생물학적 인지 시스템을 모사하는 유연한 뉴로모픽(신경형) 아키텍처는 스마트 웨어러블 전자기기의 큰 잠재력을 지닌다. 신경 영감 기반 감지 및 컴퓨팅 전자소자를 구현하기 위해서는, 외부 자극을 감지하고 처리하는 인공 감각 뉴런을 병렬 연산이 가능한 중추 신경계와 통합해야 한다. 근접 센서 컴퓨팅(near-sensor computing)에서는 감각 뉴런과 수용체를 각각 모사하기 위해 시냅스 소자와 센서를 사용한다. 반면, 인-센서 컴퓨팅(in-sensor computing)에서는 단일 다기능 소자가 수용체와 뉴런의 역할을 모두 수행한다. 생체 영감 인지 시스템은 데이터 구조화 기법을 통해 자극을 효율적으로 감지하고 처리하며, 데이터 용량을 크게 감소시켜 뉴로모픽 응용을 스마트 웨어러블 시스템으로 확장할 수 있게 한다. 웨어러블 근접 및 인-센서 컴퓨팅을 구성하기 위해서는, 생물학적 기능을 복제하는 인공 감각 뉴런과 중추 신경 시냅스를 개발하는 것이 핵심이다. 또한 통합된 시스템은 높은 기계적 유연성과 통합 밀도를 나타내야 한다. 본 리뷰는 근접 및 인-센서 컴퓨팅으로 분류되는 유연한 생체 영감 인지 시스템에 대한 연구를 다룬다. 여기에는 생물학적 인지 과정, 필요한 구성요소, 각 구성요소를 위한 구조 등 기본적인 측면과 웨어러블 스마트 시스템을 위한 응용이 포함된다. 마지막으로, 차세대 사물인터넷(Internet of Things)과 연계된 스마트 웨어러블 시스템에서의 유연한 뉴로모픽 전자소자를 위한 향후 연구 방향에 대한 관점을 제시한다.

생물학적 인지 시스템을 모사하는 유연한 뉴로모픽(신경형) 아키텍처는 스마트 웨어러블 전자기기의 큰 잠재력을 지닌다. 신경 영감 기반 감지 및 컴퓨팅 전자소자를 구현하기 위해서는, 외부 자극을 감지하고 처리하는 인공 감각 뉴런을 병렬 연산이 가능한 중추 신경계와 통합해야 한다. 근접 센서 컴퓨팅(near-sensor computing)에서는 감각 뉴런과 수용체를 각각 모사하기 위해 시냅스 소자와 센서를 사용한다. 반면, 인-센서 컴퓨팅(in-sensor computing)에서는 단일 다기능 소자가 수용체와 뉴런의 역할을 모두 수행한다. 생체 영감 인지 시스템은 데이터 구조화 기법을 통해 자극을 효율적으로 감지하고 처리하며, 데이터 용량을 크게 감소시켜 뉴로모픽 응용을 스마트 웨어러블 시스템으로 확장할 수 있게 한다. 웨어러블 근접 및 인-센서 컴퓨팅을 구성하기 위해서는, 생물학적 기능을 복제하는 인공 감각 뉴런과 중추 신경 시냅스를 개발하는 것이 핵심이다. 또한 통합된 시스템은 높은 기계적 유연성과 통합 밀도를 나타내야 한다. 본 리뷰는 근접 및 인-센서 컴퓨팅으로 분류되는 유연한 생체 영감 인지 시스템에 대한 연구를 다룬다. 여기에는 생물학적 인지 과정, 필요한 구성요소, 각 구성요소를 위한 구조 등 기본적인 측면과 웨어러블 스마트 시스템을 위한 응용이 포함된다. 마지막으로, 차세대 사물인터넷(Internet of Things)과 연계된 스마트 웨어러블 시스템에서의 유연한 뉴로모픽 전자소자를 위한 향후 연구 방향에 대한 관점을 제시한다.

발광 태양광 집광기(luminescent solar concentrators, LSCs)는 건물의 에너지 수확용 창으로 활용될 잠재력을 지닌다. 비록 최근 나노기술의 발전이 양자점, 페로브스카이트 등과 같은 새로운 형광물질의 출현으로 이어졌으나, 기능성 유리의 상용화는 전력변환 효율이 충분하지 않아 아직 성숙되지 못한 실정이다. 다시 말해, 형광물질의 개선만으로는 LSC의 잠재력을 완전히 극대화하기에 충분하지 않다. 여기서는 광자를 유도하기 위한 실제로 비(非)감쇠 경로를 제공하는 광학적 ‘가드 레일’ 역할의 패턴된 저굴절률 매질을 사용하는 적층형(laminated) LSC 구조를 새롭게 제안한다. 또한 LSC의 치수와 형광물질의 스펙트럼 특성에 관한 설계 규칙을 제안한다. 이러한 규칙을 적용한 결과, 기록적인 수준의 LSC 성능을 달성하였다. 측정된 450 nm에서의 외부 양자 효율은 100 cm2 면적에 대해 45%, 가장자리 종횡비(edge aspect ratio) 71을 갖는 LSC에 대해 32%였다. 소자 효율은 7.6%로, 우리가 아는 한 지금까지 보고된 값 중 가장 높은 수치이다. 이러한 결과는 산업적 함의를 가질 수 있으며, LSC의 상용화를 가속할 수 있을 것이다.

