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김지상 선생님

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김지상

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김지상

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김지상

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생물Ⅱ+세미

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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주제 : 3D 바이오프린팅의 전망 및 윤리적 문제

동기 : 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 당뇨 치료를 위한 새 플랫폼을 개발했다는 뉴스를 읽고 바이오프린팅의 전망과 바이오프린팅으로 인해서 발생할 수 있는 윤리적 문제들에 대해 흥미가 생겨서 탐구하게 되었다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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3D 바이오 프린팅 기술의 전망을 알기 위해서 현재 3D 바이오 프린팅 기술이 어떻게 활용되고 있으며 어떤 부분이 부족한지 학술지를 통해서 조사하고, 이에 대한 해결방안을 알아보았다. 3D 바이오 프린팅은 3D 프린팅의 기술 중 한가지로 살아있는 세포를 원하는 구조 및 패턴으로 배열하여 조직이나 장기를 제작하는 기술이다. 현재 피부나 장기, 뼈 이식의 경우 대부분 기증을 받아서 사용하는데 이식의 경우 적합한 조직이나 장기를 찾기가 어려우며 이식 받더라도 자가면역 반응에 의한 문제점이 많다. 그래서 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 조직공학 및 지지체 분야에서 생분해성, 생체 적합성을 가진 고분자 물질을 이용하여 인공 뼈, 치과 보철, 인공 혈관, 인공피부, 인공장기, 바이오 칩 등 다양한 인공 대체물을 제작하는 연구가 활발히 이루어 지고 있다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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1일차 탐구와 똑같이 3D 바이오 프린팅 기술에 대한 논문을 통해 알아보았다. 3D 바이오 프린팅기술을 사용하기 위해서는 여러 분야의 연구가 필요하다. 사람의조직이나 장기는 그 역할이 다 다르기 때문에 단순히 생체재료, 의공학 분야의 연구뿐만 아니라 세포나 역학, 공학 분야도 연구를 같이 진행해야 한다. 조직이나 세포에 적합한 특성 및 구조적 특징을 연구해야 하며 소재에 있어서 가공성이나 생체적합성, 기능성, 생분해성을 고려한 연구를 진행해야한다. 3D 바이오 프린팅 기술의 발전은 단순히 사람에게 이식하기 위한 조직 및 장기, 뼈를 제공하는것 뿐만 아니라 의학기술에 있어서도 많은 발전을 가져올 것이다. 의학 분야에 있어서 수술의 사전 준비를 위한 조직을 생산할 수 있게 되며, 새로운 약물을 개발할 때 그 약물에 대한 효능 및 부작용을 사람이 아닌 인공장기를 통해서 쉽게 확인이 가능하고, 약물의 독성 역시 사람에게 미치는 영향을 더 쉽게 연구할 수 있다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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인공 장기에 대해 더 탐구하기 위해서 사라 라타의 '세상을 바꿀 미래 의학 설명서' 를 읽었다. 앤서니 아탈라는 아이들이 장기 이식을 절박하게 기다리면서 서서히 죽어가거나 신장이나 간을 얻은 아이가 이식된 장기에 심각한 면역거부반응을 보이는 모습을 보고 환자의 세포를 이용해 실험실에서 인공 장기를 키운 다음, 그 장기를 환자에게 이식하는 게 더 낫다는 생각을 하게 된다. 아탈라는 근육세포와 상피세포 모두 충분히 확보한 뒤 지지체 안쪽에는 방광세포, 바깥쪽에는 근육세포를 씌우고 배지를 이용해 지지체에 씌운 세포를 성장시켰다. 그다음엔 외과 의사들이 새로운 방광을 환자의 방광에 꿰매고, 방광이 오줌을 제대로 담을 수 있도록 해 주었다. 아탈라는 수술을 하는 동안 혈관이 풍부한 조직인 장막으로 새로운 방광을 감쌌고 이 덕분에 환자의 방광세포가 계속해서 주요 영양분과 산소를 받아들일 수 있게 된다. 결과적으로 환자의 삶의 질은 매우 높아졌다. 하지만 심장, 폐, 신장 등은 구조적으로 더욱 복잡하며 다양한 세포로 구성되고 넓은 혈관망이 필요하기 때문에 만드는 과정이 더욱 어렵다. 그래서 이때 3D 프린터의 활용법이 해결책이 된다. 일반 잉크젯 프린터는 2차원 표면 위에 잉크를 한 층만 바르는 반면, 3D 프린터는 캐드 도면을 따라 얇은 재료층을 연속해서 쌓아 올린다. 사람들은 이미 플라스틱, 스테인리스강, 심지어 초콜릿도 '잉크' 삼아 자동차 부품에서 보석까지 다양한 물건을 만들었기에 살아 있는 세포를 이용하는 것도 가능할 것이라는 가능성이 있었다. 아탈라가 이끄는 연구팀은 인간의 턱뼈, 근육, 귀까지도 만들어 내는 3D 바이오프린터 개발에 힘써 왔고 성공적이었다. 3D 프린터는 임신을 돕는 3D 프린팅 난소, 인공 연골 제작, 폐, 장기 부족 문제 등 다양한 분야에서 큰 역할을 했고, 또한 할 것이라고 기대된다.

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김지상

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김지상

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최인화

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김지상

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윤리+일사

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생명 + 화학 + 국어

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화학II, 지구과학I, 세미

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화학 지구과학 세미

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생명과학+과학융합

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화학 지구과학 생명과학

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화학1 + 세미

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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시험 방식이 서술형 평가 중심으로 바뀌면서

객관식 문제만 잘 푸는 것으로는 부족해지고 있어요.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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약물은 위나 소장에서 흡수되는데, 흡수위치와 효율은 약물 pka와 소화기관의 pH에 따라 달라진다. 이처럼 흡수율을 결정하는 화학적 특성과 생리적 조건이 간호에서 중요하기에 선정하였다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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디지털시대의 윤리적 문제점으로 대두되고 있는 것이 무엇인지 알기 위해 정보시간에 배운 다양한 인공지능 기술들을 다양하게 알아보고, 여기서 제기될 수 있는 문제점을 다룬 국어 지문을 활용하여 사고를 확장하고자 노력하였다. 나의 탐구의 방향이 어떻게 진행되는 것이 맞는지에 대해 조언을 줄 수 있는 "빅데이터", "디지털 기술의 길" 등등의 도서를 검색하였으며 이 중에서 "빅데이터"라는 도서를 학교 도서관에서 대출하여 정독하고 내용을 정리하는 중이다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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주제 : 암세포 미세환경 기반 자기조립 항암 치료제의 화학적 메커니즘 탐구 및 개인 맞춤형 설계 기준과 시뮬레이션 연구 (+ 설명문 작성, 발표)

주제선택 이유 : ‘암 치료의 새로운 패러다임 : 자기조립 치료제’라는 논문을 접하며, 약물이 스스로 구조를 형성해 암세포에 작용한다는 기존 치료제와 다른 작동 방식에 흥미를 느껴, 자기조립 치료제의 원리에 대한 화학적 메커니즘을 탐구해보고자 했다.

또한, 과거 고전 읽기와 과학 과제 연구 과목에서 개인맞춤형 암 백신에 대해 탐구했던 적이 있다. 당시에는 환자의 유전자나 면역 반응에 맞춘 백신 설계가 가능하다는 점에 주목했었는데, 이번 활동에서 자기조립 치료제에 대해 탐구하면서 이 치료제 역시 암세포 환경에 따라 개인 맞춤형 설계가 가능할 것 같다는 생각이 들었다. 그래서 이번 탐구 활동에서 자기조립 치료제의 화학적 반응 메커니즘을 분석한 뒤, 암세포 환경 조건이 다른 가상 환자들에게 맞춤형으로 적용할 수 있도록 약물 구조와 조립 방식을 설계해보고자 했다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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약물 흡수에 영향을 미치는 요인 중 하나인 pKa와 위장관 내 pH의 상관관계를 이해하기 위해, 생물학 및 화학 교과서와 의약학 논문 자료를 참고하여 관련 개념을 정리함. pKa 값이란 약물이 이온화되는 정도를 나타내는 지표이며, 약물의 지용성과 수용성 전환에 중요한 역할을 한다는 것을 확인함. 또한, 위의 산성 환경(pH 1.53)과 소장의 약염기성 환경(pH 68)이 약물 흡수율에 미치는 영향을 이론적으로 분석함. 이를 바탕으로 실험에서는 pKa가 서로 다른 약물을 선정하고, 각각 위, 십이지장, 공장 환경에서 약물의 용해도 혹은 흡수율을 비교 분석하는 실험 설계를 구상함. pH에 따른 흡수율 변화가 pKa와 어떤 상관관계를 갖는지 구체적으로 측정하기 위해 지시약, pH buffer 용액, 약물 용해 실험 등의 방법을 고안함.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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나는 평소 환경문제에 깊은 관심을 갖고 있으며, 이를 해결하는 데 실질적으로 기여할 수 있는 환경공학과를 진로로 희망하고 있다. 환경공학은 단순히 오염 문제를 감지하는 데 그치지 않고, 오염의 원인을 과학적으로 분석하고, 실질적인 해결 방안을 설계·적용하는 학문이다. 이러한 관점에서 환경 문제를 다각도로 탐구하고자 다양한 융합 활동을 지속해왔다.

그동안 나는 에너지 소비율 분석을 통해 에너지 효율성과 탄소배출의 상관관계를 수학적으로 분석하고, 생분해성 비닐의 분해 속도를 지수함수로 모델링하여 친환경 소재의 적용 가능성을 탐색하였다. 또한 과학 융합 활동을 통해 수질오염 지표(DO, pH, 탁도 등)를 실험하고이론과 실제를 연결하는 환경 중심의 탐구활동을 해왔다.

이러한 활동을 바탕으로 이번에는 더 거시적이고 심화된 해양 환경 문제, 특히 미세플라스틱의 확산과 고분자 화합물의 특성에 주목하게 되었다. 미세플라스틱은 현대사회에서 가장 해결이 어려운 환경오염 요소 중 하나로, 분자 구조상 분해가 어렵고, 해양의 물리적 흐름을 따라 전 지구적으로 확산된다는 특징이 있다. 이를 이해하기 위해서는 화학Ⅱ에서 배우는 고분자 화합물의 물리·화학적 성질, 지구과학에서 배우는 해류, 해양순환 등 대규모 확산 메커니즘의 융합적 이해가 필수적이라 생각했다.

따라서 이번 프로젝트에서는 미세플라스틱이 해양에 유입된 이후 어떻게 이동하고, 어떤 특성으로 인해 분해되지 않으며, 어떤 방식으로 생태계에 축적되는지를 교과 지식과 실제 환경 사례를 바탕으로 종합적으로 분석하고자 한다. 이는 환경공학 진로를 준비하는 나에게 매우 의미 있는 기회가 될 것이며, 과학적 탐구를 통해 실질적인 환경문제 해결 방안을 고민하는 과정을 가지고 깊어 주제를 선정하게 되었다.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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본 탐구는 염화플루오로탄소(CFC)의 화학적 특성과 환경적 영향에 대한 심화 이해를 목적으로 한다. 책 블루머신을 읽고 작성한 선행 연구를 통해  CFC가 오존층을 파괴하는 주요 물질이라는 사실과 함께, 그 부가적인 특성으로 해류 추적에 활용되었다는 점을 서술하였다. 그 이후 해양 속에서도 장기간 안정적으로 존재하는 사실과 이중적인 특성을 지닌 CFC에 대한 화학적 호기심이 생기게 되어 이에 따라 본 탐구에서는 CFC가 대기 중에서 오존을 파괴하는 구체적인 화학적 메커니즘과, 해양 환경에서 쉽게 분해되지 않고 장기간 남아 있을 수 있는 분자적 이유를 중심으로 분석하고자 하였다. 또한 CFC 사용의 환경적 문제점을 인식하고, 이를 대체하기 위해 개발된 대체 물질에 대한 비교 분석을 통해 화학적으로 바람직한 대안이 무엇인지 탐색하고자 한다. 궁극적으로 본 탐구는 CFC의 화학적 특성과 문제점 해결을위한 후속연구에 대한 탐구 에 목적이 있다.

