딥코팅 공정을 이용하여 제작된 유연 인조혈관의 균일도 향상에 관한 연구

2.1 3D 프린팅 및 딥코팅 공정을 이용한 인조혈관 제작

인조혈관은 3D 프린팅으로 출력된 템플릿에 생체 적합성 고분자를 코팅하고 템플릿을 제거하는 과정을 거쳐 제작되며, 구체적인 재료 및 방법은 다음과 같다. Fig. 1과 같이 환자 맞춤형 인조혈관을 구현하기 위해 재료압출(Material Extrusion, ME) 또는 용융용착(Fused Deposition Modeling, FDM) 기반의 공정을 통해 템플릿을 제작하였다. 최종 단계에서 템플릿이 잔여물 없이 제거해야 하므로 수용성 고분자인 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA, Esun, China) 필라멘트를 이용하여 출력하였다.⁸ 연구에 사용된 템플릿은 직경 8, 높이 30 mm의 원통 형상이다.

Fig. 1

Cylinder and bifurcation templates printed by FDM method

인조혈관 소재로는 생체 적합성 고분자인 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic Polyurethan, TPU, Cubicon, Korea)을 사용하였으며, 딥코팅 공정을 위해 TPU를 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF, Samchun Pure Chemical, Korea)에 15% (w/v)으로 용해시켰다. 딥코팅 공정을 수작업으로 진행하는 경우 작업자의 숙련도에 따라 형상 차이가 발생하므로 아두이노 기반의 딥코팅 머신(Dip-Coating Machine)을 제작하여 실험을 진행하였다(Fig. 2). 컨트롤박스(Control Box)를 조작하여 0.8-90 mm/s 범위 내에서 원하는 인출속도를 지정할 수 있으며, 수평 방향 이동을 통해 원하는 용액으로 템플릿을 위치할 수 있다. 원하는 두께를 형성하기 위해 딥코팅과 용매 제거 과정을 반복하고, 두 과정은 용매가 충분히 제거되는 시간만큼 간격을 두어 진행하였다. 딥코팅 과정이 끝나면 관 형상을 얻기 위해 내부 템플릿을 제거해야하며, 증류수가 쉽게 침투될 수 있도록 코팅된 부분의 양쪽 끝 부분을 소량 절단하였다. 또한, 증류수를 50°C로 가열시킨 상태에서 초음파를 가하여 제거 효율을 높여 주었다.⁷ 코팅된 템플릿을 담그면 절단된 부분부터 PVA 템플릿이 서서히 제거되어 내부가 빈 인조혈관을 얻을 수 있다.

Fig. 2

Dip-coating machine

2.2 용매 제거

2.2.1 자연 증발을 통한 용매 제거

템플릿을 용액에서 인출한 다음, 자연증발을 통해 용매인 DMF를 제거한다. 용매가 인출되는 과정에서 중력 방향으로 유동이 발생하기 때문에 마지막으로 인출되는 부분에 많은 양의 용액을 도포한다. 따라서 Fig. 3과 같이 증발 방향을 딥코팅 방향과 반대로 설정하여 용액이 골고루 도포될 수 있도록 한다. 또한, 용매가 충분히 제거되지 않은 상태에서 다음 딥코팅을 진행하는 경우 템플릿에 도포된 용액이 다시 흘러 들어가 균일도에 영향을 줄 수 있으므로 2시간 이상의 시간 간격을 두어 공정을 진행하였다. 이 과정을 총 4회 진행하여 일정 두께를 가지는 코팅을 제작하며, 에탄올에서의 용해가 균일도에 긍정적인 영향을 미치는지 확인하기 위한 대조군으로 사용된다.

Fig. 3

Schematic illustration of dip coating and DMF evaporation in the air

2.2.2 에탄올에서의 용해를 통한 용매 제거

에탄올과 DMF 모두 극성 용매로 서로 잘 섞이는 성질을 가진다.⁹ 이 성질을 이용하여 용매 제거 시간과 유동 시간을 단축시킴으로써 균일도가 확보되는지 확인하였다. 템플릿을 인출한 다음, 에탄올에 일정 시간동안 담가 용매를 제거하며, 여러 용해 시간을 비교 분석하여 균일도가 확보되는 시간을 확인하였다. 다음 딥코팅을 진행하기 전 표면에 남아있는 에탄올과 잔여 용매를 제거하기 위해 진공 오븐에서 추가 건조를 50°C 진공 환경에서 30분간 진행하였다. Fig. 4와 같이 딥코팅, 용해, 진공 열처리 과정을 반복하며, 본 연구에서는 총 4회 반복하여 코팅을 형성하였다.