마그네슘이 풍부한 골광물인 휘틀로카이트(Whitlockite, WH)는 높은 생체흡수성 및 골형성(osteogenic) 특성으로 인해 골 재생에 상당한 잠재력을 제공한다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 임플란트 표면에서 WH를 직접 합성하는 데 따른 어려움으로 인해 그 적용이 저해되어 왔다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 골 임플란트에서 WH를 포함하는 코팅을 현장(in situ)에서 형성하기 위한 레이저 보조 전략을 개발하였다. WH 합성의 열역학적 및 동역학적 장벽을 극복하기 위해, WH의 전구체로서 마그네슘 칼슘 인산염(magnesium calcium phosphate, MCP) 중간체를 사용하였으며, 이는 동역학적으로 접근 가능한(magnesium-rich) 마그네슘 풍부 상(phase)이다. MCP 중간체는 마그네슘이 풍부한 용액으로부터 레이저 유도 열수(레이저 유도 수열) 공정을 통해 손쉽게 제조된다. 이후 국소 레이저 조사를 통해 MCP가 WH로 부분적으로 변환되도록 하였다. 다중 스케일 분석 결과, 능면체(rhombohedral) 형태와 뚜렷한 화학적 특징을 보이며 성공적으로 WH가 형성됨이 확인되었다. 설치류 대퇴골 결손(rat femoral defect) 모델에서의 생체 내 시험에서는, WH가 통합된 임플란트가 골-임플란트 통합과 초기 단계의 혈관형성을 유의하게 향상시켰으며, 이는 골형성에 기여하는 칼슘 및 마그네슘 이온이 지속적으로 방출된 데 기인하는 것으로 설명된다. 본 레이저 보조 방법은 재생의학에서 임플란트 표면 개질을 위한 확장 가능하고 효과적인 전략을 제공할 수 있다.

스마트 생체재료는 인간 조직 내에서 작동하도록 설계된 의료기기의 개발을 진전시키며, 자연 조직과 유사한 거동을 구현함으로써 인체 건강 관리에 크게 영향을 주었다. 지난 수십 년 동안 생체재료의 ‘지능’은 비활성 상태에서 능동 상태로 진화해 왔지만, 스마트 생체재료는 한 단계 더 나아가 주변 조직과의 상호작용에 근거하여 표면 또는 벌크가 반응하도록 함으로써, 자연 조직의 기능과 유사한 결과를 부여한다. 이러한 주변 조직과의 상호작용은 자극 반응형(stimuli-responsive) 생체재료를 형성하는 데 도움을 주며, 조직공학, 재생의학, 자율적 약물전달, 정형외과학 등에서 유용할 수 있다. 전통적으로 물질 공학은 생체 내에 적용될 수 있으면서도 면역 반응을 유발하지 않도록 생체재료의 정적인 특성을 정교화하는 데 초점을 맞추었는데, 이는 이들의 제한 없는 작동을 가로막는 주요 장애물이었다. 본 리뷰는 현재 연구 중인 다양한 공학적 접근법을 강조하고 설명하며, 체온, pH, 이온 농도와 같은 체내 요인 또는 자기(자력), 빛, 전도도와 같은 외부 요인에 대한 반응에 따라 결과를 조절하는 자극 반응형 생체재료를 개발하기 위한 방안을 제시한다. 연성 및 경성 조직공학, 4D 프린팅, 그리고 스캐폴드 설계에 대한 적용도 논의된다. 오르간-온-어-칩(organ-on-a-chip) 모델과 같은 미세유체공학의 고도화된 적용은 생체재료의 고유한 스마트 특성으로부터 폭넓게 이점을 얻으며, 이는 아래에서 추가로 논의된다. 본 리뷰는 또한 스마트 생체재료 공학이 바이오센서 응용을 어떻게 혁신할 수 있는지에 대해 더 구체적으로 설명함으로써, 환자 치료의 질을 향상시킬 수 있음을 제시한다. 아울러 생체재료와 관련된 한계와 핵심 과제를 구분하여 제시하고, 임상적 적용으로의 전환을 가능하게 할 차세대 생체재료 개발을 위한 향후 방향을 개략적으로 제시함으로써 앞으로의 길에 대한 통찰을 제공한다.

