Development of a biomimetic hydrogel cervical spinal cord surrogate for transverse compression across loading rates

인체를 첨단 기술이 집약된 차량이라고 상상해 보십시오. 척수(spinal cord)는 그 섀시 정중앙을 가로지르는 가장 중요한 데이터 케이블입니다. 이 케이블은 뇌의 명령을 몸의 나머지 부분으로 전달하고, 감각 피드백을 다시 위로 보냅니다. 자동차가 충돌하면 금속 프레임은 찌그러질 수 있지만, 만약 이 데이터 케이블이 눌리거나, 끊어지거나, 늘어나게 되면 운전자는 기계 전체에 대한 통제력을 잃게 됩니다. 이것이 바로 척수 손상 시 발생하는 현상입니다. 수십 년 동안, 이러한 부상을 예방하는 방법을 연구해 온 과학자들은 좌절스러운 루프에 빠져 있었습니다. 뼈가 어떻게 부러지는지, 디스크가 어떻게 찌그러지는지는 테스트할 수 있지만, 실제 신경 케이블 자체를 파괴하지 않고는 그 부드럽고 말랑말랑한 케이블에 어떤 일이 일어나는지 쉽게 테스트할 수 없었기 때문입니다. 충돌 테스트 중에 실제 척수 안에 아주 작은 센서를 끼워 넣을 수는 없습니다. 센서가 조직을 파괴할 것이고, 조직 또한 센서를 파괴할 것이기 때문입니다. 그래서 그들에게는 척수의 "더미(dummy)" 버전, 즉 실제와 똑같이 느끼고, 찌그러지고, 늘어나면서도, 충격을 견딜 만큼 강하고, 자신이 느낀 힘이 얼마인지 정확히 알려줄 수 있는 스마트한 가짜가 필요했습니다.

생체 모사 하이드로젤(biomimetic hydrogels)의 세계가 등장했습니다. 이것을 피크닉에서 먹는 젤리라고 생각하지 마십시오. 대신, 실제 조직처럼 작동하는 초정밀 공학 기술이 적용된 물이 가득 찬 스펀지라고 생각하십시오. 과제는 단순히 실제와 비슷해 보이는 것이 아니라, 실제처럼 '행동'하는 가짜 척수를 만드는 것이었습니다. 실제 척수 조직은 까다롭습니다. 처음에는 부드럽고 말랑말랑하지만, 세게 혹은 빠르게 누르면 갑자기 단단해지며 저항합니다. 마치 빠르게 충격을 가하면 고무처럼 변하는 스펀지와 같습니다. 또한 얼마나 빨리 누르느냐에 따라 다르게 반응합니다. 천천히 누르면 부드럽지만, (자동차 사고처럼) 빠르게 누르면 더 강하게 맞섭니다. 과학자들은 이전에 실리콘 고무를 사용해 보았지만, 그것은 마시멜로를 시뮬레이션하기 위해 고무공을 사용하는 것과 같습니다. 너무 딱딱하고 그 특유의 "말랑하다가 단단해지는" 반응이 없습니다. 이 논문은 실제 척수가 하는 방식 그대로 맞서 싸우는 새로운 종류의 "마시멜로"를 만드는 것에 관한 것입니다. 이를 통해 우리는 단순히 보기만 실제 같은 것이 아니라, 느낌까지 실제와 똑같은 더 나은 충돌 테스트 더미와 수술 훈련 도구를 만들 수 있습니다.

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가짜 척수를 위한 레시피

스래스트클라이드 대학교(University of Strathclyde)와 애들레이드 대학교(Adelaide University)의 연구진은 새로운 종류의 물질을 요리하기 위해 나섰습니다: 바로 이중 네트워크 하이드로젤(double-network hydrogel)입니다. 집을 짓는다고 상상해 보십시오. 첫 번째 네트워크는 구조의 형태를 잡아주는 나무 골조(폴리아크릴아마이드로 제작)와 같습니다. 두 번째 네트워크는 틈을 채우고 강도를 더하는 석고보드와 회반죽(해조류 유래 성분인 알긴산으로 제작)과 같습니다. 이 두 가지를 혼합하여, 그들은 압착을 견딜 만큼 강하면서도 섬세한 척수 신경을 흉내 낼 만큼 부드러운 물질을 만들어냈습니다.

