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특 집
고분자 과학과 기술 제25권 5호 2014년 10월 411
생체모사 건식접착 시스템을
이용한 의료용 접착패치Biomedical Adhesive Patches Using Bio-Inspired Dry Adhesion System
이 훈ㆍ박현하ㆍ고한길ㆍ정훈의 | Hoon YiㆍHyun-Ha ParkㆍHangil KoㆍHoon Eui Jeong
School of Mechanical and Nuclear Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology(UNIST), 50, UNIST-gil, Eonyang-eup, Ulju-gun, Ulsan 689-798, Korea
E-mail: [email protected]
이 훈2014-현재 울산과학기술대학교 기계 및
원자력공학부 (석박 통합과정)
고한길2014-현재 울산과학기술대학교 기계 및
원자력공학과 (석박 통합과정)
박현하2014-현재 울산과학기술대학교 기계 및
원자력공학부 (박사과정)
정훈의2004 서울대학교 바이오시스템공학부
(공학사)2009 서울대학교 기계항공공학부
(공학박사)2009-2012 University of California,
Berkeley (박사후 연구원)2012-현재 울산과학기술대학교 기계 및
원자력공학부 조교수
1. 서론
현재 의료현장 및 가정에서는 다양한 형태의 의료용 접착패치가 각종 의료기기의 고정, 생체신호 모니터링
및 약물 전달 등을 위해 널리 사용되고 있다. 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 상처에 붙이는 가정용 밴드에서부터
고기능성 의료용 접착패치까지 의료용 접착패치는 현대 의료 산업에서 큰 비중을 차지하고 있으며, 이에 따라
인체에 효율적이고 안전하게 사용할 수 있는 의료용 접착패치 및 테이프의 개발을 위한 연구가 꾸준히 이루어
지고 있다.
최초의 의료목적 접착패치는 1845년 외과 의사 Horace Day가 제안하였다. 그는 천 조각에 고무 접착제를 발
라 수술용 봉합 테이프를 만들어 사용하였으며, 병원과 일반 가정에서는 거즈에 접착제를 바른 형태로 외상에
이를 활용하였다. 하지만 이러한 방식은 피부와의 접착이 오래 유지되지 않는 단점을 가지고 있기 때문에, 의료
용 접착패치로 사용함에 있어 어려움을 가지고 있었다. 그 후 1920년 Earle Dickson은 시판 테이프의 중앙에 거
즈를 부착하여 의료용 접착 패치 개념의 밴드를 제작하였고, Johnson & Johnsonⓒ는 제작된 밴드(sticking
plaster)를 대량생산함으로써 현대 의료용 접착패치에 큰 영향을 주었다.1
현대의 의료용 접착패치는 작은 상처의 치료 목적뿐만 아니라, 인체에 약물을 주입하기 위한 약물패치, 그리
고 인체의 진단을 위한 의료기기의 센서를 포함한 진단패치로서 많은 발전을 해왔다. 이러한 의료용 접착패치
는 장시간 피부에 부착되어야하고, 재사용이 가능해야하며, 반복적인 사용에도 높은 접착력을 가질 뿐 아니라,
피부에 자극과 손상을 주지 않아야하는 등 여러 가지의 요구사항을 충족시켜야 한다. 이러한 관점에서 현 의료
산업에서 사용되고 있는 기존 의료용 접착패치 및 접착제들은 여러 가지 한계점 및 문제점들을 가지고 있다.
특 집 | 생체모사 건식접착 시스템을 이용한 의료용 접착패치
412 Polymer Science and Technology Vol. 25, No. 5, October 2014
그림 1. 시판 의료용 접착 패치로 인한 피부 손상: (a) 표피 조직의 뜯김으로 인한 찰과상, (b) 패치의 과한 압박으로 인한 물집, (c) 지나친 탈착력으로 인한 열상, (d) 접착제에 유발된 알러지.
그림 2. (a), (b) 게코 도마뱀과 딱정벌레의 발바닥 미세구조 SEM 이미지 (c), (d) 이를 모사 제작한 마이크로/나노 구조물 SEM 이미지.
