장재범 연구실의 핵심 연구 축 중 하나는 생체 시료를 물리적으로 팽창시켜 광학 현미경의 해상도 한계를 넘어서는 확장현미경(expansion microscopy) 기술의 개발과 고도화이다. 연구실은 RNA의 나노스케일 이미징, iterative expansion microscopy, ExM과 STORM의 결합 등 다양한 접근을 통해 세포와 조직 내부의 미세 구조를 정밀하게 관찰하는 방법을 제시해 왔다. 이러한 연구는 뇌 조직, 종양 조직, 망막 오가노이드, 핵막 구조 등 복잡한 생체계의 미세 구조를 단일 분자 혹은 단일 세포 수준에서 시각화하려는 목표와 맞닿아 있다. 이 연구에서는 하이드로젤 기반 팽창, 형광 표지, 다중 분자 검출, 3차원 조직 영상화, 초미세구조 보존과 같은 요소들이 통합적으로 활용된다. 특히 반복 팽창 기법과 같은 접근은 기존 광학계의 제약을 보완하면서도 대면적·대용량 시료 분석을 가능하게 해 연구 효율성과 확장성을 동시에 높인다. 연구실의 특허 포트폴리오에서도 사이즈 조절형 하이드로젤, 다중 형광 신호 증폭, 다색 분리 기술 등이 확인되며, 이는 단순한 이미징을 넘어 신호 분리 정확도와 표지 효율까지 개선하려는 방향성을 보여준다. 이러한 초고해상도 이미징 연구는 기초 생물학 연구뿐 아니라 질환 기전 규명과 정밀의학 응용으로 이어질 가능성이 크다. 예를 들어 조로증 관련 LMNA 변이 세포의 라미나 구조 붕괴, 신경세포 구조의 초고해상도 분석, 인체 시료의 공간 분자지도 구축 등은 질병의 미세 병리학을 이해하는 데 직접적으로 기여한다. 결국 이 연구 주제는 생체분자의 위치와 구조, 상호작용을 시공간적으로 정밀 측정할 수 있는 차세대 바이오이미징 플랫폼을 구축하는 데 초점을 두고 있다.

연구실은 하나의 조직 또는 세포에서 훨씬 더 많은 수의 단백질과 핵산을 동시에 측정할 수 있는 초다중 멀티플렉스 이미징 기술을 중점적으로 개발하고 있다. FLASH-Barcode 기술 개발, 암 subtype 진단을 위한 초다중 단백질 멀티플렉스 이미징, spatial proteomics 기반 감염병 평가법 개발과 같은 다수의 프로젝트는 연구실이 단일 표적 관찰을 넘어 고차원 분자지도를 구축하는 방향으로 연구를 확장하고 있음을 보여준다. 이는 종양미세환경, 면역 반응, 감염 병태생리처럼 복잡한 생물학적 현상을 해석하는 데 매우 중요한 기반이 된다. 이 분야에서 연구실은 형광 바코딩, 다중 채널 분리, 항체 기반 표지, 교차 반응 억제, 대면적 단일세포 해상도 이미징 등 실제 분석 병목을 해결하는 기술들을 함께 다룬다. 관련 특허에 나타난 다색 분리 방법, 항체의 교차 반응 제거 기반 신호 증폭 기술은 고밀도 멀티플렉스 이미징에서 필수적인 정량성과 재현성을 높이기 위한 장치들이다. 또한 바이오이미징 데이터 품질선도센터 사업을 통해 데이터 표준화, 호환성, 품질관리와 큐레이션까지 연구 범위를 넓혀, 실험실 기술을 플랫폼 수준으로 발전시키고 있다. 이러한 연구는 암 정밀진단, 면역항암제 반응 예측, 영장류·비영장류 감염병 비교 분석, 멀티오믹스 검증 등 다양한 의생명 응용으로 이어진다. 특히 공간 단백체 정보는 분자의 발현량뿐 아니라 조직 내 위치와 이웃 세포와의 관계를 함께 제공하기 때문에, 기존 벌크 분석이 놓치는 생물학적 맥락을 복원할 수 있다. 따라서 이 연구 주제는 생체 조직의 분자 다양성과 공간적 이질성을 고해상도로 읽어내는 정밀 분석 기술의 확립이라는 의미를 갖는다.

장재범 연구실은 바이오이미징에만 머무르지 않고, 생체구조를 기능성 재료로 전환하거나 생체와 밀착되는 인터페이싱 소재를 설계하는 생체재료 연구도 폭넓게 수행하고 있다. 교수의 전공이 신소재공학과 기능성 고분자에 기반을 두고 있고, 연구 키워드에도 생체재료가 명시되어 있으며, 실제로 항체 유도 금속화, 핵산 매개 패턴 복제, 생체융합 인터페이싱 소재, 웨어러블 플랫폼 소재와 같은 프로젝트와 특허가 이를 뒷받침한다. 즉, 연구실은 생체분자의 구조적 정밀성을 재료공학적으로 활용하는 융합 연구를 추진하고 있다. 대표적으로 특정 단백질 집합체를 항체와 나노입자로 표지한 뒤 금속을 성장시켜 생체구조를 금속 아키텍처로 변환하는 연구는 생물학적 조직의 복잡한 3차원 형상을 기능성 무기재료 제조에 활용한 사례이다. 또한 핵산을 이용한 패턴 복제와 이차원 재료 제작 기술은 분자 인식 특성을 정밀 패터닝과 재료 합성에 연결하는 전략으로 볼 수 있다. 여기에 하이드로겔, 액체금속, 유연 기판, 기체차단 필름 등 웨어러블·삽입형 소자용 소재 개발까지 포함되며, 연구실은 생체 친화성, 기계적 유연성, 기능성 집적을 동시에 고려한 소재 플랫폼을 지향한다. 이러한 연구는 향후 인간-기계 인터페이스, 웨어러블 센서, 생체삽입형 전자소자, 약물전달 시스템, 조직 맞춤형 진단 플랫폼 등으로 확장될 수 있다. 특히 생체 조직의 구조를 보존한 채 재료적 기능을 부여하거나, 피부와 뇌를 포함한 다양한 신체 시스템과 장시간 안정적으로 상호작용할 수 있는 소재를 만드는 것은 차세대 의공학의 중요한 과제이다. 따라서 본 연구 주제는 생명현상의 정밀 구조를 재료 설계의 템플릿으로 삼아, 새로운 기능성 생체융합 소재와 디바이스를 구현하는 데 초점을 맞춘다.