아리조나의 시들어가는 saguaros와 플로리다 해안의 온수 욕조와 같은 기온에서 유럽의 더위 관련 입원 증가와 중국의 농업 손실에 이르기까지 지난달은 유난히 더웠습니다. 여러 팀이 2023년 7월이 역사상 가장 더운 달임을 확인했습니다. 그리고 앞으로 더 많은 것이 있습니다.
7월은 일반적으로 일 년 중 가장 더운 달이며, 이번 7월은 1850년까지 거슬러 올라가는 기록을 약 0.25°C 깨뜨렸습니다. 지구 온난화를 추적하는 여러 조직 중 하나인 캘리포니아의 비영리 단체 버클리 어스(Berkeley Earth)에 따르면 전반적으로 평균 지구 기온은 7월 산업화 이전 평균보다 1.54°C 높았습니다. 겉보기에는 작은 증가지만 전 세계의 많은 사람이 실제로 경험한 것은 길고 종종 잔인한 폭염이었습니다.
Berkeley Earth의 기후 과학자인 Zeke Hausfather는 “우리는 장기적인 온난화 추세에 더해 특히 극단적인 시기에 처해 있으며 위에서 내려다보면 조금 무섭습니다.”라고 말합니다.
주사위 넣기
적도 태평양에서 시작된 엘니뇨 온난화 이벤트와 작년 통가 섬에서 강력한 온실가스인 수증기를 주입한 화산 폭발을 포함하여 여러 요인이 기록적인 기온에 작은 역할을 했을 수 있습니다. 성층권. 새로운 규정은 또한 냉각 효과가 있는 경향이 있는 선박에서 배출되는 이산화황 오염을 억제했습니다. 그러나 지금까지 가장 큰 동인은 지구 평균 기온을 꾸준히 높이고 극한 날씨와 기후 현상에 유리하게 작용하는 대기 중 온실가스 농도를 증가시키는 것이라고 과학자들은 말합니다(‘상승’ 참조).
World Weather Attribution 이니셔티브의 과학자들의 분석에 따르면 지난달 중국의 폭염은 인간의 영향이 없는 세계에서 250년에 한 번만 예상되었을 것이라고 합니다. 한편 남부 유럽과 북미 기온은 산업화 이전 시대에 “사실상 불가능”했을 것입니다. 그러나 그러한 극단 현상이 일상화되고 있습니다. 지난달의 사건은 이제 5~15년마다 예상할 수 있으며 지구 기온이 산업화 이전 수준보다 2°C 상승하면 2~5년마다 자주 발생할 수 있습니다. 2015년 파리기후협약.
뉴 사우스 웨일즈 대학의 기후 과학자 사라 퍼킨스-커크패트릭(Sarah Perkins-Kirkpatrick)은 “최근 북반구에서 본 극한 현상의 빈도가 완전히 소멸하려면 평균 기온의 작은 변화만 있으면 됩니다.”라고 말합니다. 호주 시드니에서.
지역 문제
종종 10년 단위로 측정되는 지구 평균 기온은 과학자들이 시끄럽고 복잡한 시스템의 광범위한 추세를 추적하는 데 사용하는 측정 기준입니다. 지금까지 이 수치를 사용하여 세계는 1.14°C 따뜻해졌습니다. 그러나 실제로 평균적인 세상에 사는 사람은 없습니다. 그리고 온실가스의 존재로 인한 과도한 열의 90%가 바다로 흘러갔지만, 사실 육지의 온도는 바다 표면보다 더 따뜻하고 더 빨리 상승합니다. 지구 지표면의 많은 부분이 적어도 한 계절에 이미 1.5°C 이상 따뜻해졌고 지난달 여러 곳의 기온은 7월 평균보다 8°C나 높았습니다(‘핫스팟’ 참조).
