Disposable Endoscope Cap Maintaining Clear Surgical Visualization under Fogging and Fouling

연구 배경

내시경 수술은 전적으로 내시경 영상에 의존하지만, 체내와 렌즈 사이의 온도·습도 차이로 결로가 생기고 혈액, 점액, 전기수술 부산물이 렌즈에 쌓입니다. 논문이 인용한 복강경 담낭절제술 분석에서 시야가 가려지지 않은 시간은 수술 시간의 56%에 그쳤고, 렌즈 세척이 수술 시간의 약 7%를 차지하며 증례당 평균 15.3회 흐름을 끊었습니다. 화학적 김서림 방지제는 지속 시간이 짧고 혈액·점액 부착을 막지 못하며, 렌즈 가열·분사 장치는 경성 내시경에 적용하기 어렵습니다. 기존 윤활액 주입 렌즈는 실리카 나노입자, 깨지기 쉬운 미세·나노 구조, 또는 수 분이 걸리는 재생 과정에 의존한다는 한계가 있습니다.

설계와 접근

폴리카보네이트(PC) 캡에 PDMS 브러시 기저층을 분무 코팅해 공유결합으로 고정하고, 그 위에 실리콘 오일 상층을 도포합니다. PDMS와 실리콘 오일은 화학적으로 유사하여 오일이 브러시 망을 팽윤시키고, 이 망이 저장층 역할을 합니다. 표면 오일이 고갈되면 팽윤된 망에서의 확산으로 액체-액체 계면이 회복되며, 시술 중에는 오일을 머금은 스펀지로 외부에서 재보충할 수 있습니다. 저자들은 방오 효과를 유동성 액체 표면에 고정 흡착 부위가 없다는 점으로, 김서림 방지 효과를 물이 응결하는 고체-공기 계면이 사라진다는 점으로 설명합니다. 광학 시뮬레이션으로 역반사를 최소화하는 설계로 벽 두께 0.3 mm의 평면형 PC 캡을 내시경 끝에 밀착하는 구성을 선정했습니다. 기저층이 코팅된 캡은 바로 사용할 수 있는 상태로 공급되고, 사용 직전 스펀지로 오일층을 형성합니다.

평가 방법

PC 위 코팅은 X선 광전자 분광법(XPS), 푸리에 변환 적외선 분광법, 표면 단차 측정, 원자간력 현미경, 자외선-가시광 투과율로 분석했습니다. 증류수, 말 혈액, 인공 점액, PBS, 모의 소변, 혈액·점액 1:1 혼합액의 접촉각과 미끄럼각을 측정했고, pH 2~10 완충액 24시간 노출, PBS 궤도 진탕 최대 48시간, 세척과 거즈 닦기 후 질량 변화, 60 °C 97일 가속 노화, 35 kGy 전자선 멸균 후 안정성을 평가했습니다. 알부민·피브리노겐 흡착은 유리와 PEG 처리 표면을 대조군으로 비교했고, NIH-3T3 섬유아세포 적합성, 말 적혈구 용혈, 그리고 SHIELD-C를 코팅한 PDMS 지지체를 암컷 ICR 마우스 피하에 이식한 체내 안전성(n = 3)을 평가했습니다. 4 mm 경성 내시경에서 무처리 및 상용 김서림 방지제 처리 내시경과 비교하여 100회 혈액 침지, 3 μL 혈액 방울, ISO 8600-3 표적을 사용한 38 °C·상대습도 75% 김서림, 실리콘 튜브 내 돼지 조직 전기소작, 생체 외 점액 오염 후 재보충, CO2 12 mmHg로 기복한 생체 외 돼지 복강경 모델 시험을 수행했습니다.

