 물론, 약물 반응 평가와 맞춤형 치료 전략 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

【왼쪽부터 김병수 교수, 최민주 석사졸업생】

이번 연구는 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 바이오의료기술개발사업과 우수신진연구사업, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트의 지원을 받았다​. 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수와 포항공대 기계공학부 조동우 교수가 공동 교신저자, 부산대 의생명융합공학부 최민주 석사졸업생(현 한국재료연구원 소속)과 포항공대 기계공학과 박원빈 박사(현 티센바이오팜 소속)가 공동 제1저자로 수행했다.

혈류역학 기반 뇌혈관 질환 모델링의 새로운 가능성을 제시한 이번 연구는 생체재료 및 조직공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지 『어드밴스드 펑셔녈 머티리얼즈(Advanced Functional Materials』 6월 30일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-induced Endothelial Responses(기계적 강화 ECM 바이오잉크 기반 3D 동축 바이오프린팅을 활용한 협착 뇌혈관 및 혈류역학적 내피 반응 모델링)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276 

[Abstract]

Hemodynamic Stress and Cerebrovascular Disease Modeling
Hemodynamic forces such as shear stress and disturbed flow play a crucial role in cerebrovascular diseases including atherosclerosis and stroke. However, existing in vitro models have limited ability to replicate pathological flow environments and the resulting endothelial responses. To address this challenge, the research team developed a physiologically relevant model of stenotic brain vessels capable of mimicking disease-specific flow dynamics and inflammation.

Embedded 3D Coaxial Bioprinting and Hybrid Bioink Development

The team applied an embedded 3D coaxial bioprinting technique to fabricate stenotic vascular structures with tunable inner diameters (250–500 μm). To enhance the mechanical stability of the vessels, a hybrid bioink was developed by combining vascular tissue-derived decellularized ECM (VdECM) with collagen and alginate. Rheological and mechanical testing demonstrated that this formulation achieved a ~65-fold increase in dynamic modulus compared to VdECM alone, enabling stable, perfusable vessel fabrication.

Replication of Pathological Flow and Endothelial Inflammation

Using computational fluid dynamics (CFD) simulations, the model reproduced disturbed flow conditions characteristic of stenotic regions, including areas of low shear stress and flow recirculation. When human endothelial cells (HUVECs and HBMECs) were cultured within the printed vessels, they formed functional barriers expressing junctional proteins such as CD31, ZO-1, and VE-cadherin. Under disturbed flow, inflammatory markers ICAM-1 and VCAM-1 were upregulated by ~2.2-fold and ~1.5-fold, respectively, confirming shear-induced endothelial activation.

Quantitative Platform for Disease Modeling and Drug Testing

This study establishes a quantifiable and reproducible platform for investigating the interplay between vascular geometry, hemodynamics, and cellular inflammation. Unlike traditional microfluidic systems, the bioprinted model allows for precise structural customization and the use of ECM-derived bioinks with tissue-specific properties. The platform can be further extended for personalized disease modeling, therapeutic screening, and implantable graft development.

Future Directions

The modular and scalable nature of this bioprinting system enables its application to a wide range of vascular disease models beyond the brain, including coronary and peripheral arteries. Future studies may focus on integrating immune cells, neurovascular components, and in vivo implantation to evaluate long-term functionality and translational potential.

- Authors (Pusan National University): · Byoung Soo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

 · Min-Ju Choi (Department of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Embedded 3D-Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force-Induced Endothelial Responses

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adfm.202504276  

- Contact e-mail: bskim7@pusan.ac.kr

의생명융합공학부 김민우 교수 연구팀이 광음향 및 초음파(PAUS, photoacoustic and ultrasound) 영상 기술을 결합해, AI를 기반으로 3D 해부학적 구조를 정밀하게 재구성하는 새로운 방법을 제시했다.

보통 병원에서 사용하는 초음파 영상은 2D(평면) 이미지로 제공되며, 의료진이 손으로 초음파 기기(탐촉자)를 직접 움직이며 원하는 부위를 스캔한다. 그러나 인체는 복잡한 3차원 구조이기 때문에, 2차원 영상만으로는 실제 몸속의 상태를 정확히 파악하기에 한계가 있다. 

요즘 광음향 및 초음파 장비에는 카메라의 파노라마 기능처럼 탐촉자를 움직이면서 넓은 2D 영상을 만들어내는 기술이 쓰이고 있다. 하지만, 탐촉자를 평면을 벗어난 방향으로 움직일 때, 이 여러 영상들을 이어 붙여서 3D 구조로 재구성하는 기술은 아직 상용화되지 않았다.

이런 프리핸드(손으로 자유롭게 움직이는 방식의) 3D 초음파 영상 기술을 실제로 활용하려면, 탐촉자의 움직임을 추적할 수 있는 센서가 필요하다. 그런데 센서를 탐촉자에 부착하면 장비가 커지고 무거워 사용이 불편해지고, 다른 의료기기와의 간섭으로 센서의 정확도도 떨어지는 문제가 생긴다. 스캔할 수 있는 범위도 좁아 일반적인 진료 현장에서는 활용이 쉽지 않다. 이러한 제약들이 초음파 영상의 정확한 해석과 실용성을 떨어뜨리는 요인이 돼 왔다. 