어느 정도 이것은 놀라운 일이 아닙니다. 1.5~2°C의 파리 협약 제한은 유지될 경우 온난화 세계의 가장 심각한 영향을 방지할 수 있는 상대적으로 안전한 구역을 설정하기 위한 것입니다. 그러나 기후 변화에 관한 정부 간 패널의 2021-22년 평가에서 핵심 메시지는 지구 수준의 온난화의 10분의 1마다 추가로 발생합니다-종종 지역 및 지역 차원에서 극단적인 영향을 미친다는 것입니다.
수십 년 전에는 이러한 영향 중 많은 부분이 이론적인 것이었지만 점점 더 많은 연구 결과에 따르면 지구가 중요한 생태적 한계점을 넘어서기 시작하고 있다고 스페인 바르셀로나 대학의 생태학자인 Jofre Carnicer는 말합니다. Carnicer는 기온과 강수량 추세가 이미 유럽의 많은 지역을 완전히 새로운 산불 체제로 밀어넣고 있으며 올해 그리스와 다른 곳에서 발생한 극심한 산불로 입증되었다고 말합니다.
뜨거워지는 폭염
전 세계 온도 추세는 20년 이상 거슬러 올라가는 기후 모델의 예측으로 꽤 잘 추적되었지만, 지역 수준에서 그것이 의미하는 바에 관한 연구는 이제 막 시작되었다고 Carnicer는 말합니다(‘열파 예측’ 참조). “이것은 정말 새로운 과학입니다.”라고 그는 말하며 향후 몇 년 안에 처음으로 위반될 수 있는 평균 1.5°C의 낮은 임곗값도 세계에 중요한 도전이 될 수 있음을 시사합니다.
과학은 한 가지를 분명히 합니다. 온난화가 멈출 기미가 보이지 않는다는 것입니다. 올해의 엘니뇨 현상은 이제 막 시작되었으며 많은 과학자는 2023년이 기록상 가장 더울 수 있다고 의심합니다. 내년은 더 따뜻할 것 같습니다.
“2023년 7월은 극도로 따뜻했던 몇 달과 몇 년 동안 가장 최근의 일입니다.”라고 국립해양대기청의 수석 과학자인 사라 카프닉은 말합니다. “지구 기온의 장기적인 상승은 계속해서 계속됩니다.“
가장 극단적인 환경은 급변하는 기후 하에서 변화에 가장 취약합니다. 이 생태계는 가장 전문화된 종의 일부를 품고 있으며 가장 높은 멸종률을 겪을 가능성이 큽니다. 우리는 4,000m 이상의 고도에서 기록상 가장 가파른 온도 증가(2010-2021)를 기록하여 남아 있고 고도로 적응한 이끼 Takakia lepidozioides 의 감소를 촉발했습니다. 그것의 de-novo- 27,467개의 단백질 코딩 유전자가 있는 시퀀싱된 게놈은 비생물적 스트레스에 대한 뚜렷한 적응을 포함하고 양성 선택에서 가장 많은 수의 빠르게 진화하는 유전자를 포함합니다. 지난 6,500만 년 동안 연구 지역의 상승으로 인해 생명을 위협하는 UV-B 방사와 급격한 온도 감소가 발생했으며, 우리는 이러한 환경 변화에 대한 Takakia의 몇 가지 분자적 적응을 감지했습니다. 놀랍게도 특정 형태학적 특징은 훨씬 더 따뜻한 환경에서 1억 6500만 년 이전에 발생했을 가능성이 큽니다. 거의 4억 년의 진화와 탄력성을 거쳐 이 종은 현재 멸종 위기에 처해 있습니다.
NEWS 09 August 2023
This moss survived 165 million years ? and now it’s under threat from climate change
Ancient plant survived the formation of the Himalayas, but might now be facing extinction.
