핵심내용
침습형 첨단 의료기기, 만능 재주꾼 물 옷을 입다
수계 기반 친환경적 공정으로 고성능, 다기능성 코팅기술 확보
실제 카테터 적용가능성 확인
□ 국내 연구진을 통해 방사선 조사와 딥코팅 기술의 장점을 융합한 고성능·다기능성의 첨단 의료기기용 코팅기술이 소개됐다.
※ 방사선 조사 기술 : 높은 에너지 빛 또는 입자를 물체에 쬐어 활성화하는 기술
※ 딥코팅 기술 : 물체를 코팅 용액에 침지한 후 끌어올려 표면에 코팅제를 도포하는 기술
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 유승화 교수(전북대학교), 최동윤 수석연구원(한국생산기술연구원)과 이동윤 교수(경북대학교) 공동연구팀이 생분해성 천연고분자인 키토산 유도체(O-CMC) 단일소재 코팅층을 형성하여 고성능·다기능성(항균, 항혈전, 저마찰 등) 표면을 갖는 심혈관 의료기기 코팅 기술을 개발했다고 밝혔다.
※ 키토산 유도체(O-carboxymethylchitosan, O-CMC) : 분자구조를 변형시킨 키토산
□ 기존의 카테터 다기능화 기술은 고분자로 구성된 카테터 표면에 혈관벽 손상 방지를 위해 친수성 코팅으로 저마찰성을 부여하며, 동시에 항균 및 항혈전성 도입을 위해 항생제, 은 이온 및 헤파린과 같은 제재들을 코팅층에 복합화 함으로써 실현하고 있다.
○ 하지만, 코팅층으로 부터 용출되는 첨가제들에 의해 항균 및 항혈전성 성능이 서서히 감소하여 장기간 사용이 어렵고, 합성 제조된 친수성 코팅제의 체내 박리에 의한 합병증 유발, 항생제 내성 등의 부작용이 발생할 수 있다.
○ 또한, 기존의 코팅법은 고분자 표면에 코팅층을 강하게 결합시키기 위해 인체에 잠재적 위협이 되는 독성, 휘발성 유기용매를 활용한다.
□ 이에 연구팀은 물 기반 친환경적 제조공정 하에 O-CMC 코팅층 및 의료기기 표면에 강한 결합을 유도하는 전자빔 그래프트 중합법과 체내 분해 특성을 갖는 O-CMC의 딥코팅법을 융합하여 고성능·다기능성 혈관 내 카테터를 제조하였다.
※ 전자빔 그래프트 중합법 : 고분자에 전자빔 조사로 생성된 활성 라디칼로 측쇄 고분자를 중합하는 방법
○ 특히, O-CMC 코팅층의 다기능성을 극대화하기 위해 코팅층을 다공성 스펀지 형상의 구조로 디자인하여 초친수성 표면을 제조하였으며, 이 구조는 혈관 내 미생물과 혈소판의 쌓임을 방지하는 부착억제(anti-adhesion)효과를 보였다.
○ O-CMC가 내재적으로 갖는 저마찰, 항균, 항혈전 특성과 함께 초친수성 표면의 부착억제 효과가 시너지를 일으킨 고성능의 다기능성 코팅층을 완성했다.
□ 나아가, 연구팀이 개발한 코팅방식을 실제 카테터에 적용하여 인공 모사혈관 추적력 평가를 수행한 결과, 적은 힘으로 쉽게 모사혈관을 통과하여 우수한 저마찰 특성을 검증함으로써 현재 시술에 사용되는 카테터로의 적용가능성을 확인하였다.
□ 연구팀은 전자빔 그래프트 중합법을 딥코팅법과 함께 활용하면 카테터 뿐만 아니라 혈관 필터, 혈관 이식편, 페이스 메이커, 소프트 로봇 등과 같은 다양한 의료기기들에 적용 할 수 있는 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 생애 첫 연구, 기본연구, 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 1월 7일 게재(온라인)되었다.
