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체온에 부드럽게 변하고 재사용 불가능한 정맥 주사바늘 개발

KAIST 전기및전자공학부 정재웅 교수, 의과학대학원 정원일 교수 공동연구팀

체내에서 부드럽게 변해 혈관 및 조직 손상을 최소화하는 주사바늘 개발

 

왼쪽부터 KAIST 정재웅 교수, 카렌-크리스티안 아그노(Karen-Christian Agno) 연구원, 양경모 연구원, 정원일 교수

국내 연구진이 체내 삽입 시 딱딱한 상태에서 부드러운 상태로 변하여 생체조직 친화력을 높이고 재사용이 불가능한 정맥 주사바늘을 개발했다. 이 주사바늘은 정맥 내 약물 투여 중 혈관 손상 및 염증 문제를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 한번 사용하면 재사용이 불가능해 비윤리적인 의료용 주사바늘 재사용 문제를 원천 차단할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 의과학대학원 정원일 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 환자 건강증진 및 의료진 안전을 도모할 수 있는 가변 강성 정맥 주사바늘을 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

이번에 개발된 기술은 체온에 의해 주사바늘이 유연해지는 특성을 통해 정맥에 약물 주입 중 주사 삽입 부위의 자유로운 움직임을 보장함과 동시에 주사바늘에 의한 혈관 벽 손상 방지를 도모할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 사용 후 찔림 사고나 비윤리적 주사기 재사용에 따른 혈액 매개 질환 감염 문제를 예방할 수 있을 것이라 기대된다.

KAIST 전기및전자공학부 카렌-크리스티안 아그노(Karen-Christian Agno) 박사과정 연구원과 의과학대학원 양경모 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)' 10월 30일 字에 게재됐다. (논문명 : A temperature-responsive intravenous needle that irreversibly softens on insertion)

 

일회용 가변강성 정맥 주사바늘 

정맥주사는 혈관에 약물을 직접 주입하는 방법으로 신속한 효과를 유도하고 지속적인 약물 투여를 통한 치료가 가능해 범세계적으로 환자치료에 통용되고 있다.

하지만 일반적으로 사용되는 주사바늘은 금속이나 플라스틱 등 딱딱한 소재로 제작돼 부드러운 생체조직에 손상과 염증을 발생시킬 수 있다. 이에 따라 치료 과정 중 환자들의 움직임이 제한되고, 혈관 손상이나 통증을 해소하기 위한 추가 치료와 의료 비용이 발생하기도 한다.

그뿐만 아니라, 이러한 딱딱한 특성은 사용 후 의도치 않은 찔림 사고를 야기하고 비용 절감을 위한 비윤리적 주사바늘 재사용을 가능하게 하며, 이는 인체면역 결핍 바이러스(HIV), B형/C형 간염 바이러스 등 심각한 혈액 매개 질환 감염을 초래하기도 한다. 이는 전 세계적인 문제이며, 감염관리의 중요성으로 인해 세계보건기구(WHO)는 재사용이 불가능한 스마트 주사기 개발과 사용을 장려하고 있다.

연구팀은 액체금속의 일종인 갈륨(Gallium)을 이용하여 주사바늘 구조를 만들고 이를 생체적합성 폴리머로 코팅해 가변 강성 정맥 주사바늘을 제작했다. 딱딱한 상태의 주사바늘은 상용 정맥 카테터와 비슷한 수준의 생체조직 관통력을 갖는다. 하지만 체내 삽입 후, 갈륨의 액체화로 인해 조직과 같이 부드러운 상태로 변해 혈관 손상 없이 안정적인 약물 전달이 가능하다. 한 번 사용한 주사바늘은 갈륨의 과냉각 현상에 의해 상온에서도 부드러운 상태를 유지해 바늘 찔림 사고나 재사용 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.