토양 유기체는 식품, 섬유질, 인간 및 지구의 건강을 위해 우리가 의존하는 고유한 기능을 중재합니다. 토양 생명의 중요성에도 불구하고 토양 생물 다양성에 대한 정량적 평가가 부족하여 토양 생명 보호, 보존 및 복원의 중요성을 옹호하기가 어렵습니다. 여기에서 우리는 토양이 미생물에서 포유류에 이르기까지 모든 것을 포함하여 생명체의 59%의 고향일 가능성이 있음을 보여줍니다. 우리의 열거는 이해당사자들이 생물다양성 위기에 직면한 토양을 보다 정량적으로 옹호할 수 있도록 합니다.
초록
토양은 생명 나무 전체에 걸쳐 다양한 유기체의 거대한 서식지이지만 얼마나 많은 유기체가 토양에 살고 있는지는 놀랍게도 알려지지 않았습니다. 토양 생물다양성을 열거하려는 이전의 노력은 특정 유형의 유기체(예: 동물)만 고려하거나 토양에 사는 종과 다른 서식지를 구분하지 않고 다양한 그룹에 대한 값을 보고했습니다. 여기에서 우리는 토양이 지구에 있는 종의 59 ± 15%에 서식할 가능성이 있음을 보여주기 위해 생물다양성 문헌을 검토했습니다. 따라서 우리는 이전 추정치보다 약 2배 더 큰 토양 생물 다양성을 추정하고 가장 단순한(미생물) 유기체에서 가장 복잡한(포유류) 유기체까지 대표를 포함합니다. Enchytraeidae는 토양에서 가장 많은 종의 비율(98.6%)을 가지고 있으며, 그 다음으로 균류(90%), Plantae(85.5%) 및 Isoptera(84.2%)가 있습니다. 우리의 결과는 토양이 가장 생물 다양성이 높은 단일 서식지임을 보여줍니다. 토양 생물다양성에 대한 이 추정치를 사용함으로써 우리는 인류세의 중심 목표로서 토양 유기체의 보존과 복원을 보다 정확하고 정량적으로 옹호할 수 있습니다.
Daily briefing: More than half of all life on Earth lives underground
초전도체는 기본적으로 제로 저항으로 전기를 전도하므로 현재의 전력 전송, 변환 및 사용에서 많은 전력 손실을 방지합니다. 강력한 전자기장은 지금까지 저온 초전도체(LTS) Nb47Ti로 구성된 자기 공명 영상(MRI) 전자석으로 제한된 광범위한 상업적 초전도성을 가진 초전도체의 주요 응용 분야였습니다. LTS의 광범위한 적용은 액체 헬륨(4.2K 이하)으로 냉각해야 하는 필요성으로 인해 방해를 받았습니다. 고온 초전도체(HTS)( 1)는 액체 질소 온도(65~80K)에서 작동할 수 있어 LTS의 제약을 벗어날 수 있는 유비쿼터스 애플리케이션을 약속했습니다. 2050년까지 탄소 없는 경제를 위한 국제 에너지 기구 로드맵을 달성하는 것은 핵융합으로 생성된 전기를 사용함으로써 크게 촉진될 것입니다. HTS는 프로토타입 핵융합 원자로( 2 )에 사용되어 지금까지 HTS 기술의 상업적 개발을 가로막았던 비용 장벽을 극복할 수 있는 기회를 만들었습니다.
1987년 93K의 고온 초전도에 대한 예상치 못한 보고( 1 ) 이후 HTS가 전자석에 대한 고전적인 초전도 응용을 훨씬 넘어서 전력 산업( 3 )에 혁명을 일으킬 수 있다는 아이디어가 추구되었습니다. 많은 기술적 성공에도 불구하고( 4 ) HTS의 전기 산업 응용 분야는 거의 없는데, 그 주된 이유는 HTS 재료의 높은 비용으로 인해 구리 및 철 전기 인프라를 경제적으로 대체할 수 없기 때문입니다. 따라서 지난 10년 동안의 HTS 연구는 과학적 으로 흥미롭지만 제한된 시장인 “고전적인” LTS 전도체로는 불가능한 초고장 전자석을 만드는 것으로 되돌아갔습니다.). 그러나 HTS는 2050년 제로 탄소 목표에 기여하는 수단으로 경제적인 소형 핵융합로를 가능하게 할 수 있으며 핵융합의 개발은 상승적으로 HTS에 대한 수요를 창출하여 HTS 비용 절감을 가져올 새로운 생산 능력을 촉진합니다. 이것은 특히 전기 기술에서 구리와 철을 대체하기 위해 HTS의 경제성을 변화시킬 수 있습니다.