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김지상

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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약물의 흡수에 결정적인 영향을 미치는 이온화 상태와 세포막 투과성 사이의 관계를 보다 정량적으로 이해하기 위해, 헨더슨-하셀발흐(Henderson-Hasselbalch) 방정식을 중심으로 분석을 진행하였다.

해당 방정식은 다음과 같다: pH = pKa + log([A⁻]/[HA])

이 식을 활용하여 다양한 pH 환경에서 약물이 이온화된 상태(A⁻)와 비이온화된 상태(HA)로 존재하는 비율을 계산하였으며,

비이온화 상태일수록 지용성이 높아져 세포막을 더 쉽게 통과한다는 점에서 흡수 가능성을 예측할 수 있다는 이론적 근거를 도출하였다. 약물별 특성을 고려하여 pKa 값이 다른 3종의 대표 약물을 선정하였다.

1) 아스피린(pKa 약 3.5): 약산성, 위(pH 1.5)에서는 대부분 비이온화 상태로 존재

2) 이부프로펜(pKa 약 4.9): 중간 정도의 산성, 위에서는 일부 이온화, 소장에서 더 높은 흡수

3) 아세트아미노펜(pKa 약 9.5): 약염기성, 소장(pH 6.8~7.4)에서 더 잘 흡수되는 경향

이 들을 위(pH 1.5), 십이지장(pH 6.0), 공장(pH 7.4)의 조건에서 비교 분석하기 위한 실험을 설계하였다. 단순 용해도 측정에 그치지 않고, 약물의 이온화율과 막 투과 가능성 간의 상관관계를 확인할 수 있는 방식으로 구성하였다.

이를 위해 아래와 같은 실험 도구 및 방법을 구체화함: pH buffer 용액 제작을 통해 인공 위장관 환경 구성, 지시약을 통한 시각적 이온화 확인, 간이 분광광도계 또는 흡광도 측정을 이용한 정량적 데이터 확보, 필요시 옥탄올/물 분배 실험을 통해 약물의 지용성 추정

실험 설계 전 과정에서 생물학(소화기관의 구조와 기능), 화학(산염기 평형, pKa 개념), 약학(약물 흡수 기전)의 융합적 사고를 바탕으로 접근하였다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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첫째 날에는 이번 탐구 주제인 미세플라스틱에 대해 기초 개념을 정리하고, 관련 연구 자료를 수집하는 데 집중하였다. 먼저 환경공학 교과서와 관련 자료를 통해 미세플라스틱의 정의와 특성을 복습하였다. 미세플라스틱은 5mm 이하의 작은 플라스틱 입자로, 1차 미세플라스틱과 2차 미세플라스틱으로 나뉜다. 1차 미세플라스틱은 주로 세정제, 화장품 등에서 처음부터 미세한 크기로 만들어지는 반면, 2차 미세플라스틱은 대형 플라스틱이 자연환경에서 분해되어 생성된다.

이러한 미세플라스틱은 해양 환경에 유입되어 해양 생물에게 섭취되며, 먹이사슬을 통해 생태계 전반에 영향을 미친다. 특히, 분해가 어려워 환경 내에 장기간 축적된다는 점이 중요한 문제로 다뤄진다.

이후에는 한국에서 발표된 미세플라스틱 관련 논문들을 찾아 읽으며, 국내 해양 환경에서 미세플라스틱이 어떻게 분포하고 있는지, 주요 오염원이 무엇인지, 그리고 해양 생태계에 미치는 영향은 어떠한지를 조사하였다. 대표적인 논문으로는 ‘한국 해양 환경에서의 미세플라스틱 오염 실태 및 생태계 영향 연구’, ‘한국 연안 지역의 미세플라스틱 분포 및 오염원 분석’, ‘미세플라스틱의 해양 생태계 내 축적 및 생물학적 영향 평가’ 등이 있으며, 이를 통해 국내 상황에 대한 이해를 높였다.

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생명/화학

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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[출처 : 디비피아 - 김상필, 최후연, 진성언, 김도현, 유자형 - 암 치료의 새로운 패러다임 : 자기조립 치료제]

<자기조립 치료제(Self-Assembling Therapeutics)>

자기조립 치료제는 암세포 내외부 환경에 반응하여 자발적으로 나노구조체를 형성하고, 이를 통해 암세포를 선택적으로 사멸시키는 혁신적인 항암 치료 전략이다. 이러한 접근법은 기존 저분자 항암제의 근본적인 한계를 극복하기 위해 나노 스케일에서 작동하는 지능형 치료 시스템을 구축하는 것을 목적으로 한다.

기존 화학항암제는 세포 내 DNA나 단백질에 직접 결합하여 기능을 억제하거나 세포사멸을 유도하는 방식으로 작용한다. 그러나 이러한 전통적인 접근법은 여러 심각한 한계를 가지고 있다. 정상 세포에도 미치는 비특이적 영향으로 인한 심각한 부작용이 발생하며, 암 조직의 특수성에 의한 약물 저항성이 빈번하게 나타난다. 또한 짧은 혈중 반감기로 인해 치료 효과가 제한적이며, 표적 조직으로의 낮은 약물 출적 효율로 인해 치료 효과가 떨어진다.

자기조립 치료제는 이러한 기존 항암제의 한계를 체계적으로 보완한다. 비특이적 작용을 암세포 특이적 반응으로 전환시키고, 독성과 내성 발생을 선택적 세포사멸로 대체한다. 또한 짧은 순환 시간을 긴 지속성과 안정성으로 개선하며, 단일 ㅈㄱ용 기전을 pH, ROS, 단백질, 효소 등 복합 반응 기반의 다중 작용 기전으로 확장한다.

자기조립은 비공유결합인 수소결합, 소수성 상호작용, 정전기적 상호작용 등을 이용하여 분자들이 자발적으로 질서정연한 구조를 형성하는 현상이다. 이를 통해 형성된 나노조립체는 크기, 표면 특성, 다중결합력 등을 정밀하게 조절할 수 있어 정확한 표적 인식, 향상된 생체 안정성, 그리고 강화된 약물 전달 능력을 제공한다.

<자기조립 항암 치료제의 메커니즘>

자기조립 항암 치료제는 작용 위치에 따라 세포 밖에서의 자기조립과 세포 안에서의 자기조립으로 구분된다. 세포 밖에서의 자기조립은 암세포 주변의 특이한 미세환경을 활용하여 세포 외부에서 자기조립체를 형성한 후 세포 안으로 전달하는 방식이다.

pH 반응성 조립체는 암세포 주변이 정상조직보다 산성인 특성을 활용한다. 약산성 환경에서 소수성 전환이 유도되어 자기조립체가 형성되며, 예를 들어 A-1 분자는 약산성에서 나노조립체를 형성한 후 양전하를 발생시켜 세포막 투과성을 증가시키고 세포 내에서 활성을 나타낸다. 저산소 반응성 조립체는 암세포의 저산소 상태와 이 환경에서 특정 효소의 과발현을 이용한다. 저산소에서 활성화되는 효소를 이용하여 자기조립 나노입자를 형성시키고, 이것이 리소좀에 적재되어 세포 내 압력 변화로 리소좀을 파괴하여 세포사멸을 유도한다.

특정 단백질 반응형 조립체는 특정 암세포에서 과발현된 단백질인 ALP(Alkaline Phosphatase), PHB2 등을 인식하여 자기조립을 유도한다. 이들 단백질에 결합한 후 나노구조를 형성하여 미토콘드리아 등의 세포 소기관에 물리적 압력을 가해 세포사멸을 유도한다.

세포 안에서의 자기조립은 세포 내 특이 환경에 반응하여 조립이 시작되는 방식이다. ROS 반응성 결합을 도입하여 세포 내 도달 후 결합이 끊어지고 자기조립이 시작된다. 예를 들어, 리간드-미토콘드리아 결합체가 ROS에 의해 나노구조로 변형되어 다중 결합력을 생성하고 세포사멸을 유도한다. (ROS : 활성산소. 암세포 미토콘드리아 주변에서 많이 생성되는 특성을 가짐)

효소 유도 자기조립은 Tyr-1 kinase, APL, PTP1B 등 암세포 내 효소에 의해 약물 전구체가 활성화되는 방식이다. 활성화된 분자는 친수성에서 소수성으로 전환되어 나노 섬유나 입자를 형성하고, 이 입자들은 세포 내 특정 소기관에 결합하여 막 손상, 기능 교란, 세포사멸을 유도한다.

세포 소기관 특이적 자기조립에서 미토콘드리아 표적은 세포 에너지 대사의 중심인 미토콘드리아를 대상으로 한다. TPP 등의 리간드를 이용해 미토콘드리아에 정확히 도달하고, 특정 온도나 ROS 조건에서 자기조립 나노입자를 형성하여 미토콘드리아 기능을 저해하고 세포사멸을 유도한다. 예를 들어, Triazolylsilane-TPP는 37도 이상에서 vesicle 형태로 자기조립된다. 리소좀 표적은 pH 4.5 정도의 매우 산성인 리소좀 환경을 활용한다. 산성에 반응하여 B(베타)-시트 구조를 형성하고 단단한 섬유 조립체를 만들어 리소좀의 가수분해 효소 방출을 유도하여 세포자멸사를 일으킨다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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인공광합성 기술을 이해하기 위한 기초 단계로 자연광합성의 생물학적 원리를 자세히 조사하였다. 생명과학 교과서와 최신 논문, 영상 자료를 참고하여 엽록체 내 틸라코이드막에서 일어나는 명반응과 스트로마에서 진행되는 암반응 과정을 체계적으로 정리하였다. 명반응에서는 태양광을 흡수한 광계 II가 전자를 방출하고, 이 전자가 전자전달계를 따라 이동하면서 ATP와 NADPH가 생성된다. 이 두 가지 물질은 암반응에서 이산화탄소를 포도당과 같은 유기물로 고정하는 데 필수적인 에너지원이다. 광합성은 빛 에너지를 화학에너지로 바꾸는 복잡한 생화학 과정이며, 자연광합성의 효율성과 메커니즘을 이해하는 것은 인공광합성 기술 발전에 중요한 밑바탕임을 알 수 있었다. 특히 이 과정이 광합성 생물의 생존과 지구 생태계 유지에 필수적임을 깨달았다. 이러한 이해를 바탕으로 다음 탐구에서는 인공광합성에서 자연광 대신 인공광원과 광촉매가 어떤 역할을 하는지 심도 있게 조사할 계획을 세웠다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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둘째 날에는 미세플라스틱의 분해가 왜 어려운지를 과학적으로 이해하기 위해, 화학Ⅱ 교과서에서 다룬 고분자 화합물의 구조와 특성을 중심으로 탐구하였다. 미세플라스틱은 대부분 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS) 등 합성 고분자로 구성되어 있는데, 이들은 모두 단량체가 반복적으로 연결된 구조를 가지고 있으며, 탄소-탄소(C–C) 결합과 같은 안정적인 공유결합을 중심으로 이루어져 있다.

이러한 구조는 에너지적으로 매우 안정하여 자연 환경에서 쉽게 끊어지지 않으며, 고분자의 선형 사슬 구조와 비극성 성질은 외부 물질과의 반응성을 떨어뜨려 물리적, 화학적, 생물학적 분해가 어렵게 만든다. 특히 PE와 PP는 극성이 거의 없기 때문에 물에도 잘 섞이지 않고, 효소나 미생물의 작용도 받기 어렵다는 점에서 생분해 가능성이 낮다.

