Biocompatible Carbon Nanotube-Based Hybrid Microfiber for Implantable Electrochemical Actuator and Flexible Electronic Applications

연구 배경

체내에서 작동하는 미세섬유 구동기에는 안정적인 기계·전기 특성과 생체적합성이 필요합니다. 탄소나노튜브(CNT) 섬유는 세포독성 전해질 없이 생체 환경에서 구동할 수 있지만, 나노튜브끼리 미끄러지면서 크리프, 짧은 수명, 낮은 기계적 안정성을 보입니다. HA는 SWCNT를 분산시키고 이온 전도성 결합제로 작용할 수 있으나 체내 히알루로니다제에 분해되므로, 크리프·피로와 나노튜브 유출 가능성이 해결되지 않은 채 남아 있었습니다.

설계와 접근

HA와 SWCNT를 5:8 무게비로 섞은 현탁액을 0.2 mm 바늘로 50 mL/h 속도로 70% 에탄올에 5% CaCl2를 녹인 회전 응고조(20 rpm)에 주입했으며, 여기서 칼슘 이온이 HA를 물리적으로 가교합니다. 이어서 섬유를 1-에틸-3-[3-(디메틸아미노)프로필]카보디이미드(EDC)와 1-하이드록시벤조트리아졸(HOBt)로 활성화하고 헥사메틸렌디아민(HMDA)으로 HA의 카복실기를 공유 가교했습니다. 카복실기는 히알루로니다제의 인식 부위이기도 하며, 공유 가교된 HA 네트워크는 나노튜브 사이 하중 전달을 높이고 효소 분해와 나노튜브 유출을 억제하도록 설계되었습니다.

평가 방법

저자들은 SWCNT 4–8 mg/mL 현탁액으로 방사한 비가교·가교 섬유를 비교했습니다. 주사전자현미경과 편광 라만 분광으로 구조를, 히알루로니다제(25 U/mL)가 든 DPBS에서 5일간 효소 분해를, 팽윤 섬유의 인장 특성을, 인장·굽힘·접힘 중 비저항을 평가했고, 순환전압전류법과 Ag/AgCl 기준 +1~−1 V, 25 mV/s, 4 mN 하중 조건의 구동 시험을 수행했습니다. 꼰 섬유 위에 NIH-3T3 섬유아세포를 배양했고, 6주령 암컷 C57BL/6 생쥐의 등 피하에 섬유를 1주와 3주간 이식했습니다(군당 n = 4).

연구 내용과 주요 결과

건조 섬유의 지름은 약 50 μm였고 SWCNT는 섬유 축을 따라 정렬되었으며, 가교 전후 라만 D/G 비는 유의한 차이가 없었습니다(비가교 0.18 ± 0.01, 가교 0.17 ± 0.02). 히알루로니다제 용액에서 120시간 후 상층액 흡광도는 비가교 섬유 0.38, 가교 섬유 0.03이었고, 분해 시험 후 가교 섬유의 영률과 인장강도는 비가교 섬유보다 평균 75%, 600% 높았습니다.

SWCNT 농도를 4에서 8 mg/mL로 높이자 파단 변형률은 비가교 섬유에서 2.0 ± 0.6%에서 6.1 ± 1.6%로, 가교 섬유에서 4.9 ± 0.4%에서 11.7 ± 2.6%로 증가했습니다. 영률은 비가교 4 mg/mL의 0.5 ± 0.1 GPa에서 가교 7 mg/mL의 1.8 ± 0.4 GPa로 높아졌다가 8 mg/mL에서 1.0 ± 0.5 GPa로 낮아져, 7 mg/mL가 최적 농도로 정해졌습니다.

가교는 비저항을 높였지만 변형 중의 안정성은 개선했습니다. 굽힘에서 비저항은 비가교 섬유가 평균 11%, 가교 섬유가 6% 증가했고, 접힘 시험에서 가교 섬유는 2500회까지 10% 이내 증가에 머물다 3000회에서 약 14%로 평탄해진 반면, 비가교 섬유는 약 65%에 이르렀습니다. 정전용량은 76.2 F/g에 달했으며 가교에 따른 유의한 차이는 없었습니다.

섬유는 DPBS에서 −1 V에서 팽창하고 +1 V에서 수축했으며, 저자들은 이를 이중층 효과와 양자역학적 효과가 함께 작용한 결과로 해석했습니다. 가교 섬유는 몇 주기 안에 변형을 회복한 반면 비가교 섬유는 주기마다 잔류 변형이 쌓여 크리프와 비슷한 거동을 보였습니다. 가교 섬유의 구동 변형은 0.04–0.09%였고 7 mg/mL에서 가장 컸으며, 0.06% 이상의 변형에는 50 mV/s 이하의 주사 속도가 필요했고, 섬유 6가닥을 꼰 묶음은 0.05%의 안정적인 변형을 보였습니다.

꼰 섬유 위 NIH-3T3 섬유아세포의 생존율은 1일째부터 5일째까지 80% 이상을 유지했습니다. 생쥐에서 헤마톡실린·에오신 염색 결과 가교 섬유 주변에 비가교 섬유보다 두꺼운 조직이 형성되었고, 1주째에는 가교 섬유 주변에 더 많은 단핵구·M1 대식세포(CD68, CD86)가 있었으나, 3주 후에는 두 섬유 모두 주변에서 이러한 세포가 소수만 검출되었습니다.

다른 연구와의 연결

관련 Science 보고는 단일벽 탄소나노튜브 시트로 만든 전기기계 구동기를 다루었으며, 전기화학적 이중층 충전이 나노튜브의 양자화학적 팽창을 일으키는 방식으로 구동한다고 설명했습니다. 이 연구는 습식방사 미세섬유 안에서 SWCNT를 가교 HA로 결합해 DPBS에서 시험했으며, 저자들은 구동이 이중층 효과와 양자역학적 효과의 조합에서 비롯된다고 해석합니다.