완벽한 레시피를 찾기 위해 그들은 단순히 추측만 하지 않았습니다. 대신 대규모 주방 실험을 수행했습니다. 그들은 이 하이드로젤 척도의 27가지 서로 다른 버전을 만들었습니다. 그들은 세 가지 주요 성분을 조절했습니다:

1. 해조류(알긴산)를 얼마나 사용했는가: 저농도, 중농도, 고농도(중량 대비 4.7%, 7.8%, 10.3%)를 시도했습니다.
2. 해조류를 서로 붙여줄 "풀"(이온)로 무엇을 사용했는가: 그들은 세 가지 다른 종류의 금속 염을 사용했습니다: 칼슘(CaCl₂), 철(FeCl₃), 알루미늄(AlCl₃). 이것들을 다양한 강도의 풀이라고 생각하십시오.
3. 풀이 굳을 때까지 얼마나 오래 두었는가: 그들은 척도를 1, 2, 또는 3시간 동안 담가두었습니다.

충돌 테스트

27가지의 서로 다른 "가짜 척도"를 만든 후, 그들은 이것들을 혹독하게 테스트했습니다. 단순히 부드럽게 누른 것이 아니라, 의사가 반사 신경을 확인하는 것 같은 느리고 부드러운 압박부터, 심각한 자동차 사고 시 뼈가 부러지는 것과 같은 번개처럼 빠른 충격에 이르기까지 네 가지 다른 속도로 테스트했습니다. 가장 빠른 속도는 초당 약 140회였으며, 이는 재료 테스트로서 믿기 힘들 정도로 빠른 속도입니다.

그들은 특수 기계를 사용하여 타원형 모양의 척도를 측면에서 으깨는 방식(횡압축)으로 테스트했으며, 그 반응을 정확히 기록했습니다. 그들은 기존 연구에 발표된 실제 인간 및 돼지의 척도 데이터와 결과를 비교했습니다.

연구 결과

결과는 "성공했다"는 확신과 "무엇을 하지 말아야 할지 배웠다"는 깨달음이 섞여 있었습니다.

1. "풀"이 가장 중요하다
가장 놀라운 점은 해조류를 얼마나 사용했느냐가 아니라, 어떤 종류의 풀을 선택했느냐였습니다. 젤을 가교(crosslink)하는 데 사용된 이온의 유형이 강도(stiffness)에 엄청난 영향을 미쳤습니다.

• 칼슘(CaCl₂) 풀은 실제 조직과 매우 유사하게 부드럽고 말랑말랑한 척도를 만들었습니다.
• **철(FeCl₃)**과 알루미늄(AlCl₃) 풀은 칼슘보다 약 5배나 더 단단한 매우 딱딱한 척도를 만들었습니다.
• 본 논문은 단순히 해조류(알긴산 농도)를 더 많이 넣는 것이 강도를 조절하는 주요 방법이라는 생각을 명시적으로 배제했습니다. 해조류를 더 추가하면 더 단단해지기는 했지만, 그 효과는 "점차 감소(diminishing)"했습니다. 즉, 일정 수준을 넘어서면 더 추가해도 큰 도움이 되지 않았습니다. 진짜 핵심은 풀의 종류였습니다.

2. "J-자형" 반응
그들이 만든 27가지 레시피 모두 "J-자형" 곡선을 보여주었습니다. 이것은 척도 재료의 성배(holy grail)입니다. 이는 재료가 처음에는 부드럽지만(J의 바닥 부분), 더 세게 누를수록 점점 더 단단해진다(J의 상승 곡선)는 것을 의미합니다. 이것이 바로 실제 척도가 작동하는 방식입니다. 천천히 밀면 부드럽고, 빠르게 밀면 강해집니다. 이러한 속도 의존적 행동은 매우 중요한데, 이는 가짜 척도가 자동차 사고와 부드러운 자극에 대해 실제 척도와 마찬가지로 다르게 반응한다는 것을 의미하기 때문입니다.