나는 이를 바탕으로 미세플라스틱의 분해 방식을 관련 논문을 통해 정리 하였다.

광분해는 자외선에 의해 고분자 사슬 일부가 끊어지는 현상이지만, 실제 환경에서는 매우 느리게 진행된다.

산화 분해는 산소와의 반응을 통해 고분자 사슬이 약화되지만, PE 등은 반응성이 낮아 제한적이다.

생물학적 분해는 미생물이나 효소에 의한 분해 방식이지만, 고분자의 구조적 특성상 대부분 인식되지 않으며 실질적인 분해가 거의 일어나지 않는다.

열분해는 고온에서 인위적으로 이루어지는 방식으로, 자연환경에서는 발생할 수 없다.

이러한 분해 방식의 한계는 미세플라스틱이 환경 중에 수십 년 이상 잔존하며 축적되는 이유가 된다. 관련 한국 논문인 「미세플라스틱의 화학적 특성과 분해 가능성 분석」, 「합성 고분자의 환경 내 잔존성과 생분해성 비교」 등을 참고하면서, 국내 연구자들 또한 고분자의 화학적 안정성이 분해의 가장 큰 장애 요소임을 강조하고 있음을 확인했다.

이번 탐구를 통해 미세플라스틱이 단순히 '작고 위험한 물질'이라는 인식에서 벗어나, 분자 구조 수준에서 왜 분해되지 않는지를 과학적으로 설명할 수 있게 되었고, 향후 생분해 고분자 개발, 플라스틱 대체 소재 탐색 등 다양한 해결 방향에 대한 관심도 커졌다.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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1.탐구주제

“CFC의 이중적 특성 오존층 파괴와 해류 추적의 원리 — 화학적 특성과 환경적 영향에 대한 심화 탐구”

2. 자료

https://ko.m.wikipedia.org/wiki/%EC%97%BC%ED%99%94_%ED%94%8C%EB%A3%A8%EC%98%A4%EB%A6%B0%ED%99%94_%ED%83%84%EC%86%8C

https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticleList.do

(CFC)

3.개요

서론
블루머신을 읽고 CFC의 오존층 파괴 및 해류 추적 활용에 흥미
선행 보고서 작성 후, 화학적으로 심화 탐구하고자 함

본론
1.CFC의 정의 및 기본 특성
분자 구조, 물리·화학적 성질
산업적 활용: 냉매, 발포제, 세정제 등
2.CFC의 오존층 파괴 메커니즘
자외선에 의한 분해 → Cl 라디칼 생성 → 오존 파괴 반응
화학 반응식 중심 설명
3.해류 추적에의 활용
해양에서의 화학적 안정성
실제 활용 사례 간단 소개
5.CFC 제거 최신 연구 동향

결론
CFC의 화학적 특성 요약

화학적 원리의 주목

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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1.화학 비료의 개념 및 성분 조사

화학 비료는 작물의 생장을 촉진하기 위해 인위적으로 제조된 무기질 비료로, 주로 질소, 인, 칼륨 성분을 포함한다.

질소는 엽록소 형성 및 잎의 생장 촉진 인은 뿌리 발달과 에너지 전달 칼륨은 수분 조절과 병해 저항성에 관여한다.

2. 화학 비료 사용의 장점 및 문제점 분석

장점: 작물 수확량 증가, 단기간 내 영양 공급, 농업 생산성 향상

문제점
토양 오염: 장기 사용 시 토양 산성화 및 미생물 균형 파괴

수질 오염: 비료 성분의 빗물 유출로 인한 부영양화 현상

기후 변화: 질소 비료의 분해 과정에서 발생하는 아산화질소는 강력한 온실가스임

3. 화학 비료의 사회적,환경적 영향 고찰

개발도상국에서는 생존을 위한 필수 수단이지만 선진국에서는 과잉 사용으로 환경오염을 유발

세계 인구 증가에 따라 식량 수요도 증가하면서 비료 소비 역시 꾸준히 증가하고 있음

장기적으로는 지속 가능한 대안 마련이 필수적임

화학 비료의 영향과 지속 가능한 대안’에 대해 전반적인 배경 지식을 조사하고 탐구의 필요성과 방향을 설정함.

먼저 화학 비료의 정의와 주요 성분에 대해 조사하였고 이들이 작물 생장에 어떤 역할을 하는지 확인함. 특히 질소는 잎과 줄기의 성장을 인은 뿌리와 꽃, 열매 생성을 칼륨은 전반적인 생리 작용을 돕는다는 점을 알게됨.

이러한 화학 비료의 장점과 함께 장기간 사용 시 토양 산성화, 지하수 오염, 유해 조류 번식 등의 환경 문제가 발생할 수 있다는 점도 조사함.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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병원에서 손가락에 간단히 센서를 대는 것만으로 산소포화도를 측정하는 장면을 보고, 그 원리에 대한 궁금증이 생겼다. 특히 외부에서 채혈하지 않고도 혈액 내 산소 결합 상태를 파악할 수 있다는 점이 흥미로웠고, 그 이면에 적용된 과학 개념이 무엇인지 알아보고자 본 주제를 선정하였다. 측정 기기의 핵심 원리가 헤모글로빈의 광흡수 특성에 있다는 사실을 확인하고, 생명과학 I에서 학습한 산소 운반 과정과 화학 I에서 다룬 빛과 색, 흡수 스펙트럼 개념이 어떻게 실제 의료기기에 적용되는지 구체적으로 탐구해보고자 하였다. 일상에서 쉽게 접할 수 있는 기술에 교과 개념이 어떻게 융합되어 있는지를 직접 분석하고 이해하고자 이 주제를 선정하였다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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디지털 시대의 윤리를 바르게 정리하고자 시도하는 나의 탐구활동의 근거를 마련하기 위해 쳇GPT뿐만 아니라 현재 통용되고 있는 다양한 어플이나 프로그램들을 활용하고, 여러가지 도구들의 장단점과 윤리적인 문제를 파악하기 위해 노력하였다. 이에 관련 학술자료에 접근하여 현시대적인 문제점들을 인식하게 되었으며 이에 대해 다른 사람들은 어떻게 생각하는지 알아볼 필요성을 실감하여 설문문항을 제작하여 그 링크를 공유하고 결과를 도출하는 작업을 진행하였다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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[UNIST 화학과 - 종양의 산성도(pH)를 암세포 표적 치료 열쇠로 사용!]

[BRIC Bio통신원(UNIST) - 약물 내성 극복 가능한 항암치료 기술 개발했다!]

[ibs 기초과학연구원 - 지능적 DNA 나노머신으로 항암치료 효율 획기적으로 높인다]

<자기조립 항암 치료제의 화학적 메커니즘>

자기조립 항암 치료제는 암세포의 특이적인 미세환경 변화에 반응하여 스스로 나노구조체를 형성하거나 해체함으로써 치료 효과를 극대화하는 정교한 화학적 메커니즘을 가진다. 이는 기존 항암제의 한계를 극복하기 위한 새로운 접근법으로, 특히 pH나 빛과 같은 외부 자극에 대한 화학적 감응을 통해 작동한다.

<pH 반응성 자기조립 메커니즘>

암세포를 포함한 종양 미세환경은 정상 조직에 비해 약산성(pH 5.6~6.8)을 띠는 특징이 있다. 자기조립 치료제는 이러한 pH 변화를 인지하여 화학적 구조를 변경하고, 이를 통해 치료 효과를 발휘한다.

UNIST 연구팀의 pH 감응형 항암제는 정교한 화학적 메커니즘을 보여준다. 이 항암 물질은 인체 내 정상적인 중성 pH 환경에서 마이셀 형태의 안정적인 구형 구조를 이룬다. (마이셀 micelle : 물속에서 스스로 뭉쳐서 만들어지는 아주 작은 공 모양의 덩어리로 안정적인 운반체, 환경 감지 역할을 함) 마이셀은 친유성 부분이 내부에, 친수성 부분이 외부에 위치하여 생체 내에서 안정적으로 이동할 수 있게 한다. (친유성 : 기름과 친한 / 친수성 : 물과 친한) 그러나 종양 주변의 약산성 환경에 도달하면, 마이셀을 구성하는 특정 화학 결합인 석시닉 아미드 분자가 산성 환경에 의해 화학적으로 절단된다. (석시닉 아미드 분자 succinic amide : 자기조립 항암 치료제 내에서 약물을 안정적으로 운반하는 화학적 연결고리. 암세포 주변의 산성 환경에 도달하면 이 연결 고리가 끊어져 약물이 활성화되고 암세포를 공격하는 스위치 역할을 함) 이 절단 반응으로 인해 마이셀 구조가 붕괴되고, 물질은 단분자 형태로 전환된다. 단분자로 변환된 물질은 암세포 내부로, 특히 에너지 공급원인 미토콘드리아로 효율적으로 침투한다. 미토콘드리아 내에서 이 단분자들이 다시 자기조립을 진행하면서 미토콘드리아의 막을 물리적으로 손상시키고 기능을 저해하여 암세포의 사멸을 유도한다.

다른 연구에서는 약산성(pH 4.5) 환경에서 특정 약물 분자가 양전하를 띠도록 유도하여 활성화시키는 방법을 사용한다. 이는 암세포막 투과를 촉진하여 암세포 표적 능력을 향상시키는 화학적 원리를 활용한다. 이는 pH 변화에 따른 분자의 이온화 상태 및 전하 변화가 자기조립과 세포 내 침투에 결정적인 영향을 미치는 것을 보여준다.

IBS 연구팀의 pH 감응형 DNA 나노머신은 더 정교한 메커니즘을 제시한다. 이 기술은 세포 내의 낮은 pH 환경에 반응하여 지능적으로 유전자를 전달하는 i-motif DNA를 활용한다. i-motif DNA는 특정 염기 서열을 가지며, 낮은 pH 조건에서 특유의 4중 나선 구조를 형성하며 서로 응집하려는 성질을 가진다. 연구팀은 금 나노입자에 이 i-motif DNA와 치료 유전자인 간섭 RNA(siRNA)를 접합시켰다. (금 나노입자 : 생체 적합성, 안전성과 다양한 물질과의 뛰어난 결합력을 바탕으로 약물 전달, 진단, 치료 등 여러 기능을 동시에 수행할 수 있는 나노 크기의 금 입자 / 간섭 RNA : 특정 단백질을 만드는 유전자의 설계도인 mRNA를 찾아내 파괴함으로써 해당 단백질의 생성을 막아 암세포의 성장 등을 억제하는 작은 RNA 조각) 세포 외부의 중성 pH 환경에서는 이 나노입자들이 분산된 상태로 존재하여 안정성을 유지한다. 하지만 나노입자가 암세포 내부로 들어가 세포 내의 낮은 pH 환경에 노출되면, i-motif DNA가 pH에 감응하여 구조적 변형을 일으키고, 이로 인해 금 나노입자들이 서로 자기조립하여 응집된다. 이 과정에서 내부에 담겨 있던 siRNA가 효과적으로 방출되어 암세포 사멸을 유도한다. 이는 pH 변화가 DNA 분자의 구조적 변화를 촉발하고, 이 변화가 나노입자의 자기조립 및 약물 방출을 제어하는 정교한 화학적 메커니즘을 보여준다.

<광 반응성 자기조립/해체 메커니즘>

특정 자기조립 치료제는 빛과 같은 외부 자극에 반응하여 구조를 변경하거나 약물을 방출하는 메커니즘을 사용한다. IBS 연구팀의 광민감성 쿠커비투릴 유도체 연구는 이러한 메커니즘의 대표적인 예이다.

