하이드로겔 보조 전기방사로 3D 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터에 나노섬유 균일 코팅 구현

요약

전기방사는 나노섬유를 생산하고 이를 컬렉터에 2차원 나노섬유 매트 또는 3차원 거시적 구조로 증착하는 일반적인 공정입니다. 그러나 돌출부, 곡면, 함몰부 등 복잡한 형상을 가진 3차원 전도성 컬렉터에서는 전기장이 불균일하게 집중되어 나노섬유의 균일한 증착이 어렵고 불완전한 코팅이 발생합니다. 본 연구에서는 하이드로겔의 유연성을 이용해 3차원 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터의 돌출부를 평탄화함으로써 복잡한 형상에 의한 전기장 불균일을 해소하는 '하이드로겔 보조 전기방사' 기법을 제안했습니다. 수치 시뮬레이션 결과, 평탄화 과정에서 전기장 편차의 표준편차가 70% 이상 감소함을 확인했습니다. 실험적으로도 평탄화된 하이드로겔 컬렉터 위에서 나노섬유 매트가 균일한 두께로 전체 표면을 균일하게 덮는 것을 확인했으며, 이는 기존 컬렉터에서는 불가능했습니다. 이 기술은 조직공학, 약물/세포 전달, 환경 필터, 의류 등 전기방사 관련 다양한 분야에 기여할 것으로 기대됩니다.

서론

전기방사는 높은 다공성, 큰 표면적-부피 비율, 세포외기질 모방 구조 등 독특한 특성을 가진 나노섬유를 제조하는 효과적인 기술로, 의류, 환경 필터, 배터리, 조직공학용 스캐폴드 등 다양한 분야에서 주목받아 왔습니다. 그러나 나노섬유의 굽힘 불안정성으로 인한 무질서한 운동 때문에 정밀한 나노섬유 구조 제어가 어렵고, 일반적으로 무작위로 얽힌 2차원 매트만 형성됩니다. 최근 3차원 템플릿 전기방사, 나노섬유 필름 적층, 원심방사 등 3차원 나노섬유 거대구조 제조 기술이 발전하면서 중공 튜브, 복잡한 3차원 형상, 천연 조직 형상의 나노섬유 스캐폴드 등이 제작 가능해졌습니다. 특히 조직공학 분야에서 생체모방 나노섬유 구조와 천연 조직의 3차원 거시구조를 동시에 모방할 수 있어 관심이 높습니다.

다양한 3차원 전기방사 기술 중 3차원 전도성 컬렉터를 이용하는 방법은 후처리 없이 나노섬유를 3차원 거대구조로 조립할 수 있어 간편합니다. 하지만 컬렉터의 복잡한 형상(큰 굴곡, 함몰부 등)은 함몰 부위에 나노섬유 증착을 방해하고 불완전한 코팅을 초래해, 복잡한 형상을 나노섬유 매트로 정밀하게 복제하기 어렵습니다. 이러한 불완전한 코팅은 여과 효율, 기계적 특성 등 기능 저하를 유발할 수 있으므로, 복잡한 3차원 전도성 컬렉터의 형상을 고해상도로 복제하는 기술 개발이 필요합니다.

본 연구에서는 복잡한 형상의 3차원 전도성 컬렉터 형상을 정밀하게 복제하는 나노섬유 매트의 균일한 제조법을 제안했습니다. 대표적 예로 귀 연골 형상의 3차원 컬렉터를 선정했으며, 이전 연구에서 금속 컬렉터처럼 전기장을 형성할 수 있는 이동 이온을 가진 하이드로겔을 전도성 컬렉터로 활용한 바 있습니다. 금속과 달리 하이드로겔은 유연하여 평탄화가 가능하며, 이를 통해 균일한 전기장을 형성해 나노섬유를 고르게 증착할 수 있습니다. 또한 하이드로겔의 기계적 강도를 천연 조직과 유사하게 조절할 수 있습니다. 생체적합성이 우수한 알지네이트와 젤라틴을 혼합해 귀 연골과 유사한 기계적 특성을 구현했습니다. 수치 시뮬레이션으로 평탄화가 전기장 분포에 미치는 영향을 분석하고, 헬릭스, 안티헬릭스, 스카파, 안티트라거스 등 여러 위치에서 나노섬유 매트 두께를 측정해 균일 코팅을 검증했습니다.