Fig. 4

Schematic illustration of dip-coating, DMF dissolution in ethanol and vacuum heat treatment

2.3 두께 균일도 평가 방법

코팅의 두께를 부분적으로 측정하여 균일도를 비교 분석한다. 코팅의 지름 방향과 높이 방향으로 두께 균일도를 확인하기 위해 코팅을 절단하여 여러 부분의 두께를 측정하였다. 원활한 측정을 위해 PVA 템플릿을 제거하지 않으며, Fig. 5와 같이 3D프린팅으로 몰드를 제작하여 정확한 분할이 가능하도록 하였다. 딥코팅 시 용액에 처음 닿는 부분을 기준으로 1에서 4까지 시편의 번호를 매기고, 각 시편을 둘레를 따라 45° 기준으로 나눠 총 8개 부위의 두께를 측정한다. 시편에서 측정된 8개의 두께를 비교하여 지름 방향으로 균일도를 확인할 수 있으며, 1-4번 시편의 평균 두께를 비교하여 높이 방향 균일도도 확인할 수 있다. 결과적으로 코팅 하나당 총 32개의 두께를 측정하고 표준편차를 계산하여 균일도를 비교 분석하였다.

Fig. 5

Method for evaluating the thickness of coated TPU layer

3.1 에탄올에서의 용해를 통한 두께 균일도 확보

DMF는 극성 유기용매로 수소결합을 통해 에탄올 분자와 선형 중합 구조를 이루며 결합한다.⁹ 두 액체의 용해성을 이용하여 용매 제거를 가속하면 유동 시간을 줄여 코팅층 균일도를 확보할 수 있다. 본 연구에서는 자연 증발(Evaporation)과 용해(Dissolution)를 통해 제작된 인조혈관의 두께를 비교 분석하여 용해 방식으로 진행했을 때 균일도가 확보되는지 확인하였다.

딥코팅 인출속도는 1 mm/s로 통일했으며, 총 4회 딥코팅 공정을 진행하였다. 자연 증발의 경우 용매가 충분히 건조될 수 있도록 2시간 이상의 간격으로 딥코팅을 진행하였다. 용해 방식에서는 에탄올에 30초 동안 담그고, 진공 오븐에서 30분 동안 추가 건조를 진행하였다. 코팅 제작이 완료되면 4개의 시편으로 절단하여 균일도 평가 방법을 통해 비교 분석하였다.

Fig. 6은 두 방식으로 제작된 인조혈관의 두께를 측정하여 평균과 표준편차를 정리한 그래프이다. 그래프를 통해 용해 방식에서 둘레 방향뿐만 아니라 길이 방향에서도 균일도가 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 2번 시편을 기준으로 지름 방향의 두께 균일도를 평가해보면, 자연증발에서는 최소와 최대 두께 차이가 107 μm인 반면, 용해에서는 17 μm로 두께 차이가 작은 것을 확인하였다. 나머지 시편에서도 마찬가지로 용해 방식에서 표준편차가 작게 형성되었다. 높이 방향 균일도를 확인하기 위해 1-4번 시편 각각의 평균 두께를 비교 분석하였다. Fig. 6에서 용해 방식은 비교적 균일한 평균 두께가 형성된 반면, 자연 증발 방식에서는 2, 3번 시편이 유독 두꺼운 코팅이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 마지막으로 인출되는 1번 시편에 많은 양의 용액을 도포하였다가 반대 방향으로 건조시키는 과정에서 유동이 발생하여 나타난 결과로 사료된다. 유동이 진행되는 과정에서 용액이 건조됨과 동시에 점성이 높아져 유동이 감소하고, 그 상태로 고형화되어 가운데 두꺼운 코팅이 형성된 것이다. 자연 증발 방식의 2번과 4번 시편 차이는 100 μm 이상이며, 전체 평균 두께가 245 μm인 것을 고려할 때 매우 큰 값임을 알 수 있다. 이러한 인조혈관을 이식하였을 때, 혈류와 기타 외력으로 인해 얇은 부분에 응력이 집중되어 심각한 손상 및 부작용을 야기할 수 있다. 따라서 앞서 제시한 용해 방식을 통해 균일도를 확보하여 문제점을 해결할 수 있다.