 

가변강성 정맥 주사바늘의 생체 적합성 검증 

연구팀은 개발된 정맥 주사바늘의 약물 전달 기능과 생체적합성을 검증하고자 실험 쥐를 대상으로 동물실험을 진행했다. 이식된 가변 강성 정맥 주사바늘은 딱딱한 상용 금속 바늘이나 플라스틱 카테터에 비해 훨씬 낮은 염증 반응을 보여 연구팀은 우수한 생체적합성을 확인했다. 또한 상용 주사바늘과 같이 안정적으로 약물을 전달할 수 있음을 확인했다.

아울러 가변 강성 정맥 주사바늘은 박막형 온도 센서를 탑재할 수 있도록 디자인됐다. 이를 통해 실시간으로 환자의 심부체온을 모니터링하는 것이 가능하며, 또한 잘못된 주사바늘 위치로 인한 혈관이 아닌 다른 조직으로의 약물 누수 감지도 가능해 환자에게 더 나은 의료서비스를 제공할 수 있다.

이번 연구를 주도한 정재웅 교수는 "개발된 가변 강성 정맥 주사바늘은 기존의 딱딱한 의료용 바늘로 인한 문제를 극복해 환자와 의료진 모두의 안전을 보장하고, 주사바늘 재사용으로 인한 감염 문제를 해결할 수 있다는 점에서 가치가 매우 크다”라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 생체신호센서융합기술개발사업, 리더연구자지원사업의 지원 받아 수행됐다.

 

가변강성 정맥 주사바늘에 집적된 온도 센서를 통한 체온 모니터링

□ 연구개요

1. 연구 내용

정맥주사(Intravenous(IV) injection)는 혈관 내로 직접 약물을 공급하여 환자를 치료하는 방법이다. 이 주사법은 신속한 약물 효과를 얻을 수 있으며 다른 투약 경로로 흡수할 수 없는 약물을 지속적으로 주입할 수 있는 장점을 가져 다양한 의료 분야에 광범위하게 사용되고 있다. 이에 따라 정맥주사를 위한 주사바늘은 전세계적으로 매년 10억개가 소비되고 있으며 그 시장 규모는 매년 성장하고 있다.

하지만 기존 정맥주사용 주사바늘은 딱딱한 금속 바늘이나 플라스틱 튜브 형태(예를 들어, 나비 바늘, IV 카테터)를 가지기 때문에 부드러운 생체 조직(정맥 혈관 강성도: 수백 kPa)과의 큰 기계적 간극으로 인해 혈관벽이나 주변 조직의 손상을 초래할 수 있다. 뿐만 아니라 혈관이 아닌 영역으로의 약물 누출과 삽입 부위의 감염 문제로 통증을 유발할 수 있다. 이로 인해 치료과정 중 환자들의 움직임은 제한되고 2차적으로 발생한 통증 치료를 위해 시간, 인력, 비용적 피해가 발생할 수 있다.

또한 정맥주사의 감염관리가 중요한 문제로 대두되며 세계보건기구(WHO)는 주사기 재사용 규제를 강조하고 있다. 이러한 제재에도 불구하고 비용 절감을 위해 이미 사용된 주사바늘을 비윤리적으로 재사용하거나 의도치 않게 주사바늘에 찔리는 사고가 빈번하게 발생하여, 다수의 환자들과 의료진들은 인체면역 결핍 바이러스(HIV) 또는 B형/C형 간염 바이러스 감염의 위협을 받고 있다. 이에 따라 환자와 의료진의 안전을 담보해줄 수 있는 기능을 탑재한 정맥주사 기술 개발이 절실한 상황이다.

