의최신연구동향 탄소원자들만으로구성된 차원구조의그래핀은다음과같은여러가지우수한물성을가진다 매우큰표면적 개질의용이성 화학적불활성 강한기계적강도 높은열전도도및광투과도등이대표적이다 또한그래핀은초소수성을띄는 반도체이기때문에높은리키지전류와불안정성을나타낸다 그래핀의적용범위를넓히기위하여산소를포함하는작용기를도입한산화그래핀 에대한연구들이활발하다 은큰전송갭을가지며상온에서매우잘분산된다 이런 에독특한물성을가지는유기물또는무기물들을공유결합 비공유결합등을통하여결합할수있으며이를이용하여전기화학장치 에너지저장 세포이미징 광화학치료법 약물전달 바이오센서 오염정제등에적용하려는다양한연구들이활발하게진행중에있다 적용분야가다양해짐에따라인간과생태계에노출되는그래핀의빈도는증가할수밖에없다 따라서그래핀을포함한나노물질들에대한바이오안전도를조사하는것이필수적이다 인간과생태계에대한그래핀위험성에대한연구는이제시작단계이다 주요안건은그래핀노출과관계된위험성에대한평가방법의확립과그과정에서일어나는생물학적반응에대한정확한이해이다 예를들면화학적행동 관련된질병들 생태계효과등이있다 그래핀과금속 세포 단백질등과상호작용에대한근본적인이해가안전한그래핀생산품을디자인하는데매우중요하다 이분야에서현재는그래핀의생물적합성과독성에관한연구가주를이루고있으나인간과생태계에미치는위험에대한연구는미미하다 이와관련된최신연구결과들을살펴보도록하자 아래의그림은그래핀과관련된특성들 위험성에미치는인자들 소수성 기능화 크기분포 상호작용방법들 과인간 생태계에대한생체외 생체내연구들이필요함을나타낸것이다
그래핀의표면과엣지들에대한물성들에대한많은연구가진행되었음에도불구하고인간과생태계에노출시그래핀의특성인자들이미치는영향에대한지식은매우제한된상태이다 그러한특성인자들은용해 화학조성 크기 형태 결정구조 비표면적 표면에너지 표면전하 표면코팅등을포함한다 여기서는이러한인자들의영향에대하여알아보자 직사각형의그래핀쉬트에서전하분포는강한크기의존성을나타내고크기가작은그래핀은 가증가하기때문은높은전하밀도를나타낸다 작은그래핀은몇몇기초연구에서매우큰비표면적으로인하여활성산소의생산을증가시키는것으로보고되었다 한편 크기가커지게되면생명체에서그래핀의흡수를증가시켜피에서순환을감소시키게되므로문제를야기할수있다 그러나그래핀의사이즈의존독성에대한증거는아직까지부족하다 왜냐하면생체내에서입자들이뭉치거나분산되면서크기가변하게되어정확한크기를결정하기가어렵기때문이다 따라서크기분포가약물동력학과그래핀의독성을연구하는데매우중요하다 그래핀을합성시에매우좁은크기분포와정확한크기를갖도록제조하는것이인간및생태계에미치는영양을정확하게평가하기위하여연구자가도전해야할첫번째과제이다 그래핀은 symmetric hexagon, asymmetric hexagon, rectangle, rhombohedron, regular triangle, ribbon, Ω 형태로다양하게합성될수있다 형태에따라서전기적특성이변하게된다 그러나아직까지그래핀형태가인간의건강에미치는영향은아직불분명하다 이에대한연구가더필요하다 구조적인불완전성과화학적불순물과같은결함들 은어쩔수없이반응환경이나바이오반응의진로를방해하는엣지들을만들어낼수밖에없다 그래핀엣지의두가지 은 와 가있다 은금속성질을나타내고 은금속또는반도체특성을나타낸다 그래핀의독성에대한두 의영향은아직논쟁중이다 분명한것은동적구조및전기적특성을명확하게특정짓기어렵기때문에인간건강에대한관련성도설명하기어렵다 하지만날카로운엣지가직접적으로세포 박테리아 바이러스의멤브레인를파괴하여생명체에물리적피해를줄수있다 그래핀에서수산화기나에폭시기가가까이존재할경우탄소들은쉽게제거되어 nanohole이형성될수있다. 이렇게형성된 nanohole을가진그래핀들은물에대한용해도, 전기전도도, 생물체에대한친화도등이변화할수있으며이에대한연구가더필요하다.