재료 및 방법

재료

실리콘 엘라스토머 베이스(PDMS 모노머)와 경화제는 Dow Corning(미국), PLA 필라멘트는 Snapmaker(미국)에서 구입했습니다. 소젤라틴, 알긴산나트륨, 염화칼슘 이수화물, 폴리카프로락톤(PCL, Mw 80,000), 클로로포름은 Sigma Aldrich(미국), 탈수와 메탄올은 삼천화학(한국)에서 구입했으며 모두 정제 없이 사용했습니다.

3D 귀 연골 형상 템플릿의 PDMS 네거티브 몰드 제작

Turbosquid에서 70(길이) × 20(너비) × 1.1 mm(두께) 크기의 3D 귀 연골 형상 템플릿 CAD 파일을 얻어 3DS Max로 수정했습니다. 이를 FDM 3D 프린터(A150, Snapmaker, 미국)로 출력했습니다. PDMS 모노머와 경화제를 10:1 비율로 혼합해 5분간 교반 후 진공 챔버에서 기포를 제거했습니다. 기포가 사라지면 일회용 칭량 접시에 붓고 템플릿을 완전히 담근 후 50°C 오븐에서 24시간 경화했습니다. 경화 후 접시를 반으로 잘라 템플릿을 제거해 PDMS 네거티브 몰드를 얻었습니다.

알지네이트-젤라틴 하이드로겔 제조

알지네이트와 젤라틴을 네 가지 다른 중량비(표 1)로 섞어 하이드로겔을 제조했습니다. 젤라틴을 50°C 물에 자력교반기(300 rpm)로 1시간 녹인 후 알지네이트를 넣고 5분간 수동 혼합했습니다. 혼합액을 PDMS 네거티브 몰드에 붓고 10% 염화칼슘 용액에서 2시간 이온 가교했습니다. 이후 몰드에서 하이드로겔을 분리해 전기방사용 전도성 컬렉터로 사용했습니다.

알지네이트-젤라틴 하이드로겔 기계적 시험

ASTM D638 Type IV 시편 형태로 하이드로겔을 만들어 만능시험기(QM100S, QMESYS, 한국)로 인장 시험을 수행했습니다. 변위 속도 10 mm/min으로 일정하게 당기며 응력-변형률 곡선에서 탄성 계수와 최대 인장 강도(UTS)를 산출했습니다.

나노섬유 매트의 균일 제조

PCL 7.5%(w/v)를 클로로포름-메탄올(3:1)에 6시간 교반해 녹였습니다. 3 mL 플라스틱 주사기에 담아 주사기 펌프(NE-1000, New Era Pump Systems, 미국)로 0.4 mL/h 유속으로 23게이지 금속 바늘(내경 0.6 mm)을 통해 토출했습니다. 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 컬렉터(비율 25:75, A25G75)를 PMMA 평판 기판 위에 올리고, 기판을 바늘 아래 20 cm 위치에 두었습니다. 고전압 19 kV(HV30, NanoNC, 한국)를 바늘과 컬렉터 사이에 인가해 상온, 습도 40-50%에서 전기방사를 수행했습니다. 균일한 증착을 위해 하이드로겔 컬렉터의 외측 돌출부를 평탄화한 후 전기방사를 진행했으며, 한 면 증착 후 컬렉터를 뒤집어 반대쪽 면에도 동일하게 증착했습니다.

