Special 차세대 유연성/신축성 소재 및 디바이스 기술 개발 동향

상처 관리를 위한 웨어러블형 시스템

류한준_중앙대학교 첨단소재공학과 교수

1. 서론

일반적인 상처 치료를 위해서 환부를 소독하고 일반 밴드, 습윤 밴드를 사용한다. 이러한 방법은 정상적인 재생 능력이 있는 건강한 환자에게는 충분한 치료 방법으로 적용이 가능하다. 하지만 상처 부위가 넓거나 화상, 궤양 등 상처 종류와 크기에 따라 다른 적절한 치료 방법이 필요하다. 이러한 상처 중 만성 상처, 특히 당뇨병 환자에게서 발생할 수 있는 당뇨성 궤양 등의 상처 관리를 위해서는 지속적인 통원 치료 등이 필요하여 현대사회의 비만 인구 증가와 비례하여 높은 사회적, 경제적 비용을 초래하고 있다[1]. 

  고압 산소 치료, 석고형 붕대 치료 등은 주기적인 내원을 요구하며, 치료 과정 중 불필요한 압박이 지속될 경우 새로운 궤양이 발생할 수도 있다. 이러한 당뇨성 만성 궤양은 심각한 합병증을 유발하며 감염, 통증, 거동의 제약부터 심각할 경우 환부 절단까지 이어진다. 당뇨성 궤양 환자의 경우 미국의 경우 약 650만 명으로 추산되며 연간 치료 비용으로 250억 달러가 소모될 것으로 추정된다[2,3]. 특히 통원 치료를 받아야 되는 경우 환자의 시간적 소모가 극심하여 정상적인 생활을 함에 있어서 제약이 크다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 새로운 치료 및 모니터링 기술의 도입이 절실하다. 

  새롭게 개발되고 있는 치료 방법으로는 약물 전달 기술, 피부 이식 기술, 줄기세포 기반 재생 기술 등 다양한 신기술들이 효과가 있음이 보고되고 있다[4-6]. 약물 전달 기술의 경우 하이드로겔과 같은 소재 내에서 지속적으로 치료용 약물을 전달하는 매개체로 쓰인다[7,8]. 피부 이식의 경우 상처 부위가 큰 환부에 정상 피부를 이식하여 상처 보호 및 회복을 촉진하며, 재생 의료 기술은 세포의 분화를 촉진하여 상처 회복을 가능케 한다. 추가적으로 전기 자극 방식의 경우 상피세포의 이동 및 세포 분화를 촉진하여 전체적인 상처 치료 효능을 강화하는 원리로 보고되고 있다. 

  전기 자극 방법에는 직류(Direct Current), 펄스형 직류(Pulsed Direct Current), 교류(Alternative Current) 등 다양한 방법이 사용되고 있으며 각 방법에 따른 회복 기전에는 일부 차이가 있으나 전임상 실험 등에서는 효능이 보고되고 있다[9-11]. 전기적인 방식을 활용하여 약물과 유사한 치료 효과를 꾀하는 새로운 치료 보조용 소자를 “전자약”이라 명명하고 있다. 전자약을 구현하기 위해서는 안정적으로 에너지를 공급할 수 있는 전력원으로 배터리가 사용되며, 다른 방식으로는 무선으로 에너지를 공급하는 방식, 마지막으로는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 활용하는 방식도 활용되고 있다[12]. 

  안정적인 전자약 구동을 위해서는 상처 회복 정도를 모니터링 하는 소자 또한 필요하다. 기존 육안검사를 통해 상처 회복 정도를 확인할 경우 상처 치료를 위한 드레싱 제거가 필요하지만, 이러한 방식은 환자의 지속적 내원이 필요하며 시간적, 금전적 손해를 초래하기 때문에 새로운 전자적인 방법이 연구되고 있다[13,14]. 이러한 목적을 달성하기 위해 상처 관리를 위한 웨어러블 소자로는 피부의 온도, pH, 분비물, 열적 특성, 전기적 특성 모니터링을 통해 상처 치료 정도를 판별하는 방식이 보고되고 있다. 상처의 경우 일반적으로 주변 피부보다 온도가 높으며, 염기성을 보이고 있으며, 정상 피부의 경우 33도 정도의 피부 온도 및 산성을 보유하는 것으로 보고 되고 있다. 그 외 상처 분비물에서 검출되는 Lactate 농도 관측, 열 전달 특성 변화는 다양한 인자 분석을 통해 정확한 상처 회복 정도를 평가할 수 있도록 기여한다. 또한 환부와 닿는 전극 소재의 경우 생체 적합성이 우수하며, 피부와 유사한 기계적 물성, 우수한 전기적 특성이 필요하다. 이를 구현하기 위해 다양한 생체 적합 소재가 개발 활용되고 있으며, 피부에 흡수될 수 있는 소재를 활용하는 기술도 개발되고 있다. 특히 피부 흡수형 소재의 경우 상처 치료 과정 중 발생할 수 있는 환부와 소자의 강한 접착에 의한 소자 박리 과정 중 발생할 수 있는 상처를 예방할 수 있어 많은 장점이 있다[15-17]. 

