문어 빨판 모방 패치 (Octopus-Like Adhesive Patches)

• 생물학적으로 영감으로 생성된 나노 크기의 계층 구조는 기계적 또는 분자 상호 작용을 유도하여 접착력을 향상시킨다고 알려져 있습니다. 이러한 구조체는 피부 접착 패치와 스마트 피부 부착 장치를 개발하는 데 적용될 수 있습니다.
  
  
• 일반적으로 피부는 뛰어난 신축성(ε > 100%, 여기서 ε은 변형률), 높은 거칠기(최대 높이 ≈40 µm, RMS(root-mean-square) ≈22 µm), 습기와 수많은 털로 덮인 경우가 많습니다. 이러한 피부의 조건으로 인해 접착이 잘 일어나지 않습니다. 기존의 피부 접착제는 일반적으로 아크릴 기반이므로 촉촉하고 평평하지 않은 피부에 대해 탈 부착 및 잔류물이 없이 접착될 순 없습니다. 그러나 기존의 glue 기반 접착제를 사용하면, 습한 상처 부위 주변에 박리되어 피부 손상 및 오염이 발생할 수 있습니다. 따라서 치료 시스템이 있는 패치 또는 장기내 중요한 신호 모니터링을 위한 진단 감지 요소가 있는 부착성이 가역적이고 생체 적합하며 오염이 없는 붕대 또는 패드가 요구됩니다.
  
  
• 최근 자연에서 발견되는 다양한 피부 구조의 접착 능력은 결합된 표면과 놀라운 물리적 상호 작용을 생성할 수 있습니다. 지금까지, 계층적 구조를 가진 도마뱀에서 영감을 건조 접착제와 같은 새로운 미세 기반 패치, 및 소산 행렬과 키토산 기반의 접착제가 보고된 바 있습니다. 이러한 접착제의 인상적인 성능에도 불구하고 등각 부착, 높은 반복성 및 오염이 없는 새로운 유형의 스킨 패치를 개발하는 것은 여전히 해결되지 않고 있습니다.
  
  
• 그 중 문어 빨판은 건조하고 습한 조건에서 가역 접착을 위한 독특한 계층 구조를 가지고 있습니다. 문어의 빨판은 젖은 표면과 불규칙하게 거친 표면에 강한 가역적인 접착 성능으로 인해 많은 관심을 받고 있습니다.
  
  
• 문어 흡입 빨판의 구조에서 영감을 받아 흡반이 소형화된 다양한 인공 접착제가 개발되었습니다. 여기에서는 문어 빨판의 가장자리 부위에서 영감을 받은 미세기둥은 3D 마이크로팁 형태로 높은 생체 적합성과 반복 접착 패치로 제작할 수 있습니다. 또한, 인공 microsuckers (μ-SCS)를 건조 실리콘 웨이퍼에 열 가역성 반응함을 관찰하였고, 이는 의료 센서와 통이 가능함을 시사합니다. 접착제는 모세관 현상에 의해 강화된 흡입 효과로 법선 방향에서 높은 접착 성능을 나타내었지만, 압출된 구조가 없는 편평하고 탄성이 있는 기재의 공동을 기반으로 하였다. 생체에서 영감을 받은 합성 접착제는 계층적 조립이나 추가 표면 처리 없이 간단한 성형 공정으로 액체 전구체의 메니스커스를 생성하여 제조됩니다. 
  
  

  

• 하지만 문어 빨판 형태로 제작한 패드는 젖은 피부, 털이 많은 피부, 평평하지 않은 피부에 대한 적응성 및 박리 강도를 개선하여 범용성을 확장시킬 필요가 있습니다. 이 연구에서 우리는 간단한 고분자 복제 방법을 통해 제작된 펼칠 수 있고 반월 형태로 제어되는 3D 마이크로팁 어레이가 있는 생체 적합성, 가역성 피부 접착 패치를 개발했습니다. 문어 빨판의 아래쪽 챔버에 위치한 돔 모양의 돌기를 모방한 이전 연구와 다르게, 이 연구는 원주 가장자리와 상부 챔버에 위치한 누두부의 접착 메커니즘을 기반으로 한 새로운 건식 접착제를 개발하는 것을 목표로 합니다. 생체에서 영감을 받은 돌출 구조는 거친 표면에 대한 안정성뿐만 아니라 당김 및 박리 방향 모두에서 건식/습식 접착 강도를 향상시킬 수 있습니다. 
  
  
• 또한 건조하고 젖은 표면뿐만 아니라 이중 거칠기 형태의 털이 많은 피부에서 일반 및 박리 방향으로 강한 접착력을 보였습니다. 다양한 μ-SC는 다양한 미세 구멍 패턴의 금형을 사용하여 μ-SC 팁의 모양을 제어하여 흡입 응력의 접촉 면적을 최대화하도록 설계되었습니다. 구체적으로, μ-SC의 높이는 전구체의 계면 장력과 외부에서 가해진 압력으로 조정되었습니다. 구멍 패턴의 금형은 표면 에너지가 다르기 때문에 prepolymer(soft-poly(urethane acrylate); s-PUA)의 변조된 메니스시스는 단순한 습윤 및 모세관 거동에서 비롯된 0.66에서 0.93까지 다양한 곡률을 보여주었습니다. 계면 에너지 균형을 통해 우리는 문어와 같은 아키텍처에서 흡입 챔버의 부피를 최대화하고 머리카락으로 덮인 매우 거친 표면에 펼칠 수 있는 3D 마이크로팁으로 접착력과 부착 유지성을 향상시키기 위한 간단한 방법론적 모델을 조사했습니다. 연질 폴리우레탄 기반 엘라스토머를 사용하여 인공 마이크로흡착기(직경 100μm)를 생성한 결과, 0.93 곡률의 흡입 컵이 있는 장치가 건조 상태(≈ 3N cm 이는 단순한 습윤 및 모세관 행동에서 비롯됩니다. 
  
  
•  연질 폴리우레탄 기반 엘라스토머를 사용하여 인공 마이크로흡착기(직경 100μm)를 생성한 결과, 0.93 곡률의 흡입 컵이 있는 장치가 건조 상태(≈ 3N cm−2 ) 및 수중(≈11 N cm −2 ) 조건에서 높은 반복성(100 사이클 이상) 및 박리 방향(건조: ≈0.5 N, 수중: ≈1.0 N). 측정된 힘은 법선 방향에서 ≈1.8 N cm -2 이고 박리 에너지에서 ≈13.5 mJ인 생체 적합하고 폴리 디메틸 실록산으로 구성된 μ-SC가 있는 패치가 젖은 돼지피부에 안정적으로 부착되었습니다.
  
  

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또한 펼쳐진 오목 형상 제어 마이크로흡착 팁은 Si 웨이퍼와 거칠고 털이 많은 피부에 대해 풀오프 및 박리 방향 모두에서 높은 건조/습식 접착 성능을 보여주었습니다. 이러한 결과는 문어 빨판 모델이 깨끗하고 등각 패치가 가능한 스마트 피부/장기 부착 의료 기기를 제조하는 방법임을 의미합니다.

 

 

<출 처>

 

논문 제목: Highly Adaptable and Biocompatible Octopus-Like Adhesive Patches with Meniscus-Controlled Unfoldable 3D Microtips for Underwater Surface and Hairy Skin (First published: 30 April 2018)

 

관련 링크: https://doi.org/10.1002/advs.201800100

 

저 자: Sangyul Baik, Jiwon Kim, Heon Joon Lee, Tae Hoon Lee, Changhyun Pang