A Mechanically Resilient and Tissue‐Conformable Hydrogel with Hemostatic and Antibacterial Capabilities for Wound Care

연구 배경

클립, 스테이플, 봉합사는 임상 창상 봉합의 표준이지만 누출, 출혈, 감염을 안정적으로 막지 못하고 연조직을 손상시킬 수 있습니다. 피브린 글루와 시아노아크릴레이트 같은 접착 글루는 경화 후 취약해 조직의 반복 변형에서 깨지고, 폴리우레탄 필름 같은 접착 패치는 연조직보다 단단해 움직임 중 떨어집니다. 하이드로젤은 조직처럼 부드럽지만 대체로 잘 부서지고 접착력이 약하며 젖은 환경에서 팽윤합니다. 이중 네트워크 하이드로젤은 질기지만 고분자 사슬 밀도가 높아 자가치유가 제한되고 탄성률과 수분 흡수가 증가합니다. 상용 접착제는 기계적 접착 기능만 제공하며, 저자들은 기존 지혈 하이드로젤이 일정한 압박과 함께 90초 이상을 필요로 한다고 지적합니다.

설계와 접근

하이드로젤은 두 단계로 제작합니다. 분자당 25개의 하이드록실기를 가진 폴리페놀인 TA를 PVA에 섞어 수소결합 기반의 동적 네트워크를 만들고, 이어 아크릴산을 침투시켜 이황화 가교제와 함께 중합합니다. TA와 결합한 짧은 PVA 사슬은 에너지를 소산하고, 공유 가교된 긴 PAA 사슬은 구조를 유지합니다. TA 수소결합과 이황화 결합이 모두 가역적이므로 손상 후 네트워크가 다시 형성되고, TA의 소수성 부분은 네트워크로의 물 침투를 막습니다. 동적 네트워크는 하이드로젤에 점탄성을 부여해 응력을 완화하고 거친 조직 표면에 맞춰지게 합니다. 조직 접착을 위해 PAA의 카르복실기를 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드와 N-하이드록시숙신이미드(EDC/NHS)로 활성화해 조직의 1차 아민과 공유결합을 형성하고, 탄산수소나트륨과 L-글루타티온 용액으로 패치를 떼어냅니다. TA는 지혈·항균 기능도 담당합니다.

평가 방법

TA/PVA/PAA 하이드로젤을 X선 광전자 분광법, 푸리에 변환 적외선 분광법, 열중량 분석, 겔 분율, 수분 유지, 인장·반복·노치·자가치유 시험, 수중 팽윤, 유변학, 15% 변형률에서의 응력 완화로 평가했고, 분광·열중량·겔 분율·인장·팽윤·응력 완화 시험에서는 단일 네트워크 PVA 및 기존 PVA/PAA 이중 네트워크 하이드로젤과 비교했습니다. 접착력은 돼지 피부에서 겹치기 전단 시험으로 측정했습니다. 세포 적합성은 트랜스웰 시스템에서 NIH 3T3 섬유아세포로, 용혈은 말 적혈구로, 혈액 응고 지수(BCI)는 ICR 생쥐의 전혈로 평가했습니다. 항균 활성은 대장균(Escherichia coli)과 황색포도알균(Staphylococcus aureus)에 대한 억제대 시험과 생사 염색으로 확인했습니다. 7주령 암컷 ICR 생쥐에서 패치를 7일간 피하 이식해 조직학과 간 효소를 측정했고, 18게이지 바늘로 천자한 간에 패치를 붙여 무처리군 및 PVA 패치와 비교하면서 10초와 120초에 여과지로 출혈을 모았습니다.

연구 내용과 주요 결과

TA/PVA/PAA의 겔 분율은 약 86.05%로 PVA/PAA(약 74.39%)보다 높았고 PVA는 약 94.85였으며, 평형 수분 함량은 약 45.29%로 24시간 넘게 유지되었습니다. TA 농도를 30% w/v까지 높이면 인장 강도는 증가하지만 파단 변형률이 줄고 30% w/v를 넘으면 인장 강도가 낮아졌으며, 저자들은 높은 신축성과 충분한 인장 강도를 근거로 20% w/v를 선택했습니다. 이 조건의 하이드로젤은 약 1109% 변형률까지 늘어나고 인장 강도 약 119 kPa를 보였습니다. PVA는 약 108 kPa에 도달했지만 변형률이 약 310% 미만이었습니다. 영률은 18.65 ± 3.78 kPa였고, 반복 하중에서 5회 동안 비슷한 에너지 소산 거동을 보였습니다.

노치를 낸 시편은 균열 진전 없이 750% 이상 늘어났습니다. 절단한 시편은 30초 후 인장 강도의 약 40%, 300초 후 100%를 회복했지만, TA가 없는 PVA, PVA/PAA, 알지네이트/폴리아크릴아마이드 하이드로젤은 자가치유되지 않았습니다. TA/PVA/PAA는 물에 24시간 담근 뒤에도 부피와 질량이 늘지 않았으나, 팽윤비는 PVA/PAA에서 약 500%, PVA에서 약 177%에 이르렀습니다. 15% 일정 변형률에서 TA/PVA/PAA는 수 초 안에 초기 응력의 절반으로 완화되었고, PVA와 PVA/PAA는 응력이 감소하지 않았습니다.

돼지 피부에서 NHS로 활성화한 하이드로젤의 겹치기 전단 강도는 약 35.98 kPa로, 활성화하지 않은 하이드로젤(약 8.28 kPa)과 분리 용액 처리 후(약 12.72 kPa)보다 높았습니다. 초록은 이 접착 강도를 약 31 kPa로 적고 있습니다. 접착된 하이드로젤은 전단 중 응집 파괴 없이 약 200% 늘어났고 분리 용액 처리 후에는 약 61%였으며, 피부를 늘리고 비틀고 굽혀도 부착을 유지했습니다.

체외 시험에서 하이드로젤은 NHS 처리 여부와 관계없이 1, 3, 5일에 섬유아세포에 유의한 독성을 보이지 않았고, 용혈률 약 11%는 인산완충식염수 대조군과 유의한 차이가 없었습니다. TA/PVA/PAA의 BCI는 58.40 ± 1.5로 대조군, PVA, PVA/PAA 군보다 약 2배 낮았습니다. TA를 함유한 하이드로젤은 대장균에 대해 약 8.03 ± 0.7 mm와 9.83 ± 2.59 mm, 황색포도알균에 대해 11.8 ± 0.62 mm와 11.5 ± 1.47 mm의 억제대를 형성했으나 PVA와 PVA/PAA에서는 억제대가 없었습니다. 생쥐 피하 이식 7일 후 대식세포 밀도와 혈청 알라닌·아스파르트산 아미노전이효소 수치에는 유의한 변화가 없었습니다. 간 천자 모델에서 TA/PVA/PAA 패치는 출혈 압력에도 제자리를 유지했고, 무처리군과 PVA 군보다 출혈량을 유의하게 줄였으며, 10초 안에 지혈을 유도했습니다. 패치 표면에는 적혈구, 혈소판, 피브린 섬유가 조밀하게 관찰되었습니다.

다른 연구와의 연결

Li 등의 강인한 접착제는 정전기적 상호작용, 공유결합, 물리적 상호침투로 조직에 붙는 접착 표면과 강인한 하이드로젤 기질의 에너지 소산을 분리해 설계합니다. TA/PVA/PAA 패치도 NHS 공유결합과 에너지를 소산하는 이중 네트워크를 결합하지만, 가역적 TA 가교를 통해 자가치유, 비팽윤, 지혈, 항균 기능을 더한다는 점이 다릅니다.