최첨단 하이드로겔 드레싱: 화상 치료와 피부 재생의 혁신, 알지네이트 분사형 드레싱 기술 분석

 http://dx.doi.org/10.9718/JBER.2023.44.1.64

이 컬럼은 첨부된 학술 논문 "알지네이트 기반 분사형 하이드로겔 개발 및 용기 적용에 대한 기술적합성 평가" 를 바탕으로, 최신 생체 재료 공학 분야의 전문가적 지식을 활용하여 화상 치료 및 피부 재생 분야의 혁신적인 기술인 알지네이트 기반 분사형 하이드로겔 드레싱의 개발 배경, 연구 방법, 주요 결과 및 향후 전망을 깊이 있게 분석합니다.

---

1. 서론: 화상 치료, 새로운 패러다임을 요구하다

화상은 열에 의해 피부 세포가 파괴되거나 괴사(necrosis)되는 심각한 질환으로, 피부뿐만 아니라 피부 부속 기관까지 손상시킵니다. 손상된 피부는 감염(infection) 위험을 높이고, 염증(inflammation) 및 극심한 통증(pain)을 유발하며, 심각할 경우 사망에까지 이르게 하는 전신 질환입니다. 화상 치료의 결과는 초기 처치에 크게 좌우됩니다.

전통적인 화상 처치 방법은 상처 부위의 온도를 낮추고(cooling), 추가적인 감염 발생을 억제하며, 상처 부위가 건조해지지 않도록 하는 데 중점을 둡니다. 과거에는 거즈(gauze)를 사용했으나, 현재는 상처 보호, 오염 방지, 삼출물(exudate) 흡수, 출혈 및 체액 손실 방지 역할을 하는 창상 피복재(wound dressing)가 사용되고 있습니다.

그러나 기존의 창상 피복재, 특히 넓거나 굴곡진 화상 환부(손, 발 등)에 적용할 때 다음과 같은 한계에 직면합니다:

• 유착 발생: 환부끼리 붙어 유착이 발생할 수 있습니다.
• 2차 감염 위험: 넓은 부위에 적용 시 피부 손실이나 수분 증발로 인해 2차 감염 발생 확률이 커집니다.
• 적용의 어려움: 굴곡 있는 부위에 완벽한 치유가 어렵거나 치료 방법 자체가 까다롭습니다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 부작용을 최소화하고 혈액 순환 개선 및 조직 괴사를 완화하며, 특히 넓고 굴곡진 환부에 효과적으로 사용 가능한 생체적합성이 뛰어난 기능적 소재의 개발이 절실합니다. 최근 이 분야에서 가장 주목받는 제형 중 하나가 바로 하이드로겔입니다.

하이드로겔은 다량의 수분을 함유하는 삼차원 친수성 고분자 구조로, 전체 중량의 20% 이상 수분을 흡수할 수 있는 특성을 가집니다. 사용되는 친수성 고분자의 화학 구조나 사슬 간 가교도에 따라 다양한 형태와 성질을 가진 제형으로 제조 가능합니다. 그러나 일반적인 하이드로겔 드레싱 또한 넓은 부위나 굴곡 있는 부위에 물리적 접촉 없이 적용하기에는 한계가 있었습니다.

본 연구는 이러한 한계를 극복하고 초기 화상 처치의 효율성을 극대화하기 위해, 생체적합성과 탄력성(elastic)을 갖춘 분사형 알지네이트 하이드로겔 드레싱의 개발에 초점을 맞추었습니다. 이 분사형 하이드로겔은 상처 치유 촉진, 통증 감소, 사용 편의성 증대 등의 이점을 가집니다.

---

2. 알지네이트 기반 분사형 하이드로겔의 설계 및 재료 과학

하이드로겔 재료 중 친수성과 생체적합성이 뛰어난 대표적인 물질로는 폴리-2-히드록시에틸메타아크릴레이트(PHEMA)와 알긴산(alginic acid)이 있습니다. 특히 알긴산은 해양 갈조류와 일부 박테리아에서 추출한 천연 다당류(natural polymer)이며, 생체적합성과 무독성(non-toxic) 특성으로 인해 의약품 및 의료기기 분야에 광범위하게 응용됩니다.

알긴산은 beta-D mannuronic acid와 alpha-L guluronic acid 단위로 구성되며, Ca²⁺와 같은 2가 양이온과 이온 결합하여 하이드로겔을 형성합니다. 이 과정에서 강한 친수성(hydrophilic)을 발현하여 상처 발생 시 생기는 삼출물을 흡수하는 데 효과적입니다.

본 연구에서 개발된 분사형 알지네이트 하이드로겔 드레싱의 핵심 개념은 다음 그림 1과 같습니다. 

