Quinone-mediated, tissue-adaptive double-network hydrogel for instant hemostasis and wet-tissue adhesion

연구 배경

클립, 스테이플, 봉합은 적용에 시간이 걸리고 시술자 숙련도에 의존하며, 특히 깊거나 불규칙한 상처에서 고유량 출혈을 충분히 밀폐하지 못하는 경우가 많습니다. 패치형 하이드로젤 드레싱은 넓은 상처를 덮을 수 있지만 복잡한 강(腔)에는 잘 맞지 않고, 액상 접착제는 좁은 부위에 도달할 수 있으나 응고 전에 씻겨 나갈 수 있습니다. 전단 담화(shear-thinning) 이중 네트워크(DN) 하이드로젤은 인성과 주입성을 함께 갖추지만 조직 접착력이 낮아, 보통 카보디이미드(EDC/NHS) 활성화로 공유결합을 도입합니다. 이 과정은 1시간 이상 걸리고 세포독성 부산물이 남을 수 있습니다.

설계와 접근

첫 번째 네트워크는 폴리비닐알코올(PVA), 도파민이 결합된 알지네이트(SA-DOPA), 탄닌산(TA), 붕사로 구성되며, 가역적 수소결합과 붕산 에스터 결합을 통해 인성과 자가 치유성을 부여합니다. 여기에 폴리아크릴산(PAA)을 중합해 연성의 두 번째 네트워크를 형성합니다. 공기 중에서 부드럽게 반죽하면 SA-DOPA의 카테콜이 o-퀴논으로 부분 산화되며, 붕사는 정적 보관 중의 조기 산화를 억제하고 혼합 시에만 산화가 진행되도록 합니다. 생성된 퀴논은 마이클형 부가반응으로 조직의 아민·티올기와 공유결합하고, TA는 혈소판·피브린과 상호작용해 응고를 촉진하며 항균 작용에도 기여합니다. 같은 소재를 성형 패치로 쓰거나 주사기로 압출해 적용할 수 있습니다.

평가 방법

돼지 피부에서 랩 전단(ASTM F2255)과 180° 박리(ASTM F2256) 시험으로 접착을 측정했고, sulfo-NHS acetate로 조직 아민을 차단해 결합 기전을 확인했으며, 혼합 시간에 따른 접착력을 유변 측정으로 평가했습니다. 기계적 특성은 인장, 반복 하중, 응력 완화, 노치, 자가 치유 시험으로 평가했습니다. 체외에서는 대장균·황색포도상구균 억제환, NIH3T3 섬유아세포 생존율, 용혈, 혈액 응고 지수를 측정했고, 적출 돼지 위 천공을 내시경 하에서 밀폐하는 시험을 수행했습니다. 생체 내에서는 생쥐 간 천자 모델(18G 바늘)에서 무처치·거즈군과, 토끼 비장 절개·간 박리 모델에서 거즈, 피브린 글루(Tisseel), TachoSil과 비교했습니다. 주입형은 생쥐 등 피부 2.0 cm 절개 모델에서 봉합, 피브린 글루, 지퍼형 봉합 밴드와 14일간 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

카테콜이 o-퀴논으로 산화되면서 돼지 피부 접착력이 랩 전단과 180° 박리 시험 모두에서 두 배 이상 증가했습니다. 대표 랩 전단 곡선의 최대 응력은 카테콜 상태 52.9 kPa에서 o-퀴논 상태 267.6 kPa로 높아졌고, Supplementary Table 1은 전단 접착 강도를 273 kPa로 제시합니다. 조직 아민을 차단하면 산화된 STAT의 접착이 260–284 kPa에서 9–13 kPa로 감소해 퀴논–아민 결합 기전과 부합했습니다. 접착력은 반죽 시간 15분까지 증가하다 20분에서 감소했으며, 저자들은 이를 수분 손실로 해석했습니다. 접착 시간에 대해 논문은 수 초 안에 견고한 접착이 이루어진다고 기술하며, 본문과 Supplementary Table 1의 10초는 지혈 시간에 해당합니다.

STAT의 인장 강도는 약 150 kPa, 연신율은 약 580%, 영률은 약 80 kPa로 연조직 범위에 해당했습니다. 폭의 20%까지 노치를 낸 시편도 600% 이상 늘어났고, 절단한 시편은 10초 접촉 후 원래 강도의 90% 이상을 회복했습니다. 적출 돼지 위의 1 × 1 cm² 천공을 내시경으로 접근해 밀폐했습니다.

TA를 포함한 하이드로젤만 대장균과 황색포도상구균에 대해 억제환을 형성했습니다. STAT의 혈액 응고 지수는 58.40 ± 1.7로 TA가 없는 대조군의 약 절반이었고, 용혈과 NIH3T3 섬유아세포 독성은 나타나지 않았습니다. 생쥐 간 천자 모델에서 지혈 시간은 STAT 1–3초, 거즈 95–110초였고, 출혈량은 STAT 8–28 mg, 무처치·거즈군 206–240 mg이었습니다(n = 3). 토끼 모델에서는 거즈, 피브린 글루, TachoSil 모두 3분 압박 후에도 출혈이 지속되었으나 STAT은 수 초 안에 출혈을 멈췄습니다. STAT군의 출혈량은 간 1.35–2.21 g, 비장 3.8–4.3 g으로 거즈군의 6.9–8.2 g, 14.9–17.2 g보다 적었습니다.

생쥐 피부 절개 모델에서 주사기로 적용한 하이드로젤은 7일째 거의 완전한 봉합 상태를 유지했고 14일째 완전히 회복되었으며, 조직학적으로 정렬된 표피, 연속적인 콜라겐, 적은 염증세포가 관찰되었습니다. 14일째 치유 피부의 인장 강도는 STAT군 889–942 kPa, 봉합군 409–438 kPa였으며(P = 0.0059), 두 군 모두 손상되지 않은 피부(1154–1276 kPa)보다는 낮았습니다.

남은 과제

저자들은 15분을 넘는 혼합이 수분 손실로 접착력과 기계적 특성을 함께 떨어뜨리고, 공기 중 보관 시 산화가 계속 진행되므로 질소 분위기에서 보관해야 1주일간 접착 성능이 유지된다고 보고했습니다. 또한 14일째 치유 피부는 재형성이 진행 중이어서 정상 진피보다 약했습니다.

다른 연구와의 연결

젖은 조직용 건조 양면 테이프는 건조 고분자가 계면의 물을 흡수한 뒤 공유결합을 형성하는 반면, STAT은 수화된 전단 담화 겔에서 출발해 반죽 중 생성된 퀴논기로 결합하고 탄닌산으로 응고를 촉진합니다.