Lubricant skin on diverse biomaterials with complex shapes via polydopamine-mediated surface functionalization for biomedical applications

연구 배경

체내에 삽입되거나 혈액과 접촉하는 의료기구는 이물 반응, 혈전, 감염의 위험이 있으며, 저자들은 이를 대식세포, 섬유아세포, 세균, 혈액 단백질의 부착과 연관 짓습니다. 초소수성 코팅은 확산으로 사라질 수 있는 공기층에 의존하고 식각이나 플라스마 장비가 필요하며, 초친수성 고분자의 수화층은 얇아 마모에 취약합니다. 윤활액 함침 표면은 지속적인 반발성을 제공하지만, 기존 방식은 플라스마를 이용한 실란 처리에 의존하므로 종횡비가 큰 고분자 튜브 내부를 균일하게 처리하기 어렵고, 이렇게 형성된 자기조립 단분자막(SAM)은 긁힌 뒤 회복되지 않습니다.

설계와 접근

기판을 CuSO4/H2O2 산화제를 넣은 도파민 염산염 용액에 담그면 PDA 증착 시간이 24시간에서 20분으로 줄고 증착이 더 균일해집니다. 이어 카복실 말단 PFP를 도포해 100 °C 이상에서 경화하면 PDA의 아민·카테콜기와 아마이드 결합 및 수소 결합을 형성하고, 이 PFP 막을 PFPE 윤활액에 담그면 윤활액이 자유 부피로 스며들어 막이 팽윤합니다. 윤활액을 팽윤으로 붙잡기 때문에 기존 윤활액 함침 표면에 필요한 계층 구조 없이도 윤활액을 유지합니다. 비정질 PFP는 유리전이온도(Tg 약 100 °C) 이상에서 재유동하며, 저자들은 이를 열에 의한 자가치유에 이용하고, 마모 뒤에는 윤활액 보충으로 반발성이 회복됩니다.

평가 방법

팽윤은 소산 측정 수정진동자 미량저울(QCM-D)로, 영률은 원자힘현미경으로 측정했습니다. 유리, 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 스테인리스강, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 티타늄의 9종 재료에서 접촉각을 측정했습니다. 알부민, 피브리노겐, NIH-3T3 섬유아세포, RAW 264.7 대식세포의 부착을 무처리 유리와 L-skin 유리에서 비교했고, 세포독성은 섬유아세포를 이용한 용출물 시험으로 평가했습니다. 코팅 부착력은 ISO 2409 크로스컷 시험으로 상용 입자 기반 코팅 및 PDA 없는 PFP와 비교했고, 열에 의한 자가치유는 L-skin에서 평가했으며, 면봉 마모와 고압증기·산화에틸렌(EO) 가스·감마선(25 kGy)·산소 플라스마 멸균 후 특성은 SAM 기반 윤활 표면과 비교했습니다. 기구 시험으로 피펫 팁, 한천 조직 모사체에 대한 마찰, 30 G·32 G·34 G 노즐을 통한 NIH-3T3 함유 바이오잉크 인쇄, PDMS 미세유체 채널의 로다민 B 흡수, 길이 2 m 튜브에서의 구연산 처리 말 혈액 순환, 대장균(Escherichia coli)에 배양한 폴리 카테터를 다뤘습니다. 동물이나 사람을 대상으로 한 실험은 포함하지 않았습니다.

연구 내용과 주요 결과

QCM-D에서 윤활액 노출 전 35.7 nm였던 코팅은 윤활액 속에서 4시간 동안 90.86 nm에서 107.98 nm로 두꺼워졌고, 영률은 팽윤 시 약 100 MPa에서 약 100 kPa로 낮아졌다가 윤활액을 완전히 건조하면 원래 값으로 돌아왔습니다. 정적 접촉각 측정 결과 L-skin 코팅은 원래 표면 특성과 관계없이 9종 재료 모두에서 효과적이었습니다. 알부민, 피브리노겐, 섬유아세포, 대식세포의 부착은 무처리 기판과 유의하게 달라 L-skin에서 낮았고, L-skin 코팅 실리콘의 용출물은 섬유아세포 생존율에 유의한 차이를 일으키지 않았습니다. 37.5 °C PBS에 담근 실리콘 위 L-skin의 접촉각과 미끄럼각은 매일 측정한 결과 변화가 미미했습니다.