이 연구에서는 빛에 민감한 쿠커비투릴 유도체라는 분자를 사용하여 항암제를 담을 수 있는 나노 소포체를 자발적으로 형성시켰다. 쿠커비투릴 유도체는 수용액 상에서 스스로 작은 주머니 형태의 구조를 이룬다. 이 나노 소포체에 항암제(ex.독소루비신)를 담아 암세포에 처리하면, 암세포가 이 소포체를 흡수한다. 이후 암세포에 근적외선 레이저를 조사하면, 빛에 민감한 쿠커비투릴 유도체가 레이저에 반응하여 화학적으로 해체되거나 구조가 변형된다, 근적외선 레이저를 사용하는 이유는 근적외선 레이저가 몸속 깊이 침투하면서도 정상 조직에는 해를 덜 주고, 특정 암 부위에만 정확하게 빛 에너지를 전달하여 약물 방출 스위치 역할을 할 수 있기 때문이다. 이러한 구조 변화는 나노 소포체의 붕괴를 유도하고, 그 결과 내부에 담겨 있던 항암제가 암세포 내로 방출된다. 방출된 항암제는 암세포의 핵까지 침투하여 암세포 사멸을 일으킨다. 이는 외부의 물리적 에너지인 빛이 특정 분자의 화학적 특성이나 상호작용을 변화시켜 자기조립체의 해체 및 약물 방출을 정밀하게 제어하는 메커니즘이다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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산소포화도 측정의 핵심이 되는 헤모글로빈의 구조와 산소 결합 특성에 대해 중점적으로 조사하였다. 헤모글로빈은 네 개의 폴리펩타이드 사슬과 네 개의 헴 구조로 이루어진 단백질이며, 헴 중심의 철 이온이 산소 분자와 결합하는 역할을 한다. 산소가 결합하면 헤모글로빈의 입체 구조에 미세한 변화가 생기고, 이는 분자의 전자 구조에도 영향을 주어 광흡수 특성에도 차이를 만들어낸다. 조사한 바에 따르면, 산소가 결합된 헤모글로빈은 적외선파장에서 더 많이 빛을 흡수하며, 산소가 결합되지 않은 헤모글로빈은 적색광파장에서 더 큰 흡광도를 보인다. 이와 같은 차이를 이용하면 두 파장에서의 흡광도 비율을 통해 HbO₂와 Hb의 비율을 간접적으로 측정할 수 있고, 이는 곧 혈액 내 산소포화도를 계산하는 근거가 된다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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인공광합성의 핵심인 광촉매 반응 원리를 심도 있게 탐구하였다. 대표적인 광촉매 물질인 이산화티타늄(TiO₂)이 자외선을 흡수해 전자와 정공을 생성하는 과정, 그리고 이들이 물과 이산화탄소를 환원 및 산화시켜 메탄올, 수소 등 유용한 화합물을 생산하는 메커니즘을 다양한 논문과 과학 자료를 통해 자세히 이해하였다. 또한 페로브스카이트, 산화텅스텐 등 다양한 광촉매 종류와 촉매 입자 크기, 빛의 파장, 반응 온도가 광촉매 효율에 미치는 영향도 함께 살펴보았다. 특히 고등학교 화학 시간에 배운 산화·환원 반응, 활성화 에너지 개념이 광촉매 반응의 작동 원리를 설명하는 데 중요한 역할을 함을 알게 되었다. 이번 탐구를 통해 광촉매 반응이 단순한 촉매 작용을 넘어서 화학, 물리학, 재료공학이 융합된 복잡한 기술임을 깊이 깨달을 수 있었다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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본문 1 CFC의 화학적 특성

클로로플루오로카본(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC)은 탄소(C), 염소(Cl), 플루오린(F) 원자로 구성된 유기 할로젠 화합물로, 일반적으로 포화 알케인 구조에 해당한다. 1930년대 중반 듀폰(DuPont)사에서 개발되어 상업적으로는 ‘프레온(Freon)’이라는 상표명으로 널리 보급되었으며, 냉매, 발포제, 세정제 등 다양한 산업 분야에서 사용되었다.
CFC는 C–Cl 및 C–F 결합으로 이루어진 비교적 단순한 구조를 가지며, 대표적인 화합물로는 트리클로로플루오로메탄(CFC-11, CCl₃F) 및 디클로로디플루오로메탄(CFC-12, CCl₂F₂) 등이 있다. 이들 화합물은 화학적으로 극히 안정하며 대기 중에서 수십 년간 분해되지 않고 존재할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 CFC는 성층권까지 도달할 수 있으며, 자외선에 의해 분해되어 오존층을 파괴하는 주된 인자로 작용한다.
물리·화학적 특성 면에서 CFC는 무색, 무취 또는 약한 에테르 냄새를 가지며, 대부분 낮은 끓는점을 갖는 휘발성 액체 또는 기체 상태로 존재한다. CFC-12의 경우 끓는점은 −29.8 °C에 이른다. 또한 비인화성이며, 일반적인 온도 및 압력 조건 하에서 반응성이 매우 낮고 금속이나 기타 재료와도 잘 반응하지 않는다. 독성은 낮은 편이나, 고농도에 노출될 경우 중추신경계 억제, 심장 부정맥 등의 생리학적 반응을 유발할 수 있으며, 밀폐된 공간에서의 과다 노출은 질식의 위험도 내포한다.
이와 같은 특성 덕분에 CFC는 한때 '이상적인 산업용 화합물'로 여겨졌으나, 성층권 오존층 파괴 및 장기적 기후 영향이 확인되면서 1987년 몬트리올 의정서를 기점으로 전 세계적으로 생산 및 사용이 단계적으로 규제되고 있다.

본문 2. 오존층 파괴 메커니즘 및 화학 반응식 중심 설명

클로로플루오로카본(CFC)은 성층권에서 자외선에 의해 광유도 절단 반응을 통해 염소 자유 라디칼(Cl·)을 생성한다. 예를 들어, CFC-11(CCl3F)은 자외선에 노출되면 다음과 같은 반응으로 분해된다.
CCl3F → CCl2F· + Cl·
여기서 생성된 염소 라디칼은 매우 반응성이 높으며, 분자 상태의 염소(Cl2)와 달리 성층권에서 장기간 안정적으로 존재하며 오존 분자와 반복적으로 반응한다. 염소 라디칼은 오존(O3)과 반응하여 산소 분자(O2)와 산소 원자(O)로 전환시키는 촉매 역할을 수행하며, 이 과정은 다음과 같다.
Cl· + O3 → ClO· + O2
ClO· + O → Cl· + O2
이 순환 반응을 통해 한 개의 염소 라디칼이 다수의 오존 분자를 파괴할 수 있으며, 이로 인해 성층권 오존층이 점진적으로 고갈된다. 또한 브롬을 포함하는 브롬화 CFC(Brominated CFC)는 염소보다 훨씬 높은 촉매 효율로 오존층 파괴에 기여하기 때문에 별도로 규제되고 있다.

오존층 고갈로 인한 결과로 자외선 B(UV-B) 방사선이 더 많이 지구 표면에 도달하게 되며, 이로 인해 생태계와 인체 건강에 심각한 악영향을 끼친다. 이러한 환경 문제는 국제적으로 몬트리올 의정서와 같은 규제를 통해 해결을 모색하고 있다.

한편, CFC는 강력한 온실가스로서도 작용한다. CFC 분자는 대기의 ‘대기 창(window)’이라 불리는 7.8~15.3μm 파장 대역에서 적외선을 강하게 흡수하는데, 이 영역은 대기가 상대적으로 투명한 구간으로 이곳에서의 복사 흡수는 온실효과에 매우 중요한 역할을 한다. CFC의 이러한 특성은 이산화탄소(CO2)에 비해 훨씬 낮은 농도임에도 불구하고 더 큰 온난화 잠재력(GWP)을 가지는 이유이다. 특히 CO2 농도가 포화 상태에 가까워 온실 효과가 로그적 증가를 보이는 반면, CFC는 낮은 농도에서도 선형적으로 온실 효과를 증대시킨다.

최근 연구에 따르면, 2018년 이후 몬트리올 의정서에 따른 규제로 인해 오존층의 회복 조짐이 관측되고 있으나, 2019년 중국 등 일부 지역에서는 규제되지 않은 CFC 사용으로 인해 대기 중 농도가 다시 증가하는 현상도 보고되었다. 이에 따라 지속적인 국제적 감시와 관리가 필요하다.

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5) 2일차 탐구한 내용

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5) 2일차 탐구한 내용

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화학 비료 성분 중 가장 많이 사용되는 질소 비료의 환경적 영향을 중심으로 탐구를 진행함.

질소 비료는 작물 생장에 빠르게 효과가 나타나지만 토양에 흡수되지 못한 질소는 빗물에 씻겨 하천과 지하수로 흘러들어가 부영양화 현상을 일으킴.

특히 질산염 성분은 수중 조류의 과잉 번식을 유도하고 이는 수중 생태계의 산소 고갈과 어류 폐사를 초래할 수 있음이 확인됨.

또한 질소 비료가 토양 내 미생물 작용에 의해 아산화질소로 전환되면 이는 지구온난화를 유발하는 강력한 온실가스로 작용하게 됨. 따라서 질소 비료는 단기적인 작물 생장에는 도움이 되지만 장기적으로는 환경에 심각한 악영향을 줄 수 있음.

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8) 과세특에 반영되었으면 하는 내용(1500바이트 미만으로 작성하기)

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8) 과세특에 반영되었으면 하는 내용(1500바이트 미만으로 작성하기)

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자기조립 치료제에 관한 논문을 읽고, 암세포의 미세환경에 반응해 스스로 구조를 형성하고 표적 소기관에 작용하는 화학적 메커니즘에 흥미를 느꼈으며, 과거 수행한 ‘개인 맞춤형 암 백신’에 대한 탐구를 바탕으로 자기조립 치료제 또한 암세포 환경에 따라 맞춤형 설계가 가능하지 않을까 하는 의문을 품어, ‘암세포 미세환경 기반 자기조립 항암 치료제의 화학적 메커니즘 탐구 및 개인 맞춤형 설계 시뮬레이션‘ 이라는 주제로 탐구를 수행함. 자기조립 항암 치료제가 암세포 미세환경에 반응해 비공유결합 기반 나노구조체를 형성하고 표적 소기관에 작용하는 화학적 메커니즘을 분석함. 석시닉 아미드 결합, 이황화결합, 효소 절단 결합 등 환경 감응성 화학 구조와 마이셀, 나노입자, 나노섬유 등 자기조립체 형성 과정을 정리하고, DNA 나노머신과 광감응성 쿠커비투릴 구조체 등 최신 연구 사례를 조사함. 가상 환자의 암세포 환경 조건에 따라 화학 구조, 자기조립 방식, 표적 소기관을 다르게 설계해 시뮬레이션을 수행하고, 탐구 내용을 설명문으로 작성해 학우들에게 발표함. 복잡한 화학 메커니즘을 독자 관점에서 구조화하여 설명문으로 명확히 정리함. 탐구 활동을 통해 환자의 생물학적 특성과 치료 반응을 예측하는 역량의 중요성을 인식하고, 이를 기르고자 노력했음을 밝힘.