나노섬유 매트 특성 분석

주사전자현미경(SEM, Supra 25, Carl Zeiss, 독일)으로 나노섬유 나노구조를 관찰하고 ImageJ로 나노섬유 직경을 측정했습니다. 두께 측정을 위해 나노섬유 매트가 코팅된 하이드로겔을 PDMS 모노머-경화제 혼합물(10:1)에 담근 후 50°C에서 24시간 경화했습니다. PDMS에 매립된 나노섬유 매트를 횡단면 절단해 현미경(Olympus BX53F2, Olympus, 일본)으로 촬영한 단면 이미지에서 두께를 측정했습니다.

수치 시뮬레이션

COMSOL Multiphysics v5.0으로 금속 바늘과 컬렉터 사이 전기장을 시뮬레이션했습니다. 구리, PLA, 하이드로겔 세 가지 재질의 귀 연골 형상 컬렉터 모델을 2차원 단면으로 단순화했습니다. 금속 접지선을 컬렉터에 연결하고, 실제 공정 조건(바늘-컬렉터 거리 20 cm, 인가 전압 19 kV)을 적용했습니다. 하이드로겔 컬렉터는 간질액의 공간 전하 밀도를 기반으로 모델링했으며, 이동 이온은 볼츠만 방정식으로 기술했습니다. 하이드로겔의 유전율은 70으로 설정했습니다. 함몰부 위 10 mm 지점에 10 mm 길이의 기준선 l(x)을 그어 전기장 방향을 분석했습니다.

통계 분석

MINITAB v17.1.0으로 일원배치 분산분석(ANOVA)을 수행했으며, p-value < 0.05를 통계적 유의성 기준으로 삼았습니다.

결과 및 고찰

하이드로겔 보조 전기방사 공정

그림 1은 3D 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터 위 나노섬유 매트 균일 제조 공정을 도식화한 것입니다. 3D 프린팅으로 귀 연골 형상 템플릿을 출력하고(Fig. 1a), 이를 이용해 PDMS 네거티브 몰드를 제작했습니다(Fig. 1b). 몰드에 알지네이트-젤라틴 혼합액을 붓고 가교해 귀 연골 형상의 하이드로겔 컬렉터를 얻었습니다(Fig. 1c). 이 컬렉터를 평판 기판 위에 올리면 복잡한 형상 때문에 헬릭스 부분이 기판과 닿지 않고 떠 있어 헬릭스, 스카파, 안티헬릭스 사이에 높이 차이가 생깁니다(Fig. 1d). 일반적으로 3차원 전도성 컬렉터의 돌출부는 전기장을 집중시켜 나노섬유를 끌어당기고, 낮은 부위에는 증착을 방해합니다. 이를 해결하기 위해 하이드로겔의 유연성을 이용해 돌출부를 기판에 밀착시켜 평탄화했습니다. 평탄화된 상태에서 전기방사를 수행하면 나노섬유가 전체 표면에 균일하게 증착되며, 이후 컬렉터를 원래 귀 연골 형상으로 복원할 수 있습니다. 이는 평탄화가 하이드로겔의 탄성 변형 영역 내에서 이루어지고, 나노섬유 매트의 두께가 하이드로겔에 비해 매우 얇아 기계적 특성에 미치는 영향이 무시할 수 있기 때문입니다.

알지네이트-젤라틴 하이드로겔 제조 및 기계적 특성 평가

PLA 필라멘트로 귀 연골 형상 템플릿을 출력했습니다(Fig. 2a). PLA는 기계적 강도가 높고 융점(~130°C)이 높아 PDMS 몰딩 시 원형 유지가 용이합니다. PDMS 네거티브 몰드(Fig. 2b)는 유연성이 좋아 복잡한 형상의 하이드로겔 탈형에 적합합니다. 제작된 하이드로겔 컬렉터는 헬릭스, 스카파, 안티헬릭스 등 귀의 복잡한 구조를 잘 재현했습니다(Fig. 2c). 기계적 특성 조절 범위를 확인하기 위해 네 가지 혼합비로 시편을 만들어 인장 시험을 수행했습니다. 순수 젤라틴(A0G100)은 가장 낮은 기계적 강도를 보였고, 알지네이트 함량이 증가할수록 선형적으로 강도가 증가했습니다(Fig. 2d). 영률은 A0G100에서 0.04 ± 0.01 MPa, A100G0(순수 알지네이트)에서 5.53 ± 0.77 MPa로 나타났습니다(Fig. 2e). A50G50과 A25G75는 각각 2.10 ± 0.45 MPa, 1.35 ± 0.03 MPa였습니다. 천연 귀 연골의 영률 범위(1-2 MPa, 회색 영역)를 고려할 때 A25G75가 가장 적합해 이를 3D 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터로 선정했습니다.