이에, 부산대 연구팀은 ‘MoGLo-Net(Motion-based Global-Local Network)’이라는 인공지능 기반 모델을 통해, 복잡한 조직 구조를 가진 인체 내부를 자동으로 손쉽게 고품질 3차원으로 재구성할 수 있는 기술을 선보였다. 

연구팀 기술에서는 AI가 초음파 영상 간의 미세한 움직임을 정밀하게 분석해 탐촉자의 경로를 스스로 계산하고, 이를 기반으로 해부학적 구조를 입체적으로 구현한다. 별도의 외부 위치 센서 없이도 영상 간 움직임을 정밀하게 분석한 자율 스캔 방식으로 레이저와 초음파를 활용해 고해상도 3D 영상을 생성한 것이다. 

【3차원 초음파 및 광음향 영상기법 프로토콜】 

연구팀은 이 기술을 활용해 초음파와 레이저를 함께 사용하는 ‘광음향 영상’으로 아주 작은 혈관까지 3D로 보여주는 예시도 구현함으로써, 실제 임상 현장에서도 이 기술이 유용하게 쓰일 수 있음을 보였다. 

이러한 3D 재구성 기술은 의료진이 정확한 해부학적 구조를 실시간으로 파악함으로써 의료 진단 및 치료 계획을 수립하는 데 도움을 줄 수 있다. 특히, 프리핸드 3D 기술의 상용화도 가능해져, 혈관구조뿐만 아니라, 신경, 다양한 장기, 암조직과 같은 복잡한 영역의 3D 시각화로 확장해 진단의 정확도 향상이 기대된다.

또한, 이번에 개발된 기술은 MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상)처럼 인체 내부의 복잡한 해부학 구조를 3차원으로 정밀하게 보여줄 수 있다는 점에서도 주목된다. 고가의 대형 장비가 필요한 MRI와 달리, 이 기술은 별도의 위치 센서나 특수 장비 없이도 소형 초음파 장비만으로 고해상도 3D 영상을 자동으로, 그리고 실시간으로 재구성할 수 있다는 점에서 의료 현장에서의 활용성이 눈에 띈다. 

MRI에 비해 영상의 해상도나 조직 구분 능력 등 일부 제한이 있을 수 있지만, 상대적으로 저렴하고 간편한 장비로 3차원 고해상도 영상을 구현해 기존 영상 장비를 보완하는 실용적인 대안이 될 수 있을 전망이다. 특히, 진료실, 응급 현장, 수술실 등 다양한 의료 환경에서 보다 손쉽고 빠르게 정밀 진단을 지원할 수 있는 차세대 기술로의 발전 가능성이 주목된다.

김민우 교수는 “초음파 영상은 그동안 사용자의 스캔 실력과 경험에 많이 의존해 왔다. 이번에 개발한 기술이 상용화된다면, 스캔된 모든 영역으로부터 정형화된 3D 구조를 제공할 수 있어 사용자의 숙련도에 덜 민감해지는 장점이 있다. 또한, 프리핸드 방식으로 광음향 3D 영상(레이저+초음파를 활용한 영상기법)을 확장한 첫 시도로, 이를 통해 프리핸드 광음향 기술의 임상 활용을 가속화할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

AI 기반 기술을 활용해 레이저와 초음파 자율 스캔으로 넓은 영역의 3D 구조를 정밀하게 재구성할 수 있는 가능성을 제시한 이번 연구는 의생명융합공학부 김민우 교수가 교신저자, 정보융합공학과 AI전공 이시열 박사과정생이 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『IEEE Transactions on Medical Imaging』 6월 13일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Enhancing Free-hand 3D Photoacoustic and Ultrasound Reconstruction using Deep Learning(딥러닝을 활용한 프리핸드 3차원 광음향 & 초음파 영상 복원)

- 논문 링크: https://ieeexplore.ieee.org/document/11036110 

해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구, 정보통신기획평가원의 인공지능융합혁신인재양성사업과 생성AI선도인재양성사업 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김민우 교수, 이시열 박사과정생.

[Abstract]

This study addresses the challenge of reconstructing 3D anatomical structures in medical imaging, focusing on ultrasound, which typically provides 2D images. Existing 3D ultrasound technologies require specialized transducers and have limited scan ranges, while freehand 3D reconstruction is not yet applied. This research develops a method using AI to estimate the transducer's movement based on the relationships between consecutive images, overcoming the need for sensors that could interfere with the scanning process. Additionally, by integrating photoacoustic imaging with ultrasound, the study demonstrates the 3D reconstruction of microvascular structures. This innovation advances ultrasound and photoacoustic imaging, enabling more accurate anatomical analysis and expanding 3D visualization to complex areas like blood vessels, nerves, organs, and tumors.

- Authors (Pusan National University) 

 · SiYeoul Lee (Department of Information Convergence Engineering)

 · MinWoo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Enhancing Free-hand 3D Photoacoustic and Ultrasound Reconstruction using Deep Learning

- Journal: IEEE Transactions on Medical Imaging

- Web link: https://ieeexplore.ieee.org/document/11036110 

- Contact e-mail: mkim180@pusan.ac.kr