연구 핵심 : C-PCL 드레싱은 상처 보호, 세포 재생과 더불어서 pH에 따라 색이 변해서 진단이 쉽다.
녹색 LED와 광다이오드를 통합해서 색상 변화를 정밀하게 측정할 수 있고, 이를 무선으로 모니터링할 수 있다.
Introduction
상처 관리는 중요하다. 최종적 목표는 상처를 낫게 하고, 합병증을 예방하고, 상처 경과를 지켜보며 결과적으로 환자의 삶의 질을 높이는 것이다.
전통적인 상처 드레싱은 상처를 낫게하는 것에는 도움이 되지만, 실시간 관찰에는 어려움을 줬다.
(아마 상처 드레싱을 하면 상처가 덮이게 되어 관측이 어려워서 그런듯)
상처의 정도를 판별할 때는 pH를 관측하면 된다.
염증, 감염이 진행되면 pH가 9까지 높아지고, 상처가 나으면서 pH는 5.5~6.5까지 떨어진다.
pH 관측 방법은 크게 2가지이다.
| Potentiometric | Colorimetric |
| 전극을 통해 pH 레벨의 정량적 측정이 가능 | 상처에 영향을 주지 않고 pH 측정 가능 |
| 탄소 기반 전극은 생체 적합성이 낮고 유독함, 은 기반 전극은 DNA 피해, 세포 사멸, 피부나 장기 암 확률 증가의 단점이 있다 | 색으로 측정해야 해서 정량적 측정이 불가능 |
이 실험에서는 colorimetric을 기반으로 상처의 pH를 진단한다.
Curcumin의 pH 색 변화를 녹색 LED와 광다이오드(PD)를 사용해서 정량적으로 측정하고, NFC 기반으로 배터리 없고 가벼운 실시간 측정 장치를 개발했다.
2. Results and Discussions
2.1. Research Concept
Curcumin + PCL(Polycaprolactone)인 C-PCL로 상처의 pH에 따라 색이 변하는 나노 섬유(전기 방사로 제작)를 만들었다.
다공성 구조이기에 통기성도 좋고, curcumin 덕분에 항균 특성도 지닌다.
정상 피부(pH 5.5~6)에서는 황색을 띄지만, 상처가 악화되면 pH가 8.5-9로 변하며 색이 적색으로 변한다.
색 변화를 정량화하기 위해 PD 신호의 흡광도와 반사도 변화로 작동하는 광전자 센서를 설계했다.
여기서 녹색 LED(광원으로 사용되는 듯)와 NFC로 실시간 색상 데이터 전송이 가능하도록 만들었다.
2.2. Basic Characteristics of Electrospun C-PCL Nanofibers
전기 방사된 C-PCL 나노 섬유는 SEM으로 보면 무작위로 얽힌 구조가 있다.
이 덕분에 면 섬유(cotton)과 비슷한 공기 투과성을 보여준다.
C-PCL 섬유의 생체 적합성, 세포 재생력을 평가하기 위해 섬유아세포(fibroblast) 성장 실험을 진행했다.
비교군은 PCL 섬유를 사용한 드레싱이고, 동일 조건에서 섬유아세포를 증식했다.
결과는 C-PCL이 PCL보다 186% 높은 섬유아세포 성장률을 보여준다.
이는 curcumin이 항염증, 항산화, 항암, 항응고, 항균 특성을 가지고 있고, 이러한 특성 모두가 세포 증식을 촉진한 것으로 보인다.
게다가 C-PCL 섬유는 PCL보다 섬유아세포가 더 균일하고 광범위하게 자랐다.
C-PCL 섬유의 항균 특성도 측정했다.
PCL 섬유는 소수성이라 미생물 흡착을 억제하고, curcumin은 폴리페놀을 다량 함류하고 있고 이는 미생물 성장을 억제하는 항균 특성을 지닌다.
대장균(E.coli)과 황색포도상구균(S.aureus)에 대해 항균 실험을 진행했다.
E.coli에 대해서는 PCL은 대조군(한천만 사용, 0% 항균)에 비해 13.6%의 항균 활성이지만, C-PCL은 77.2%의 뛰어난 항균 활성을 보여준다.
