생기원, 실시간 모니터링 가능한 차세대 혈관 스캐폴드 개발

 

고분자 복합 구조 설계 및 3D 프린팅 맞춤 제작으로 금속 스텐트 한계 극복

무선 압력 센서 통합해 실시간 혈관 모니터링 가능

 

 세계보건기구(WHO)에 따르면 심혈관질환은 전 세계 사망 원인의 약 30%를 차지하는 질환이다.

 

심혈관질환 치료에서는 혈관을 넓히기 위해 주로 금속 스텐트(Stent)를 사용하는데, 체내에 영구적으로 남아 염증 반응이나 혈전 형성 등의 부작용을 유발할 위험이 있다.

 

 

체내에서 자연 분해되는 생체 흡수성 혈관 스캐폴드(BVS, Bioresorbable Vascular Scaffold)는 2016년 상용화되었으나, 혈관을 안정적으로 지지하기에는 강도가 약하고, 혈관의 수축‧이완을 도울 유연성이 부족해 성능 향상 연구가 진행 중이다.

 

한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)과 전남대학교 공동연구팀이 3D 프린팅 기술을 활용해 강도와 유연성을 개선하고, 실시간 혈압 측정이 가능한 ‘스마트 하이브리드 혈관 스캐폴드(SH-BVS)’를 개발했다.

 

 

생기원 에너지나노그룹 김동수 박사 연구팀과 전남대 심혈관 RLRC센터 이동원 교수 연구팀은 기존 BVS가 단일 재료로 제작되어 강도와 유연성에 한계가 있다는 점에 착안, 3D 프린팅으로 생분해성 고분자인 폴리카프로락톤(PCL)과 폴리락틱애씨드(PLA)를 결합해 복합 구조체를 구현했다.

 

PCL은 낮은 녹는점으로 인해 체온에서도 유연한 특성을 유지하고 높은 탄성률을 가져 변형 후에도 원래 형태로 복원되는 특성이 있는 반면, PLA는 높은 인장강도와 경도를 지녀 혈관 확장 시 안정적인 기계적 지지를 제공해 구조적 견고함을 보장한다.

 

SH-BVS는 3D 프린팅으로 맞춤 제작되어 환자별 혈관 구조에 최적화된 지지력을 제공하며, 체내 생체 조직에 의해 서서히 분해돼 부작용을 줄인다.

 

실험 결과 SH-BVS는 기존 단일 재료 기반 스캐폴드보다 굽힘 성능과 혈관 확장을 위한 반경 방사 강도가 향상되는 것으로 나타났다.

 

단일 소재 PLA 스캐폴드는 60° 굽힘에서 파손된 반면, SH-BVS는 180°까지 굽힌 후에도 거의 완벽하게 복원됐고, 유사한 방사력을 보였다.

 

연구팀은 또한, SH-BVS에 전력 공급 없이 혈관 내 압력 변화 감지가 가능한 LC형 압력 센서를 통합 설계해 실시간 모니터링이 가능하도록 했다.

 

LC형 압력 센서는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 공진 회로를 이용해 압력 변화를 감지하며, 외부 리더기로 데이터를 전송함으로써 혈관 협착 및 재협착 여부를 조기에 파악할 수 있다.

 

생체 모사(Phantom) 실험에서 SH-BVS를 실제 혈류와 유사한 조건에서 삽입해 테스트한 결과, 내장된 센서가 혈관 내에서 구조적 안정성과 압력 감지 기능을 지속적으로 유지하는 것으로 확인됐다.

 

생기원 김동수 박사는 “SH-BVS 기술을 통해 BVS가 단순한 물리적 지지 장치가 아니라, 실시간 건강 모니터링이 가능한 스마트 의료 기기로 발전할 것”이라고 밝혔다.

 

전남대 이동원 교수는 “3D 프린팅 기술을 통해 환자의 혈관 특성에 최적화된 BVS 제작이 가능하며, 유연성과 지지력을 동시에 확보해 치료 효과를 극대화할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

이번 연구 성과는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업(세종과학펠로우십, 지역혁신선도연구센터사업) 지원을 받아 수행되었으며, 지난 1월 센서 및 액츄에이터 분야의 세계적 학술지‘Sensors and Actuators B: Chemical (IF=8.0, JCR 상위 0.7%)’에 게재*됐다.

 

* 논문 제목 : Enhancing flexibility of smart bioresorbable vascular scaffolds through 3D printing using polycaprolactone and polylactic acid

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