심근경색증(MI) 치료를 위한 간질세포 치료의 유망한 잠재력에도 불구하고, 허혈 환경에서의 세포 잔존과 정착이 저조하여 그 효과가 제한된다. 본 연구는 OLED 기반 광생체조절(OLED-based photobiomodulation, OPBM)을 이용해 사람 지방유래 간질세포(hADSCs)를 전처리(preconditioning)한 후, 이들 세포를 3D 구형체(스페로이드)로 배양하는 새로운 전략을 제시한다. 전처리된 3D 구형체(APCS 군)는 전통적인 2D 배양과 전처리하지 않은 구형체에 비해 유의하게 향상된 혈관형성(angiogenic) 능력, 동맥화(arterialized) 능력 및 조직 재형성(tissue remodeling) 능력을 보였다. 또한, 심근경색 영역의 경계부(border zone)에 이들 구형체를 생체 내 이식한 결과, 항섬유화 및 혈관형성(동맥화 포함)을 촉진함으로써 심장 기능을 유의하게 개선하고 불리한 재형성을 감소시켰다. OPBM 전처리와 3D 구형체 배양 시스템을 결합한 이러한 전략은 심장 수복을 위한 다중 파라크린 효과를 통해 hADSCs의 치료 잠재력을 향상시킬 수 있다. 본 새로운 접근은 심근경색 후 심부전 환자에서 성인 간질세포 치료의 한계를 극복하기 위한 차세대 세포 치료제를 제공한다.

세포-전극 계면 논문 10.1002/admi.202500417에서 Jimin Park, Hyung-Seop Han 및 동료 연구진은 세포-전극 계면에서 균질한 전기 자극과 세포 반응의 동시 모니터링을 가능하게 하는 플랫폼을 제시한다. 이 플랫폼은 세포에 대해 조절 가능하면서도 균일한 전기적 신호를 전달하며, 최적의 전기 자극(ES) 조건이 세포 유형에 따라 달라짐을 보여준다. 엑스 비보(ex vivo) 모델로 확장한 결과, 이 플랫폼은 조직-전극 계면에서의 ES 효과를 규명하는 데 활용될 잠재력을 강조한다.

전기 자극(ES)은 다양한 세포 반응을 조절할 수 있어 세포생물학, 재생의학, 조직공학 분야에서 유망한 적용 가능성을 제공한다. ES의 효과에 관해 방대한 연구가 수행되어 왔음에도 불구하고, 세포가 전기적 신호와 직접 상호작용하는 세포-전극 계면(cell-electrode interface)을 이해하는 일은 여전히 어렵다. 본 연구는 이러한 계면에서 ES가 세포 거동에 미치는 영향을 규명하기 위한 플랫폼을 제시한다. 해당 플랫폼은 생체적합성, 전도성, 광학적으로 투명한 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 박막을 사용하여, 세포 반응의 실시간 관찰 및 전기적 조절을 가능하게 한다. 이 플랫폼은 시험관 내(in vitro) 이동 및 체외(ex vivo) 조직에서의 혈관형성 등 ES 매개 동역학을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 이는 기존 금속 전극으로는 달성하기 어려운 과제이다. ITO 구성은 유한요소해석 및 직접 전기장 측정을 통해 균일한 전기적 신호를 제공하도록 최적화되었다. 낮은 전압(<1.00 V) 조건에서 증식, 이동, 혈관형성 등 다양한 시험관 내 세포 거동이 시각화된다. 특정 반응에 대한 최적 ES 조건은 세포 유형에 크게 의존한다. 또한 본 플랫폼은 체외 모델로 마우스 중족골(metatarsal) 조직을 사용하여 조직-전극 계면에서의 ES 효과를 탐색할 잠재력을 보여준다. 본 다학제 연구는 생체전자 계면 공학, 생체 기능 분석, 수치 시뮬레이션을 통합함으로써 ES와 생물학적 시스템에서의 그 효능에 관한 통찰을 발전시킨다.

실내 유기 광전지(IOPVs)는 지속 가능한 에너지에 대한 요구에 힘입어 발전해 왔으며, 효율적인 에너지 변환을 달성하기 위해 다양한 층—자기조립 단분자막(SAM), 전자 수송층(ETL), 정공 수송층(HTL), 그리고 광활성층—의 통합이 핵심적으로 중요하다. 그러나 전극을 연결하는 과정에서 발생하는 교란으로 인해 이러한 층들과 관련된 문제들이 악화되어, 매끄러운 IOPV 작동을 저해한다. 핵심 층 중 하나인 SAM은 정합성(consistency), 안정성(stability), 호환성(compatibility)과 관련된 문제의 영향을 받는다. ETL과 HTL은 낮은 캐리어 이동도, 식각(etching), 상 분리(phase separation) 등과 같은 문제의 영향을 받는다. 또한 광활성층은 열악한 전하 분리 및 광 흡수 문제로 인해 어려움을 겪는다. 더 나아가, 이들 층을 연결하는 전극은 재료의 변이와 계면 결함(interfacial imperfections)으로 인해 교란을 초래한다. 이러한 교란 문제를 해결하기 위해 계면 공학(interface engineering), 소자 물리(device physics), 재료 과학(materials science)을 결합하는 학제 간 접근이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 이러한 교란 문제를 추적하며 효율과 신뢰성을 향상시키기 위한 유망한 해결책을 탐색하고자 한다. 제시된 교란 문제에 대응함으로써, 본 연구는 IOPV의 향상된 효율, 신뢰성, 그리고 확장성(scalability)을 위한 길을 닦고, 나아가 지속 가능한 에너지 기술의 보다 폭넓은 발전에 기여하고자 한다.