콤팩트한 토카막 핵융합 원자로 개발에 대한 대규모 투자( 6 , 7 )는 최고 성능의 HTS, REBa 2 Cu 3 O 7-δ (REBCO; RE, rare- 접지 요소), 20K 및 20T( 9 )에서 작동하는 코팅 도체(CC) 형태( 8 )). 소형 핵융합 토카막에서 HTS CC의 D자형 코일 세트는 플라즈마를 가두는 토로이달 자기장을 생성합니다(그림 참조). 이 시제품은 270km의 REBCO를 사용했으며, 이는 지금까지 만들어진 모든 고자기장 자석에 사용된 모든 REBCO CC 양의 몇 배입니다. 이 성과는 CC 생산의 대대적인 확장을 필요로 했으며 이제 REBCO CC를 핵융합뿐만 아니라 전기 유틸리티 및 액체 수소 경제에 대한 광범위한 적용에 적합한 가격으로 톤 단위로 제공할 수 있는 기회를 제공합니다.
토카막 핵융합로의 고온 초전도체
소형 토카막 핵융합 원자로와 같은 핵융합 발전의 개발은 고온 초전도체(HTS) 코팅 전도체의 성장과 상용화를 주도하고 있습니다.
역사적으로 고에너지 물리학 커뮤니티는 새로운 초전도체에 대한 지배적인 수요를 제공했으며 실제로 초고에너지 입자 가속기의 필수 구성 요소로서 LTS와 HTS 모두에 대한 수요를 주도하고 있습니다. 20T, 20K 토로이달 필드 융합 자석( 9 )의 시연은 CERN( 10 ) 의 미래 원형 충돌기를 위한 HTS 지원 쌍극자 자석의 설계 및 작동에 대한 강력한 논거를 만들었습니다 . 15~25K에서 작동하는 HTS는 대형 강입자 충돌기에서 LTS 자석을 냉각하기 위한 오늘날의 값비싼 솔루션인 1.8K의 현재 초유체 헬륨에 비해 막대한 극저온 절감 효과를 제공할 수 있습니다.
65~80K의 액체 질소에서도 헬륨을 사용하지 않고 작동할 수 있다는 전망은 원래 HTS, 특히 REBCO의 광범위한 응용 분야에 대한 기대를 불러일으켰습니다. 그러나 HTS를 적용하려는 시도는 극저온을 절약함으로써 초전도체를 유용하게 만드는 것은 높은 전이 온도(또는 임계 온도 T c )뿐만 아니라 더 중요한 것은 높은 전류 밀도(J c ) 를 강한 자기장. 높은 Jc 는 초전도체 내부의 양자화된 와류가 다양한 구조적 결함에 의해 움직이지 않도록 “고정”되는 정도에 따라 달라집니다. 높은 J c 달성구조적 이방성으로 인해 발생하고 강력한 와류 피닝을 어렵게 만드는 REBCO의 초전도 특성의 현저한 이방성을 처음으로 이해해야 하는 20년 이상의 집중적인 연구 활동이었습니다( 11 ) . REBCO 화합물이 박막으로 성장할 수 있는 능력은 고밀도의 절연 나노스케일 RE 2 O 3 및 BaZrO 3 와 같은 페로브스카이트 화합물을 통합하여 액체 질소 온도에서도 높은 J c 를 가능 하게 하는 매우 강력한 와류 피닝을 가능하게 했습니다. ( 12 ).
