Mechanically Robust and Anti‐Biofouling Hybrid Encapsulation via Layered Organic–Liquid Interfaces for Implantable Devices

연구 배경

이식형 소자는 수분 침투, 조직 움직임에 따른 기계적 응력, 단백질과 세포의 부착으로 인한 생물학적 오염(바이오파울링)을 함께 겪으며, 부착은 염증과 섬유성 피막 형성으로 이어질 수 있습니다. 실리콘 산화물, 질화물, 금속 산화물 같은 무기 보호막은 수증기 투과도가 낮지만 깨지기 쉽고, 폴리이미드, 파릴렌 C, 실리콘 같은 유기막은 유연하지만 고분자 사슬 사이의 자유 부피를 통해 물이 투과합니다. 유무기 복합막은 고온 공정과 클린룸 미세가공이 필요하고 균열에 여전히 취약합니다. 액체 함침형 봉지층도 연구되었으나 과불화폴리에테르 같은 불소계 오일은 장기 이식에 대한 검증이 충분하지 않습니다.

설계와 접근

MOLE는 스핀 코팅한 아민 기능화 실리콘 접착 촉진층(약 100 nm)과 2 µm 파릴렌 C층을 번갈아 형성한 뒤, 바깥 실리콘층을 고점도 실리콘 오일(1000 cSt)로 팽윤시켜 만듭니다. 실리콘의 메톡시기는 가수분해·축합을 거쳐 기판 표면의 수산기와 결합하고, 아민기는 파릴렌 C 증착 중 생성되는 p-자일릴렌 라디칼과 반응해 계면 C–N 결합을 형성하는 것으로 추정됩니다. 단단한 파릴렌 C를 감싸는 연성 실리콘층은 기계적 완충층으로 작용하고, 표면에너지가 비슷한 바깥 실리콘층이 오일을 붙잡습니다. 함침된 오일은 고분자의 자유 부피를 채워 물의 확산 경로를 길게 만들고, 표면에너지가 낮은 표면을 형성해 단백질 흡착을 줄이는 것으로 제시되었습니다.

평가 방법

푸리에변환 적외선 분광(FTIR), X선 광전자 분광(XPS), 여덟 가지 기판에서의 접촉각과 미끄럼각, 광투과도, 피브리노겐·알부민 단백질과 혈액 부착, 교반 PBS에서 2주간 윤활제 유지 여부로 코팅을 분석했습니다. 기계적 평가는 유한요소해석, 1,000회 굽힘, 인장 인성, 90° 박리 시험, ISO 2409 크로스컷 시험으로 수행했습니다. 차단 성능은 수분 투과도, 85 °C PBS에 담근 금 빗살형 전극의 임피던스 분광과 누설전류, 85 °C·상대습도 85% 조건에서 수분에 민감한 마그네슘 안테나의 무선 반사계수(S11) 변화로 평가했습니다. 코팅한 안테나를 7주령 암컷 ICR 생쥐의 복부 피하에 7일간 이식해 코팅하지 않은 안테나, 파릴렌 C 코팅 안테나와 비교했고, 조직학, 혈청 사이토카인, 간 효소로 생체적합성을 확인했습니다.

연구 내용과 주요 결과

MOLE의 물 접촉각은 108.2°로 접착 촉진층의 109.2°와 비슷했으며, PTFE와 티타늄을 포함한 여덟 가지 기판 모두에 윤활제를 함침할 수 있는 표면을 형성했습니다. 초록은 단백질 흡착 1% 미만, 미끄럼각 10° 미만을 보고했고, 형광 분석에서 MOLE는 코팅하지 않은 기판보다 피브리노겐 흡착을 22배 이상, 알부민 흡착을 17배 이상 줄였습니다. 37 °C PBS에서 2주간 교반한 뒤에도 접촉각 변화가 측정되지 않았고, MOLE를 입힌 PET는 코팅하지 않은 PET와 비슷한 투명도를 보였고 400–1000 nm에서 일정한 투과도를 유지했습니다.

유한요소해석에서 실리콘 완충층을 추가하면 최대 내부 응력이 54 MPa에서 21 MPa로 줄었습니다. 1,000회 굽힘 후 파릴렌 C막에는 뚜렷한 미세균열이 생겼으나 MOLE의 손상은 미미했고, MOLE의 인성은 3배 높았습니다. 접착 강도는 초록에서 파릴렌 C 대비 86배로, 유리 기판 90° 박리 시험 결과 서술에서는 약 80배로 제시되었습니다. 크로스컷 시험에서 파릴렌 C는 1회 만에 완전히 박리되었지만 MOLE는 10회 반복 후에도 박리되지 않았습니다.

윤활제 함침은 함침하지 않은 시료보다 수분 투과도를 약 75% 줄였고, 이는 파릴렌 C 대비 68% 향상에 해당했습니다. 85 °C PBS에서 파릴렌 C로 코팅한 전극의 임피던스는 12시간 안에 떨어졌지만 MOLE는 위상각 −90° 부근을 유지하며 60시간 넘게 안정했고, 누설전류는 파릴렌 C에서 10분 안에 실패 기준 1 nA에 도달한 반면 MOLE에서는 최대 15시간 동안 나노암페어 수준을 유지했습니다. 저자들은 이를 절연 수명 160배 향상, 37 °C 기준 약 445시간에 해당한다고 정리했습니다. 85 °C·상대습도 85%에서 마그네슘 안테나의 S11 크기는 24시간당 코팅하지 않은 시료 약 13 dB, 파릴렌 C 약 10 dB, MOLE 약 7 dB 증가했습니다.

생쥐 피하에 이식한 안테나의 S11은 7일 동안 하루에 코팅하지 않은 군 1.027 dB, 파릴렌 C군 0.814 dB, MOLE군 0.45 dB씩 증가했습니다. 1주 뒤 조직학에서 MOLE 봉지 이식체 주변에는 비정상적인 콜라겐 침착이 없고 F4/80 양성 대식세포 침윤이 적었으며, 대조 이식체 주변에는 계면 콜라겐이 더 조밀했습니다. 혈청 TNF-α와 IL-6는 가짜 수술군과 비슷했고, AST와 ALT는 정상 범위였습니다.

남은 과제

저자들은 장기 이식 모델에서의 성능 검증, 생리 조건에서의 안정성 평가, 동적 기계 응력 아래에서 윤활제 유지와 봉지 무결성 최적화를 후속 과제로 제시했습니다. 생체 내 평가는 7일간의 피하 이식에 한정되었습니다.

다른 연구와의 연결

초유연 유기 광전자 피부는 얇은 발광·수광 소자를 피부 위에서 작동하도록 보호했습니다. MOLE는 결합된 고분자 다층과 윤활제 함침 표면을 결합해 체내에서의 물·이온 침투와 조직 상호작용을 다룹니다.