니티놀 나노공극에서 키토산 코팅을 통한 헤파린 제어 방출 시스템

초록

본 연구는 두 단계 전기양극화 공정을 이용해 니티놀(NiTi) 표면에 10 µm 두께의 규칙적인 나노공극층(Ni‑Ti‑O)을 형성하고, 이를 헤파린으로 충전한 뒤 키토산 코팅(0.1 wt%·0.2 wt%)을 적용하여 약물 방출을 확산 메커니즘 중심으로 제어하였다. 접촉각 측정으로 표면 친수성이 크게 향상되었으며, 히터린 방출은 히그히스·1차·0차·코르스메이어‑펩퍼스 모델에 모두 적합하였다. 인체 제대정맥내피세포(HUVEC) 배양 결과, 모든 시료가 비세포독성을 보였고 특히 키토산 코팅 시료가 세포 활성을 가장 높게 유지하였다. 이러한 결과는 심혈관 스텐트에 적용 가능한 안전하고 효율적인 국소 약물 전달 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다.

상세 분석

본 논문은 니티놀(NiTi) 합금의 표면을 전기양극화(Anodizing)하여 나노공극(Ni‑Ti‑O) 구조를 형성하고, 이를 약물 전달 매트릭스로 활용하는 새로운 접근법을 제시한다. 두 단계(정적 30 min + 동적 30 min) 양극화 공정은 전해질(95 % 에틸렌글리콜 + 5 % 물 + 0.3 M NaCl)에서 10 V 전압을 가함으로써, 초기에 형성되는 불규칙한 산화층을 동적 교반 단계에서 용해·재형성시켜 평균 45 nm 직경, 10 µm 두께의 균일한 나노공극을 얻는다. EDS 분석 결과 Ni, Ti, O, Cl, Si가 검출되었으며, Si는 샘플 고정용 실리콘 접착제에서 유래한 것으로 해석된다. 이러한 나노공극은 높은 비표면적과 기공 부피를 제공해 5 mg · mL⁻¹ 농도의 헤파린을 24 h 진공 흡착 방식으로 효율적으로 적재한다.

키토산 코팅은 0.1 wt%와 0.2 wt% 두 농도로 적용했으며, 0.2 wt% 코팅이 더 두꺼운 피막을 형성해 약물 방출을 더욱 억제한다. 접촉각 측정 결과, 원래의 니티놀은 친수성이 낮았으나 양극화 후 물 접촉각이 크게 감소해 친수성이 향상되었고, 키토산 코팅은 추가적인 친수성 증가와 동시에 표면 전하를 양성으로 전환해 헤파린(음전하)과 전기적 흡착을 강화한다.

방출 실험에서는 PBS(37 °C)에서 0 ~ 168 h 동안 측정했으며, 키토산 코팅이 없는 NP‑Hep 시료는 초기 급방출(burst release)이 관찰되었다. 반면 0.1 wt% 및 0.2 wt% 키토산 코팅 시료는 급방출이 현저히 감소하고, 방출 곡선이 히그히스 모델(√t 의 선형성)과 코르스메이어‑펩퍼스 모델(n = 0.45~0.55)에서 높은 결정계수를 보이며 확산 지배 메커니즘을 확인했다. 0차 및 1차 모델도 부분적으로 적합했지만, 전체 데이터에 가장 적합한 모델은 확산 기반 히그히스 모델이었다.

세포 독성 평가는 HUVEC를 이용해 1일·3일 배양 후 CCK‑8 assay로 수행했으며, 모든 시료가 70 % 이상의 세포 활성을 유지했다. 특히 키토산 코팅 시료는 세포 부착 및 증식이 가장 우수했으며, 이는 키토산이 제공하는 양성 전하와 친수성, 그리고 헤파린의 항혈전·항평활근세포 억제 효과가 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 통계적 분석(p > 0.05)에서도 차이가 없었으나, 경향성은 코팅이 생체 친화성을 향상시킨다.

본 연구의 주요 의의는 (1) 두 단계 양극화 공정을 통해 두께 10 µm 수준의 나노공극층을 간단히 제조함으로써 기존 나노튜브(≤1 µm) 대비 약물 적재량을 크게 확대한 점, (2) 키토산 코팅을 이용해 급방출을 효과적으로 억제하고 방출 속도를 확산 메커니즘에 맞게 조절한 점, (3) 인체 내피세포에 대한 비세포독성을 입증함으로써 심혈관 스텐트 표면 개질에 바로 적용 가능한 플랫폼을 제시한 점이다. 향후 연구에서는 동물 모델에서 혈관 재내피화 및 혈전 형성 억제 효과를 장기적으로 검증하고, 코팅 두께·조성 최적화를 통해 맞춤형 방출 프로파일을 구현하는 것이 필요하다.