HTS 적용을 가로막는 두 번째 독립적인 문제: 다결정 전도체 내의 거의 모든 입자 사이에서 발생하는 초전도 특성을 국지적으로 저하시키는 장애에 대한 큰 민감성(입계, GB)(13 ) . 두 가지 주요 LTS 재료인 Nb47Ti와 Nb3Sn은 높은 캐리어 밀도, 등방성, s파 초전도체인 반면 , cuprate HTS는 현저하게 이방성 d파 초전도체로 GB 캐리어 밀도와 초전도 특성은 다음을 제외하고 모두 강하게 저하됩니다. 매우 낮은 각도의 GB(인접한 두 입자 사이의 결정학적 방향의 차이가 매우 작은 경우). 이로 인해 곡물 간 연결성이 크게 저하되고 J c다결정 재료( 13 ). 따라서 HTS 도체가 등장하는 데는 1km도 훨씬 안 되는 길이에서도 15년 이상이 걸렸다. 대조적으로, LTS 컨덕터는 일반적으로 10km가 훨씬 넘는 단일 길이로 만들어집니다.
오늘날 사용 가능한 세 가지 상용 HTS 재료(REBCO 및 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO) 화합물 Bi-2223 및 Bi-2212) 각각에 대해 높은 Jc로의 경로 는 장거리 과류 수송에 장애물. REBCO의 경우, 완전히 새로운, 주로 증착 박막 생산 경로가 필요했습니다( 12 ). 특히, Bi-2212 및 Bi-2223은 기존의 와이어 제조 경로로 만들 수 있지만 질감이 좋지 않아 결과적으로 Jc가 낮아지는 대가가 있습니다 .. 대조적으로, 박막 CC 제조 공정의 산업화는 약한 와류 피닝 및 GB 초전류 차단 문제를 모두 해결하여 이제 경제적인 HTS의 대량 생산을 가능하게 합니다.
현재 전 세계적으로 500~1000m 길이에 가까운 단결정 질감의 REBCO CC가 만들어지고 있다. 지배적인 생산 경로는 IBAD(이온 빔 보조 증착)를 사용하여 10~50nm 두께의 입방체 질감 MgO 템플릿을 Hastelloy-C276과 같은 30~100µm 두께의 질감이 없는 강한 금속 기질 위에 성장시킵니다. . 약 100nm 두께의 일부 중간 산화물 층은 MgO를 1~3µm 두께의 REBCO 층에 격자 일치시킬 수 있게 합니다. 이 층은 1~2µm의 스퍼터링된 은으로 보호되고 마지막으로 더 두꺼운 5~50µm 두께의 은으로 보호됩니다. REBCO에서 전기적 안정성과 초전도 손실을 방지하기 위해 일반적으로 전기 도금되는 µm 구리 층. 공정의 대부분 또는 전부는 자본 비용이 높고 처리량이 상대적으로 느린 여러 개의 물리적 기상 증착 챔버를 필요로 합니다. CC 제작을 복잡하고 비싸게 만듭니다. 핵융합 발전 개발을 위한 HTS에 대한 수요 증가는 REBCO CC 제조를 잠재적으로 막대한 비용 절감과 함께 완전한 산업 운영으로 이끄는 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다.
초전도체에 일반적으로 사용되는 비용 메트릭인 킬로암페어미터당 달러($/kA-m)는 자기장에서 77K에서 1000A의 전류를 전송하는 데 필요한 도체의 미터당 비용을 정의합니다(즉, 자기장이 가해지지 않음); 또는 더 일반적으로 사용자가 원하는 온도 및 자기장에서. HTS의 현재 볼륨 가격 범위는 $150에서 $200/kA-m입니다. 초전도 응용 프로그램의 상업적 실행 가능성에 대한 많은 분석은 $50/kA-m의 도체 비용이 전력 사용을 위한 광범위한 응용 프로그램의 티핑 포인트임을 보여줍니다. 장기적 전망은 HTS 비용이 매우 큰 규모로 생산될 때 $10/kA-m 이하로 예상합니다( 14 ).
