연구 개요
연세대학교 BLISS Lab(서정목 교수 연구실)과 고려대학교 안암병원 정형외과 연구진이 함께 수행한 이 연구는 스테인리스강 고정판과 나사에 식각한 미세·나노 구조에 과불화폴리에테르 윤활액을 붙잡아 두는 윤활 정형외과 임플란트 표면(lubricated orthopedic implant surface, LOIS)을 개발했습니다. 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)에 미리 노출한 임플란트를 토끼 대퇴골 골절 모델에 이식했을 때, 무코팅 임플란트는 6마리 중 6마리가 감염됐고 LOIS 임플란트는 한 마리도 감염되지 않았습니다.
연구 배경
정형외과 임플란트 표면의 세균 부착과 바이오필름 형성은 항생제로 치료하기 어려운 수술 부위 감염을 일으키며, 임플란트와 주변 조직을 제거하는 재수술로 이어지는 경우가 많습니다. 약물 방출형 임플란트는 장기 이식 시 주변 조직 손상과 제한된 약물 탑재량이 보고됐고, 쯔비터이온성 고분자 코팅은 장기 안정성과 수술 중 긁힘에 대한 내구성이 부족하며, 생분해성 임플란트는 불균일하게 분해됩니다. 초소수성(superhydrophobic, SHP) 표면은 갇힌 공기로 세균을 밀어내지만, 공기층이 녹아 사라지면 넓은 요철 면적 때문에 오히려 세균 부착이 늘 수 있습니다.
설계와 접근
LOIS는 의료용 304 스테인리스강에 네 단계로 만듭니다. 불산(HF) 식각으로 미세·나노 계층 거칠기를 만들고, 질산 부동태화로 내식성을 위한 산화크롬층을 회복시킨 뒤, 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸트리에톡시실레인(POTS) 자기조립 단분자막(SAM)으로 표면 에너지를 낮추고, 과불화폴리에테르 윤활액(Krytox 101)을 주입합니다. 저자들은 10분 미만 식각에서는 나노 거칠기만 생겨 윤활액을 충분히 붙잡지 못하고, 30분을 넘기면 나노 거칠기가 사라진다고 설명합니다. 비교한 식각 시간 가운데 15분에서 미끄럼각(SA)이 가장 낮아 이를 채택했습니다. 이중 규모 거칠기는 모세관력을 높여 손상 부위로 윤활액이 다시 흘러들게 합니다.
LOIS의 표면 처리 단계와 미세구조·표면 화학·액체 젖음 특성을 보여 주는 논문 원그림입니다. A는 제작 과정, B는 SEM·AFM 관찰, C–D는 XPS 분석, E–F는 액적 관찰과 접촉각·미끄럼각 비교입니다.
Kyomin Chae, Woo Young Jang, Kijun Park 외. “Antibacterial infection and immune-evasive coating for orthopedic implants”. Figure 2. DOI: 10.1126/sciadv.abb0025. © 2020 The Authors. CC BY-NC 4.0. 출처: NLM/PMC 공개 논문 데이터셋. 그림의 크기·패널·라벨은 변경하지 않았습니다.
원그림과 원문 설명 ↗ · DOI: 10.1126/sciadv.abb0025 ↗ · CC BY-NC 4.0 ↗
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평가 방법
물, 혈액, 에틸렌글리콜, 에탄올, 헥사데케인의 접촉각과 SA는 SHP와 LOIS에서 비교했고, 무코팅, 식각, SHP, LOIS 기판은 12시간과 72시간 배양한 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)과 MRSA, 알부민, 피브리노겐, 섬유모세포, 대식세포, 칼슘의 부착으로 비교했습니다. 기계적 영향은 나노압입, 토끼 대퇴골에 고정판과 나사를 체외(ex vivo)로 삽입한 뒤의 혈액·알부민 부착 시험, 3점 굽힘 시험으로 평가했습니다. 생체 내 실험에서는 수컷 뉴질랜드 백색 토끼 24마리를 네 군(각 n = 6)으로 나눴습니다. 멸균 무코팅 임플란트(무코팅 음성군)와, 10⁶ CFU/ml MRSA 현탁액에 12시간 미리 노출한 무코팅(무코팅 양성군), SHP, LOIS 임플란트입니다. 저자들은 임플란트에 바이오필름을 일관되게 형성하기 위해 세균 주입 대신 사전 노출 방식을 택했습니다. 4주 후 감염 여부, 헤마톡실린·에오신(H&E) 및 Masson 삼색 염색, 종양괴사인자-α(TNF-α)와 인터루킨-6(IL-6) 면역조직화학, X선, 가골에 대한 미세 컴퓨터단층촬영(micro-CT), 파골세포에 대한 주석산 저항성 산성 인산분해효소(TRAP) 염색을 평가했습니다.