Fig. 6

Comparison between the uniformity of wall thicknesses of dip-coated films dried by dissolution in ethanol and evaporation in the air

Fig. 6의 그래프를 통해 용해 방식에서 평균 두께가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 자연 증발 방식의 평균 두께는 245 μm, 용해 방식에서는 174 μm로 약 71 μm의 차이를 보였다. 이는 에탄올 용해를 위해 담그고 빼는 과정에서 템플릿 상의 고분자 용액이 일부 추출, 이탈됨에 기인한다. 따라서 같은 두께를 구현하기 위해 용해 방식에서는 추가적인 딥코팅을 진행해야 한다. 이는 용해 방식의 생산성이 더 낮은 것처럼 보일 수 있으나, 자연증발 방식의 용매 제거 시간에 비해 4배 이상 빠르다는 것을 감안했을 때, 오히려 전체 제작 시간은 감소하여 생산성이 향상된다고 볼 수 있다.

3.2 용매 용해 시간에 따른 균일도 비교

앞선 실험을 통해 용해 방식으로 제작된 인조혈관에서 두께 균일도가 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 용해 시간과 인출속도 같이 균일도에 영향을 주는 요소들을 대략적으로 설정하여 얻은 값이기 때문에 실험을 통해 균일도가 확보되는 조건들을 찾을 필요가 있다. 따라서 다양한 용해 시간으로 제작한 코팅을 비교 분석하여 용해 시간이 균일도에 어떤 영향을 미치는지 확인해보았다.

Fig. 7은 용해 시간에 따른 평균 두께 및 균일도를 확인할 수 있는 그래프이다. 두께의 평균과 표준편차는 하나의 코팅에서 길이 및 둘레 방향으로 총 32개 부위의 두께를 측정하여 도출한 값이다. 딥코팅 공정에서 인출속도는 1 mm/s로 진행했으며, 용해 시간은 10, 20, 30, 60, 90초로 설정하여 총 6개의 코팅을 제작하여 비교하였다.

Fig. 7

Measurements of the wall thicknesses of dip-coated films fabricated by different conditions of ethanol dissolution time

그 결과 용매 제거 시간이 30초일 때, 표준편차가 11 μm로 가장 낮은 값을 가지며 균일도가 확보되는 것을 확인할 수 있었다. 10초와 20초로 제작한 코팅의 경우, 표준편차가 각각 40과 27 μm로 30초까지는 감소하는 추세를 보였다. 하지만 30초 이상 용매를 제거했을 때, 표준편차가 오히려 증가하였으며, 실제 제작된 코팅에서 템플릿 끝단에서의 수축으로 끊기거나 부분적으로 구멍이 발생하는 결함을 관찰하였다. 이는 과도한 용매 제거로 인한 코팅층의 불안정한 용매 제거 및 수축에 따르는 것으로 보인다.

3.3 딥코팅 인출속도에 따른 균일도 비교

템플릿이 용액에서 인출되는 과정에서 점성항력과 표면장력, 크게 두 가지 힘이 작용하게 된다. 이 두 힘으로 인해 템플릿과 용액 사이에 메니스커스가 형성되며 용액의 일부가 템플릿과 함께 인출된다.⁷ 인출되는 용액의 양은 점성 특성과 인출속도에 따라 결정되므로 딥코팅 인출속도에 따른 두께 변화를 비교 분석하여 균일도가 확보되는 조건을 특정하였다. 딥코팅 장치를 통해 0.8, 1, 2, 4, 6 mm/s, 총 5개의 인출속도를 설정하여 딥코팅을 진행하였다. 또한, 30초간 용해를 진행하고 진공 오븐에서 30분 동안 추가적으로 건조하여 용매를 제거하였다. 이 과정을 총 4번 반복하여 코팅을 제작하였다.

