Optimized Electrical Stimulation Using a Spray‐Printed Conductive Electroceutical Patch for Accelerated Wound Healing in Diabetic Mice

연구 배경

당뇨 상처에서는 대식세포가 염증성 M1 상태에 오래 머물고 재생을 돕는 M2 쪽으로의 전환이 저해됩니다. ES는 염증을 조절하고 재상피화와 혈관신생을 촉진한다고 보고되었지만, 임상 연구마다 전류 종류, 세기, 주파수, 시간이 달랐고 대부분 한 가지 변수만 바꾸어 평가했습니다. 자극 장치에도 한계가 있어, 금속이나 탄소 전극은 불규칙하게 움직이는 상처면에 밀착되지 않고, 하이드로겔이나 탄성체 전극은 전도도가 낮거나 변형 시 저항이 변합니다. 갈륨 기반 LM은 전도도가 높지만 높은 표면장력과 응집 경향 때문에 연성 기판 위에 안정적으로 패턴을 형성하기 어렵습니다.

설계와 접근

저자들은 먼저 인듐주석산화물(ITO) 배양 플랫폼에서 전류 종류, 세기, 하루 자극 시간, 자극 시점, 교류 주파수, 전류 방향을 차례로 선별했습니다. 패치용 잉크는 LM(갈륨 75 wt%, 인듐 25 wt%)을 5 wt% PVA 수용액에 PVA:LM 질량비 1:1.5로 넣고 초음파 처리해 만들며, 이때 액적 표면에 생긴 Ga2O3 층이 PVA의 수산기와 수소결합을 형성합니다. 잉크는 레이저로 자른 마스크를 통해 Tegaderm이나 PDMS 위에 분무합니다. 분무 과정에서 물이 빠르게 증발해 LM 입자가 조밀해지고, 충돌 충격으로 산화막이 깨지면서 별도 소결 없이 연속적인 전도 경로가 형성되며, 스크린 인쇄에서는 이러한 효과가 같은 수준으로 나타나지 않았습니다. 25 psi, 노즐 거리 2 cm 조건에서 0.1 mm 패턴과 17 ± 1 µm 두께의 층을 얻었습니다.

평가 방법

리포다당류(LPS)로 M1 분극을 유도한 RAW 264.7 대식세포를 7일간 자극한 뒤 유세포 분석과 면역형광(CD86, iNOS, CD206), 칼슘 영상, 이온 채널 유전자의 역전사 정량 PCR(RT-qPCR)로 분석했습니다. 사람 진피 섬유아세포(CCD986SK)에서는 최적화 직류(O-DC, 2 mA)와 오프셋을 준 최적화 교류(O-AC, 2 mA, 400 Hz) 조건의 세포 생존, 증식, 스크래치 이동, 사이토카인 분비를 평가했습니다. 분무 인쇄 패치와 스크린 인쇄 패치는 표면 화학, 7일간 저항, 인장 및 반복 변형, 팽윤, 수화·인공 삼출액 조건 안정성, 세포 적합성으로 비교했습니다. 동물 실험에서는 스트렙토조토신(STZ)으로 제1형 당뇨를 유도한 수컷 C57BL/6 생쥐의 등에 지름 6 mm 전층 피부 상처를 만들고 패치로 O-DC 또는 O-AC를 하루 4시간씩 12일간 가했으며, 무처치 상처와 비교하고 별도 코호트에서는 자극 없이 패치만 붙인 군과 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

직류 자극에서는 하루 4시간, 2 mA 조건이 1–10 mA 가운데 CD86을 가장 크게 줄이고 iNOS를 가장 낮췄으며, CD206은 변하지 않았습니다. 배양 종료 시점까지 이어지는 자극은 하루만 가해도 CD86과 iNOS를 줄였지만, 일찍 중단하는 자극은 7일 내내 가했을 때에만 효과가 나타났습니다. 50–800 Hz 교류 가운데 400 Hz에서 표지자 발현이 가장 낮았습니다. 오프셋을 준 단방향 교류와 O-DC는 CD86과 iNOS를 억제하고 세포 내 칼슘을 낮추었으며 Trpm2와 Kcna3를 하향, Scnn1a를 상향 조절했지만, 오프셋 없는 양방향 교류는 유의한 변화를 보이지 않았습니다.

섬유아세포에서 두 최적 조건 모두 세포독성이 없었고 7일 뒤 증식을 높였습니다. 24시간 뒤 남은 스크래치 면적(본문 표기는 wound closure rate)은 직류 38.2 ± 8.4%, 교류 41.0 ± 9.1%로 무자극 61.2 ± 12.5%보다 작았습니다. 두 조건 모두 RAW 264.7 대식세포의 TNF-α 분비와 IL-6, IL-1β 분비를 낮추고 섬유아세포의 VEGF 분비를 높였으며, TGF-β는 유의하게 변하지 않았습니다.

전도도는 분무 압력 10 psi에서 약 2 × 10^4 S m−1, 40 psi에서 약 1.4 × 10^5 S m−1이었습니다. 상온 7일 동안 스크린 인쇄 패치의 저항은 3일째 약 35% 증가했으나 분무 인쇄 패치는 거의 변하지 않았습니다. 인장 시 스크린 인쇄 패치는 30% 변형에서 R/R0 약 2.6에 이른 뒤 신호가 끊겼고, 분무 인쇄 패치는 30%까지 R/R0 약 1.0–1.3을 유지했으며 20% 변형 1000회 반복에서도 1에 가까웠습니다. Tegaderm과 PDMS 위에서는 약 70%, 수화 상태에서는 약 150% 변형까지 전도 경로가 유지되었습니다. 48시간 팽윤비는 약 0.7 미만이었고, 인공 상처 삼출액에 7일 담근 뒤에도 XPS 스펙트럼이 변하지 않았으며, 3일과 5일 부착 후 상처면에 LM 잔여물이 보이지 않았습니다.

당뇨 생쥐 상처에서 3일째 남은 상처 면적(본문 표기는 wound closure rate)은 O-DC 23.4 ± 4.0%, O-AC 34.7 ± 7.3%, 무처치 66.8 ± 19.7%였습니다(n = 3). 자극 없이 패치만 붙인 군은 7일간 상처 회복에 차이가 없었습니다. 12일째 두 자극군은 표피가 두꺼웠고 침윤 면역세포가 적었으며, CD86 양성 면적이 유의하게 작고 CD31 양성 영역이 유의하게 많았습니다. CD206 증가는 유의하지 않았고, 콜라겐 침착은 O-DC군에서만 유의하게 높았습니다. 상처 조직의 TNF-α는 4일째 낮았고, IL-10은 12일째 높았으며 O-DC군에서 유의했습니다.

남은 과제

저자들은 자극 조건을 정밀하고 재현성 있게 제어하기 위해 유선 시스템을 사용했으며, 이것이 임상 적용을 제한할 수 있어 무선화가 필요하다고 밝혔습니다. 또한 단방향 전류 전략이 근육이나 내부 장기 같은 입체 조직에서도 비슷한 효과를 보일지는 아직 불분명하다고 적었습니다.

다른 연구와의 연결

무선 폐루프 스마트 붕대는 온도와 임피던스 피드백으로 자극을 조절합니다. SCOPE는 대식세포 선별 실험으로 자극 조건을 미리 정하고, 인쇄형 변형 가능 전도 계면에 초점을 둡니다.