전기장 강화 전기방사 의료용 접착제 섬유를 이용한 신속한 간 지혈

초록

전기방사 섬유의 정밀한 증착은 장기 지혈에서 여전히 주요한 과제로 남아 있습니다. 본 연구에서는 노즐에 금속 원뿔을 도입한 전기장 변형 전기방사 시스템을 제시하며, 이를 통해 제어 가능한 섬유 배치가 가능해졌습니다. 증착 영역은 원뿔의 크기를 조절함으로써 조절 가능하며, 이는 유한요소 시뮬레이션으로 확인되었습니다. 쥐 간 절제 모델에서 N-옥틸-2-시아노아크릴레이트(NOCA) 섬유를 상처 부위에 직접 증착하여 10초 내에 완전한 지혈을 달성했습니다. 수술 후 조직학적 검사에서는 기존 공기 흐름 보조 전기방사법에 비해 염증과 조직 유착이 현저히 감소한 것으로 나타났습니다. 이 휴대용 배터리 구동 장치는 휴대 가능하고 현장 적용 가능한 전기방사가 응급, 임상, 가정 간호 상황에서 신속하고 정확한 지혈을 제공할 수 있음을 입증했습니다.

배경

간 절제는 간 악성 종양의 표준 치료법이지만, 간의 풍부한 혈관으로 인해 대량 출혈이 흔히 발생합니다. 봉합, 결찰, 전기소작, 피브린 또는 젤라틴 실란트와 같은 기존 지혈 기술은 적용 지연, 조직 손상, 면역원성, 짧은 유효기간, 높은 비용 등의 한계가 있습니다. 전기방사는 불규칙한 상처 지형에 순응할 수 있는 저용량 표면 코팅 접근법을 제공합니다. 그러나 기존 전기방사 장치는 부피가 크고 정밀한 증착 제어가 부족하며 상용 전원에 의존하기 때문에 원격지나 응급 상황에서 사용이 제한됩니다. 최근 공기 흐름 보조 전기방사 설계는 증착 영역을 줄였으나 공기 펌프용 외부 전원이 필요했습니다. 따라서 작은 배터리 팩 외에 외부 전원 없이 지향성 있고 정밀한 섬유 증착을 제공하는 휴대용 전기장 변형 시스템을 개발하고자 했습니다.

정전기장 내에 배치된 금속 도체는 표면 전하를 유도하여 전장 분포를 재구성할 수 있습니다. 전기방사에서 대전된 제트의 궤적은 국소 전장에 의존하므로, 전략적으로 배치된 금속 원뿔은 제트를 집속시켜 발산을 줄이고 증착 영역을 좁힐 수 있습니다. 회전 재료로 임상 승인된 시아노아크릴레이트 접착제인 NOCA를 선택한 이유는 고분자 섬유 매트가 기존의 두꺼운 접착제 필름보다 더 유연하고 적은 부피를 필요로 하기 때문입니다.

본 연구에서는 쥐 간 절제 부위에 NOCA 섬유를 제어 가능하고 정밀하게 증착하여 신속한 지혈을 달성하는 전기장 변형 전기방사 기술을 개발했습니다. 이 기술의 휴대성과 정확성은 응급, 임상, 현장, 가정용 적용에 적합합니다.

방법

재료

NOCA 접착제(N-옥틸-2-시아노아크릴레이트 및 PMMA 첨가제)는 광저우 바이윈 의료용 접착제 유한회사에서 공급받았습니다. 클로랄 하이드레이트(10% 용액)를 쥐 마취에 사용했습니다.

생체 내 지혈 실험

성체 수컷 SD 쥐 40마리(300-350g)를 무작위로 두 그룹(각 n=20)으로 나누었습니다: 공기 흐름 보조 전기방사 그룹과 전기장 변형 전기방사 그룹. 마취와 정중 개복술 후 50% 좌엽 간절제술을 시행했습니다. 전기장 그룹에서는 2.5cm 변, 60° 각도의 금속 원뿔을 스피너에 장착하고, 바늘-수집기 거리 10cm, 전압 10kV로 설정했습니다. 공기 흐름 보조 그룹은 1.2mm 출구, 120µl/min 유량, 10kV, 10cm 거리를 사용했습니다. 전체 과정은 쥐당 약 20분 소요되었습니다. 모든 실험은 기관 동물 관리 지침을 준수했습니다.

혈액 검사 및 병리 조직 절편

수술 후 3일째와 5일째 심장 천자로 혈액을 채취하여 백혈구 수와 간 기능 검사를 실시했습니다. 7일째 쥐를 안락사시키고 간을 적출하여 4% 중성 포르말린으로 고정, 파라핀 포매, H&E 염색을 수행했습니다.

전기장 시뮬레이션

유한요소 분석으로 12kV 전원, 구리 바늘, 구리 원뿔, 알루미늄 수집기가 공기 중인 상태를 모델링했습니다. 바늘 길이, 원뿔 직경, 수집기 거리는 각각 3cm, 5cm, 10cm로 설정했습니다.