제조 가능한 모든 초전도체 중에서 가장 “강력한” Nb47Ti(사용 가능한 작동 영역 및 온도 공간의 의미에서)가 상업적 톤수 규모에 도달한 유일한 것입니다. 값비싼 Nb에도 불구하고 Nb47Ti로 만든 MRI 전자석은 영구 전류 모드에서 작동하고 작은 극저온 냉각기만 필요하기 때문에 Nb47Ti는 MRI의 대량 시장 응용 프로그램의 경제적인 원동력이 되었습니다. 컴팩트 핵융합 반응로는 REBCO CC로만 달성할 수 있는 특성이 필요하기 때문에 현재의 높은 HTS 비용을 견딜 수 없는 많은 새로운 시장에 HTS의 뚜렷한 이점을 제공할 수 있는 기회가 제공됩니다.
프로토타입 소형 핵융합로( 6 , 7 )는 HTS 공급을 지난 3년 동안 연간 수백에서 수천 킬로미터로 10배 증가시켜야 했습니다. 이 수요는 HTS 제조를 견고하고 확장 가능하게 만든 최근의 발전을 가능하게 하여( 8 ) 필요한 생산량을 연간 수 톤 수준으로 증가시킬 수 있습니다. 이 생산 규모의 엄청난 확장은 곧 도체 비용을 ~$100/kA-m로 줄일 수 있습니다. HTS 사용 비용도 초전도체 Jc와 생산 수율에 크게 의존 합니다 . 오늘날 최고의 실험실 샘플은 Jc 가 상업용 전도체보다 2배 이상( 15), 따라서 추가적인 산업 개선 경로를 제공합니다. 생산 기술이 성숙함에 따라 제조 수율도 증가하여 비용이 더욱 절감됩니다. 이를 통해 HTS CC는 전기 유틸리티 및 풍력 터빈에서 구리와 철을 대체하는 응용 분야에서 경쟁력을 갖추게 될 것이며 아마도 수소 냉각 초전도 모터로 전기 항공기를 가능하게 할 수도 있습니다.
전반적으로, HTS 재료와 그 산업 응용 분야에 대한 현재의 전망은 역사적입니다. 35년 전 MRI 전자석용 Nb47Ti 생산에 일어났던 것처럼 REBCO 초전도체 사용이 확대될 기회가 있기 때문입니다. 소형 핵융합 발전(아직 프로토타입 단계에 있음)의 개발은 기하급수적인 연간 생산량 증가를 가져온 직접적인 자극제입니다. 응용 초전도체 커뮤니티는 현재의 구리, 철 및 LTS 사용에 비해 오늘날의 REBCO CC 가격으로 아직 경제적이지 않은 다른 전기 기술 응용 분야의 추가 수요와 가격 인하의 선순환을 예상하고 있습니다. HTS 재료 및 응용 프로그램의 지속 가능한 미래 시장은 에너지 생산, 유통, 그리고 사용; 약; 운송; 그리고 연구.
The prospects of high-temperature superconductors
Overcoming cost barriers could make high-temperature superconductors pervasive
R EFERENCES AND NOTES1. M. K. Wu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987).
2. P. Ball, Nature599, 362 (2021).
3. D. Larbalestier, A. Gurevich, D. M. Feldmann, A. Polyanskii, Nature414, 368 (2001).
4. R. Scanlan, A. P. Malozemoff, D. C. Larbalestier, Proc. IEEE92, 1639 (2004).
5. S. Hahn et al., Nature570, 496 (2019).
6. B. N. Sorbom et al., Fusion Eng. Des. 100, 378 (2015).
7. A. Sykes et al., Nucl. Fusion58, 016039 (2018).
10. P. Védrine et al., in European Strategy for ParticlePhysics—Accelerator R&D Roadmap, N. Mounet, Ed. (CERN Yellow Reports: Monographs, CERN-2022-001), chap. 2, pp. 9–59.