Fig. 8은 인출속도 조건이 다른 코팅들의 두께를 비교한 그래프이다. 0.8, 1, 2, 4, 6 mm/s의 인출속도에서 순서대로 156, 173, 208, 244, 344 μm의 평균 두께가 형성되었으며, 이를 통해 인출속도가 증가할수록 두꺼운 코팅이 형성된다는 것을 확인할 수 있었다. 코팅이 두껍게 형성된다는 것은 인출되는 용액의 양이 많다는 것을 의미하며, 이는 균일도와의 상관관계를 보였다. 용매 제거는 용해와 자연증발, 두 가지 방법으로 진행하는데, 용해의 경우 30분, 자연증발은 2시간 이상의 긴 시간이 소요된다. 이 시간 동안 중력 방향으로 용액의 유동이 발생하고 특정 부분의 두께가 두꺼워져 균일도에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8

Measurements of the wall thicknesses of dip-coated films with respect to withdrawal speeds

인출 후, 용액의 유동은 용매가 충분히 제거되어 점성이 높아질 때까지 진행되기 때문에 그 양에 따라 지속 시간이 바뀌게 된다. 따라서 건조 중 발생하는 유동으로 인해 특정 구간에서 두꺼운 코팅이 형성되어 균일도가 낮아진다. 예를 들어 6 mm/s의 인출속도에서 많은 양의 용액이 인출되어 유동이 오래 지속되기 때문에 템플릿의 끝 부분인 4번 시편에서 가장 두꺼운 코팅이 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면 4 mm/s의 인출속도의 경우 4번 시편까지 용액이 이동할 만큼 충분한 유동 시간이 제공되지 않기 때문에 템플릿의 중간 부분에서 두꺼운 코팅이 형성되어 있다. 2 mm/s의 경우 인출 직후 상대적으로 많은 양의 용액이 도포되어 있는 1번 시편이 건조와 동시에 점성이 높아져 유동이 발생하지 않기 때문에 두꺼운 코팅을 형성하였다. 반면, 1 mm/s 이하의 인출속도에서는 적정량의 용액이 인출되어 전체적으로 균일한 코팅을 형성하였다. 이 결과들로부터 1 mm/s 이하의 인출속도로 제작한 코팅에서 반지름 방향뿐만 아니라 높이 방향에서도 낮은 표준오차를 보이며 균일도가 확보되는 것이 확인할 수 있다.

3.4 유연 인조혈관 제작

용해 과정을 통해 제작된 인조혈관에서 두께 균일도가 확보되는 것을 확인할 수 있었으며, 다양한 인출속도와 용해 시간을 비교 분석하여 균일도가 확보되는 조건을 찾을 수 있었다. 이 조건으로 인조혈관 제작이 가능한지 확인하기 위해 원통(Cylinder) 형상과 다분기(Bifurcation) 형상의 템플릿을 출력하여 딥코팅 공정을 진행하였으며, 인출속도는 0.8 mm/s, 용해 시간은 30초로 설정하여 총 4회 반복하였다. 딥코팅 공정이 완료되면 PVA 템플릿을 제거하기 위해 양쪽 끝 부분을 소량 절단하여 증류수에 담그며, 제거 효율을 높이기 위해 증류수를 50°C로 가열시킨 상태에서 초음파를 가해준다.⁸ 최종적으로 Fig. 9와 같이 원통형상과 다분기 형상으로 인조혈관 제작이 가능하였으며, Fig. 10에서처럼 유연성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9

Cylinder and bifurcation vascular grafts

Fig. 10

Flexible vascular grafts

본 연구에서는 직경 8mm의 원통형 템플릿을 사용하였으며, 더 작은 템플릿을 이용한다면 소구경 인조혈관의 제작도 가능하다. 하지만 압출 기반의 제조방식으로 직경 2 mm 이하의 소형 템플릿을 출력하는 경우 단면 대비 높이가 증가할수록 노즐의 진동과 재료의 탄성으로 인해 출력물의 정밀도가 감소하게 된다. 이에 소구경 템플릿의 정밀도를 높이기 위한 3D 프린팅 공정 연구가 진행되고 있으며, 이를 통해 2 mm 수준의 직경 또는 그 이하의 소구경 인조혈관 제작에 대한 연구도 함께 수행할 예정이다.