기존의 의료용 접착제들은 주로 아크릴산염(acrylate), 천
연 고무 라텍스(natural rubber latex), 그리고 친수 콜로이
드(hydro-colloid)등을 기반으로 하고 있는데, 이러한 접착
제들은 반복적인 사용이 힘들다는 단점을 가지고 있다. 더욱
심각한 문제는 기존의 의료용 접착패치의 경우 사용자의 피
부에 여러 가지 종류의 심각한 손상을 남기는 부작용들을 초
래할 수 있다는 것이다(그림 1). 그림 1에 보이는 부작용들은
피부 조직이 약한 신생아와 노인에게 특히 치명적인데, 최근
노년층 인구가 급증하면서 의료 서비스의 영역이 확장되고
있는 점을 고려할 때 이러한 부작용 및 문제점들은 반드시
해결 되어야 할 과제이다.1,2 본 글에서는 이러한 문제점들을
보완하기 위한 노력의 일환으로 기존의 의료용 접착제들의
한계를 뛰어넘을 수 있는 차세대 의료용 접착패치의 개념을
제시하고, 현재 진행 중인 연구들과 더 나아가 이에 접목시킬
수 있는 몇 가지 연구들을 다루어 보고자 한다.
2. 본론
2.1 건식접착 메커니즘
최근 자연계에 존재하는 생명체가 가지는 독특한 메커니
즘을 모사하기 위한 연구가 전세계적으로 매우 활발히 진행
되고 있다. 대표적인 예로, 게코도마뱀 및 딱정벌레 등과 같
은 생명체들을 들 수 있는데, 이들 생명체는 발바닥 표면에
마이크로 또는 나노크기의 미세한 섬모들이 수 없이 존재함
으로써 접촉표면과의 분자 간 인력(van der Waals force)을
극대화시키고 다양한 표면에 부착하여 이동할 수 있게 된
다.3-6,14,15 이러한 접착 방식은 기존의 접착제와는 달리 각종
화학물질 등의 사용 없이 섬모의 재질 및 구조에 의해 접착
력을 확보한다는 점에서 큰 차이를 가지며, 이러한 접착 방식
을 기존의 접착방식과는 차이를 두어 건식접착(dry adhesion)
방식이라 부른다. 보다 구체적으로 그림 2에서 확인할 수 있
듯이, 게코도마뱀의 경우 그 발바닥에 수 백 만개의 마이크로
/나노 스케일의 계층 구조를 이루는 섬모들이 있으며, 이는
주걱 모양의 마이크로 스케일 줄기(setae)와 얇은 필름 형태
의 나노 스케일의 끝단(spatula)으로 갈라진 구조를 가지고
있다(그림 2a). 딱정벌레의 경우에도 다리에 버섯 형태의
(mushroom-shaped) 수많은 마이크로 크기의 섬모를 가지
고 있다(그림 2b).
이러한 독특한 건식접착 방식을 모방하여 개발된 생체모
사 건식접착 시스템은 쉽게 오염되고 반복적인 사용이 어려
운 기존의 접착제와는 달리 반복적인 탈착 및 접착이 가능하
고, 다양한 표면에서도 강한 접착력을 유지하며, 자정작용을
가질 뿐만 아니라, 접촉 표면을 오염 및 손상시키지 않는 등,
기존의 접착제 및 접착테이프와 비교하여 여러 가지 우수한
장점들을 가지고 있다.3-9
이러한 우수한 특성들로 인하여 건
식접착 시스템은 이미 다양한 분야의 기술 개발에 적용되어
왔으며, 최근에는 기존의 의료용 접착테이프 및 패치의 단점
을 보완시킬 수 있는 신개념의 의료용 접착 패치로 사용하고
자 하는 노력이 이루어지고 있다.1,8,9
2.2 생체모사 건식접착 기반 의료용 패치
건식접착 구조물을 활용한 의료용 패치는 기존의 의료용
테이프에 이용되던 글루(glue) 타입의 아크릴산염(acrylate)
접착제를 사용하지 않고, 생체친화적 고분자 소재인 PDMS
(polydimethylsiloxane) 등을 이용하여 버섯 형태 등의 건
식접착 특성을 가질 수 있는 구조물을 지닌 패치를 활용한
것으로, 구체적으로 다음과 같은 방식을 통하여 제작된다.