그림 1. 화상 치유를 위한 분사형 알지네이트 하이드로겔 드레싱의 개념

영상 판독 내용: 알지네이트 산 용액(1.5-3.0 wt%)과 염화칼슘($\text{CaCl}_2$, 5.0 wt%) 수용액을 혼합하여 칼슘 이온($\text{Ca}^{2+}$)을 이용한 이온 결합 가교를 통해 하이드로겔을 형성하는 원리입니다^{252525252525252525}. 이 하이드로겔은 스프레이 용기를 통해 화상 부위에 분사되어 상처(Tissue) 위에 하이드로겔 막(Hydrogel membrane)을 형성하게 됩니다^26262626.

2.1. 재료 및 제조 방법

• 재료: 알긴산 나트륨(Sodium alginate, 1.5 - 3.0 %), 염화칼슘(CaCl₂, 5.0 %), 에틸 알코올(EtOH), NaOH, 3차 증류수(DW) 등이 사용되었습니다.
• 제조: 알긴산 나트륨을 농도별(1.5, 1.75, 2.0, 2.25, 2.5, 3.0 %)로 저속 교반하여 균일한 용액을 제조하고, 이를 가교제인 5.0 % CaCl₂ 수용액과 혼합하여 분사형 알지네이트 하이드로겔 드레싱을 제조하였습니다.

---

3. 연구 결과 및 기술적합성 평가

개발된 분사형 알지네이트 하이드로겔 드레싱은 분사 구현, 물리적 특성, 세포독성 측면에서 포괄적인 기술적합성 평가를 거쳤습니다.

3.1. 형태학적 분석 (FE-SEM)

전자주사현미경(FE-SEM)을 이용한 분석 결과는 다음과 같습니다.

 

그림 2. 전자 주사 현미경(FE-SEM)으로 측정된 알지네이트 하이드로겔 드레싱의 표면 및 측면

영상 판독 내용: 모든 농도(a: 2.25 %, b: 2.5 %, c: 3.0 %)의 알지네이트 하이드로겔 군에서 약 250 µm 내외의 기공과 표면에 다수의 hole이 생성됨이 확인되었습니다. 알지네이트 농도가 증가할수록 hole의 형상이 미미하게 일그러지는 경향을 보였으나, 모든 군에서 기공과 $\text{hole}$ 간 상호작용이 가능한 구조를 보여, 외부로부터의 영양분 흡수나 세포 이동이 원활한 형태학적 특성을 가짐을 확인했습니다. 이러한 구조는 화상 시 발생되는 삼출물 흡수와 산소 투과를 용이하게 함을 간접적으로 시사합니다.

3.2. 분사 구현 및 용기 적합성 평가

분사형 하이드로겔의 안정적인 적용을 위해, 시판 용기와 본 연구진이 설계한 기능성 용기를 비교 평가했습니다. 

그림 3. 분사 구현 및 용기 적합성 평가

(a) 시판 용기 사용 시: 고농도뿐만 아니라 저농도에서도 용액이 분사되거나 토출되기 어려웠으며, 넓은 범위로 분사되지 않고 하이드로겔 막이 형성되지 않은 채 피부에서 흘러내리는 졸(sol) 형상을 보였습니다.

(b) 설계 용기 사용 시: 고농도까지 안정적으로 용액이 토출되었고, 넓은 범위까지 분사 가능했으며, 피부 접착에도 안정적으로 하이드로겔 막(membrane)이 형성됨을 확인했습니다. 이 결과는 분사 가능한 기능성 용기의 개발이 분사형 하이드로겔 드레싱의 상용화에 필수적임을 보여줍니다.

3.3. 멸균법에 의한 유변학적 특성 및 겔화 성능 분석

알지네이트는 고온(80°C 이상)에서 변성되는 특성을 가지므로, 멸균 과정에 따른 물성 변화를 감마선(gamma-ray)과 전자선(Electron Beam) 조사를 통해 분석했습니다. 

그림 4. 멸균법에 의한 점도 측정: (a) 감마선 조사, (b) 전자선 조사

(a) 감마선 조사: 25 kGy 감마선 조사 시, 모든 농도군에서 노랗게 색이 변하고 물성이 겔(gel) 상태에서 흐르는 용액 상태(sol)로 변화되어 점도가 급격히 낮아졌습니다. 이는 감마선 멸균법이 소재 안정성 확보에 적합하지 않음을 시사합니다.

(b) 전자선 조사: 감마선 멸균에 의해 안정성이 확보된 농도군(2.25~3.0 wt%) 중 가장 안정적인 거동을 보인 3.0 wt% 알지네이트 하이드로겔을 전자선 조사했을 때, 1 kGy에서 1156 cP, 3 kGy에서 224 cP, 5 kGy에서 56 cP로 점도가 측정되었습니다. 무균 보증수준(SAL)을 고려했을 때, 전자선 시험법에 의한 소재 안정성이 유효한 결과로 나타났습니다.

최적 농도 및 멸균 조건: 3.0 wt% 알지네이트 하이드로겔 소재 군이 전자선 조사 시 안정적인 거동을 보이며, 1.0 kGy에서 1156 cP 점도로 측정되어 최적 농도 조건으로 확인되었습니다.