11. D. J. Bishop, Nature365, 394 (1993).
12. J. L. MacManus-Driscoll, S. Wimbush, Nat. Rev. Mater. 6, 587 (2021).
13. H. Hilgenkamp, J. Mannhart, Rev. Mod. Phys.74, 485 (2002).
14. V. Matias, R. H. Hammond, Phys. Procedia36, 1440 (2012).
15. G. Majkic et al., Supercond. Sci. Technol. 33, 07 LT 0 3 (2020)
SCIENCE
22 Jun 2023
Vol 380, Issue 6651
pp. 1220-1222
DOI: 10.1126/science.abq4137
초록
조직내 국소 약물은 피부, 점막 또는 내장 질환의 치료에 중요합니다. 그러나 체액의 접착을 보장하면서 적절하고 제어 가능한 약물 전달을 제공하기 위한 관통 표면 장벽은 여전히 어려운 과제입니다. 여기에서 파란 고리 문어의 약탈적인 행동은 국소 약물을 개선하기 위한 전략에 영감을 주었습니다. 효과적인 조직 내 약물 전달을 위해 푸른 고리 문어의 치아와 독액 분비물에서 영감을 받아 능동형 주사 미세바늘을 준비하였다. 온도에 민감한 소수성 및 수축 변화에 따른 온디맨드 방출 기능을 통해 이러한 미세 바늘은 초기 단계에서 적절한 약물 전달을 제공한 다음 장기 방출 단계를 달성할 수 있습니다. 그 동안에, 바이오닉 흡입 컵은 젖었을 때 미세 바늘이 제자리에 단단히 고정되도록(>10 킬로파스칼) 개발되었습니다. 습식 결합 능력과 다중 전달 방식으로 이 마이크로니들 패치는 궤양의 치유 속도를 가속화하거나 종양의 조기 진행을 멈추는 등 만족스러운 효능을 달성했습니다.
소개
조직내 국소 약물은 신속한 작용, 높은 약물 생체이용률 및 최소 침습성의 장점을 가지고 있으며, 종양 성장 억제, 장기 질환 감소 또는 외상 치유 가속화에 빠르고 효과적인 치료를 제공합니다( 1 – 3 ) . 그러나 이 약물 전달 방법의 철저한 개발을 위해서는 해결해야 할 많은 문제가 남아 있습니다. 예를 들어, 구강 또는 복강에 적용할 때 체액 또는 삼출물에 의해 젖은 연조직 표면에 대한 약물 전달체는 건조하고 단단한 표면에 있는 약물 전달체에 비해 접착이 어려워 약물 손실 가능성이 증가합니다( 4 ) . 한편, 약물을 점액으로 전달하거나 삼출물이 표적 부위에 진입하는 데 장애가 되는 것에도 어려움이 있습니다( 2 , 5). 또한 항염증, 항협심증, 항종양 등 많은 상황에서 약물을 투여할 때 약물 방출의 농도 조절이 필요하므로 빠른 발병 및 장기간 유지 요법을 달성할 수 있다( 6 – 8 ) . 이제 일부 전달 플랫폼이 천공 능력( 1 , 5 , 9 ) 또는 다른 표면 투여 습식 접착 플랫폼이 조직 표면에 결합할 수 있는 능력(1, 5, 9 )으로 조직으로 제어된 약물 방출을 달성하기 위해 개발되었지만 ( 2 , 10 ), 소수의 포뮬라가 조직내 국소 약물에 대한 모든 임상적 요구를 충족할 수 있는 우수한 특성을 나타낼 수 있습니다.