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4) 1일차 탐구한 내용

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4) 1일차 탐구한 내용

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산소포화도의 의미와 의료 현장에서의 활용 배경을 중심으로 탐구를 시작하였다. 산소포화도란 혈액 내 총 헤모글로빈 중 산소와 결합한 헤모글로빈의 비율을 백분율로 나타낸 수치이며, 일반적으로 95~100%를 정상 범위로 본다. 병원에서는 이를 측정하기 위해 동맥혈가스분석 또는 맥박산소측정기를 사용한다. 특히 맥박산소측정기는 손가락 끝에 센서를 대는 것만으로 비침습적 측정이 가능하다는 점에서 널리 사용되고 있어, 해당 기기의 과학적 원리를 중심으로 후속 탐구 주제를 설정하게 되었다. 초기 조사 결과, 이 장치는 두 가지 서로 다른 파장의 빛(적색광 660nm, 적외선 940nm)을 혈관에 투과시켜, 산소화된 헤모글로빈과 산소화되지 않은 헤모글로빈의 흡광도 차이를 분석함으로써 헤모글로빈을 계산한다는 사실을 확인하였다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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셋째 날에는 미세플라스틱이 해양에 유입된 이후 어떤 경로를 따라 이동하고, 생태계 내에서 어떤 방식으로 축적되는지를 중심으로 탐구하였다. 이를 위해 해류와 해양 순환과 같은 지구과학적 개념을 바탕으로 물리적 이동 메커니즘을 조사하였고, 먹이사슬을 통한 생물학적 축적 경로에 대해서도 자료를 정리하였다. 또한, 실제 국내외 사례 및 논문 자료를 분석하며 과학적 근거를 바탕으로 탐구 내용을 심화시켰다.

해양 내 이동 경로 분석

미세플라스틱은 해수면에 부유하거나 해저로 가라앉으며 다양한 형태로 해양 내를 이동한다. 이때 가장 큰 영향을 미치는 요인이 바로 해류와 해양 순환이다. 지구의 자전, 해수의 밀도 차, 수온 변화 등으로 형성되는 해양 순환은 미세플라스틱을 수천 km 떨어진 지역까지 확산시킨다.

대표적인 사례로는 북태평양 해역의 Great Pacific Garbage Patch(북태평양 거대 쓰레기 지대)가 있다. 이곳은 순환 해류에 의해 폐플라스틱과 미세플라스틱이 집중된 지역으로, 미세플라스틱 오염의 확산 양상을 가장 극명하게 보여준다. 한국 주변 해역에서도 동해 및 남해의 해양 순환에 의해 생활 유래 플라스틱이 넓은 지역으로 퍼지고 있음이 보고된 바 있다.

실제로 참고한 한국 논문 「한국 연안 지역의 미세플라스틱 분포 및 오염원 분석」에서는 부산, 인천 등 주요 연안에서 수거한 해수 샘플에서 미세플라스틱이 다수 검출되었고, 생활 폐기물에서 기인한 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)이 주요 구성 물질이라는 점도 확인되었다.

생태계 내 축적 메커니즘

미세플라스틱은 단순히 해수에 부유하는 데 그치지 않고, 해양 생태계의 먹이사슬을 따라 축적된다. 가장 하위 단계인 플랑크톤이 미세플라스틱을 섭취하고, 이를 먹는 소형 어류, 나아가 대형 어류와 해양 포유류, 그리고 인간에게까지 영향을 미치게 된다.

국내 논문 「미세플라스틱의 해양 생태계 내 축적 및 생물학적 영향 평가」에 따르면, 서해 연안에서 채집한 어류의 약 30%에서 미세플라스틱이 검출되었으며, 그 대부분이 소화기관 내에 잔존해 있는 형태였다. 또 다른 연구에서는 제주 연안 플랑크톤 군집에서도 미세플라스틱이 다수 확인되었고, 일부 미세 입자는 생물의 조직 내로 흡수되어 세포 수준의 염증 반응과 성장 저해를 유발한다는 결과도 보고되었다.

이번 탐구를 통해 미세플라스틱이 해양 내에서 장거리로 이동하면서도, 동시에 생물 내에 축적되어 생태계 전반에 영향을 미친다는 점을 구체적으로 이해할 수 있었다. 단순히 고분자 물질이 잘 분해되지 않는다는 2일차의 결과를 넘어, 그로 인해 환경에 장기적으로 남아 해류를 따라 이동하고, 결국 먹이사슬에까지 깊게 관여한다는 연결 고리를 파악하게 되었다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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어제 도출된 설문의 결과와 다양한 학술 자료를 종합하여 탐구활동을 종합해보는 시간을 가졌다. 디지털기술에서 소외되고 있는 인간의 정체성 문제에 관심을 가지고 이를 정보+국어과목에서 배운 내용들을 확장하여 나의 생각을 정리하는 PPT자료를 제작하고 있는 중이다. 현재 발표자료의 목차와 대략적인 근거가 되는 내용을 조직하였으며 내일 나의 주장을 명확히 할 수 있는 자료를 보완하여 융합적인 사고를 돕는 발표자료를 제작하려 한다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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<자기조립 항암 치료제 설계 기준>

2일차에 탐구했던 화학적 메커니즘을 바탕으로 자기조립 항암 치료제 설계 기준을 세울 수 있다.

자기조립 치료제 설계를 위해서는 환자의 암세포 주변 미세환경을 정확하게 분석해야 한다. 일반적인 암세포의 특성으로는 정상 조직보다 낮은 약산성 환경 (pH 6.2~6.8), 세포 내 특히 미토콘드리아 주변에서 높은 ROS농도, 그리고 ALP, Tyr kinase, PTP1B 등의 효소가 정상세포보다 과발현되는 특징이 있다. 이러한 환경적 특성들은 자기조립 치료제가 암세포를 선택적으로 인식하고 공격할 수 있는 핵심적인 표지자 역할을 한다.

자기조립 치료제는 앞에서 분석한 암세포 환경 조건에 반응하여 화학 구조를 변화시킬 수 있어야 하는데, 이를 위해 특정한 화학적 결합들이 사용된다. pH 감응 결합으로는 약산성 환경에서 분해되는 석시닉 아미드 결합을 통해 마이셀 구조를 붕괴시키고 단분자로 전환시키는 메커니즘이 있다. ROS 반응 결합으로는 이황화결합 또는 셀레늄-황 결합을 도입하여 ROS에 의해 결합이 끊어지고 약물이 활성화되는 방식이 사용된다. 효소 반응 결합으로는 APL가 잘라낼 수 있는 인산기 결합을 포함시켜 효소의 존재 여부에 따라 약물 활성 여부를 결정하는 메커니즘이 활용된다.

환경 감응 반응이 일어난 후, 약물은 비공유 결합을 통해 자발적으로 자기조립을 수행해야 한다. 이는 다양한 나노구조 형성을 통해 이루어진다. 나노입자는 구조 전환 후 소수성 상호작용에 의해 구형 입자를 형성하고, 세포 소기관에 결합하여 막 손상을 유도한다. 나노섬유는 B(베타)-시트 구조 형성 등으로 고정된 방향성 구조를 만들어 리소좀, 미토콘드리아 등의 기능을 방해한다. 마이셀은 초기에는 안정한 약물 전달체로 작용하다가 특정 조건(pH 등)에서 분해되는 구조를 가진다.

자기조립된 약물이 작용할 세포 내 소기관을 명확히 지정하고, 그 소기관에 정확히 도달할 수 있도록 하는 리간드나 구조적 유도가 필요하다. 미토콘드리아 표적을 위해서는 TPP 등의 양전하 리간드를 이용하여 미토콘드리아에 축적시킨다. 리소좀 표적을 위해서는 산성 환경에 반응하여 구조 변형 또는 가수분해를 유도한다. 핵 표적을 위해서는 siRNA 또는 DNA 구조체를 통해 유전자 발현을 조절한다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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화학 I에서 배운 광흡수 원리와 흡광도 법칙을 바탕으로, 맥박산소측정기의 작동 원리를 이론적으로 분석하였다. 빛은 에너지를 가지는 파동이며, 물질 내 전자가 특정 파장의 빛을 흡수하면 높은 에너지 준위로 전이하게 된다. 이때 어떤 파장의 빛이 얼마나 흡수되는지는 분자의 구조와 전자 분포에 따라 달라진다. 이와 관련하여 ‘람베르-베르 법칙’을 확인하였고, 여기서 흡광도는 몰흡광계수 용질의 농도, 광로 길이에 비례한다는 수학적 관계를 통해 두 파장에서의 흡광도 차이를 계산할 수 있음을 이해하였다. 맥박산소측정기는 이러한 광흡수 원리를 이용해, 맥박에 따라 변화하는 동맥혈의 흡광도만을 실시간으로 분석하고, 이를 통해 산소 결합 헤모글로빈의 비율을 추정하는 방식으로 작동한다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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위장관 내의 다양한 pH 조건을 재현하기 위해 정화학 pH buffer 용액 (1.5,6.0,7.4)을 제작 하고, 이를 통해 위, 십이지장, 공장의 환경을 실험실 내에서 재현하였다.

각 약물 용액을 동일한 농도로 조제한 후, 각기 다른 pH buffer에 투입하고, 시간이 지남에 따라 이온화 상태의 변화를 시각적으로 확인하기 위해 산염기 지시약(예: 페놀프탈레인, 메틸오렌지 등)을 병행 사용하였다.

이후 약물의 용해도와 상대적인 흡수 가능성을 측정하기 위해 두 가지 방법을 사용함.

1.UV- VIS 분광광도계를 활용하여 각 pH 조건에서 용해된 약물의 농도를 흡광도 형태로 측정하여 용해도를 정량화

2.옥탄올 계 분배를 통해, 각 약물이 수용액(pH 조절된 buffer)과 유기용매(옥탄올) 사이에 분포하는 비율을 관찰하고, 이를 통해 비이온와 상태의 비율을 간접 측정