3.0 % 알지네이트 하이드로겔의 겔화 성능을 레오미터로 측정한 결과, 동적 탄성률(G’)이 손실 계수(G'')보다 큰 G' > G'' 거동을 전 frequency 영역에서 나타내어, 이는 전형적인 알지네이트 하이드로겔의 유변학적 거동(빠른 겔화)을 보여줍니다.

3.4. 세포 적합성 평가 (생체적합성)

개발된 알지네이트 하이드로겔의 생체적합성을 평가하기 위해 섬유아세포(human fibroblast cell line)를 이용한 MTS assay를 24시간 및 48시간에 걸쳐 수행하여 초기 독성과 장기 독성을 평가했습니다. 

그림 5. 세포 생존률 평가(MTS assay, n=5, mean \pm \SD)

24시간 배양: 실험군과 대조군 사이에 큰 차이를 보이지 않으며 유사한 세포 생존율을 보였습니다.

48시간 장기 배양: 모든 군에서 유의한 결과를 보였으며, 특히 b군 (2.5 % 알지네이트 하이드로겔 군, 2.5 % sodium alginate + 3.0 % CaCl₂ 혼합)에서 세포 독성이 없고 세포 생존이 증가함을 보여, 세포 적합성에서 유의한 결과로 평가되었습니다.

이는 분사형 알지네이트 하이드로겔이 섬유아세포의 활성화를 통해 피부 재생을 촉진하고 상처 치유를 가속화할 수 있음을 보여주는 중요한 결과입니다.

---

4. 고찰 및 결론: 피부 재생의 미래

화상 및 창상과 같은 피부 질환에 있어서는 신속한 처치와 동시에 흉터를 최소화하고 피부 재생 능력을 효과적으로 유지할 수 있는 자연 치유력이 기대되는 치료제가 절실히 요구됩니다.

본 연구를 통해 개발된 분사형 알지네이트 하이드로겔은 다음과 같은 혁신적인 특성을 가집니다.

• 안전성 및 생체적합성: 천연 고분자인 알긴산을 사용하여 피부에 자극적이지 않으며, 특히 2.5 % 알지네이트 하이드로겔에서 가장 효과적인 생체적합성을 보였습니다.
• 적용의 용이성: 새롭게 설계된 기능성 용기를 사용하여 굴곡 있는 부위와 넓은 부위까지 용이하게 분사 가능하며, 안정적인 하이드로겔 막을 형성합니다.
• 기능성: 하이드로겔 막 형성을 통해 신속한 열적 통증 감소, 오염원에 의한 2차 감염 억제, 상처 환부 사이의 유착 방지 및 피부 재생 촉진 기능을 확인했습니다.
• 멸균 안정성: 감마선 멸균은 부적합했으나, 전자선 조사 멸균법을 통해 소재의 안정적인 거동을 확보하여 의료기기로서의 기술적합성을 높였습니다.

결론적으로, 개발된 분사형 알지네이트 하이드로겔 드레싱은 우수한 물리적 물성과 생체적합성을 갖춘 기능성 소재로, 응급 화상 치료에서 흉터를 최소화하고 피부 재생을 개선하는 새로운 대안을 제시합니다.

향후 이 소재에 상처 치유에 효과적인 약물(예: 센텔라아시아티카, 후시딘산나트륨, 티트리 오일)이나 통증 경감 국소마취제(예: 리도카인, 로피바카인) 등을 함입함으로써, 빠르고 능동적인 응급 화상 치료제 소재 및 광범위한 피부 재생 분야 의료기기 소재로의 개발 및 응용 가능성이 매우 높을 것으로 판단됩니다.

---

참고문헌

[1] R. H. Demling, "Burn injury," Acute Care, vol. 11, pp. 119-86, 1985.

[2] V. K. Tiwari, "Burn wound: How it differs from other wounds?," Indian J Plast Surg, vol. 45, no. 2, pp. 364-73, 2012.

[3] M. Madaghiele, C. Demitri, A. Sannino, and L. Ambrosio, "Polymeric hydrogels for burn wound care: Advanced skin wound dressings and regenerative templates," Burns Trauma, vol. 2, p. 153-61, 2014.

[4] T. J. Coats, C. Edwards, R. Newton, and E. Staun, "The effect of gel burn dressings on skin temperature," Emerg Med J, vol. 19, pp. 224-25, 2002.

[5] N. S. Goodwin, "European Resuscitation Council 2015 burn 1st Aid recommendations concerns and issues for first responders," Burns, vol. 42, pp. 1148-50, 2016.

[6] X. Zhao et al., "Antibacterial anti-oxidant electroactive injectable hydrogel as self-healing wound dressing with hemostasis and adhesiveness for cutaneous wound healing," Biomaterials, vol. 122, pp. 34-47, 2017.

[7] R. C. Chin et al., "Polysaccharide-Based Hydrogels for Wound Dressing: Design Considerations and Clinical Applications," Bioeng Biotechnol, vol. 10, p. 845735, 2022.