그래핀은평평하지는않지만나노미터사이즈에서주름 을가지고있다 이렇기때문에그래핀이휠수있으며고체보다는액체와비슷한 를가지게되어박테리아나세포막에강하게부착될수있다 이러한부착이독성과어떤관련이있는지분석이필요하다 π 혼성오피탈을가지고있는그래핀은평면방향으로강한시그마결합을가지며수직으로는파이결합을가진다 즉 서로다른그래핀사이의결합이 π 결합이다 이러한 π 리간드는 π π π π 반응들과같은다양한복합체반응들을할수있다 π 결합과 π π 은그래핀이염료 단백질 등의유기물들과결합할때주요반응이다 이러한 은경쟁흡착을유발하고응용효율을감소시키며원하지않는부반응을유발할수있다 즉 원하는타켓분자들의흡착량을감소시킬수있으므로이와같은 을감소시켜야만한다 이를위하여 또는다른기능기를도입하는연구들이많이수행되었다 전류는상온에서흩어짐이없이수마이크로미터를이동할수있다 그래핀은구리와비교시전류밀도를 만큼더가질수있다 따라서그래핀은세포와세포사이의전기적다리역할을할수있으며세포중의이온채널과신호전달에영향을미쳐서세포들의기능을어지럽힐수있다 이러한설명은더명확해지기위한연구가더필요하다 자연상태 (pristine) 의그래핀은상대적으로플러린과나노튜브에비하여더낮은화학활성을나타낸다. 이러한그래핀의용해도는수용액, 유기용액모두에서낮기때문에응용에제한성을가진다. 높은용해도를제공할수있는다양한산소그룹들을가지고제조한산화그래핀은기능화기를도입하는것이수월하여많은각광을받고있다. 이러한산화그래핀에 polyethylene glycol(peg), polyetherimide(pei), ssdna을도입하면생체적합성이증가하는것이알려져있다. 또한, 아민기나단백질을가지고기능화 (functionalization) 된그래핀은나노독성이감소하는것이보고되었다 [2]. 이러한기능화는그래핀의표면전하와소수성에도영향을미친다. 일반적으로음전하표면이양전하표면보다더독성이있는것으로알려져있으며혈소판과용혈을뭉치게하는경향이있다. 그래핀표면의전하분포가그래핀과생물체사이의반응에서매우중요한역할을수행하기때문에이에대한고려가꼭필요하다. 이러한기능화는그래핀을소수성또는친수성을띄게만들수있다. 산화그래핀은양쪽성을띄는데소수성의 basal plane과친수성의엣지를가지고있기때문에쉽게인지질이중층으로들어갈수있다. 그러나이와같은인자들은서로가독립
적인것이아니라깊은관련이있기때문에이에대한세밀한연구들이필요하다. 위에서언급된인자들은서로상호의존적이다 예를들어그래핀의크기는활성그룹의밀도 전도도 전하밀도및용해도에영향을미친다 기능화는표면전화와그래핀의소수성에영향을미친다 그래핀의양쪽성은 로변환될수있다 카르보닐기가주로엣지에존재하기때문에 는엣지의이온화정도를조절할수있는인자이다 따라서독성평가와 에서 의 는꼭고려되어야만한다 이러한인자들은그래핀의농도 반응배지 반응시간에도영향을받는다 아래그림은위에서언급된중요한그래핀물성과인자들을나타낸것이다 최근연구들은어떤나노물질들에대한독성이 in vivo와 in vitro 사이에큰관련성을보여주지못하고있다. 따라서두시스템은다른용도로써연구되어야할것이다. In vitro 시스템은주로나노물질들의독성지식약과 NP 독성순위를만들수있는고유한특성들을규명하는데유용한방법이다. 반면에동물모델들은 in vitro 시스템에서는얻어질수없는연구분야에유용한것으로예를들면 absorption, distribution, metabolism, elimination와같은몸안에서의독성역학 (toxico-kinetics) 이있다. In vivo 테스트는긴시간이걸리고, 비용이비싸며, 윤리적문제를야기시킬수있다. 그럼에도 in vitro에대한연구가필요한이유는다음과같다. 이러한연구들이다양한노출루트를통한나노물질의초기증착과관련된발암물질, 폐, 피부, 위장의독성에대한정보를제공해줄수있고심혈관, 면연학적, 생리학적, 생식학적독성에대한평가를할수있기때문이다. 아래의그림은독성연구에대한연구들을정리한개략도이다. 원하는나노물질의합성에서필요한물성들이표시되어있는데이러한물성들은인간과생명체에미치는영향이상호의존이다. 또한다양한독성평가방법들이나타나있으며 in vivo와 in vitro 테스트로구분되어있다.