실험 결과, pH 1.5 환경에서는 아스피린이 대부분 비이온화 상태로 존재하며 높은 용해도와 분배계수를 보였고, 반대로 아세트아미노펜은 해당 환경에서 이온화되어 흡수가 어렵다는 경향을 보였다. 실험 결과는 헨더슨-하셀발흐 방정식 기반의 이론값과 유의미하게 일치하였다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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일본 교토대, 미국 캘리포니아 공대, 국내 KAIST 등 다양한 연구기관에서 개발 중인 인공광합성 기술 사례를 폭넓게 조사하였다. 태양광 패널과 광촉매 반응기를 결합한 시스템과 전기화학적 CO₂ 환원 기술을 중심으로, 이산화탄소를 메탄올, 일산화탄소, 수소 등 유용 화합물로 전환하는 원리와 기술적 특징을 상세히 정리하였다. 각 기술의 반응 효율, 에너지 소비량, 생산물의 순도 및 양산 가능성, 그리고 상용화를 위해 극복해야 할 기술적·경제적 한계점들을 면밀히 분석하였다. 이를 통해 인공광합성 기술이 아직 초기 연구 단계에 머무르고 있지만, 환경공학 분야에서 탄소 저감과 자원 재활용에 크게 기여할 수 있는 잠재력이 크다는 점을 확인하였다. 실제 기술 사례를 조사하면서 이론과 현실 사이의 간극을 체감할 수 있었고, 앞으로 연구가 더욱 활발해져야 함을 느꼈다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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본문 4. 해류 추적에의 활용
4.1. CFC가 해양에서 장기간 안정적으로 보존되는 이유
클로로플루오로카본(CFC)은 해양 환경에서 화학적 변형 없이 장기간 안정적으로 존재할 수 있는 대표적인 불활성 물질이다. 이러한 특성은 CFC가 해류 추적자로 이상적으로 작용할 수 있는 과학적 기반이 된다.
첫째, CFC는 강한 탄소-플루오린 및 탄소-염소 결합으로 이루어져 있으며, 특히 탄소-플루오린 결합의 결합 에너지는 약 485 kJ/mol에 이르러 일반적인 해양 환경에서 자발적으로 분해되지 않는다. 둘째, CFC는 미생물에 의한 생물학적 분해에도 극히 둔감한 구조를 갖고 있어, 해양 생물이나 효소에 의해 대사되거나 파괴되지 않는다. 셋째, CFC는 성층권에서는 자외선에 의해 광분해되어 라디칼을 생성하지만, 해양 수표면 아래에서는 이러한 자외선(UVC)의 도달이 거의 불가능하므로 광분해 역시 일어나지 않는다. 이처럼 해양 내에서는 산화, 환원, 광분해, 생분해 등의 화학적 반응 경로가 거의 차단되어 있어, CFC는 해수 내에서 오랜 시간 동안 본래의 화학적 형태를 유지한다.
이와 같은 특성 덕분에 CFC는 해수에 용해된 후에도 안정적으로 이동하며, 대기 중 농도 변화 이력과 결합하여 해양 순환 및 수괴의 연대를 추정하는 데 활용될 수 있다.
4.2. CFC를 통한 해양 연대 측정 원리
CFC는 해수 표면에서 대기 중 CFC 농도에 비례하여 용해되고, 이후 심해로 침강하면서 해류를 따라 이동한다. 이때 CFC는 해양 내부에서 반응 없이 그대로 이동하므로, 특정 위치에서 해수 샘플을 채취하여 CFC 농도를 측정하면 그 물이 대기와 마지막으로 접촉한 시점을 추정할 수 있다. 이를 ‘추적자 유래 연령(Tracer-derived age)’이라 하며, 대기 중 CFC 농도의 시간 변화 기록과 비교하여 산정된다.
이때 사용되는 주요 지표는 CFC의 분압(partial pressure)으로, 해수 중 CFC 농도를 온도(T)와 염도(S)에 따른 용해도 함수 F(T, S)로 나누어 산정한다. 수학적으로는 다음과 같이 표현된다.
pCFC = [CFC] / F(T, S)
여기서 [CFC]는 측정된 해수 내 CFC의 농도이고, F(T, S)는 주어진 온도와 염도 조건에서의 CFC 용해도를 의미한다. 용해도 F는 실험적으로 측정된 값을 기반으로 온도와 염도 함수로 표현되며, 대기압 1 atm 하에서 다음과 같은 방정식으로 근사된다.
ln F = a₁ + a₂(100/T) + a₃ln(T/100) + a₄(T/100)² + S[b₁ + b₂(T/100) + b₃(T/100)²]
여기서 a₁a₄, b₁b₃는 실험을 통해 결정된 상수들이다. 계산된 pCFC 값은 과거의 대기 중 CFC 농도 이력과 비교하여, 해당 해수 덩어리가 해양 표면에서 마지막으로 대기와 접촉했던 시점을 산출한다. 이로써 특정 수괴의 ‘나이’를 추정할 수 있으며, 해류의 이동 속도 및 혼합 패턴을 분석하는 데 활용된다.
최근에는 CFC의 대기 농도가 정체 또는 감소함에 따라, 유사한 특성을 가지며 대기 농도가 증가 중인 육불화황(SF₆)도 보조 추적자로 활용되고 있다. SF₆ 역시 화학적 비활성성을 갖고 있으며, 해양에서의 반응성이 낮아 CFC와 병행하여 보다 정밀한 수괴 연대 측정이 가능하다.

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6) 3일차 탐구한 내용

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6) 3일차 탐구한 내용

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유기 비료의 개념과 종류

유기 비료는 동식물 유래의 천연 자원을 원료로 하며 토양에 천천히 작용하여 장기적인 토양 건강을 유지할 수 있도록 도움.

주요 종류로는 퇴비, 녹비, 가축 분뇨, 어분, 깻묵 등이 있음

유기 비료의 장점

토양의 유기물 함량을 증가시켜 미생물 활성 촉진

장기적으로 토양 구조 개선 및 비옥도 유지

화학 성분에 의한 오염 가능성 낮음

탄소 저장 효과로 기후 변화 완화에 기여 가능

단점 및 한계점

효과 발현이 느려 작물의 급속한 생장에는 한계

비료 성분의 함량이 일정하지 않아 관리가 어려움

대량 생산 시 공간·비용·노동력이 많이 필요

친환경 농법과의 연계

무경운 농업, 작물 윤작, 혼작 등을 통해 토양 보호

유기 비료와 병행 시 토양 생태계 복원에 긍정적 효과

소비자 수요 증가로 지속 가능한 농업 생태계 기반 마련 가능

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<가상 환자 환경을 적용한 시뮬레이션>

자기조립 항암 치료제를 실제 환자에게 가상으로 적용해보기 위해서는, 각 환자에게 나타나는 암세포 미세환경의 차이를 반영해 맞춤형 설계를 해야한다. 암세포 주변 환경 조건인 pH, ROS 농도, 효소 발현 등이 서로 다른 세 명의 가상 환자를 설정하고, 각 환자의 특성에 맞는 치료제의 화학적 구조와 자기조립 조건을 조합하여 시뮬레이션을 했다. (*자기조립 치료제의 핵심 화학 메커니즘을 중심으로 단순화된 환경 조건을 기반으로 구성했으며, 실제 생체 내의 복잡한 반응 요소들은 포함하지 않았다.*)

[가상 환자1]

가상 환자1은 종양 미세환경의 pH가 6.5로 정상 조직보다 약산성을 띠며, 암세포 내에 ALP 효소가 과발현된 상태이다. 이 환자를 위한 약물 분자는 석시닉 아미드 결합을 포함하여 pH 6.5 이하의 산성 환경에서 화학적으로 절단되도록 설계되었다. 동시에 ALP 효소에 의해 절단될 수 있는 인산기 결합 구조도 함께 도입하여 이중 안전장치를 구현하였다. 작용 메커니즘은 약물이 종양 주변에서 단분자 형태로 변환된 후, 소수성 상호작용에 의해 나노입자 구조로 자기조립한다. 이후 세포 내 리소좀으로 유입되어 구조적 압력을 유도하고 가수분해 효소 방출 및 세포사멸을 유도한다.

[가상 환자2]

가상 환자2는 pH 6.8로 중성에 가까운 환경을 가지지만, 세포 내 ROS 농도가 매우 높은 상태이다. 이 환자를 위한 약물 분자는 이황화결합을 도입하여 ROS 환경에서 화학적 절단이 일어나도록 설계되었으며, 절단 후 단분자는 소수성으로 전환되도록 구성되었다. 작용 메커니즘은 세포 내에서 ROS에 의해 결합이 절단되고 자기조립이 시작되며 B(베타)-시트 기반 나노섬유 구조로 자기조립한다. 이후 TPP 리간드를 통해 미토콘드리아에 특이적으로 도달하고, 미토콘드리아 막 손상을 유도하여 에너지 대사 억제 및 세포사멸을 유도한다.

[가상 환자3]

가상 환자3은 pH 5.8로 가장 강한 산성 환경을 가지며, 세포 내 Tyr kinase 효소가 과발현된 상태이다. 이 환자를 위한 약물 분자는 산성 환경에서 절단되는 석시닉 아미드 결합을 도입하고, Tyr kinase 효소에 의해 반응하여 활성화되는 구조를 포함하도록 설계되었다. 작용 메커니즘은 약물이 pH 5.8에서 단분자화되고 Tyr kinase에 의해 활성화된 후, 소수성 전환이 일어나고 구형 나노입자 구조로 자기조립한다. 이후 세포핵 주변에 축적되어 핵막 손상 또는 유전자 발현 교란을 유도하여 세포사멸을 유도한다.

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지금까지 조사한 헤모글로빈의 광흡수 특성이 실제 측정 기기에서 어떻게 구현되는지를 중심으로, 맥박산소측정기의 구성 요소와 작동 방식에 대해 보다 구체적으로 분석하였다. 측정기는 일반적으로 두 개의 LED와 하나의 수광 센서, 그리고 내부 알고리즘 모듈로 이루어져 있으며, 손가락 끝에 장치를 부착하면 두 파장의 빛( 적색광과 적외선)이 피부와 혈관을 투과하게 된다. 이때, 수광 센서는 반대편에서 도달한 빛의 강도를 감지하여, 각 파장에서의 흡광도를 계산하는 데 필요한 데이터를 수집한다. 수광 센서에는 광학 필터가 부착되어 있어 각 파장에 해당하는 빛만 선택적으로 통과시키며, 주변 조명이나 체온 등 외부 요인으로 인한 간섭을 최소화한다.

맥박산소측정기의 중요한 특징 중 하나는, 혈관 내 동맥혈의 맥박에 동기화된 데이터만을 분석한다는 점이다. 심장이 수축과 이완을 반복할 때, 손끝 모세혈관의 혈액량은 주기적으로 증가하거나 감소하게 되며, 이로 인해 흡광도 또한 미세하게 변화한다. 측정기는 이처럼 박동에 따라 달라지는 흡광도의 변화를 감지하고, 두 파장에서의 상대적 흡광도 비율을 통해 산소포화도를 추정한다. 예를 들어, 산소포화도가 높은 경우에는 적외선(940nm)의 흡수가 더 크고 적색광(660nm)의 흡수는 작으며, 반대로 산소포화도가 낮은 경우에는 두 파장의 흡수 패턴이 반대가 된다. 실제 공개된 측정 그래프에서는 이러한 흡광도 비율이 어떻게 SpO₂ 수치로 환산되는지를 수치화된 곡선으로 확인할 수 있었다.

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수집한 실험 데이터를 정리하여 pH에 따른 각 약물의 이온화율, 용해도, 흡수 가능성 간 상관관계를 분석함. 특히 pKa와 pH의 차이가 클수록 약물은 이온화되기 쉬우며, 이온화율이 높아질수록 세포막 통과가 어려워진다는 사실을 수치적으로 도출하였다.

각 약물에 대해 다음과 같은 분석을 실시함:

-이온화율 계산: 각 pH 조건에서 이론적으로 비이온화 상태의 비율을 계산

-흡광도 측정값과의 비교: 이론값과 실험값 간 오차율 분석

-옥탄올/물 분배 실험 결과와 연계하여 logP 값을 추정하고, 생체막 친화도 추정

이 결과를 그래프로 시각화하여, pH 변화에 따른 각 약물의 흡수 경향을 한눈에 확인할 수 있도록 하였으며, pKa와 환경 pH의 차이(ΔpH)**가 1 미만일 때 흡수율이 급격히 상승하는 경향을 포착함.

이를 바탕으로 pKa를 조절한 약물 설계, 또는 위장관 환경을 고려한 제제 형태의 중요성(장용정, 서방형 등)에 대한 약물학적 시사점을 도출함.

또한 고교 수준을 넘는 확장적 사고로, 약물의 생체이용률(bioavailability)과 1차 통과 효과(first-pass effect)에 대해서도

간단히 조사하고, 경구 약물의 설계 시 복합적인 고려사항을 정리하였다.

탐구 결과를 토대로, 약물의 pKa와 위장관 내 pH 환경 사이의 상관관계가 약물 흡수의 주요 결정 인자임을 명확히 파악함. 또한 단순한 이론 이해에 그치지 않고, 이를 직접 실험적으로 검증하고, 수치 및 그래프로 표현한 점에서 실험의 과학적 완성도를 높였음. 고찰에서는 다음과 같은 내용을 심층적으로 다룸:

-약물 설계 측면: 흡수가 잘 되도록 약물의 pKa를 조절하거나, 방출 부위를 조절하는 코팅 기법 활용

-의약품 제형 기술: 위에서 분해되지 않도록 장용정(enteric-coated tablet)을 사용하는 이유를 pKa 관점에서 설명

-개인 맞춤 의약학: 위산 과다/저하 환자에서 약물 흡수가 어떻게 달라질 수 있는지를 약물 동태학적 시각에서 분석또한 생물학(소화기관의 pH 환경 및 구조), 화학(pKa, 산염기 반응, 분배계수), 물리학(확산과투과, 농도 구배 개념) 등의 개념이 융합적으로 활용되었으며,이를 기반으로 과학탐구 보고서를 작성하여 문헌 기반 이론 → 실험 설계 → 결과 분석 → 실생활 응용까지 아우르는 고차원적 사고 역량을 드러내도록 정리함.