특성 분석

SEM 이미징은 히타치 TM-1000으로 수행했습니다. FTIR 스펙트럼은 니코렛 In10 분광기로 기록했습니다. 광학 현미경(올림푸스 BX51)으로 증착 경계를 평가했고, 카시오 엑실림 카메라로 생체 내 과정을 촬영했습니다.

결과 및 고찰

정밀 증착을 위한 전기장 변형 전기방사

휴대용 장치(그림 1)는 두 개의 무수은 AAA 배터리와 고전압 변환기를 사용하여 상용 전원 의존성을 제거했습니다. 조절 가능한 금속 원뿔이 기존 공기 흐름 모듈을 대체하여 추가 전력 없이 전장 분포를 변경합니다. 고전압에도 불구하고 낮은 전류를 유지하여 안전성을 확보했습니다.

그림 1. 간 지혈을 위한 전기장 변형 전기방사 NOCA 장치의 개략도.

SEM 결과 연속적인 NOCA 섬유가 1-3µm 직경을 가짐을 확인했습니다(그림 2a). FTIR은 714, 2761, 1732cm⁻¹에서 피크(각각 -CH₂-, -C≡N, -C=O)와 3127cm⁻¹(=CH-) 밴드의 소실로 중합을 확인했습니다. 원뿔 직경을 변화시킴에 따라 증착 면적이 비례하여 감소했습니다(그림 2c), 이는 제트 집속이 강화됨을 나타냅니다. 바늘-수집기 거리를 늘리면 증착 영역이 넓어졌으나(그림 2d), 원뿔이 있는 경우 기존 전기방사보다 여전히 작은 분산을 보였습니다. 이는 원뿔이 전기장을 집속시켜 증착 정밀도를 높임을 입증합니다.

그림 2. a NOCA 섬유 SEM; b FTIR 스펙트럼; c 원뿔 직경에 따른 증착 면적; d 거리에 따른 증착 면적.

정밀 증착 메커니즘 분석

유한요소 결과(그림 3)는 금속 원뿔이 전장 강도를 높이고 발산 각도를 좁힘을 보여줍니다. 원뿔 근처의 전력선은 4×10⁵V/m(원뿔 없을 때 3×10⁵V/m)에 도달하고 각도는 20°에서 6°로 감소하여 대전 제트를 더 작은 궤적으로 제한합니다. 이는 실험적으로 관찰된 증착 면적 감소를 설명합니다.

그림 3. 전기장 분포: a 원뿔 없음; b 원뿔 있음. 삽입도는 전력선 각도(6° 대 20°)를 보여줍니다.

생체 내 신속 지혈 및 분석

쥐 모델에서 전기장 변형 장치는 10초 내에 완전한 지혈을 달성했습니다(그림 4a-c), 공기 흐름 보조 전기방사보다 빨랐습니다. 간 표면의 SEM(그림 4d)은 불규칙한 상처 지형에 순응하는 균일한 50µm 두께의 섬유 막을 보여주어 이 기술의 적응성을 입증했습니다.

그림 4. 쥐 간 절제 모델에서의 지혈: a 간 노출; b 일시적 봉합; c NOCA 증착; d 섬유 막의 횡단면 SEM.

백혈구 수(그림 5a)는 수술 후 5일째 전기장 그룹에서 유의하게 낮은 염증을 보였습니다(p<0.05), 가짜 수술 대조군과 유사했습니다. 간 효소(ALT, AST, GGT)도 현저히 감소했습니다(그림 5b-d), 최소한의 간 손상을 시사합니다. 조직학(그림 6)에서는 전기장 그룹에서 더 명확한 조직 경계, 더 얇은 피막, 더 적은 염증 세포가 관찰되어 공기 흐름 보조 대조군에 비해 조직 유착과 염증 반응이 감소함을 확인했습니다.

그림 5. 혈액 검사: a 백혈구; b-d 간 효소(ALT, AST, GGT).

그림 6. H&E 조직학(×100 및 ×200). 두 그룹 모두에서 염증과 간 손상이 관찰되었으나 전기장 그룹에서 덜 두드러졌습니다.

결론

조절 가능한 금속 원뿔을 특징으로 하는 전기장 변형 전기방사 시스템이 NOCA 섬유의 정밀하고 지향적인 증착을 통해 신속한 간 지혈을 제공함을 입증했습니다. 증착 영역은 원뿔 크기로 제어 가능하며, 시뮬레이션은 집속된 전장이 제트 발산을 줄임을 확인했습니다. 생체 내에서는 10초 내 지혈을 달성했으며, 공기 흐름 보조 전기방사에 비해 염증과 조직 유착이 낮았습니다. 휴대용 배터리 구동 설계로 이 접근법이 응급, 임상, 현장, 가정 간호 상황에 적합함을 보여줍니다.

약어

ALT:

알라닌 아미노전이효소

AST:

아스파르트산 아미노전이효소

CA:

시아노아크릴레이트

E-방사:

전기방사

FTIR:

푸리에 변환 적외선

GGT:

감마-글루타밀전이효소

HE:

헤마톡실린 및 에오신

NOCA:

N-옥틸-2-시아노아크릴레이트

PMMA:

폴리메틸 메타크릴레이트

SEM:

주사 전자 현미경

WBC:

백혈구