A multifunctional electronic suture for continuous strain monitoring and on-demand drug release

연구 배경

봉합한 피부 상처에 치유 초기 과도한 장력이 가해지면 치유가 늦어지고 상처 벌어짐과 조직 괴사로 이어질 수 있지만, 봉합 부위는 대개 드레싱으로 덮여 있고 확인을 위해 드레싱을 자주 바꾸면 그 자체로 재생이 지연될 수 있습니다. 보고된 약물 용출 봉합사(레보플록사신을 담은 폴리카프로락톤 코팅 실크 봉합사)는 지속 방출을 하도록 설계되어 고용량이 필요한 상황에서는 추가 투여가 필요했고, 코팅이 봉합 시 응력으로 박리될 수 있었습니다. 패치형·이식형 상처 센서는 상처 주변에 부피가 큰 회로가 필요하거나 염증 위험이 있으며, 기존 다기능 섬유 센서는 봉합 상태를 직접 나타내는 변형 측정에 적합하지 않았습니다.

설계와 접근

DRESS는 코어-셸 구조입니다. 코어는 상용 폴리우레탄 다중 필라멘트 섬유에 Ag 전구체의 흡수와 환원을 반복해 Ag 나노입자를 형성한 것으로, 늘어나면 나노입자 사이가 끊어지고 Ag가 많은 표면층에 균열이 생겨 저항이 커지며, 같은 코어가 줄 발열체로도 작동합니다. 코어는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 봉지하고 O2 플라즈마 처리 후 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(PNIPAm)를 그래프트한 폴리비닐알코올(PVA)로 딥코팅하며, 동결·해동으로 안정화하고 팽윤시켜 약물을 탑재합니다. PNIPAm은 하한 임계 용액 온도(LCST) 이상에서 탈수·수축하며 약물을 내보냅니다. 변형이 코어 저항을 높여 고정 전압에서의 발열이 줄어들기 때문에, 폐루프 전압 제어기가 입력 전압을 조정해 목표 온도를 유지합니다.

평가 방법

변형 센서는 게이지 계수(GF), 50% 변형까지의 이력 현상, 10% 변형 3000회 반복으로 평가했습니다. 발열은 적외선 카메라로 고정 전압 130 mV에서 변형을 가하며, 그리고 30% 변형에서 전압을 바꾸며 측정하고 해석 모델·유한요소 모사와 비교했습니다. PVA:PNIPAm 비율 5:1, 10:1, 20:1을 팽윤도와 상온·42 °C에서의 로다민 B(모델 약물) 방출로 비교했으며, 피부 화상 기준인 45 °C를 고려했고, 아가로스 피부 팬텀에서 방출을 영상화했습니다. 생체적합성은 NIH-3T3 섬유아세포를 일반 Ag 섬유, PDMS 코팅 Ag 섬유, DRESS, 상용 봉합사 옆에서 72시간 배양해 평가했습니다. 상처 치유는 상피세포 성장인자(EGF)를 탑재한 DRESS를 130 mV로 가열하거나 가열하지 않고 얻은 용출 배지로 섬유아세포 긁힘 시험을 해 평가했습니다(n = 3). 마지막으로 신선한 돼지 피부에 만든 길이 30 mm, 깊이 5 mm 상처에 DRESS를 체외에서 봉합했습니다.

연구 내용과 주요 결과

DRESS 코어의 지름은 약 300 µm, 코팅된 봉합사는 약 600 µm였고, 1 m 길이로 제작할 수 있었으며 파단 변형률은 450% 이상을 유지했습니다. GF는 Ag 형성 2회 후 약 155에서 5회 후 40~50% 변형 구간에서 약 686으로 증가했습니다. 50% 변형까지 이력 현상은 무시할 만했고, 10% 변형 3000회 후에도 응답이 안정적이었습니다.

고정 전압 130 mV에서는 변형이 커질수록 저항이 높아져 줄 발열이 줄면서 섬유 온도가 떨어졌습니다. PVA–PNIPAm층 온도에 대한 해석 모델 예측은 유한요소 모사·측정값과 일치했고, 폐루프 전압 제어는 10% 반복 인장 중에도 목표 온도를 일정하게 유지했습니다.

10:1 PVA–PNIPAm 외피는 팽윤도가 가장 높았고 42 °C 가열 시 약물 방출 효율이 98.2 ± 19.5% 증가했으며, 5:1 조성은 방출 효율이 더 낮았는데, 저자들은 낮은 LCST로 상온 방출이 늘어난 점과 낮은 팽윤성을 원인으로 봅니다. 피부 팬텀에서 전압을 가한 DRESS 주변의 약물 확산 면적은 가하지 않은 DRESS의 2배였고, 방출량은 봉합사 가닥 수에 비례해 선형으로 증가했습니다. 일반 Ag 섬유 옆의 NIH-3T3 세포는 대부분 죽었고, Ag 섬유를 PDMS와 PVA–PNIPAm으로 코팅한 뒤 생존율이 68%에서 85%로 높아졌으며, DRESS의 생존율은 상용 봉합사와 비슷했습니다.

긁힘 시험에서 결과 절은 48시간 후 가열한 DRESS 배지에서는 상처 간격이 최대 11%까지 줄었고, 가열하지 않은 DRESS 배지에서는 상처 면적의 31%가 남았다고 보고하며, 초록은 이를 상처 면적 66% 감소로 요약합니다. 체외 돼지 피부에서 봉합한 DRESS는 반복 인장 중 안정적인 저항 응답을 보였고, 고정 전압에서는 40 °C 목표 온도가 인장 시 떨어졌으나 폐루프 제어를 적용하면 반복 인장 중에도 목표 온도가 유지되었습니다.

남은 과제

저자들은 DRESS가 친수성 약물만 탑재할 수 있어 친수성과 소수성 약물을 모두 담을 수 있는 열응답 고분자가 필요하며, 임상 적용 전에 생체 내 적용 가능성을 검증해야 한다고 밝힙니다.

다른 연구와의 연결

Kalidasan 등의 무전지 봉합사는 전도성 고분자를 입힌 다중 필라멘트와 무선주파수 식별(RFID)로 읽는 정전용량 센서를 결합해, 살아 있는 돼지에서 상처 봉합 상태, 위 내용물 누출, 조직 미세 움직임을 모니터링했습니다. DRESS는 전도성 코어의 저항으로 변형을 읽고 같은 코어를 발열체로 써 열응답 약물 방출을 하며, 세포, 피부 팬텀, 적출 돼지 피부에서 평가되었습니다.