Postoperative Long-Term Monitoring of Mechanical Characteristics in Reconstructed Soft Tissues Using Biocompatible, Immune-Tolerant, and Wireless Electronic Sutures

연구 배경

AT 파열 수술 후 힘줄의 강성은 치유 과정에서 증가하지만 그 속도가 개인마다 달라 재활 부하를 정하기 어렵습니다. 자기공명영상, 초음파, 컴퓨터단층촬영은 힘줄의 역학을 간접적으로만 측정하고 연속 측정에 적합하지 않습니다. 평면형 이식 변형 센서는 섬유성 조직과 구조가 맞지 않고 젖은 상태에서 움직이는 부위에 고정하기 어려우며, 선행 봉합사형 섬유 센서(Lee 등, Nature Electronics 2021)는 은 나노입자(AgNP) 전극을 사용해 세포 생존율이 낮아지는 문제가 있었습니다.

설계와 접근

폴리우레탄 기반 탄성 섬유 내부에서 금 나노입자(AuNP)를 직접 환원해 생체적합성 섬유 전극을 만들었습니다. 두 전극을 빈 심 주위에 나선형으로 감으면, 당길 때 나선이 조여지고 심이 좁아지면서 전극 사이 정전용량이 커집니다. 같은 전극을 이중층 유도 코일로 연장해 수동형 저항-인덕터-커패시터(RLC) 회로를 이루고, 외부 코일로 공진 주파수를 읽어 집적회로 칩 없이 측정합니다. 센서는 원뿔형 바늘 끝을 단 일반 의료용 봉합사 위에 제작되며, 전체 시스템을 불소화 자기조립 단분자막(F-SAM)과 과불화폴리에테르 윤활제로 코팅해 단백질 부착과 마찰을 줄였습니다.

평가 방법

전극과 센서의 저항, 정전용량 응답, 여러 신장 속도에서의 히스테리시스, 반복 내구성을 평가했고, NIH3T3 섬유아세포로 세포적합성을 비교했습니다. 무선 판독은 코일 간 거리·각도·중심 어긋남, 코일 사이 매질, 인산완충식염수(PBS) 침지 조건에서 시험했습니다. 코팅은 미끄럼각, 알부민 흡착, 돼지 조직을 통과시킬 때의 마찰, 세포 생존율로 평가했습니다. 생체 내 실험에서는 30 kg 암컷 마이크로피그 한 마리(n = 1)의 AT를 절단·봉합하고, 정상 힘줄과 재건 힘줄을 따라 센서를 봉합한 뒤 코일을 피부 아래에 두어, 41° 다리 굽힘에서의 변형을 10주간 측정하고 다중 스프링 모델로 상대 강성을 계산했습니다.

연구 내용과 주요 결과

환원 과정을 반복하자 전극 저항은 0.48 Ω/cm로 낮아졌습니다. 센티미터당 3회 감고 500 μm 빈 심을 둔 센서는 10~20% 변형에서 약 6.2의 감도(수정 감도 약 15.1 pF)를 보였고, 10% 예비 변형 상태에서 0.1% 변형을 구분했으며, 약 20%를 넘는 변형에서도 약 3.7의 감도로 작동했습니다. 0.1, 0.2, 0.5 mm/s에서 히스테리시스는 무시할 수준이었습니다. 내구성 반복 횟수는 논문 안에서 다르게 적혀 있는데, 전극은 본문에서 10% 변형 10,000회(Fig. 1G 설명은 5000회), 센서는 결과에서 10% 변형 5000회(초록은 10,000회 이상)입니다. AuNP 전극과 센서와 함께 배양한 NIH3T3 세포는 선행 센서의 AgNP 전극과 달리 세포 사멸이 적었습니다.

변형률이 0에서 40%로 커질수록 공진 주파수는 낮아졌습니다. 코일 간 거리 8 mm, 각도 40°, 중심 어긋남 10 mm까지 공진 피크가 뚜렷하게 유지되었고, 코일 사이에 인공 피부, 에탄올, 물, pH 5 완충액, PBS를 두어도 피크 이동이 거의 없었습니다. PBS에 완전히 담그면 공진 주파수가 43.1 MHz에서 32 MHz로 이동한 뒤 안정되었습니다.

윤활 코팅 표면에서는 액체가 8° 미만의 기울기에서 굴러떨어졌고, 알부민 피복 면적은 코팅하지 않은 표면의 24.46%에 비해 1.01%였으며, 돼지 조직에서 봉합사를 빼낼 때의 마찰력은 50.1 mN에서 14.2 mN으로 71.6% 줄었습니다. 코팅 여부와 관계없이 센서 주변 세포는 대부분 살아 있었습니다.

마이크로피그의 정상 AT는 41° 다리 굽힘에서 약 4.38%의 변형을 보였습니다. 재건 AT는 처음 2주 동안 의미 있는 응답이 없었고, 저자들은 이를 수술 시 단단한 봉합 때문으로 해석했으며, 의료용 봉합사가 녹은 4주부터 안정된 응답이 나타났습니다. 4주와 5주에는 응답과 계산된 변형이 정상 AT보다 크게 나타났고(27.11%, 13.3%로 보고), 10주에는 변형률이 5.83%로 줄었습니다. 다중 스프링 모델로 추정한 강성은 정상 힘줄의 약 75%까지 증가했습니다. 조직학·혈액학 검사에서 10주 동안 조직 손상이나 이식 관련 염증은 관찰되지 않았고, 센서는 위치 이탈 없이 유지되었습니다.

남은 과제

센서의 영률(1.04 MPa)은 의료용 봉합사(0.2~9.3 GPa)보다 훨씬 낮아 봉합 부위를 기계적으로 지지하지 않으며, 조직 옆에 봉합해 변형만 측정합니다. 저자들은 이식한 센서를 제거하기 위한 2차 수술이 임상 적용의 한계라고 밝히고, 생분해성 설계로 발전시킬 수 있다고 제안했습니다.

다른 연구와의 연결

Kalidasan 등은 전도성 고분자 봉합사와 무선 주파수 식별(RFID)로 읽는 정전용량 패드 센서를 이용해 돼지에서 깊은 수술 상처를 관찰했습니다. 이 연구의 봉합사는 힘줄 변형을 나선형 섬유 커패시터와 코일 공진으로 읽고, 이를 강성 추정으로 연결한다는 점이 다릅니다.