먼저 건식접착패치의 제작을 위해 원판 마스터를 SOI
이 훈ㆍ박현하ㆍ고한길ㆍ정훈의
고분자 과학과 기술 제25권 5호 2014년 10월 413
그림 4. (a), (b) 시판 의료용 접착패치 및 건식접착패치의 탈착 후 이미지, (c) 시판 의료용 접착패치와 건식접착패치의 접착력 측정, (d) 강화 건식접착패치의 제작 공정 모식도, (e) 강화 건식접착패치의 이미지 및 SEM 이미지, (f) 강화 건식접착패치의 접착력 측정.
그림 3. 버섯형태 건식접착 구조물 제작 공정 모식도.
(silicon on insulator) 웨이퍼를 이용하여 제작하게 된다.
SOI 웨이퍼 상에 포토리소그래피 및 식각 공정을 통하여 마
이크로 크기의 홀을 형성하게 되는데, 이때 SOI 기판의 하부
실리콘 층과 상부 실리콘 층 사이에 존재하는 산화실리콘
(SiO2)막이 식각저지층(etch stop layer)으로서 역할을 하게
되며 해당부분에서 과잉식각(over-etching)을 통한 노칭 효
과(notching effect)가 발생함으로써 버섯 형태의 끝단을 가
지는 음각 마스터를 제작할 수 있게 된다(그림 3). 이런 공정
을 통해 제작된 음각 마스터상에 액상 PDMS를 부어 굳힌
후, 탈형(demolding)을 하면 마이크로 섬모구조물을 가지는
생체모사 PDMS 패치가 완성된다.7-9
한편, 제작된 건식접착패치의 접착력 평가를 위해 패치를
인체의 피부에 부착한 후 수직방향으로 떼어내는 방법을 수
행하였으며, 이와 동시에 의료산업에 쓰이고 있는 시판 의료
용 접착패치를 같은 방식으로 수행하여, 이에 따른 접착력과
내구도, 탈부착시의 피부 표피의 손상도를 비교 분석하였다.
그 결과 그림 4에서 확인할 수 있듯이 건식접착패치의 접착
력은 기존 접착패치에 비해 약 40-50% 정도이지만, 반복접
착성에서는 월등한 내구성을 보였고, 그림 4a에 나타난 것처
럼 피부 표피 조직의 손상, 습진과 같은 부작용을 유발하는
시판 의료용 접착패치와는 달리 피부에 어떠한 손상도 유발
하지 않는 우수한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다
(그림 4b).8
또한, 앞서 언급한 PDMS 의료용 패치의 인체접착력 향상
을 위해 후속 연구가 진행된 바 있다. 후속 연구로 진행된 건
식접착패치는 그림 4d와 같이 제작된다. 먼저 앞서 제작된
건식접착패치를 준비한 후, 경화제(curing agent)를 5 wt%
로 섞은 액상 PDMS를 유리 기판 위에 스핀코팅하여 얇은
PDMS 층을 만든다. 이후 버섯형태 구조물의 끝단을 PDMS
층에 찍어 코팅한 후, 테플론(Teflon) 처리된 기판 위에 역방
향으로 놓고 열을 가해 굳힌다(그림 4d).9 이러한 공정을 잉
킹(inking) 또는 디핑(dipping)이라 부르는데, 이렇게 제작
된 강화 건식접착패치 구조물의 기둥은 단단하고 끝단은 말
랑한 재료적 성질을 가진다(그림 4d, e). 이는 기존 PDMS를
경화 할 때의 경화제 비인 10 wt% 보다 낮은 5 wt%로 섞고
경화 시켰을 때, 고분자 구조 내에 생긴 교차 결합(cross
linkage)의 수가 적어져 PDMS의 탄성률(modulus)이 낮아
지기 때문으로 알려져 있다. 한편, 잉킹된 구조물 끝단의 탄
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414 Polymer Science and Technology Vol. 25, No. 5, October 2014
그림 5. 전극을 탑재한 강화 건식접착패치를 활용한 심전도 측정.
성률은 접착력의 세기에 직접적인 영향을 미치며, 이는 아래
수식 (1)의 JKR 모델을 통해 설명할 수 있다.