이 연구에서는 체내 삽입 시 체온에 의해 부드러운 상태로 변하여 생체조직 친화력을 높이고 재사용이 불가능한 정맥 주사바늘 기술 개발하였다. 개발된 가변강성 정맥 주사바늘은 체온에 의해 기계적 물성 변환이 가능한 액체금속의 일종인 갈륨(Gallium, 녹는점: 29.76 ℃) 튜브 구조를 생체적합성 실리콘 계열 폴리머로 코팅하여 구현하였다. 개발된 정맥 주사바늘은 상온에서 딱딱한 상태를 유지하며 상용 정맥 카테터와 유사한 수준의 생체조직 관통력을 갖는다. 하지만 체내 삽입 이후, 주사바늘 내 갈륨의 상변화(용융)로 인해 부드러운 상태로 변하게 되고 혈관벽과 주변 조직의 손상 없이 안정적인 약물 주입이 가능하다. 사용을 완료한 주사바늘은 다시 원래의 형태와 강성도로 회복이 불가능하다. 이는 갈륨의 과냉각 현상으로 인해 야기된 결과이며, 이는 의료현장에서 의료진의 바늘 찔림 사고나 비윤리적 주사바늘 재사용 문제를 원천적으로 방지할 수 있다.

연구팀은 개발된 정맥 주사바늘의 실상용화 가능성을 확인하고자 동물실험을 통해 생체적합성 및 약물 주입 안정성을 검증하였다. 체온 자극 기반 가변강성 특성을 가진 정맥 주사바늘은 동일한 조건에 생체 내 이식된 딱딱한 상용 정맥 주사바늘과 비교해 월등히 낮은 염증 수치를 보였다. 또한 체내 이식 후, 부드러운 상태에서도 상용 주사바늘과 비슷한 수준의 안정적인 약물 전달이 가능함을 검증하였다.

연구팀은 추가적으로 정맥주사의 약물 누수 문제를 해결하고 환자의 심부체온을 실시간으로 모니터링 하고자, 개발된 정맥 주사바늘에 나노 박막 형태의 온도 센서를 탑재하였다. 이를 통해 실시간으로 변하는 온도를 감지하여 원치 않는 약물 누출과 환자의 불안정한 건강 상태에 즉각적으로 대응할 수 있게 하였다.

이 연구의 가변강성 정맥 주사바늘은 1) 기계적 물성 변화를 통해 생체조직 친화력 향상, 2) 사용 이후 형태 및 물성 변화에 따른 재사용 불가, 3) 온도 센서 탑재를 통한 약물 누출 문제 해결 및 실시간 환자 건강 상태 모니터링 등 현재 사용되는 상용 정맥주사의 한계점들을 아우를 수 있도록 개발되었다. 본 개발 기술은 환자와 의료진 모두의 안전을 확보할 수 있는 의료환경 조성과 주사바늘 사용 부작용으로 인한 추가적인 치료와 비용을 절감하는데 크게 기여할 것으로 예상한다. 또한 비윤리적인 주사바늘 재사용이라는 글로벌 의료문제를 해결할 수 있는 보다 진보된 의료기기 개발의 발판이 될 것으로 기대한다.

□ 용어 설명

정맥주사 (intravenous injection)

- 정맥 혈관 내 주사 바늘을 삽입하여 약물을 주입하는 주사법. 다른 주사법과 달리 빠른 약물 효과와 지속적인 약물 투여가 가능하여 다양한 치료법에 사용됨.

과냉각 현상

- 상 (phase)을 변화시키는 온도 이하로 냉각하여도 원래의 상을 유지하여 고체가 되기 위해 더 낮은 온도로 낮추어야되는 과정이나 상태를 가리킴. 일반적으로 액체금속에 두드러지게 볼 수 있는 현상임.

3. H&E와 TUNEL 테스트

- H&E (Haematoxylin-eosin) 염색은 일반적인 병리조직표본이나 표본 전체를 개괄적으로 확인할 수 있는 염색 방법임. Haematoxylin은 세포의 핵 내의 염색질과 핵막을 염색하며 eosin은 대조 염색제로 사용되어 Haematoxylin에 염색되지 않는 거의 모든 부분이 붉은색으로 염색됨.

- TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick and labeling)분석은 아포토시스 또는 세포사멸 과정에서 발생하는 DNA 손상에 따른 이중가닥의 말단을 형광 염료로 검출하는 방법임.

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