3. 시간 요소
그들은 척도를 더 오래 담가두는 것(2시간 대 3시간)이 변화를 줄지 궁금해했습니다. 그 결과, 2시간 동안 담가두는 것이 3시간 동안 담가두는 것과 거의 같다는 것을 발견했습니다. 따라서 영원히 기다릴 필요는 없습니다. 재료는 꽤 빠르게 안정화됩니다.

승자: 칼슘 레시피

27가지 조합을 모두 테스트한 후, 연구진은 실제와 가장 잘 맞는 "챔피언" 레시피를 찾아냈습니다.

• 레시피: 10.3% 알긴산 혼합물에 **칼슘(CaCl₂)**을 넣어 2~3시간 동안 담근 것.
• 일치도: 높은 속도인 50 s⁻¹(외상적 부상과 관련된 속도)에서 테스트했을 때, 이 특정 레시피는 실제 돼지 척도의 강도와 거의 완벽하게 일치했습니다.
  • 강도(접선 탄성 계수, Tangent Modulus): 가짜 척도는 1180 kPa였고, 실제 돼지 척도는 1176 kPa였습니다. 이는 거의 완벽한 일치입니다.
  • 내구력(응력, Stress): 가짜 척도는 파손되기 전까지 490 kPa의 압력을 견뎌냈고, 실제 척도는 458 kPa를 견뎠습니다.

느린 속도에서도 칼슘 기반 젤은 잘 일치했지만, 실제 조직은 맨 처음 단계에서 약간 더 긴 "부드러운" 구간을 가졌습니다. 철과 알루미늄 버전은 너무 딱딱해서 좋은 대조물이 될 수 없었습니다.

이것이 중요한 이유 (과장 없이)

본 논문은 이 PAAm-알긴산 하이드로젤이 유망한 새로운 도구라고 결론짓습니다. 이것들이 아직 척상 부상의 마법 같은 치료제는 아니지만, 한 가지 골치 아픈 문제를 해결해 줍니다. 즉, 우리는 드디어 충돌이나 수술 중에 척도가 얼마나 찌그러지는지를 측정하기 위해 센서를 장착할 수 있는(instrumented) 재료를 갖게 되었다는 것입니다.

저자들은 이것이 두 가지 큰 방향으로 이어질 수 있다고 제안합니다:

1. 더 나은 충돌 테스트: 자동차 사고 시 척도가 얼마나 많은 힘을 받는지 추측하는 대신, 이 계측 가능한 가짜 척도를 사용하여 직접 측정할 수 있습니다.
2. 더 나은 수술 훈련: 외과의들이 이 젤을 가지고 연습하며, 단순히 화면을 보고 짐작하는 것이 아니라 척도를 너무 세게 누르고 있는지에 대한 실시간 피드백을 받을 수 있습니다.

하지만 논문은 아직 하지 못한 부분에 대해서도 신중하게 언급하고 있습니다. 그들은 이 가짜 척도가 실제 조직에 비해 여전히 초기 단계(toe region)에서 다소 딱딱하다는 점을 인정했습니다. 또한 복잡한 층 구조를 가진 형태가 아닌 단순한 타원형 모양을 사용했습니다. 그리고 높은 속도에서는 돼지 데이터와 잘 일치했지만, 100% 확신하기 위해서는 초고속 충돌 속도에서의 인체 조직 데이터가 여전히 더 필요하다고 언급했습니다.

요약하자면, 그들이 척수 손상을 해결한 것은 아니지만, 이전의 그 어떤 것보다 실제와 훨씬 더 비슷하게 작동하는, 조절 가능하고 측정 가능한 아주 좋은 "더미"를 만들어낸 것입니다. 이는 수술을 더 안전하게 만들고 충돌을 더 잘 이해하기 위한 견고한 발판입니다.