JKR 모델은 접착력(adhesion) 와 소재의 부착일
(work of adhesion) , 구조물 끝단의 지름 , 패치를 붙일
때의 예압(preload) , 재료의 탄성률(Young's modulus)
사이의 관계식으로서 이를 통해 버섯 형태의 건식접착 구
조물의 접착력 을 이론적으로 계산할 수 있다.10,11 낮은
탄성률을 가진 끝단이 다른 표면에 부착될 경우, 마이크로/
나노 단위의 단차(roughness)가 있는 거친 표면에서 접촉 면
적을 넓힐 수 있고, 표면에서 탈착될 경우 탄력적으로 늘어나
기(elongation)때문에, 이러한 끝단을 가진 강화 건식접착패
치는 기존의 건식접착패치보다 향상된 접착력을 가지게 된
다. 또한 기둥의 강도는 유지함으로써 접착패치의 구조적 안
정성과 내구성은 유지되게 되는 것이다. 이렇게 개발된 새로
운 형태의 의료용 접착 패치는 그림 4f에서 제시된 바와 같이
기존의 패치보다 향상된 접착력을 보여주었으며, 반복적인
탈부착 시험에서도 접착력을 지속적으로 유지함을 확인할
수 있었다. 한편, 개발된 생체모사 접착패치의 응용 예로써,
생체 신호 모니터링을 위한 전극을 패치에 탑재하여 진단 패
치 형태의 의료용 장치를 제작하였으며, 이를 통해 2일 동안
연속적으로 환자의 심전도를 실시간으로 감지 및 측정하였
다. 그 결과 환자의 피부에 손상을 전혀 주지 않으면서도 심
전도를 성공적으로 감지할 수 있음이 확인되어 새로운 형태
의 의료용 패치로써의 활용가능성을 보여주었다(그림 5).8,9
2.3 박막형 플렉시블 장치 기반 의료용 패치
2000년대 초, 유기물 기반의 플렉시블 디스플레이(flexible
display)에 대한 기초 연구 결과가 발표된 이후 기존의 각종
전자부품을 박막형태로 얇게 제작하고자 하는 플렉시블 기
기의 개발에 대한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 현재
기능적/소재적인 측면에서 기술 개발이 성공적으로 이루어
지고 있으며, 이로 인해 다양한 분야에서 플렉시블 장치
(flexible device) 기술을 융합(integration)하여 새로운 개념
의 기술 및 장치를 개발하는데 박차를 가하고 있는 상황이다.
특히 인체에 부착하여 인체의 물리적/전기적 신호를 실시간
으로 감지/측정하는 것과 동시에 약물까지 전달할 수 있는
웨어러블 센싱 장치(wearable sensing device) 연구는 이와
떼놓을 수 없는 맥락에 위치하고 있으며, 최근 일련의 성공적
인 연구사례가 발표되고 있다(그림 6).12,13 이러한 플렉시블
의료기기의 경우, 특별한 접착제 없이 일정한 탄성력을 가지
는 고분자를 활용하여 기기 자체를 마이크로 수준의 매우 얇
은 막 형태로 형성함으로 인체표면의 굴곡과 최대한 밀착될
수 있게 하여 접착력을 확보하게 된다. 이러한 방식 역시 기
기를 매우 얇게 형성함으로 접촉 표면과의 분자 간 인력을
극대화하여 접착력을 확보한다는 점에서 건식접착 방식의
일환으로 볼 수 있다.
보고된 의료용 플렉시블 기기는 매우 종류가 많으나, 최근
보고된 대표적인 의료용 플렉시블 패치의 예로 센서와 약물
전달용 입자가 융합된 플렉시블 수용성 콜로이드 패치
(hydro-colloid patch)를 들 수 있다(그림 6). 해당 패치는 매
우 얇은 막 형태의 디바이스로, 전사프린팅 된 변형 센서
(strain sensor)와 열 센서(heater/temperature sensor)를
가지고 있으며, 금 나노입자(Au nano-particles) 층이 동시
에 형성되어 있다. 이렇게 제작된 패치는 구부림, 휨 등의 물
리적인 변형 및 충격 조건에서 뿐만 아니라 수분이 있는 환
경에서도 생체신호를 성공적으로 모니터링 할 수 있고, 높은
수준의 정밀도로 환자의 근육 움직임을 기록하거나 약물의
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고분자 과학과 기술 제25권 5호 2014년 10월 415
그림 7. 웨어러블 스마트 패치를 통한 미래형 의료 시스템.