연구 내용과 주요 결과

코팅 두께는 약 80 nm, 표면 거칠기(Ra)는 약 1.6 nm였고, XPS에서 무코팅 PC에는 없는 약 102 eV의 Si 2p 피크가 확인되었습니다. 400~700 nm 투과율은 90%를 넘어 무코팅 PC 및 유리와 비슷했고, 색상환 영상의 RGB 강도도 기준 기재와 일치했습니다. 시험한 모든 생체유체의 미끄럼각은 10° 미만이었고, 혈액·점액 혼합액에서는 접촉각 약 100°, 미끄럼각 5° 미만이었습니다. PDMS 브러시 단독층은 접촉각을 높였지만 미끄럼각은 높게 유지되어, 저자들은 액적 이탈이 유동성 오일층에 의해 좌우된다고 해석했습니다.

혈액 접촉각과 미끄럼각은 pH 2~10 노출 후 통계적으로 유의한 변화가 없었고, 약 3년에 해당하는 가속 노화 후에도 변하지 않았으며, 35 kGy 전자선 멸균 후 접촉각은 100° 이상으로 유지되었습니다. 세척으로 첫 회 약 0.52 mg, 2회 누적 약 0.73 mg이 제거되었고, 거즈로 두 번 닦으면 약 1.69 mg이 제거된 반면 스펀지 1회 접촉으로 1.39 mg의 오일이 전달되었습니다. 저자들은 394.29 mg의 1회 펌프 분량으로 약 283회 보충, 즉 분당 1회 보충 기준 4.5시간 이상 사용할 수 있다고 계산했습니다.

SHIELD-C의 단백질 흡착은 무코팅 PC보다 크게 낮았고 PEG 코팅 대조군과 비슷했습니다. NIH-3T3 섬유아세포는 5일간 90% 이상의 생존율을 보였고, 용혈률은 6% 미만으로 PBS 대조군(7% 미만)과 통계적으로 차이가 없었습니다. 마우스에서 혈장 ALT와 AST는 이식 1일과 7일에 정상 기준 범위 안에 있었고, 심장·간·신장·폐에서 염증 세포 침윤은 관찰되지 않았습니다.

내시경 시험에서 무처리 및 상용 김서림 방지제 처리 내시경은 말 혈액 100회 침지 후 시야가 거의 완전히 가려진 반면, SHIELD-C는 혈액 피복 면적을 낮게 유지했습니다. 혈액 방울은 2초 이내에 미끄러져 내려 거의 100%의 시야가 유지되었고, 항온항습 챔버에서는 상용 김서림 방지제와 비슷한 대비를 유지했습니다. 전기소작 중에는 김서림을 막으면서 연기는 보이도록 유지했고, 점액 오염 후 스펀지 1회 보충으로 선명도가 84.3 ± 4.8%에서 98.9 ± 1.2%로 회복되었으며, 생체 외 돼지 복강경 모델에서는 김서림 억제에서 상용 제제와 비슷했고 혈액 오염 조건에서도 맑은 시야를 유지했습니다. 마찰계수는 무코팅 PC 0.3015, 브러시층 0.1173, 전체 코팅 0.1409였습니다.

남은 과제

저자들은 용혈률이 ISO 10993-4에서 용혈성으로 분류하는 5% 기준을 약간 넘었으나 PBS 대조군과 통계적으로 차이가 없었다고 밝혔습니다. 실리콘 오일 상층을 더하면 브러시층 단독보다 마찰계수가 약간 증가했으며, 저자들은 이를 액막의 점성 저항으로 설명했습니다. 점액이나 내강 내용물이 간헐적으로 부착하면 시야가 일시적으로 저하되어 스펀지 재보충이 필요했습니다. 내시경 성능은 벤치 시험과 생체 외 모델에서 평가했습니다.

다른 연구와의 연결

혈액 접촉 소자용 테더링 액체 과불화탄소 코팅(Leslie 등, Nature Biotechnology 2014)도 유지된 액체층으로 오염을 막지만, SHIELD-C는 비불소계 실리콘 오일을 그래프트된 PDMS 브러시에 화학적 친화성으로 유지하고 광학 투명도를 확보하며, 일회용 내시경 캡에서 스펀지로 재보충한다는 점이 다릅니다.