분자모사를 통한 혈액투석막 형성에 관한 연구

김용완, 김재진, 김영하

한국과학기술연구원, 생체재료연구센터

A Molecular Simulation Approach of Hemodialysis Membrane Formation

YongWan Kim, Jae-Jin Kim, Young Ha Kim

Biomaterials Research Center, KIST

서론

세포와 생체막의 유기적 조직으로 구성된 신체조직은 각각 고유의 기능을 이용, 생명을 유지하고 있으며 조직에 이상이 생겼을 때 대부분 문제의 원인은 생체의 자가치료능력에 의해 정상적인 수준으로 회복되지만, 재생불능의 조직으로 인하여 수용이나 체외배출등이 곤란한 독성물질이 체내에 유입되면 이를 인공적 처리수단에 의존할 수밖에 없으며, 특히 신장의 본래기능에 결함이 있는 경우 인공분리막을 이용하게 된다. 1914년 Abel등에 의해서 혈액정화를 통해 toxemia가 치료될 수 있다고 발표한 이래 많은 관련기술의 발달로 인해 1970년대부터 신기능이 소실된 환자에서 신기능의 일부를 대체해 줌으로서 생명을 유지시킬 수 있는 치료방법으로 널리 호평 받기 시작하였다[1]. 현재 상용화되고 있는 혈액투석기와 같은 의료용 분리막은 용질투과성, 한외여과성능, 분자량 분획성, 습윤 강도, 항혈액 응고성, 항혈액성분손상성, 생체안정성, 내멸균 처리성 등을 더욱 향상시키기 위한 연구로 진행되고 있다. 위와 같은 연구를 통하여 얻게 되는 분리막의 다양한 특성은 첨단의료분야의 실용화에 많은 공헌을 하고 있다[2].

혈액투석막에 이용되는 일반적인 소재는 cellulose acetate, polysulfone, polymethyl methaacrylate, polyacrylonitrile등이다. 본 연구에서 사용되는 polysulfonea막(그림 1)은 막의 표면층이 skin layer와 support layer로 구성된 비대칭구조의 막이며 표면층이 용질투과성의 특성을 지배하는 부분이다. 특히 혈액적합성이 우수하도록 개질되는 표면특성은 친-소수성기의 존재와 density control, surface energy, microdomain structure와 charged state등으로 활발하게 연구되어 왔으나 현재까지는 혈액응고제인 Heparin과 같이 혼용하여 사용되고 있는 실정이다. 본 센터에서는 1980년대부터 활발하게 혈액적합성 고분자 분리막에 대한 연구가 진행되었으며 독성물질의 효율적 제거를 위해 여러 가지 설계변수들이 고려되었다[3,4]. 본 연구에서는 혈액적합성이 우수하도록 표면개질된 polysulfone membrane을 이용, 분자모사연구를 통해 막의 생체적합성을 평가하였다.

실험

Polysulfone membrane은 다음과 같이 제조하였다. Polysulfone을 oven에서 120℃이상의 온도에서 24시간 건조시킨 후 DMF에 용해시키고 PEG-copolymer를 첨가하였다. 완전히 혼합된 Blending solution을 만든 후 기포를 없애기 위해 감압하거나 기포가 없어질 때까지 방치한다. Blending solution을 유리판 위에서 spacer(0,2 ~ 0.267mm)로 두께를 조절하여 casting법에 의해 손으로 제조하였다. 이때 casting 속도는 약 20□/sec이다. 막이 형성된 후 그대로 약 35℃의 non-solvent에서 겔화시켰다. 겔화되어 형성된 막을 증류수에 24시간 침잠시킨후 건조하여 성능평가를 위한 시편을 채취하였다. ATR-FTIR, contact angle, ESCA, water flux, urea permeability등으로 막특성을 분석하였다.

또한 막형성과정에서 일어나는 PSF, PVP, DMF, PEG-copolymer 각각의 상호작용력을 분석하기 위해 분자동력학모사를 300K에서 수행하였으며 구조최적화는Dreiding2.21 force field를 사용하였다. Blends module을 이용하여 이성분계의 compatibility를 계산하여 Flory-Huggins의 격자이론으로 해석하였으며, 분자동력학계산을 통해 각각의 binodal과 spinodal 곡선, 엔탈피와 엔트로피변화, 상호작용매개변수 □, 결합에너지와 결합구조등을 계산하였다[5,6]. 또한 제조된 막의 혈액적합성을 높이기 위해 특별히 고안되어 첨가된 PEG-copolymer가 막형성시 PSF표면에서의 소수성결합특성, 물분자와 작용하여 가지게 되는 최적구조와 혈장단백질인 피브리노겐과의 결합특성을 분자모사계산방법으로 해석하여 제조된 PSF막의 혈액적합성을 평가하였다.

결과 및 고찰

현재까지 절대적으로 의료용 재료의 혈액적합성을 높이는 소재는 없다. 하지만 본 센터에서 개발된 설폰산화된 PEG-copolymer가 결합된 모델(negative cilia, 그림 2)은 우수한 특성을 보였으며[ 다음과 같이 요약할 수 있다. 즉, 수화된 PEG사슬의 동역학적 움직임으로 안한 혈장단백질 및 혈소판의 흡착 억제작용과 도입된 말단 음전하의 전기적인 반발력으로 인하여 PEG사슬의 운동성이 증가될 수 있는 효과와 마지막으로 설폰산 음이온이 음전하를 띄고 있는 혈소판과의 전기적인 반발력으로 인한 부착방지 작용과 단백질과는 선택적으로 흡착하는 특성으로 혈액적합성을 높이게 된다[7].

