체온과 인체 움직임에 반응하는 고분자 활용, 항생제 효과 높이고 미생물 감염 방지

     이식형 의료기기 겉면에 세균막 발생을 차단하는 차세대 기기가 개발됐다.

연세대 의과대학 의학공학교실 성학준‧이강석‧김요한 교수, 김주은 학생, 의생명과학부 조성우 교수 연구팀은 충남대학교 수의외과학 김대현 교수와 함께 몸 안에 심는 의료기기에 세균 부착을 막는 소재를 만들었다고 15일 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘스몰(Small, IF 12.1)’에 게재됐다.

스텐트, 카테터 등 이식형 의료기기에서 생기는 ‘바이오필름(Biofilm, 세균막)’은 세균이 표면에서 군집을 이뤄 항생제조차 침투하기 어렵게 하는 막을 가리킨다. 항생제가 반응하지 못하도록 할 뿐만 아니라 병원성 미생물에 의한 감염, 만성염증의 원인이다.

바이오필름을 해결하기 위해 의료기기 표면을 항생제로 코팅하거나 나노 입자로 입히는 방식을 사용한다. 하지만 다른 기관과의 접촉으로 생기는 마찰은 표면 코팅을 벗겨지게 해 결국에는 기능이 사라진다는 한계가 있다.

연구팀은 약물이나 코팅 없이 소재 특성을 활용해 세균 부착을 저해하는 항바이오필름 플랫폼을 구현했다.

연구팀은 온도에 반응해 초기 설계한 형상대로 복원하는 형상기억고분자(Shape Memory Polymer, SMP)를 활용했다. 연구진이 개발한 형상기억고분자는 의료기기로 적용하기 위해 반응온도를 체온에 맞게 설계했다. 형상기억고분자는 고분자 사슬이 규칙적으로 배열된 결정상과 사슬의 운동성이 자유로운 비정질상이 공존하는 구조적 특징을 지닌다. 형상기억고분자 내에 결정들은 반응온도인 체온에서 반복적인 형상 변형, 회복에 의해 점차 균일하고 정렬된 결정으로 재배열한다. 표면에 촘촘한 결정 영역이 형성돼 세균 부착을 억제한다.

표면 결정 틈이 세균 크기(0.5~5마이크로미터)보다 작게 줄어들어 세균이 물리적으로 붙을 수 없는 환경이 조성했다. 고분자가 체온에서 반응하는 만큼 사람이 움직이면 자연스럽게 표면 밀도를 높이는 전략이다.

▲ 형상 회복에 따른 결정 정렬 및 비정질 감소를 통한 세균 부착 억제 모식도

대장균, 황색포도상구균, 녹농균 등 바이오필름을 유발하는 주요 세균을 대상으로 진행한 실험에서 고분자에 움직임을 가할수록 세균 부착량이 급격히 감소했다. 또 실제 담도를 고분자 플랫폼으로 교체한 동물 실험을 실시한 결과 1년간 바이오필름 현상이나 다른 장기에 협착하는 부작용이 없었다.

성학준 교수는 “형상기억고분자의 표면 결정 제어 기술을 이용해 신개념 항바이오필름 의료기기 소재를 개발했다”며 “대부분의 삽입형 의료기기에서 대두되는 바이오필름 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술로써 활용되길 기대한다”고 말했다.