절묘한 외모와 치명적인 독성으로 유명한 푸른 고리 문어는 습한 환경에서 먹이를 단단히 잡고 입으로 가져가 먹이의 껍질을 깨물고 독을 뿜어 죽입니다( 11 ) . 여기에서 파란색 고리 문어의 포식 행동에서 영감을 받아 약물 전달 능력을 제어할 수 있는 습식 결합 마이크로니들 패치인 실크 피브로인-플루로닉 F127(Silk-Fp)-폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(PNIPAm)가 개발 되었습니다 . 조직 표면 접착 및 효과적인 국소 약물을 달성합니다( 그림 1A ). 구체적으로, 플루로닉 F127(F127) 기반 하이드로겔 흡입 컵은 습식 접착 기능을 제공하기 위해 Silk-Fp로 제조됩니다( 그림 1B).). 흡입 컵의 내벽은 탄닌산(TA)으로 변형되어 생체 적합성 화학 결합을 제공합니다( 12 ). 또한, 유연한 컵형 구조는 기압차( 13 , 14) 로 인해 물리적 접착을 달성할 수 있을 뿐만 아니라) 액체 환경으로부터 내부 화학 결합 계면을 보호할 수도 있습니다. 따라서 Silk-Fp 패치는 물리적/화학적 접합 능력에 따라 젖은 조직에 저항하고 며칠 동안 안정적으로 유지될 수 있습니다. 게다가, Silk-Fp 패치에 실크 피브로인(SF)과 PNIPAm을 포함하는 제어 가능한 약물 방출 하이드로겔 마이크로니들(MN)은 효과적인 조직 내 약물 전달을 달성하도록 설계되었습니다. ( 15 , 16), 이러한 복합 하이드로겔 마이크로니들(Silk-Fp MNs)은 구강 궤양 또는 초기 표재성 종양을 치료하기 위해 적용됩니다. Silk-Fp MN은 조직 표면의 점액층 또는 부드러운 장벽을 관통할 수 있으며, 그런 다음 두 가지 투여 모드인 급속 발병 및 장기 유지 치료를 차례로 활성화할 수 있습니다(그림 1C ). 간단히 말해서, Silk-Fp MN은 높은 종횡비 구조와 신뢰할 수 있는 강도로 인해 생체 내에서 궤양이나 종양에 구멍을 뚫는 것으로 관찰됩니다( 17 , 18 ). 표적 조직에 들어간 후 수축하는 Silk-Fp MN 은 상전이 온도 이상 으로 가열될 때 PNIPAm이 친수성 상태에서 소수성 상태로 변환되기 때문에 약물 용액의 일부를 주입할 수 있습니다 .). 따라서 Silk-Fp MN은 치료 초기 단계에서 충분한 약물 농도(<2시간)를 제공할 수 있습니다. 그런 다음 다음 2일 동안 Silk-Fp MN은 하이드로겔 상태로 치료 효과를 유지하기 위해 나머지 약물을 점진적으로 전달할 것입니다( 그림 1C ). 따라서 생체 공학적 Silk-Fp 패치는 안정적인 습식 접착력과 제어 가능한 조직 내 약물 전달 기능을 가지고 있어 DEX 방출을 통해 구강 궤양의 치유 속도를 높이거나 5-FU를 탑재했을 때 종양 성장을 거의 완전히 정체시킬 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
그림 1 . 푸른 고리 문어에서 영감을 받은 약물 전달 패치.
( A ) 히드로겔 마이크로니들(MN) 흡인컵 약물 전달 플랫폼은 파란 고리 문어의 포식 과정을 모방하여 개발되었습니다. 이 재료는 젖은 조직 표면 접착 및 자체 제어 다단계 약물 방출을 달성합니다. ( B ) 하이드로겔 흡인 컵의 조직 접착은 부압 고정 및 페놀 수산기 그룹과 조직 단백질 사이의 공유/수소 결합에서 비롯됩니다. ( C ) 패치의 약물 적재 MN은 실크 피브로인, F127 및 PNIPAm 복합 하이드로겔로 구성됩니다. 이 MN은 조직에 침투한 후 체온을 감지하고 2시간 이내에 신속한 약물 전달을 제공한 다음 지속적인 약물 방출을 실행하여 수일 내에 치료 효과를 유지함으로써 주입 동작을 지능적으로 활성화할 수 있습니다.
