금속 나노 이온 이중층 구조를 이용한 요도카테터의 요로감염 억제 전략 제시 논문정보
카테터관련 요로감염 (catheter-associated urinary tract infection)은 병원내 환자 관리에서 발생하는 모든 감염 중 가장 흔하게 발병하고 있으며, 전체 요로감염 중 약 80%의 비중을 차지한다. 카테터관련 요로감염이 발생하는 주된 요인은 요도 카테터가 체내에 유지될 때, 관내/관외경로를 타고 침입하는 여러가지 ‘세균’과 이로인해 발생하는 균막형성 (biofilm formation)이다. 이로인한 요로감염 등으로 인해 요도카테터의 관리 및 장기간 유치가 어려웠다. 따라서, 본연구진은 카테터로 인한 요로감염을 억제하기 위해 AgNPs가 코팅된 카테터에 추가로 Zn층을 코팅하여, 이중 코팅층을 형성하고, Zn 이온은 빠르게 방출되어 초기 살균작용을 하고, AgNPs는 Zn층 아래에서 천천히 지속적으로 방출되어 장기 항균작용을 할 수 있도록 금속 나노이온 기반 이중층 구조를 제시하였다.
▲ 그림 1. 카테터관련 요로감염 억제를 위한 Zn/AgNPs 금속 이온 이중층 구조를 가진 요도 카테터의 표면 개질 공법 및 개요
서울아산병원 의공학연구소 박정훈 교수 연구팀은 카테터관련 요로감염 억제를 위한 금속 나노 이온 기반 표면개질을 적용한 이중층 구조의 요도 카테터를 제시하였다. 기존의 요도카테터 관리는 청결 유지를 위해 주기적인 소독이 필요하고, 카테터관련 요로감염의 치료는 세균을 효과적으로 처리해주는 항생제를 이용하게된다. 하지만, 지속적인 항생제처리는 시간이 지날수록 내성이 생기게 되고, 내성균 또한 증가할 수 있는 한계가 있다. 따라서, 항생제 및 항균제 코팅을 이용하여 요도카테터의 표면개질을 통한 요로감염의 억제를 위한 노력이 계속되고 있지만, 유의미한 효과는 미미한 실정이었다. 그 중 항균특성으로 인해 의료기기에서 널리 사용하는 Ag를 이용한 Ag-alloy 카테터가 코팅되지 않은 일반 카테터에 비해 요로감염을 예방하는 효과가 있다는 전임상 및 임상 보고가 있었고, 싱가폴을 포함한 몇 개의 나라에서 상용화 되어있다. 하지만, 코팅된 Ag 이온이 초기의 과도한 방출과 함께 요도카테터 근처의 죽은 박테리아 찌꺼기 층으로 인한 항균효과의 저해 등의 한계로 인해 장기간 유치 (30일 이상)는 어려운 실정이다. 본 연구팀은 기존의 Ag 코팅 요도카테터의 개념을 확장하여 Zn층을 추가로 코팅하고 이중 금속 나노 이온 카테터를 제시하여 항박테리아 특성을 강화하였으며, 이를 통해 카테터관련 요로감염의 위험을 개선하는 연구를 수행하였다.
본 연구팀은 상업적으로 이용가능한 일반 실리콘 요도카테터를 이용하여 홍합의 수중 접착 특성을 갖는 Polydopamine을 먼저 증착하고, 이를 기반으로 AgNO3를 이용해 AgNPs를 코팅하였다. 코팅된 AgNPs의 크기는 20–250 nm 이었으며, 이온층의 두께는 150–250 nm 이었다. 또한 AgNPs 코팅층에 소수성의 특성을 가지는 Zn 이온을 RF 스퍼터링 기법을 통해 약 2 μm의 두께로 침착 시켜 Zn/AgNPs 코팅을 완성하였다. FIB milling 및 SEM 이미징을 이용하여 단층 및 표면 분석을 진행한 결과, AgNP의 다양한 크기로 인해 침착된 Zn 층은 porosity한 모양을 띄었으며, 다수의 Zn 층의 pore 사이로 AgNP가 서서히 방출되는 서방형의 이온 방출 형태를 띄었다. 따라서, Zn 이온은 빠르게 방출되어 초기 살균작용을 하고, AgNPs 이온은 Zn 층 아래에서 천천히 지속적으로 방출되어 장기 항균작용을 할 수 있도록 설계되었다. 이는 장기간 이온 검출 실험을 통해 AgNPs의 과다 방출이 방지된 것을 확인하였다. 또한 대장균과 황색 포도상구균을 통해 Zn/AgNPs 이중 코팅이 살균 및 항박테리아의 상당한 효과를 확인할 수 있었으며, 인간 유래 방광 상피세포 및 섬유세포에서의 낮은 세포독성이 확인되었다. 최종적으로 금속 나노 이온 기반 표면개질을 적용한 Zn/AgNPs 이중층 구조 요도 카테터의 안전성과 유효성을 평가하기 위해 토끼 요도에서 요도카테터 삽입술을 시행하였다. 그 결과 토끼는 정상 요 PH 및 SG를 보여주었으며, 회수된 카테터의 SEM 이미징 및 요도경 검사에서 현저히 줄어든 슬러지 및 바이오필름 형성을 확인할 수 있었다. 또한, 조직학적 분석을 통해 정상 조직과 비교하여 낮은 염증반응 및 면역반응을 입증하여 Zn/AgNPs 이중 코팅의 향상된 항균효과를 통한 카테터관련 요로감염 위험의 개선 가능성을 확인하였다.
▲ 그림 2. Zn/AgNPs 금속 이온 이중층 구조를 가진 요도 카테터의 항박테리아 및 서방형 이온 방출의 특성평가와 토끼 요도에서 안전성 및 유효성 평가
본 연구는 카테터관련 요로감염을 위한 새로운 접근법을 제시하며, 환자들에게 더 나은 중재의료기기의 옵션을 제공할 수 있는 중요한 발견이다. 카테터관련 요로감염 방지를 위해 나노공학기반 Zn/AgNPs 이중 코팅의 향상된 항균효과로 요도카테터의 장기간 거치 가능성과 효능을 입증하였으며, 이는 카테터관련 요로감염 뿐만 아니라 이식형 의료기기에 대해 새로운 표면개질 전략으로 기대된다.
이번 연구는 범부처전주기의료기기연구개발사업 연구과제 지원으로 진행되었으며, 국제적으로 권위 있는 학술지인 Advanced Healthcare Materials (IF: 10)에 게재되었다.
※ 박정훈 교수는 2020년부터 서울아산병원 의공학연구소에 재직 중이다.
소화기내과, 영상의학과, 심장내과, 비뇨의학과 등의 임상과와 협력하여 각종 질환에 대한 중개연구를 진행하고 있으며, 스텐트를 포함한 다양한 중재의료기기에 대한 원천 기술 및 응용기술 개발에 매진하고 있다. 다양한 스텐트 기반 연구와 함께 범부처전주기의료기기연구개발사업 등 다수의 국책 과제를 수행 중이다.