연구 내용과 주요 결과
물, 혈액, 에틸렌글리콜, 에탄올, 헥사데케인은 모두 10°~15° 미만의 경사에서 LOIS를 굴러 떨어졌지만, SHP 표면에는 물을 제외한 모든 액체가 붙었습니다. 코팅은 티타늄, 폴리페닐설폰, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리락트산-글리콜산 공중합체에도 적용됐습니다. 12시간 배양에서 식각·SHP 표면의 세균 부착은 무코팅 강보다 약 25~50% 적었으나 SHP는 72시간에 이 효과를 잃었고, LOIS에는 두 시점 모두 바이오필름이 부착되지 않았습니다. 서론은 체외에서 LOIS의 부착을 1% 미만으로 요약합니다. SAM 코팅 유리에 윤활액을 주입한 반사 공초점 시험에서 윤활층은 인산완충식염수에서 120 rpm으로 120시간 흔든 뒤에도 유지됐고, LOIS는 다른 기판보다 단백질, 세포, 칼슘의 부착을 줄였습니다.
나노압입 최대 깊이는 무코팅 강에서 0.26 μm, LOIS에서 1.61 μm였으며, 저자들은 이를 미세·나노 구조 때문으로 봅니다. 체외 삽입으로 나사 구멍 주변이 손상된 고정판에서 SHP는 혈액 반발성을 잃었지만 LOIS는 혈액을 밀어냈습니다. 손상된 SHP 고정판의 알부민 부착 면적은 무코팅 고정판의 약 절반이었고 LOIS에는 부착이 없었습니다. 나사에서도 LOIS에는 단백질이 거의 또는 전혀 붙지 않았고, SHP 나사의 부착 면적은 무코팅 나사의 3분의 1이었습니다. 영률은 무코팅 41.48 ± 1.01 GPa, 코팅 기판 40.06 ± 0.96 GPa로 약 3.4% 차이였으며, 사람 피질골에 대해 보고된 7.4~31.6 GPa보다 높았습니다. 굽힘 강도는 무코팅 기판이 약 5.3% 높았으며, 본문과 그림 4L 설명은 비교군을 SHP로 표기합니다.
골절 모델에서 무코팅 양성군은 4주째 심한 염증을 보였고, H&E 염색에서 농양과 괴사가, X선에서 지속되는 골용해선이 관찰됐습니다. 반면 LOIS 임플란트 주변 조직에는 감염 징후가 없었고 골절도 치유된 것으로 나타났습니다. SHP 임플란트도 감염 관련 염증을 일으켰습니다. 면역조직화학에서 LOIS 주변의 TNF-α 발현은 멸균 무코팅 음성군보다 약간, IL-6 발현은 뚜렷하게 낮았으며(그림 5G 정량에서 P < 0.01 표시), 저자들은 이를 감염 예방에 더해 이물 반응이 줄어든 결과로 해석합니다.
micro-CT에서 무코팅 양성군과 SHP군은 가골 형성이 적었고, 무코팅 음성군과 LOIS군은 두꺼운 가골로 둘러싸였으며, 정량한 가골 형성은 무코팅 음성군과 LOIS군에서 다른 군보다 유의하게 많았습니다. 나사-뼈 계면의 파골세포 모집은 무코팅과 LOIS 임플란트에서 비슷했습니다. 토끼 2마리(무코팅 음성군, LOIS군)를 6주에 추가 비교한 X선에서는 두 경우 모두 지속되는 골용해선이 보이지 않았습니다.
남은 과제
저자들은 이식 후에 임플란트에 도달하는 감염은 모델링하지 않았으며 이를 연구할 새로운 생체 내 모델이 필요하다고 밝힙니다. 또한 골유도는 아직 해결되지 않은 과제로, 골유도 세포의 선택적 부착이나 재생의학적 접근을 LOIS와 결합하는 후속 연구를 제안합니다.
함께 읽을 연구
Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity
SLIPS는 벌레잡이통풀(Nepenthes)에서 착안해 다공성 고체에 윤활액을 붙잡아 액체를 밀어내고 손상 후 회복하는 표면입니다. LOIS는 이 원리를 스테인리스강 고정판과 나사에 적용하고, 토끼에서 수술 중 손상과 세균 감염에 대해 시험했습니다.
초록을 참고한 소개RESEARCH NEWS
연구 소식
해설에 사용한 자료
이 해설은 오픈액세스 논문의 전문과 그림 설명(PMC7608784)을 바탕으로 하며, 보충자료는 검토하지 않았습니다. 본문 안에서 군 표기가 다른 부분(굽힘 강도 비교의 SHP, 파골세포와 6주 서술의 무코팅 양성군)은 원문 표기대로 밝히거나 제외했습니다.