S.aureus에 대해서는 PCL은 96.5%의 강한 항균 활성을 보여줬고, C-PCL은 99.9%의 압도적인 항균 활성을 보여준다.
2.3. Colorimetric pH Sensing Performance of Electrospun C-PCL Dressing
C-PCL 드레싱은 초기 색상은 노란색, pH 7에서 짙은 노란색, pH 8에서 주황색, pH 9에서 적색으로 변한다.
pH를 6->9->6으로 바꾸는 실험을 통해 원래 색상으로 복원된다는 것을 보여준다.
변하는 상처 상태에 대한 민감도와 반응성 체크를 위해 다양한 pH에서 water contact angle(WCA) 실험을 했다.
그 결과 pH가 커질수록 각도가 작아지는 것을 보여주며, 습윤성이 커진다는 것을 의미한다.
추가 실험을 위해 C-PCL을 10cm씩 잘라 pH에 따른 습윤성을 체크했다.
실험 결과 pH가 높을수록 더 잘 젖는 것을 볼 수 있다.
pH가 커질 때 습윤성이 높아지는 것의 장점(내가 생각한)
상처가 심해지면 삼출물이 나오기 마련이다.
pH가 커진다는 말은 상처가 심해진다는 말이고 그에 따라 습윤성이 높아지면 삼출물을 잘 흡수한다.
즉 '스마트'한 드레싱을 만들 수 있다.
2.4. Design of Wireless, Battery-Free, Optoelectronic Diagnostic Sensor
실제 구조는 위 그림과 같다.
fPCB(flexible PCB)에 연결한 회로를 검은색 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 감싸서 외부 요인을 차단했고, 아래에는 구멍을 뚫어 녹색 LED의 빛 반사가 가능하도록 만들었다.
또한 중간에 구멍을 뚫어 통기성을 높였다.
회로 블록 다이어그램은 위와 같다. 최대 Q는 공진 주파수(13.56MHz)에서 18.26이다.
Q 인자(Quality factor)
쉽게 말해, Q가 높다는 것은 저장된 에너지 대비 천천히 줄어든다는 말이다.
$Q=\frac{f_0}{\Delta f}$
전력 전송 효율은 아래의 방정식을 사용해 계산했고, 76%이다.
전력 전송 효율과 Q 인자는 인체에 부착했을 때도 변하지 않았다.
2.5. Working Mechanism and Characteristics of Optoelectronic Diagnostic Sensor
기본적으로 물체는 물체 색상 스펙트럼의 빛을 반사하고 나머지는 흡수한다.
적색의 경우, 적색 파장은 반사하고 나머지는 흡수한다.
녹색은 적색의 보색이기에, 섬유가 빨갛게 변한다면 녹색광 반사율이 낮아진다.
따라서 이러한 반사율의 변화를 통해 정량적으로 pH를 측정할 수 있다.
a* 은 붉은 정도를 나타내며, 이는 녹색광 반사와 음의 상관관계를 보여준다.(a*가 커지면 녹색광 반사는 감소)
상처의 혈액으로 인해 드레싱 색이 변하면 어떻게 될까?
다행히 상처의 검붉은색과 C-PCL의 주황색, 붉은색은 구별되며 이러한 색 변화가 감지되면 센서가 진단해서 사용자에게 출혈을 알릴 수 있다.
장기간 사용시에도 안정적인 측정을 보여준다.
또한 C-PCL은 125 μL/min 정도의 극소량의 유체에도 반응한다.
외부 환경의 빛에도 영향을 받지 않는다. 이는 PDMS 패키징 덕분이다.
이러한 시스템들은 NFC 센서와 통합 안테나로 지속적 모니터링이 가능하다.
오래 착용해도 피부의 습도 수준에 큰 차이를 보여주지 않고, 알레르기 반응 역시 없었다.
3. Conclusion
본 논문에서는 colorimetric 방법으로 pH를 측정하는 무선 센서를 개발했다.
C-PCL을 사용해 색 변화를 관찰하기에 용이하고, 상처 회복에도 도움을 준다.
간병인들이 상처 상태를 실시간 모니터링하게 만들 수 있어 부담을 완화할 수 있다.
추가적으로 땀, 포도당 등의 다양한 요인도 모두 측정 가능한 센서 개발을 목표로 하고 있다.