본 프로젝트를 통해 고등학생 수준을 넘어선 약물학적 접근과 융합 탐구 능력을 기를 수 있었고, 복잡한 생체 환경에서의 약물 거동을 이해하는 데 중요한 이론적 기반을 갖추는 계기가 되었음.

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인공광합성 기술의 한계점과 환경공학적 활용 가능성을 문헌과 사례를 통해 종합적으로 분석하였다. 광촉매 반응 효율이 아직 낮고, 자외선에 주로 의존하는 특성 때문에 자연광 조건에서 성능 저하 문제가 발생한다는 점이 큰 한계로 나타났다. 또한 대규모 CO₂ 포집과 반응 장치 구축에 필요한 경제적 비용과 전력 소비 문제도 함께 검토하였다. 그럼에도 불구하고 이 기술은 단순한 이산화탄소 저감이 아니라 메탄올, 수소 등 유용 자원으로 전환하는 점에서 기존 탄소 저감 방식과 차별화된 장점을 가진다. 폐기물 재활용 및 에너지 저장 기술과의 융합 가능성도 크며, 탄소중립 사회 실현에 기여할 중요한 환경공학 기술임을 확신하였다. 이번 탐구를 통해 환경문제 해결에 필요한 융합적 사고와 기술 개발의 중요성을 다시 한 번 느끼게 되었다.

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미세플라스틱이 환경 문제로 이어지는 과정을 발생 → 분해 저항성 → 해양 내 확산 → 생물학적 축적의 흐름으로 정리하면서, 이 문제가 단순한 쓰레기 문제가 아니라 생태계 전체에 영향을 주는 오염이라는 걸 더 확실히 이해하게 되었다.

그래서 이 문제를 해결하기 위해 어떤 방법이 있을지 여러 자료와 사례를 참고하며 고민해보았다. 환경공학 쪽에서는 부유성 미세플라스틱 수거 장치를 개발하거나, 기존 플라스틱을 대신할 생분해성 고분자를 더 널리 활용하는 방안, 또는 플라스틱 분해를 빠르게 도와주는 분해 촉진 기술에 대한 연구가 계속되고 있었다. 또 미세플라스틱이 바다에서 어떻게 퍼질지를 예측할 수 있는 확산 모델링 기술도 중요한 역할을 한다는 걸 알게 되었다.

생활 속에서는 1차 미세플라스틱이 포함된 제품 사용을 줄이거나 플라스틱 쓰레기를 적게 만드는 노력이 필요하다는 것도 느꼈다. 이런 부분은 기술만으로 해결되는 게 아니라 우리 생활 방식에서도 바뀌어야 할 점이 많다고 생각했다.

논문과 자료를 통해 한국 연안에서도 실제로 미세플라스틱이 다량 검출되고 있다는 사실을 알게 되면서, 이 문제가 멀리 있는 일이 아니라는 걸 실감했다. 보고서를 정리하면서는 지금까지 배운 내용을 내 생각대로 정리해볼 수 있었고, 단순한 정보 수집을 넘어서 환경공학이라는 분야에서 어떤 식으로 문제를 바라보고 해결하려고 하는지를 깊이 고민해볼 수 있는 시간이었다.

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5. CFC 제거 최신 연구 동향
CFC의 환경적 위해성이 널리 알려지면서, 이 물질을 효과적으로 제거하기 위한 다양한 기술적 접근이 시도되고 있다. 특히 그중에서도 열플라즈마를 이용한 분해 기술은 높은 온도와 빠른 반응속도를 바탕으로 주목받고 있다. 차우병 외(1998)의 연구에서는 대표적 CFC인 CFC-113(C₂Cl₃F₃)을 대상으로 열플라즈마 반응기를 활용한 실험적 분해 공정이 수행되었다.
해당 연구에서는 **아르곤 플라즈마(Ar plasma)**를 발생시킨 후, 그 안에 CFC-113, 산소, 수소의 혼합 기체를 주입하여 분해 반응을 유도하였다. 플라즈마의 고온 환경(3,000~5,000K)에서는 CFC가 탄소, 염소, 플루오린 등의 라디칼 형태로 분해되며, 이후 CO, CO₂, HF, HCl 등으로 재조합된다. 실험 결과, CFC-113의 분해율은 99.99% 이상에 도달하였으며, 이는 기존의 소각 방식에 비해 매우 우수한 분해 효율이다.
또한 반응 조건에 따른 생성물 조성 변화도 분석되었다. 산소 농도를 증가시킬 경우 CO₂의 생성이 증가하고 CO는 감소하였으며, 수소 농도를 증가시키면 HCl, HF 등의 산성 기체 생성이 유리해졌다. 냉각관의 직경이 작을수록(즉, 급랭 속도가 빠를수록) 중간 라디칼들의 재결합이 억제되어 더 높은 전환 효율을 달성할 수 있었다. 반면, 플라즈마의 전력은 일정 수준 이상에서는 반응 효율에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
이 연구의 의의는, 단순한 고온 처리뿐 아니라 화학 반응 메커니즘의 열역학적 계산을 통해 반응 경로를 예측하고, 부산물 발생 없이 안정한 생성물만을 유도할 수 있다는 점이다. 실제로 다이옥신과 같은 2차 유해물질은 관찰되지 않았으며, 이는 열플라즈마 기술이 친환경적이고 제어 가능한 CFC 처리 방법임을 입증한다.
따라서 열플라즈마 공정은 고온에서의 완전 분해, 반응 조건의 세밀한 조절 가능성, 환경친화적 생성물 조성 등의 장점을 갖는 최신 기술로, CFC 폐기 및 처리 분야에서 유망한 대안으로 평가받고 있다.

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지속 가능한 비료 사용을 위한 기술적 대안

정밀 농업: 드론, 센서, 위성 등을 활용하여 작물 상태에 따라 정밀하게 비료를 투입함으로써 과잉 사용 방지

완효성 비료: 천천히 녹아 작물에 일정 기간 동안 영양을 공급하여 비료 유실 및 환경 오염 최소화

바이오비료: 특정 미생물을 이용하여 질소 고정 또는 인산 가용화 기능을 높여주는 비료

국가 및 지역 단위의 정책 사례

유럽연합: 질소 비료 사용 제한, 농민 교육 및 친환경 농법 장려 정책

대한민국: 친환경 인증제도 운영, 유기농 농가에 보조금 지원

인도: 그린 레볼루션 이후 질소 비료 과잉 사용 문제에 대응하기 위한 비료 보조 정책 개편 진행

지속 가능한 농업을 위한 종합적 접근

단순히 화학 비료를 줄이는 것이 아니라 토양 건강 관리, 농민 교육, 소비자 인식 개선이 병행되어야 함

지속 가능한 식량 체계 전환을 위해 민관 협력과 국제 협약이 중요

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어제 도출된 설문의 결과와 다양한 학술 자료를 종합하여 탐구활동을 종합해보는 시간을 가졌다. 디지털기술에서 소외되고 있는 인간의 정체성 문제에 관심을 가지고 이를 정보+국어과목에서 배운 내용들을 확장하여 나의 생각을 정리하는 PPT자료를 제작하고 있는 중이다. 현재 발표자료의 목차와 대략적인 근거가 되는 내용을 조직하였으며 내일 나의 주장을 명확히 할 수 있는 자료를 보완하여 융합적인 사고를 돕는 발표자료를 제작하려 한다.

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8) 과세특에 반영되었으면 하는 내용(1500바이트 미만으로 작성하기)

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8) 과세특에 반영되었으면 하는 내용(1500바이트 미만으로 작성하기)

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산소포화도의 의미와 의료 현장에서의 활용 원리를 중심으로 탐구를 수행하며 생명과학과 화학 교과 개념을 융합적으로 적용하였다. 산소포화도는 혈액 내 총 헤모글로빈 중 산소와 결합한 헤모글로빈의 비율을 나타내는 수치로, 인체의 산소 운반 능력 및 대사 상태를 평가하는 데 활용되는 대표적인 생리학적 지표이다. 특히 맥박산소측정기는 손가락 끝에 센서를 부착하는 것만으로 산소포화도를 비침습적으로 측정할 수 있어 임상 현장에서 널리 사용되고 있으며, 해당 장치의 작동 원리와 생체분자의 물리·화학적 특성을 중심으로 탐구를 전개하였다.

탐구 초반에는 헤모글로빈의 구조와 산소 결합 특성을 중점적으로 분석하였다. 헤모글로빈은 네 개의 폴리펩타이드 사슬과 네 개의 헴 구조로 이루어져 있으며, 헴 중심에 위치한 철 이온이 산소 분자와 결합하여 산소 운반 기능을 수행한다. 이 결합 과정은 분자의 입체구조 및 전자 상태에 영향을 미치며, 그 결과 빛에 대한 흡수 특성 또한 달라진다. 산소가 결합된 HbO₂는 940nm의 적외선 영역에서 높은 흡광도를, 산소가 결합되지 않은 Hb는 660nm의 적색광 영역에서 높은 흡광도를 보인다. 이러한 파장별 흡광도 차이를 이용하면 두 파장에서의 빛의 흡수량을 비교 분석함으로써 HbO₂와 Hb의 비율을 간접적으로 산출할 수 있으며, 이를 통해 산소포화도가 계산된다.이후에는 화학 I에서 배운 광흡수 원리와 ‘람베르-베르 법칙(A = εcl)’을 이론적 기반으로 하여 측정 원리를 분석하였다. 이 법칙에 따르면 흡광도는 물질의 농도와 광로 길이에 비례하며, 분자의 몰흡광계수(ε)는 파장에 따라 달라진다. 이를 맥락에 맞게 적용하면, 맥박산소측정기는 맥박에 따라 변화하는 동맥혈의 광학적 특성만을 감지하여 HbO₂와 Hb의 상대적 농도를 추정하고, 이를 산소포화도로 환산하는 정교한 알고리즘이 적용된 기기임을 알 수 있었다. 마지막으로 실제 장치의 구성 요소를 분석하며 탐구를 확장하였다. 측정기는 서로 다른 파장의 빛을 방출하는 두 개의 LED, 수광 센서, 광학 필터, 아날로그-디지털 변환 회로, 그리고 맥박에 동기화된 신호 분석 알고리즘으로 이루어져 있다. 수광 센서는 반대편에서 통과된 빛의 강도를 실시간으로 감지하며, 광학 필터는 주변 광 간섭을 줄이고 특정 파장의 신호만 선택적으로 감지하는 역할을 수행한다. 측정 원리는 교과 개념에 기반하되, 실제 의료기기 기술과 밀접하게 연결되어 있다는 점에서 학생은 이론과 실생활 기술의 융합을 적극적으로 탐색하였다.이번 탐구를 통해 교과서에서 배운 생물학적 산소 운반 기작과 화학적 흡광도 원리가 실제 의료 기술에 어떻게 활용되는지를 분석함으로써 과학적 개념의 응용 가능성과 통합적 사고의 중요성을 체감하였다. 단순한 정보 습득에 그치지 않고 이론을 실제 상황에 적용해보고자 하는 자기주도성과 깊이 있는 탐구 역량이 돋보였으며, 생명현상의 정량적 분석과 의료기술에 대한 관심을 바탕으로 과학적 사고력을 심화시켜 나가는 태도를 보였다.