  본 특집에서는 전자약의 동작 메커니즘, 상처 치료 및 모니터링을 위한 최근 기술 동향을 요약 제공한다. 소재들의 생분해 특성들부터, 상처 치료 방법에 따른 효능에 대한 동향을 정리하며, 특히 전기 자극 방식 기반 전자약에 대해서 집중적으로 다룰 예정이다. 그 외 상처 모니터링을 위한 최근 연구 동향을 요약하여 제공한다. 웨어러블형 상처 치료 시스템은 향후 환자의 빠른 상처 치료 뿐만 아니라 합병증 예방, 미용 효과 등에 기여할 수 있을 것으로 기대되며 새로운 산업 분야를 창출할 수 있을 것으로 예상한다. 

2. 웨어러블형 상처 치료 시스템

(1) 피부 상처 치료 시스템

전자약 중 전기적인 방식을 통해 당뇨성 쥐의 창상 상처를 치료한 연구가 2023년도에 보고 되었다[18]. 해당 전자약은 무선 에너지 전송 시스템을 활용하여 상처에 1.1V DC 전기를 인가하였으며, 매일 30분씩 환부에 전기 자극을 하였다. 해당 전자약 시스템을 보다 자세히 설명하면 크게 세 가지 부분으로 구성되어 있다. 

  먼저 생분해성 전극, 그리고 무선 통신 및 모니터링 시스템, 마지막으로 무선 에너지 수신 시스템이다. 생분해성 전극 소재로는 철(Fe), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W) 및 합금류를 사용할 수 있으며, 일반적으로 Fe, Mg, Zn의 경우 빠른 생분해 속도를 보유하고 있다. 상처 치료를 위해서는 장기간 전기 자극 치료가 필요하기 때문에 생분해 속도가 상대적으로 느린 Mo를 본 연구에서는 활용하였다. Mo 금속은 높은 전기 전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라 전기화학 반응에 의해 생성되는 표면 산화물이 자연적으로 박리되어 높은 계면 전도도 특징을 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 

  본 연구에서는 Mo전극 (15μm 두께)의 생분해 속도가 약 50nm/day가 됨을 확인하였으며 전극 구조 설계를 통해 15% 이상의 연신율을 확보할 수 있었다. 3주 이상의 장기간 생체 환경 묘사 실험시에도 전극의 전기적인 특성이 변화하지 않음을 확인하였고 이는 장기 상처 치료용 전극 소재로서의 역할이 가능함을 실증하였다. 또한 전기화학 특성 평가를 통해 동작 전압 범위 내 산화 환원 반응이 없음을 확인하였으며, 독성 평가 결과 유의미한 생체 독성이 발현되지 않았다. 

그림 1. (A) 상처 치료용 전자약 개요. (B) 전극 간 전기장 시뮬레이션 결과. (C) 생분해 전극 가속실험 결과. (D) 전극 생분해 속도 평가 결과. (E) 전극의 전기화학 평가 결과. (F) 전기 자극에 의한 상처 치료 효과. (G) 상처의 완치를 위한 실험군 및 대조군의 소요 시간. (H) 무선 상처 모니터링 결과. (I) Micro-CT를 활용한 생분해 전극 소멸 과정 분석 결과[18]. Copyright © 2023 The Authors. Science Advances published by American Association for the Advancement of Science.

  전기화학 반응을 보다 자세히 살펴보면 전압이 인가되는 양극 쪽에서는 산화 반응에 의한 MoO2, MoO3이 Mo 표면에 형성 되었으며 음극 쪽에는 환원 반응에 의해 Mo 전극 형태가 유지됨을 알 수 있었다. 양극 전극의 경우 상처 외부에, 음극 전극의 경우 상처 내부에 존재하기 때문에 상대적으로 상처 내부에 있는 전극의 지속적인 환원 반응에 의해 장기간 전극이 동작할 수 있다. 무선 통신 시스템의 경우 13.56MHz의 동작 주파수를 갖는 NFC 통신칩을 활용하여 구현하였다.