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상세내용
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논문명
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Polysaccharide-derivative coated intravascular catheters with superior multifunctional performance via simple and biocompatible method
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저널명
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Chemical Engineering Journal
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키워드
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Multifunctional coatings(다기능성 코팅), Polysaccharide(다당류), Vascular devices(혈관 기기), Antimicrobial activity(항균성), Antithrombotic activity(항혈전성), Low-friction(저마찰)
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DOI
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134565
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저 자
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유승화 교수(교신저자/전북대학교), 최동윤 박사(교신저자/한국생산기술연구원),
이동윤 교수(교신저자/경북대학교), 박세계 연구원(제1저자/한국생산기술연구원),
정재희 교수(참여저자/세종대학교), 신재학 연구원(참여저자/세종대학교)
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1. 연구의 필요성
○ 세계보건기구 보도자료에 따르면 심혈관 질환은 2019년 전 세계 사망자의 32%를 차지할 만큼 주요 사망 원인으로 손꼽힌다. 혈관 카테터는 혈관 내 삽입되어 심혈관 건강 상태를 진단하고 치료하기 위해 흔히 사용되는 수술용 의료기기로서, 심혈관 질환 관련 유병률의 높은 증가세와 함께 그 수요가 꾸준히 증가하고 있다.
○ 혈관 카테터를 사용한 수술 시 혈류감염, 혈전현상, 혈관 손상 등의 동시다발적인 심각한 합병증을 방지하기 위해서는 카테터 고분자 표면에 항균, 항혈전, 저마찰 특성을 동시에 갖는 다기능화를 필수적으로 행해야 한다. 현재의 다기능화 기술은 카테터 표면에 항생제, 금속이온, 헤파린과 같은 기능성 제재들을 복합화 한 하이드로겔 친수성 층을 코팅하여 다기능화를 실현하고 있다.
○ 하지만, 항생제의 내성문제와 함께 첨가 제재들이 코팅층으로부터 용출됨에 따라 항균 및 항혈전 특성의 점진적인 감소 문제가 있다. 또한, 기존의 코팅 기술은 표면에너지가 낮은 카테터에 기능성 고분자를 강하게 결합시키기 위해 전처리 공정을 거치는 것이 일반적이다. 그러나 전처리 과정의 사용 제재는 대부분 독성, 휘발성 유기용매 기반이기 때문에 작업자의 건강을 해치며, 코팅층 내 잔류용매로 인한 시술환자의 안전에 잠재적 위험이 있다.
○ O-CMC는 다양한 기능성(항균, 항혈전, 친수성 등)이 있음에도 불구하고, 미약한 성능으로 인해 타 키토산 유도체들에 비해 상대적으로 연구가 덜 되어 왔다.
○ 따라서 상기 언급한 다기능성 코팅 성능 한계뿐만 아니라, 인체 건강과 안전을 위협할 우려가 없는 새로운 개념의 코팅 기술이 필요하다.
2. 연구내용
○ 공동 연구팀이 개발한 코팅 기술은 방사선공학(전자빔 그래프트 중합법)과 고분자공학(딥코팅법) 표면처리 기술들의 장점을 융합하였다. 전처리 전자빔 그래프트 중합과 후처리 딥코팅법을 포함하는 전 공정을 친환경적인 수용액 기반으로 진행하였고, 생분해성 천연 고분자인 키토산 유도체 (O-Carboxymethyl chitosan, O-CMC) 단일소재로 코팅층을 구성하여 고성능 다기능성(항균, 항혈전, 저마찰) 표면을 갖는 것이 특징이다.
○ O-CMC는 상기 다기능성을 보유함에도 불구하고 항혈전 성능의 미약함으로 인해 타 천연고분자들에 비해 혈관질환 의료기기에 대한 연구가 상대적으로 미비하다. 본 연구팀은 O-CMC 코팅층을 porogen의 첨가 및 침출의 간단한 방법을 통해 micro- 및 nanoscale의 다공성 구조로 설계하여 초친수성 표면을 제작하였다. 다공성 구조로 인한 초친수성 특성은 표면에 강하게 결합된 수층을 형성하여 박테리아와 혈액응고를 일으키는 혈소판의 부착을 효과적으로 방지하였다.
○ 위 결과를 통해 O-CMC 고유의 다기능성에 초친수성 표면의 부착 방지 (anti-adhesion) 효과를 더해 항균, 항혈전 성능 측면에서 시너지 효과를 가짐을 입증하였다.