크로스컷 시험에서 입자 기반 코팅은 테이프 박리 후 면적의 60% 이상이 떨어졌고 PDA 없는 PFP 코팅은 남지 않았으나, PDA를 사용한 L-skin은 떨어진 격자가 없었습니다. 코팅 두께 약 235 nm와 400 nm 시료에서 Tg 부근으로 가열하면 폭 약 1 μm의 긁힘이 치유되었고, 더 큰 긁힘은 치유 후에도 기판이 노출되었습니다. 폭 약 1.5 μm의 긁힘을 치유한 뒤에는 물방울이 고정되지 않고 미끄러졌습니다. 면봉으로 20회 이상 문지른 뒤 SAM 표면에서는 물방울이 고정되었으나 L-skin에서는 계속 미끄러졌습니다.

고압증기 멸균 9회 후 접촉각 변화는 미미했습니다. EO 가스와 감마선 멸균 후 SAM 표면의 미끄럼각은 증가했지만 L-skin은 안정적이었고, 감마선 조사 후 SAM에서는 F 1s 상대 강도가 감소한 반면 L-skin에서는 변하지 않았습니다. 산소 플라스마(100 W, 2분) 처리 후 두 표면 모두 접촉각이 낮아졌으나 원래 값으로 회복한 것은 L-skin뿐이었습니다.

L-skin 피펫 팁에서는 나노입자 오염이 관찰되지 않았고, 10회 흡인·분주에서 일반 팁이 에탄올과 아이소프로필알코올에서 보인 약간의 질량 오차가 나타나지 않았습니다. 한천 모사체에 대한 마찰 충격량은 소수성, 친수성, L-skin 코팅 가운데 L-skin이 가장 낮았습니다. 바이오프린팅에서 일반 노즐의 세포 생존율은 32 G에서 89 ± 2.115%, 34 G에서 72 ± 5.15%로 낮아졌으나 L-skin 노즐에서는 변화가 미미했습니다. 무처리 PDMS 채널에서는 로다민 B 흡수로 형광 폭이 원래 채널 폭의 거의 두 배로 넓어졌지만, L-skin 채널은 1시간 뒤에도 유의한 변화가 없었습니다. 내경 1 mm, 길이 2 m 튜브에서 혈액은 일반 튜브에 자국을 남겼으나 L-skin 튜브에는 잔류물을 남기지 않았고, 메니스커스 각도는 일반 튜브 약 41°, L-skin 튜브 98°였습니다. 2시간 폐회로 순환(방법과 그림 6 설명은 3 L/h, 결과 본문은 2 L/h) 후 일반 튜브의 혈액에 남은 혈소판 수가 유의하게 적었고 혈전도 더 많이 생겼습니다. 대장균 배양 후 일반 카테터에는 많은 세균이 부착했지만 L-skin 카테터의 부착은 낮았습니다.

남은 과제

저자들은 생체 내 평가가 L-skin의 남은 과제이며, 케모포트, 체외막산소공급(ECMO), 인공 심혈관 이식편 같은 응용에 적용하려면 추가 연구가 필요하다고 밝혔습니다. 열에 의한 자가치유 능력은 긁힘이 커질수록 낮아져 치유 후에도 기판이 노출되었습니다.

다른 연구와의 연결

Wong 등의 윤활액 함침 다공성 표면(SLIPS, Nature 2011)은 구조화된 기판에 윤활액을 고정하지만, L-skin은 PDA에 결합한 얇은 PFP 막의 팽윤으로 윤활액을 붙잡아 튜브 내부와 표면 구조가 없는 재료에도 코팅할 수 있습니다.