  특히 전극에 흐르는 전류값을 측정 및 송신하여 실시간으로 환부에 흐르는 전류 정보를 획득하여 상처 환경을 유추할 수 있다. 상처 발생 직후에는 진물 등이 발생하지 않아 상처의 저항이 약 200 kohm 정도이지만, 진물에 의해 약 70 kohm정도로 저항이 감소하게 된다. 상처의 회복 과정에 의해 환부가 건조해지면서 점차 저항이 증가하게 되며 Mohm 수준으로 저항이 증가하게 되면 상처가 회복되었음을 유추할 수 있다. 따라서 무선 측정되는 전류 수준을 평가하여 사용자의 상처 치료 정도 또는 추가적인 염증 반응이 발생함을 치료와 동시에 모니터링 할 수 있다. 무선 에너지 수신 시스템은 전자기 유도 효과를 이용한 무선 에너지 송신 시스템을 활용하였다. 

  인체에 무해하다고 알려진 13.56MHz 주파수를 활용하여 외부에서 에너지를 송신하며, 전자약의 외부에 존재하는 코일에서 에너지를 수신하는 방식을 활용하였다. 입력되는 에너지를 제어하기 위하여 AC로 수신받는 에너지를 DC로 변환하였으며 NFC 칩의 입력전압에 맞는 DC-DC 전압 강하 및 상처 전기 자극을 위해 전극 쪽으로 1.1 V 전압 강하를 하였다. 

그림 . (A) 상처 치료용 전자약 개요. (B) 전극 간 전기장 시뮬레이션 결과. (C) 생분해 전극 가속실험 결과. (D) 전극 생분해 속도 평가 결과. (E) 전극의 전기화학 평가 결과. (F) 전기 자극에 의한 상처 치료 효과. (G) 상처의 완치를 위한 실험군 및 대조군의 소요 시간. (H) 무선 상처 모니터링 결과. (I) Micro-CT를 활용한 생분해 전극 소멸 과정 분석 결과[18]. Copyright © 2023 The Authors. Science Advances published by American Association for the Advancement of Science.

  동물 실험을 통해서 전자약의 동작 가능성을 확인하기 위해 당뇨성 질병 소동물 모델을 활용하였다. 환부 위에 처치하지 않은 대조군과 환부 위 Mo 전극만 존재하는 대조군이 설정되었으며, 1일 30분씩 1.1 V로 전기 자극 치료를 한 실험군으로 세 개의 비교군을 평가하였다. 동물실험 결과 전기 자극을 한 경우에는 6mm 크기의 창상 상처 치료에 필요한 3~4주 정도의 시간에서 2주 정도로 단축되었으며 약 30% 빠른 상처 치료 효과를 보임을 확인하였다. 특히 상처 회복이 완료된 시점을 기준으로 피부 조직 단면을 분석한 결과 미세혈관 및 모발 세포가 빠르게 재생하였으며, 정상적인 피부 재생 과정과 동일한 결과를 얻음을 보았다. 또한 장기간 Mo 전극이 노출된 소동물의 독성 평가를 진행한 결과 주요 장기 및 혈액 등에 부수적인 감염, Mo 부산물 축적 등이 발견되지 않아 생체 적합성을 검증하였다. 

  무선 상처 치료 모니터링 결과 초기 전류값이 8 μA 수준에서 15 μA로 증가하였다가 1 μA이하로 흐르는 전류값이 변화함을 관측하였다. 이는 환부의 저항 변화 수치와 유사한 경향을 보였으며, 해당 데이터와 사진 데이터를 비교한 결과 환부의 회복 정도 및 환부 표면 상태 변화를 유의미하게 추적할 수 있는 지표로 활용할 수 있음을 확인하였다. 피부 내부로 삽입된 전극의 경우 실험실 환경에서 가속실험 평가 결과 약 300일 정도의 수명이 예측되었으며, 실제 동물에 삽입된 전극의 분해 정도를 micro-CT 촬영 결과 9개월 이후 대부분 소멸하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 향후 상처 치료용 전자약의 가능성을 보여주었으며 다음 세대의 전자 반창고가 구현 가능함을 암시한다.

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