○ 나아가, 공동연구팀이 제안한 코팅법을 실제 카테터 튜브에 적용하여 인공 모사혈관 내 삽입 시 카테터와 혈관벽에 마찰로 인해 부여되는 하중을 실시간으로 측정하였다. 20 cm 길이의 모사 혈관을 통과하였을 경우 필요한 에너지는 대조군 대비 59% 감소하여 제안된 코팅법을 적용한 카테터의 우수한 저마찰 특성을 검증하였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구에서는 항균, 항혈전, 저마찰의 다기능성 혈관 카테터에 대해 고성능 표면 기능화 방법을 소개하였다.
○ 이론적으로 넓은 범위의 고분자 표면처리가 가능한 전자빔 그래프트 중합법을 딥코팅법과 함께 활용하면 본 연구에서 제안한 혈관 카테터 뿐만 아니라 혈관 필터, 혈관 이식편, 페이스 메이커, 혈관 소프트로봇 등과 같은 다양한 혈관 관련 의료기기들에 적용 가능한 기술이다.
○ 또한 유기용매를 사용하는 기존 코팅기술과 차별화된 전 공정 수계기반 기술로서 환자 건강뿐만 아니라 작업자 건강에 대한 잠재적인 위협 및 환경오염에 대한 우려가 적은 코팅기술을 제안하였다.
연구이야기
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
최소침습수술 의료기기인 혈관 카테터의 튜브 압출부터 후 공정 까지 아우르는 제조 기술 개발이 주요 연구 분야 중 하나이다. 고분자 기반 표면기능화를 테마로 연구를 시작 하면서, 혈관 카테터의 후 공정 중 하나인 코팅 기술에 대한 주요 애로사항들을 해결하고자 했다. 저마찰 코팅의 경우 높은 수준으로 상업화가 되었지만 혈류감염과 혈전증을 방지하는 항균, 항혈전 코팅 기술은 개발이 미비한 수준이다. 특히 주된 3가지 이슈를 모두 방지하는 다기능성 코팅 기술은 연구 보고 수준에 머문다. 더불어, 일반적으로 의료용 코팅 산업에서 사용되는 PVA, PVP 하이드로겔에 항생제, 금속이온, 헤파린등 기능성 물질을 복합화 하여 제작되는 코팅기술은 고분자 색전증, 항생제 내성 등 다양한 부작용을 초래한다. 따라서, 생분해성 및 다기능성의 장점을 갖는 천연 고분자 단일소재를 사용하여 독특한 코팅층 구조 디자인 등의 아이디어를 통해 앞서 언급한 이슈들을 해결할 수 있는 돌파구를 마련하고자 연구를 시작하게 되었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
혈관 삽입 의료기기의 표면기능화 기술에서 다기능성 천연고분자의 도입은 우수한 생체적합성, 생분해성 등의 장점을 가져올 수 있다. 현재까지 보고된 혈관 내 삽입되는 고분자 기반 의료기기의 기능성 표면처리 연구 중 천연고분자를 도입한 표면기능화에 관한 연구는 소수에 불과하다. 특히, 항균, 항혈전, 저마찰 특성을 동시에 다루는 다기능성 코팅 선행 연구는 전무하다. 따라서 항혈전 특성까지 전부 아우르는 다기능성 코팅은 혈관 카테터의 다기능성 표면 기능화에 여전히 해결되지 않은 도전적인 과제였다. 공동 연구팀이 제안한 코팅기술은 천연고분자 단일소재를 코팅하여 코팅층의 구조와 표면 거칠기를 디자인하였으며, 이는 코팅층 표면에 박테리아와 혈소판의 부착 억제를 유도함으로서, 천연고분자 고유의 항균, 항혈전 기능과의 시너지 효과를 통해 각 기능에 대해 고성능을 발휘하는 코팅층을 완성하였다. 더불어, 모든 공정을 수계 기반으로 설계함으로서 독성 및 휘발성 유기용매를 사용한 일반적인 코팅 공정과는 달리 친환경적이고 작업자 및 시술 환자에게 무해하다는 차별점을 갖는다.
...................(계속)
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