알지네이트-젤라틴 하이드로겔 컬렉터 위 나노섬유 매트 제조

구리, PLA, 알지네이트-젤라틴 하이드로겔 세 가지 컬렉터로 전기장 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 나노섬유 증착은 나노섬유 전하와 전기장의 상호작용에 의해 결정되므로 전기장 시뮬레이션으로 증착 거동을 예측할 수 있습니다. PLA 컬렉터의 경우 전기장이 대부분 접지선으로 집중되어 컬렉터 표면에 나노섬유가 증착되지 않을 것으로 예측되었습니다(Supplementary Fig. S1b). 반면 하이드로겔 컬렉터는 구리 컬렉터처럼 표면 전체에 전기장이 고르게 형성되었습니다(Supplementary Fig. S1a, c). 이는 하이드로겔 내 이동 이온이 충분한 전도성을 제공해 금속처럼 균일한 전기장을 만들기 때문입니다. PLA는 유전율이 낮아 전기장을 컬렉터 자체로 끌어당기지 못해 접지선 등으로 나노섬유가 분산 증착됩니다. 실제 전기방사 실험에서도 PLA 컬렉터에서는 헬릭스와 접지선을 제외하면 나노섬유 두께가 마이크로미터 이하로 매우 얇았으나, 하이드로겔 컬렉터의 헬릭스에서는 33.24 ± 2.43 μm 두께로 10배 이상 두껍게 증착되었습니다(Supplementary Fig. S1d). 이는 하이드로겔 컬렉터가 나노섬유 수집에 효과적임을 입증합니다.

SEM 이미지(Fig. 3a)에서 나노섬유 매트가 컬렉터 표면, 특히 헬릭스와 안티헬릭스 사이 함몰부인 스카파 영역을 완전히 덮지 못하는 것을 확인했습니다. 나노섬유가 표면에 균일하게 증착되지 않고 경사진 간극 방법에서처럼 정렬된 형태로 떠 있는 현상도 관찰되었습니다. 이는 귀 연골 형상뿐만 아니라 돌출부, 높은 곡률 등 복잡한 형상을 가진 3차원 전도성 컬렉터에서 일반적으로 나타나는 문제입니다.

3D 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터 위 균일 제조의 수치 시뮬레이션

금속 컬렉터로는 불가능한 하이드로겔의 유연성을 이용해 컬렉터 형상을 변형함으로써 높이 차이를 줄이고 평탄화했습니다. 전기방사 공정 구성(Fig. 4a-i)과 헬릭스-안티헬릭스 사이 함몰부 확대 단면(Fig. 4a-ii)을 모델링했습니다. 헬릭스는 바닥 기판과 약 60° 각도로 기울어 함몰부를 형성합니다. 이 각도를 하이드로겔의 유연성을 이용해 0°, 30°, 60°로 줄여가며 전기장 변화를 시뮬레이션했습니다(Fig. 4b-i, ii, iii). 기준선 l(x)을 따라 전기장 각도의 평균값은 0°에서 79.56°, 30°에서 79.39°, 60°에서 77.26°로 큰 차이가 없었으나, 편차는 0°에서 8.23°에서 60°에서 2.36°로 70% 이상 감소했습니다(Fig. 4b-iv). 0°에서 큰 편차는 돌출된 헬릭스로 전기장이 집중되어 나노섬유가 헬릭스에만 몰리고 함몰부 증착을 방해하기 때문입니다. 헬릭스를 평탄화하면 이러한 전기장 집중이 완화되어 균일한 나노섬유 증착이 가능해집니다.