많은 분자를 포함하는 계에서 수행되는 분자역학(molecular mechanics)계산은 몬테카를로계산(Monte Carlo simulation, MC)과 분자동력학계산(MD)으로 나뉘어진다. MC는 주어진 온도에서의 발생 가능한 구조적 ensembles를 계산하지만 MD는 많은 분자수의 운동방정식을 계산하게 된다.  그러나 MD는 분자간 인력중 이원자의 상호인력이 제일 크므로 이것만 고려하게 된다. 한편 고려하는 계의 boundary와 원자사의의 인력을 boundary effect라고 하며 이것을 없애기 위해 periodic boundary condition을 사용한다. 그림 3에 나타난 것은  300K에서 PEG-copolymer와 water분자 100개를 1000ps동안 모사한 것이다. 이때 PEG-copolymer와 water 분자를 역장계산을 통해 구조최적화를 수행하였으며 charge equilibration method를 이용하여 charge를 부여하였고 3D periodic method를 이용하여 boundary effect를 제거하였다. 물분자의 대부분이 친수성이 강한 설폰산화 된 말단의 SO3H와 PEG monomer에 모여 있으며 소수성의 styrene은 unit cell에서 벗어나 water 분자와 상당한 거리를 유지하고 있음을 알 수 있다. 또한 친수성의 22개 monomer가 연결되어 있는 PEG1k-copolymer 사슬은 나선형의 conformation을 유지함으로서 보다 많은 water가 접근 가능하여 표면이 더욱 더 친수성이 될 수 있다고 판단된다. 이것은 polysulfone membrane상에서 혈액적합특성을 좋게 하는 PEG-copolymer의 분포특성과 conformation을 짐작하게 해준다. 기존의 모든 생체적합성과 관련된 우수한 연구결과는 적절한 표면개질을 통하여 고도의 친수성특성을 표면에 부여하였다는 점이다. 따라서 분자모사결과를 통해 나타난 것과 같이 친수성기를 표면에 도입한 결과, 다수의 물분자를 포함한 친수성기가 혈액과 접촉하게 되어 생체재료표면의 혈액적합성이 좋아지는 것으로 판단된다. 또한, 소수성표면특성을 갖는 polysulfone표면과 소수성결합으로 연결(anchoring)되는 소수성의 styrene은 grafting되어 있지 않다는 점에서 기존 grafting방법으로 모사한 결과와 다른 접근방법의 분자모사연구 필요성을 나타내 준다.

한편, 체내에 이식된 생체재료와 혈액이 접촉하였을 때 일어나는 첫 번째 현상은 생체재료표면에 단백질의 흡착이라고 일반적으로 받아들여지고 있으며[8], 흡착된 단백질의 특성이 생체재료의 생체적합성을 좌우한다고 알려졌다. 특히 혈장단백질인 피브리노겐은 혈소판수용체 glycoprotein(GP) Ⅱb-Ⅲa와 결합하여 혈소판을 흡착과 응집시키는 중요한 역할을 수행한다. 일반적으로 가장 적은 양의 혈장단백질이 흡착되었을 때 적은 양의 혈소판흡착을 보이며 혈액적합성이 우수하다고 받아들여지고 있다. 그러나 최근에는 생체재료에 흡착된 피브리노겐의 양보다는 흡착된 피브리노겐의 구조와 배향이 혈액적합성 판단에 더욱 중요한 요소로 여겨지고 있다[9]. Ultraviolet과 circular dichroism 실험을 통해 얻어진 단백질구조분석결과는 생체재료에 흡착된 단백질의 구조변화가 흡착이전의 구조와 거의 유사하였을 때 이식된 생체재료의 혈액적합성이 우수한 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서는 분자모사연구를 통해 PEG-copolymer가 binding된 polysulfone membrane을 이용하여 피브리노겐을 흡착시킨 후 시간에 따라 구조적, 에너지변화를 조사하였고 이를 초기구조와 비교하였다. 이때 피브리노겐은 protein data bank에서 가져온 3D-구조를 이용하였다.

REFERENCES

[1] J. D. Bronzino, The biomedical engineering handbook. CRC Press, 1995

[2] J. C. Salamone, The polymeric materials encyclopedia. CRC Press, 1996

[3] H. J. Chun, J. J. Kim, et al., Polym. J., 22, (1990) 347

[4] J. J. Kim, J. Y. Park, et al., J. KOSOMBE, 14, (1993) 227

[5] M. Blanco, J. Comput. Chem., 12, (1991) 237

[6] C. F. Fan, B. D. Olafson, Macromolecules, 25, (1992) 25

[7] D. K. Han, K. D. Park, et al., J. Biomed. Mater. Res., 27, (1993) 1063

[8] T. A. Horbett, J. L. Brash, Proteins at interfaces: physicochemical and

biochemical studies, 1987

[9] J. A. Chinn, T. A. Horbett, et al., Thromb Haemostas, 65, (1991) 757

(그림 1)

(그림 2)

(그림 3)