서론
생분해성 부직포 소재는 생체의공학 분야, 특히 조직 공학 응용 분야에서 상당한 잠재력을 보여주고 있다. 조직 공학의 목적은 세포를 일시적인 3차원 지지 구조물(스캐폴드)과 결합시켜 손상된 조직의 재생을 촉진하는 것이다. 생분해성 스캐폴드는 세포에 일시적인 구조적 지지대를 제공함으로써 이 과정에서 중추적인 역할을 수행한다. 섬유 기반 부직포 소재는 섬유와 유사한 구조가 자연적인 세포외 기질과 유사하기 때문에 이 목적에 특히 적합하다. 이러한 구조는 높은 다공성과 비표면적을 가능하게 하여, 세포의 부착, 이동 및 증식을 촉진한다.
폴리카프로락톤(PCL)은 생분해성 섬유 기반 스캐폴드 제조에 널리 사용되는 소재입니다. PCL은 반결정성 지방족 폴리에스테르로, 우수한 생체적합성, 제어 가능하고 비교적 느린 가수분해 분해 속도, 그리고 우수한 가공성을 특징으로 합니다. 전기방사 또는 용융 전기방사법을 사용하여 PCL로부터 섬유 부직포를 제조할 수 있으며, 이를 통해 섬유의 형상, 다공도 및 기계적 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.
PCL 스캐폴드는 힘 전달 구조인 힘줄이나 근육과 같은 조직 공학 분야에서 자주 사용됩니다[1,2]. 이러한 맥락에서 두드러지게 나타나는 문제는 섬유 부직포가 반복적인 변형을 받을 때 나타나는 상당한 크리프 현상입니다. 이 소재의 미세구조(그림 1)는 추가적인 변형 메커니즘을 초래합니다. 외력이 가해지면 섬유는 가해진 하중의 방향으로 재정렬 및 배열될 수 있습니다. 섬유 간의 접촉 지점은 파열되기 쉽습니다. 거시적으로 볼 때, 이는 고밀도로 포장된 소재에 비해 소성 변형이나 크리프 현상이 증가하는 결과를 초래합니다. 이식 시나리오에서 부직포는 예를 들어 주변 근육 조직의 수축을 통해 반복적으로 변형을 겪게 된다.
부직포의 소성 변형이 증가함에 따라, 이완으로 인해 주변 조직과의 접촉을 상실할 위험이 있습니다. 따라서 섬유 기반 임플란트의 이러한 동적 크리프 거동을 규명하는 것이 매우 중요합니다.
PCL 부직포의 인장 및 크리프 회복 측정
인장 및 크리프 회복 측정은 37°C에서 NETZSCH 의 DMA 303 Eplexor® 장비를 사용하여 인장 모드로 수행되었다. PCL 부직포에서 길이 20 mm, 폭 5 mm, 두께 0.3 mm의 직사각형 시편을 채취하였다(그림 2). 먼저 준정적 인장 시험을 수행하여 재료의 특성을 분석하였다. 신장 속도 0.5 %/s와 예하중 0.1 N을 적용하였다. 인장 시험 결과는 그림 3에 제시되어 있다. 관찰 결과, 약 8 %의 변형률까지 탄성 응력-변형률 관계를 확인할 수 있는 것으로 나타났다.
크리프 회복 측정은 5개의 사이클에 걸쳐 수행되었으며, 각 사이클마다 5%의 고정 변위를 적용했다. 이러한 측정 결과는 그림 4에 제시되어 있다. 그림 5에 나타난 바와 같이, 각 측정 사이클의 회복 단계 종료 시점에 잔류 변형을 측정하였다. 잔류 변형은 초기 사이클 이후에 가장 두드러지게 나타나며, 이후 지속적으로 감소하는 것이 분명하다. 측정 결과는 모든 사이클에 걸쳐 잔류 변형이 일관되게 감소함을 보여주며, 이는 한계값에 접근하고 있음을 시사한다. 이러한 결과는 관찰된 크리프 거동이 분자적 점탄성 또는 점소성 메커니즘보다는 주로 섬유 네트워크 내부의 구조적 재편성에 기인한다는 것을 시사한다.
결론
조직 공학 분야에서 섬유 기반 스캐폴드의 특성을 규명하는 주된 방법으로 정적 인장 시험을 적용하는 것은 여전히 널리 행해지고 있다. 그러나 이식 후 반복적인 변형은 섬유 네트워크의 재구성으로 인해 거시적인 크리프를 유발할 수 있다. 이러한 현상은 정적 인장 시험에서는 명확히 드러나지 않는다. 인장 시험 결과에 따르면 5%의 변형률은 탄성 영역에 속하는 것으로 나타납니다. 그러나 크리프 회복 실험을 통해 이러한 수준의 변형률에서도 잔류 변형이 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다. 따라서 NETZSCH DMA 303 Eplexor® 을 이용한 크리프 회복 실험은 동적 하중 하에서 섬유 기반 스캐폴드의 기계적 거동에 대한 중요한 정보를 제공합니다.