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약물의 흡수 과정에 대한 이론적 이해를 바탕으로, pKa와 위장관 pH의 차이가 약물 흡수율에 미치는 영향을 중심으로 심화 탐구를 수행함. 위(pH 1.5), 십이지장(pH 6.0), 공장(pH 7.4) 등 인체 소화기관의 pH 환경과 약물의 pKa 값을 비교 분석하고, 헨더슨-하셀발흐 방정식을 활용해 다양한 조건에서의 이온화율과 흡수 가능성을 수치적으로 계산함. 아스피린, 이부프로펜, 아세트아미노펜 등의 사례를 중심으로 pH와 pKa의 차이가 1 미만일 때 비이온화 상태의 비율이 증가하며 흡수가 용이해진다는 이론적 근거를 도출함. 이와 함께 약물의 용해도, 지용성(logP), 생체이용률, 제형 설계(장용정, 서방형) 등의 개념을 종합적으로 정리하며, 위장관 환경에 따른 약물의 효과적 전달 전략에 대해 고찰함. 약물 작용의 원리를 생물학, 화학, 물리학 관점에서 통합적으로 이해하고 이를 실제 인체 적용과 연계하여 사고한 점에서 융합적 사고력과 실질적 적용 능력을 보여줌.

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기후변화의 주원인인 이산화탄소를 줄이기 위한 인공광합성 기술에 대해 조사하였다. 자연광합성의 원리부터 광촉매 반응 메커니즘, 세계 각국 연구 사례, 기술의 한계와 환경공학적 가치를 순차적으로 탐구하였다. 광촉매가 빛을 이용해 CO₂를 유용 화합물로 전환하는 과정을 분석했고, 현재 기술이 실용화 단계까지는 아직 어려움이 있으나 탄소중립 사회 실현에 기여할 가능성이 크다는 점을 확인하였다.

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환경문제에 대한 관심을 바탕으로 ‘미세플라스틱’을 주제로 과학적 탐구를 수행하였다. 1일차에는 미세플라스틱의 정의와 발생 원인을 조사하고, 고등 과학 교과서를 바탕으로 고분자 화합물의 개념을 복습한 뒤 국내외 논문을 참고하여 기초 지식을 정리하였다. 2일차에는 화학Ⅱ에서 배운 고분자 화합물의 구조와 특성, 분해 저항성에 주목하여 미세플라스틱이 자연환경에서 잘 분해되지 않는 원인을 분자 구조 차원에서 분석하였다. 3일차에는 해류와 해양순환을 통해 미세플라스틱이 전 지구적으로 확산되는 과정을 조사하고, 먹이사슬을 따라 플랑크톤, 어류, 해양 포유류, 인간에게까지 축적되는 생태계 전이 구조를 구체적으로 정리하였다. 특히 서해 연안 어류의 30% 이상에서 미세플라스틱이 검출된 국내 연구 사례와 북태평양 거대 쓰레기 지대처럼 실제 환경 오염 사례를 바탕으로 문제의 심각성을 체감하였다. 4~5일차에는 탐구 내용을 종합하여 생분해성 고분자 개발, 부유성 미세플라스틱 수거 기술, 확산 모델링 등 환경공학적 해결 방안을 정리하고, 플라스틱 소비와 관련된 사회 인식 개선의 필요성도 함께 고민하였다. 내가 수행한 탐구는 과학 개념을 현실 환경문제에 적용한 경험이자, 환경공학 진로에 대한 학문적 흥미와 실천 의지를 더욱 확고히 다지는 계기가 되었다.

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과거 블루머신을 읽고 작성한 보고서에서 염화플루오로탄소 CFC가 오존층을 파괴하는 동시에 해류 추적에 활용된다는 상반된 특성에 흥미를 느꼈고, 이 물질의 분자 구조와 반응성을 중심으로 보다 깊이 있는 화학 탐구를 진행하게 되었다. CFC는 강한 탄소-플루오린 및 탄소-염소 결합으로 인해 매우 안정적인 구조를 가지며, 이로 인해 대기 중에서는 수십 년간 분해되지 않다가 성층권에서 자외선에 의해 염소 라디칼을 생성하고, 이 라디칼이 오존과 연속적으로 반응하며 오존층을 파괴하는 광화학 순환 반응을 일으킨다. 반면 해양에서는 자외선이 도달하지 않고 생물학적, 광화학적 분해가 일어나지 않아 장기간 원형을 유지할 수 있으며, 이러한 특성은 CFC가 해수 내에서 이동하며 수괴의 연령과 해류 경로를 추적하는 데 활용되는 근거가 된다. 이처럼 동일한 화합물이 환경에 따라 전혀 다른 반응성과 역할을 보인다는 점에서 화학적 호기심이 더욱 증대되었고, 이를 바탕으로 CFC를 제거하기 위한 실제 기술에 대한 탐구로 나아갔다. 특히 열플라즈마를 이용한 CFC 분해 기술을 다룬 1998년 실험 논문을 분석하면서, CFC-113이 고온의 아르곤 플라즈마 환경에서 산소와 수소 기체와 함께 반응하며 거의 완전하게 분해된다는 점, 생성물 조성과 냉각 조건이 반응 효율에 큰 영향을 준다는 점을 확인하며, 이론적 탐구를 실제 기술적 해결 방식으로 연결하는 심화된 화학적 탐구를 수행하였다.

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(예시) 자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 '❶’ 주제를 선정하고 스스로 ❹핵심 질문(~, ~, ~)을 만들어 답을 찾는 탐구활동을 수행함. 이를 위해 ❻~,~,~,~, 등의 핵심 키워드로 자료를 조사함. ❼참고도서(~, ~, ~) 책을 읽고, ❽독서활동을 통해~, ❾조사 및 사례 분석~ 등을 학습함. ❿나만의 특색 활동/ 해결 방안으로 ~를 제안함.

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자율적교육과정 보고서 제출용 30611 박소윤

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3D 바이오프린팅에 대한 윤리적 문제에 대해 탐구했다.

1. 인간 생명과 존엄성에 대한 위협

인공 장기 제작은 인간 복제 논란으로 이어질 수 있다. 인공 장기를 대량으로 제작하거나, 이식용 장기뿐 아니라 신체 일부 또는 전체를 재현하려는 시도가 확대될 경우, 인간 복제나 ‘인간 제조’에 대한 윤리적 우려가 제기된다. 또한 인간과 기계의 경계가 모호화된다. 바이오 프린팅된 조직이 기계적 요소와 결합되면, 인간과 인공물의 경계가 흐려져 생명에 대한 철학적 정의가 혼란스러워질 수 있다.

2. 형평성과 접근성 문제

경제적 불평등이 발생한다. 바이오 프린팅 기술은 고가의 장비와 전문 인력을 필요로 하기 때문에, 일부 국가나 부유한 계층에만 의료 혜택이 집중될 우려가 있다. 또한 기술 독점 문제가 발생할 수 있다. 일부 기업이나 국가가 핵심 기술이나 세포주를 독점할 경우, 생명권과 의료 접근권에 있어 불공정이 발생할 수 있다.

3. 개인 유전자 및 생체 정보의 오남용

환자 맞춤형 장기 제작은 유전자 정보 수집을 필요로 한다. 이 과정에서 개인의 유전자 정보가 대량으로 수집·저장되며, 해킹이나 상업적 오남용 위험이 존재한다. 또한 프라이버시 침해가 발생할 수 있다. 개인 생체 조직이나 세포를 이용한 제작 과정에서 동의 없이 유전자 정보가 활용될 경우, 생명 윤리적으로 큰 문제가 된다.

4. 실험윤리와 생체 조직의 권리 문제

실험 대상의 윤리 문제가 발생한다. 생체 프린팅 기술을 인간에게 적용하기 전 동물 실험이 이루어지며, 그 과정에서 동물복지 문제가 제기된다. 또한 프린팅된 조직의 권리 문제가 발생한다. 인공적으로 만들어진 뇌세포나 신경 조직이 자율성을 가지게 된다면, 그것이 생명체로 간주되어야 하는지에 대한 윤리적 물음이 생긴다.

5. 생명체의 ‘재설계’ 가능성이 있다.

‘기능 향상’ 목적의 장기 제작이 있을 수 있다. 치료가 아닌 성능 향상(ex. 근육 증강, 기억력 강화 등)을 위한 인공 장기 제작은 인간의 자연성과 윤리적 기준을 훼손할 수 있다. 그리고 디자이너 인간에 대한 윤리적 문제가 있다. 특정 능력을 강화한 인공 기관을 가진 사람을 인위적으로 만들어내는 것이 현실화되면, 생명체를 공학적으로 조작하는 데 따른 철학적·윤리적 논란이 불가피하다.

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화학 비료가 작물 생장에 긍정적인 역할을 하지만 장기적으로 환경에 부정적인 영향을 줄 수 있다는 점에 흥미를 느끼고 탐구를 시작함. 질소, 인, 칼륨 등 주요 성분이 식물에 미치는 영향을 조사하며 화학 비료의 원리를 이해하였고 특히 질소 비료가 토양 산성화, 부영양화, 온실가스 발생 등 다양한 환경 문제를 유발한다는 사실을 알게 되며 문제의식을 가짐. 이를 바탕으로 유기 비료와 바이오비료, 정밀 농업 기술 등 대체 방안들을 조사하고 각 비료의 효과와 환경적 영향을 비교 분석함. 정책적 사례와 해외의 지속 가능한 농업 방식까지 자료를 확장하여 과학적 관점에서 실생활 문제를 바라보는 통합적 사고를 기름. 화학 비료의 의존도를 줄이기 위한 다양한 과학적 시도들을 통해 지속 가능한 농업의 중요성을 인식하고 과학이 환경 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지를 깊이 성찰함.

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자율적 교육과정

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자율적 고육과정 탐구 보고서 30519조이령

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3D 바이오프린팅 기술을 이용해 당뇨 치료를 위한 새 플랫폼을 개발했다는 뉴스를 읽고 3D바이오프린팅에 대해 흥미가 생겨서 자율적 교육과정 프로젝트에 참여하여 '의료분야에서 3D 바이오프린팅의 전망 및 윤리적 문제' 라는 주제를 선정하고 스스로 핵심 질문(현재 어떻게 사용되고 있는가?, 어떤 분야들에서 무엇을 위해 사용될 수 있는가?, 어떤 윤리적 문제가 발생할 수 있는가?)을 만들어 답을 찾는 탐구활동을 수행함. 이를 위해 3D 바이오프린팅, 인공장기, 3D 바이오프린팅의 윤리적 문제 등의 핵심 키워드로 자료를 조사함. 참고도서 '세상을 바꿀 미래 의학 설명서' 책을 읽고, 3D 프린터는 임신을 돕는 3D 프린팅 난소, 인공 연골 제작, 폐, 장기 부족 문제 등 다양한 분야에서 큰 역할을 한다는 것을 알게 됨. 조사 및 사례 분석으로 '3D 바이오 프린팅 기술 현항과 응용' 이라는 논문을 읽고 약물을 개발할 때 약물에 대한 효능 및 부작용을 인공장기로 알아볼 수 있음을 알게 됨. 인터넷을 통해 인간 생명과 존엄성에 대한 위협, 형평성 문제, 개인 유전자 및 생체 정보의 오남용 등 다양한 윤리적 문제들에 대해 알아봄. 이에 대해 안전한 사용을 위해서는 명확한 법적·윤리적 규제를 마련하고 공정한 접근성 마련 및 기술 오남용 방지 교육 및 윤리 교육을 할 필요가 있다고 생각함.

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3) 주제선택 이유(동기)

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3) 주제선택 이유(동기)

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기후변화의 주요 원인인 이산화탄소 증가 문제를 해결하는 다양한 기술 중에서, 식물의 광합성을 모방해 태양광을 이용해 CO₂를 분해하거나 유용한 화합물로 전환하는 ‘인공광합성’ 기술에 큰 관심을 가지게 되었다. 이 기술은 환경공학 분야와 밀접하게 연관되어 있으며, 미래 탄소중립 사회 실현에 중요한 역할을 할 수 있다고 생각했다. 교과 지식과 연계하여 인공광합성의 원리와 작동 메커니즘을 이해하고, 현재 기술의 한계와 발전 가능성을 탐구함으로써 환경 문제 해결에 기여할 수 있는 방안을 모색하고자 본 주제를 선정하였다.

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