3D 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터 위 나노섬유 매트 균일 제조 실험

시뮬레이션 결과에 따라 헬릭스와 외측부를 금속 고정구로 평탄화했습니다(Supplementary Fig. S2b). 나노섬유 코팅된 하이드로겔은 탄성 변형 영역에서 변형되었으므로 나노섬유 매트의 영향이 미미해 원래 형상으로 복원 가능합니다. 원래 형상과 평탄화된 형상의 컬렉터 각각에 전기방사를 수행한 후 단면 이미지를 비교했습니다(Fig. 5a). 원래 컬렉터에서는 나노섬유가 헬릭스와 안티헬릭스 사이에 떠 있어 스카파에 증착되지 않았으나, 평탄화된 컬렉터에서는 헬릭스, 스카파, 안티헬릭스 전체를 덮었습니다(Fig. 5a-i, ii). 스카파 부위 두께 비교(Fig. 5b)에서 원래 컬렉터는 매우 얇은 반면 평탄화 컬렉터는 충분한 두께로 증착됨을 확인했습니다. 이로써 복잡한 형상에서도 평탄화를 통해 균일한 나노섬유 증착이 가능함을 입증했습니다.

평탄화된 컬렉터 위 나노섬유 매트의 균일성을 추가로 검증했습니다(Fig. 6). 원래 컬렉터에서는 보이드(void)가 있었으나 평탄화된 컬렉터에서는 전체 표면이 빈틈없이 덮였습니다(Fig. 6a). 헬릭스(54.58 ± 3.99 μm), 안티헬릭스(55.40 ± 1.17 μm), 안티트라거스(53.05 ± 1.39 μm), 스카파(51.49 ± 1.24 μm) 네 위치에서 두께를 측정한 결과 모두 균일하게 약 50-55 μm 범위에 분포했습니다(Fig. 6b). 이전 하이드로겔 보조 전기방사 연구 결과에 비추어 볼 때, 하이드로겔 컬렉터를 활용하면 제작된 3차원 균일 나노섬유 매트의 두께 제어도 가능할 것으로 보입니다. 향후 이 나노섬유 매트를 코팅한 3D 귀 연골 형상 하이드로겔이 천연 귀 연골과 유사한 기계적 특성과 생체모방 나노구조를 가지므로 인공 귀 연골 임플란트로 응용 가능할 것으로 기대됩니다. 조직공학 적용 시 나노섬유 매트의 잔류 전하가 세포 거동에 영향을 줄 수 있으므로 이 점도 고려해야 합니다. 이 균일 제조 기술은 3차원 나노섬유 멤브레인 제작의 선구적 작업으로, 3차원 천연 조직 모방 스캐폴드, 고효율 여과용 3차원 다공성 멤브레인 등 새로운 나노섬유 어셈블리 분야에 폭넓게 활용될 것입니다.

결론

함몰부를 가진 3D 귀 연골 형상 하이드로겔 컬렉터 위에 나노섬유 매트를 균일하게 제조하는 기술을 개발했습니다. 그 결과 컬렉터의 형상이 나노섬유 매트에 완전히 복제되었습니다. 가장 중요한 점은 하이드로겔 컬렉터의 유연성을 이용해 함몰부를 조절함으로써, 기존 전기방사로는 코팅할 수 없었던 전체 표면에 균일한 두께로 나노섬유 매트를 증착할 수 있었다는 것입니다. 이 기술은 다양한 하이드로겔 재료와 호환 가능하므로 조직공학, 약물/세포 전달, 의류, 배터리 등 다양한 분야에서 균일한 나노섬유 매트 제조를 위한 더 범용적이고 효과적인 기술이 될 것입니다.