그림 6. 플렉시블 수용성 콜로이드 패치의 모식도 (a)와 실제 이미지 (b) 및 외부 환경에 대한 내구성 측정: (c)주름, (d)구부림, (e)비틀림, (f)수분.
주입을 컨트롤 하는 등의 다양한 기능성을 가질 수 있음을
보여주었다.
이러한 연구결과들은 의료용 접착제가 과거의 단순히 각
종 의료기기를 환자에 고정시키는 등의 접착제로서의 역할
에서 벗어나 접착, 모니터링, 약물전달 등이 융합되어 환자와
의료진의 편의를 향상시킬 수 있는 새로운 의료용 접착패치
의 개발이 가능함을 보여준다는 점에서 큰 의의를 가지고 있
다고 할 수 있다.
3. 결론
2000년대 자연계에 존재하는 독특한 건식접착 메커니즘
의 원리가 밝혀진 이후, 이를 모사한 새로운 형태의 접착제
및 접착패치를 개발하고자 하는 연구가 활발히 이루어져왔
고, 그에 따른 성공적인 연구 성과가 보고되고 있다. 최근에
는 이러한 기존 연구결과를 바탕으로 한 건식접착 시스템의
응용 기술에 대한 연구가 주목을 받고 있다. 이러한 연구의
일환으로 건식접착 시스템을 활용한 의료용 접착패치 연구
가 이루어진 바 있으며, 건식접착 방식의 의료용 패치는 환자
의 피부손상 방지 및 반복적인 이용성 면에서 기존의 의료용
패치 및 테이프의 단점을 극복할 수 있는 여러 가지 장점들
을 가지고 있는 것이 확인되었다.
그러나 이러한 생체모사 의료용 접착패치가 연구단계에
서 벗어나 실제 의료 현장에서 사용되기 위해서는 몇 가지
해결해야할 점이 존재한다. 당면한 과제는 건식접착패치와
인체의 피부 사이의 접착력이 기존의 의료용 접착제의 수준
에 미치지 못한다는 점이다. 따라서 아직까지는 다양한 표면
에 적용하여 손쉽게 사용되고 있는 기존의 의료용 접착테이
프 및 패치를 대체하기에는 한계가 있다고 할 수 있다. 또한
건식접착 패치의 생산은 기본적으로 제작 단가가 기존의 접
착테이프에 비하여 높을 수밖에 없다. 이를 종합적으로 고려
했을 때, 건식접착 패치의 경우 기존의 접착테이프 역할을 그
대로 대체하기 보다는 여러 가지 다양한 기능성이 융합된 차
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416 Polymer Science and Technology Vol. 25, No. 5, October 2014
세대 의료용 패치로의 개발이 필수적이라 판단된다. 기존 의
료용 전자기기들의 역할인 환자 생체신호를 무선으로 모니
터링 할 수 있는 기능과 더불어 약물전달 기능 및 환자의 피
부에 손상을 주지 않는 우수한 접착 특성까지 갖춘 차세대
의료용 접착패치의 개발은 환자 및 의료진의 편의를 크게 향
상시킬 수 있을 것이다. 이를 위해서는 여러 분야의 융합 연
구가 필수적이라 할 수 있다.
현대 사회에서 인류가 획득할 수 있는 의료 서비스는 시간
이 지남에 따라 풍요로워지고 있고, 의료 산업은 그에 발맞춘
진보를 이루어가고 있다. 또한 의료산업기술의 발전과 더불
어 개개인의 신체와 의료 시설 사이에 유기적이고 밀접한 상
호작용이 반드시 필요하다. 실제로 최근 유비쿼터스 의료 시
스템 개발에 대한 논의가 활발히 이루어지고 있음을 감안할
때, 일상생활에 지장을 주지 않고 환자의 신체에 장기간 부착
될 수 있는 다기능 의료용 접착 패치는 매우 유용하게 사용
될 수 있을 것으로 판단되며(그림 7), 향후 개발될 건식접착
메커니즘 기반의 차세대 의료용 접착패치는 다양한 기능이
융합된 첨단 의료기기로 발전할 것으로 기대된다.
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