Lubricant‐Infused Polymeric Interfaces: A Stretchable and Anti‐Fouling Surface for Implantable Biomaterials

연구 배경

체내 이식형 생체전자소자는 호흡, 혈액 순환, 움직임으로 계속 변형되며, 단백질·세포·세균의 비특이적 부착은 이물 반응(FBR), 섬유성 피막 형성, 감염으로 이어질 수 있습니다. 폴리에틸렌글리콜(PEG) 같은 친수성 고분자 브러시는 오염을 막지만 마모, 효소 분해, 자동 산화에 취약합니다. 신축성 초소수성 코팅도 보고되었으나 열경화나 1시간 이상의 코팅 시간이 필요해 하이드로젤에 적용하기 어렵고, 표면에 갇힌 공기층이 체액 속에서 유지되지 않을 수 있습니다. 벌레잡이통풀(Nepenthes)에서 착안한 윤활액 주입 표면은 더 안정적이지만, 실란 처리 표면은 인장에 취약하고, 윤활액으로 팽윤하는 불소 고분자층은 늘어날 때 균열이 관찰되어 계면 에너지가 국부적으로 불안정해지고 액체 반발성이 떨어집니다.

설계와 접근

L-VIP는 세 층으로 구성됩니다. 단량체당 비닐기 4개를 가진 폴리(1,3,5,7-테트라메틸-1,3,5,7-테트라비닐 사이클로테트라실록산)(V4D4)을 기판 위에서 광중합해 가교된 탄성 접착층을 만들고, 그 위에 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸 메타크릴레이트(FOMA)를 광중합해 남은 비닐기와 공유결합시킵니다. FOMA는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)와 화학 구조 및 표면 에너지가 비슷해, 주입한 PFPE 윤활액을 붙잡아 미끄럽고 오염이 붙지 않는 표면을 만듭니다. 각 층은 자외선으로 5분간 경화하며, 에탄올로 V4D4와 FOMA를 균일하게 섞어 기존 유기실리콘-불소 고분자 이중층의 1시간 이상 대신 총 10분 만에 코팅을 마칩니다. 공정이 짧아 탄성체, 종이, 플라스틱, 금속뿐 아니라 하이드로젤에도 적용할 수 있습니다.

평가 방법

150% 변형에서 기존의 신축성 없는 윤활액 주입 코팅과 비교했고, PVA 하이드로젤, 여과지, 실리콘 웨이퍼, 폴리디메틸실록산(PDMS), Ecoflex, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 알루미늄 합금에 코팅을 적용했습니다. 물, 혈액 등 여러 액체로 젖음 특성을 측정했으며, 200% 이상으로 늘리는 동안과 150% 변형 최대 2000회 반복 후에도 평가했습니다. 기계적·환경적 내구성은 PEG 및 폴리도파민 코팅과의 교차 절단 접착 시험(ISO 2409), 초음파, 수류 분사, 수중 전단, 톨루엔 흐름, 반복 고압멸균으로, 절연 성능은 가속 노화 조건의 누설 전류와 간단한 모터 시연으로 확인했습니다. 오염 저항은 알부민, 피브리노겐, 세포외기질 분자, 대장균(Escherichia coli), 황색포도알균(Staphylococcus aureus)으로, 세포 적합성은 NIH 3T3 섬유아세포로 평가했습니다. 코팅·무코팅 PVA 하이드로젤을 7주령 암컷 ICR 생쥐의 등과 뒷다리 피하에 1주와 4주간 이식해 조직학, 비장, 간 효소를 분석했고, 회수한 시료는 PFPE에 다시 담근 뒤 재시험했습니다.

연구 내용과 주요 결과

150% 변형에서 기존 윤활액 주입 코팅에는 균열이 생겼지만 L-VIP에는 균열이 없었습니다. 코팅한 재료는 기판 종류와 관계없이 비슷한 정적 물 접촉각을 보였고, 코팅한 여과지는 소태아혈청, 디메틸설폭사이드, 혈액, 에틸렌글리콜, 물을 밀어냈습니다. 200% 늘려 20° 기울인 Ecoflex에서 혈액 방울은 무코팅 표면에 고정되었지만 L-VIP 표면에는 잔여물을 남기지 않았습니다. 코팅은 200% 변형까지 물 접촉각 약 120°, 미끄럼각 8° 미만을 유지했고 그 이상에서는 부분 결함과 젖음 특성 저하가 나타났으며, 150% 변형 2000회 후 주사전자현미경에서 균열이 관찰되지 않은 반면 기존 코팅에는 균열이 생겼습니다.

교차 절단 시험에서 PEG 코팅은 벗겨졌지만 VIP 코팅은 25개 블록 중 하나도 떨어지지 않았습니다. 20 kHz 초음파 1일, 5 mL/s 수류 분사 7일, 1000 rpm 수중 전단 30일 전후의 부식산(humic acid) 오염 저항은 거의 같았고, 코팅한 미세유체 채널은 톨루엔에 팽윤하지 않았으며, 121°C 고압멸균 9회 후 물 접촉각 변화도 유의하지 않았습니다. 누설 전류 시험에서 윤활액이 없는 코팅은 36시간 후 절연 성능을 잃었고 저자들은 이를 37°C에서 20일로 환산했습니다. L-VIP는 1200시간 넘게 완전한 절연 성능을 유지했으며 체온 조건에서 거의 2년에 해당한다고 계산했고, 초록은 가속 노화 시험 기간을 50일 이상으로 적고 있습니다.

L-VIP는 무코팅 기판과 PEG 코팅보다 알부민과 피브리노겐 부착을 줄였고, 부식산을 포함한 세포외기질 분자의 오염에도 저항했으며, 24시간 후 대장균과 황색포도알균이 거의 부착하지 않았습니다. 코팅한 PVA 하이드로젤은 간접·직접 배양에서 섬유아세포 생존율에 영향을 주지 않았고, 5일간 섬유아세포 종횡비에도 유의한 변화를 일으키지 않았습니다.

생쥐에서는 두 이식물 모두 이상 피부 반응을 일으키지 않았습니다. 1주 후 무코팅 PVA 주변 조직에는 염증, 높은 대식세포 밀도, 조직화된 두꺼운 콜라겐층이 나타났지만, L-VIP 코팅 PVA 주변은 염증 반응이 낮고 대식세포 밀도가 유의하게 낮았으며 콜라겐이 얇고 밀도가 낮았습니다. 4주 후에도 무코팅 하이드로젤은 두껍고 조밀한 콜라겐에 싸였고, 코팅 하이드로젤 주변에는 세포핵과 콜라겐이 적었습니다. 비장의 무게와 길이는 1주와 4주에 군 간 유의한 변화가 없었고, 이식 1주 후 혈청 알라닌·아스파르트산 아미노전이효소 수치는 코팅 유무와 관계없이 비슷했습니다. 회수한 코팅 하이드로젤은 피하 조직과 분리되어 있었고, PFPE에 다시 담근 뒤에는 알부민 부착에 저항하고 이식 전과 비교해 물 접촉각에 유의한 변화가 없었습니다.

남은 과제

변형이 200%를 넘으면 부분 결함이 생기고 젖음 특성이 나빠졌으며, 저자들은 이를 코팅의 제한된 신축성 때문으로 설명합니다. 회수한 하이드로젤의 체내 안정성 시험은 PFPE에 다시 담근 뒤 수행했습니다. 저자들은 과불소 화합물의 생체 축적과 환경 잔류성에 대한 우려를 언급하며, 불소 고분자막 두께를 약 100 nm로 추정하고 대규모 적용을 위해 대체 액체를 탐색할 계획이라고 밝혔습니다.

다른 연구와의 연결

미끄러운 액체 주입 다공성 표면(SLIPS)은 마이크로·나노 구조 고체에 윤활액을 붙잡아 압력에 안정한 전방위 반발성을 얻습니다. L-VIP는 가교된 신축성 V4D4/FOMA 막에 윤활액을 붙잡아, 기판이 늘어나는 동안에도 윤활 계면이 끊어지지 않도록 한다는 점이 다릅니다.