엘라스토머 의료 기기의 기계적 변형으로 미생물 표면 집락화 가능

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7691(2023) 이 기사 인용

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실리콘과 같은 엘라스토머는 의료 기기(카테터, 보철 임플란트, 내시경)에 흔히 사용되지만 여전히 미생물 집락화 및 생물막 감염 경향이 있습니다. 처음으로 우리의 연구는 폴리디메틸실록산(PDMS) 실리콘에 대한 미생물 표면 부착 속도가 기계적 변형에 의해 크게 영향을 받을 수 있음을 보여줍니다. 구부러진 상용 카테터 튜브 부분의 경우 박테리아(P. aeruginosa)는 '오목' 면에 비해 '볼록' 면을 4.2배 더 선호하는 것으로 나타났습니다. 굽힘 시 주조 PDMS 재료에 대한 추가 테스트에서는 사전에 수동으로 닦은(손상된) 샘플에 대해서만 상당한 차이가 나타났습니다(볼록한 면과 오목한 면에서 각각 1.75 × 104 및 6.02 × 103 셀/mm2). 우리는 엘라스토머의 표면 미세균열이 인장 응력(볼록한 굽힘) 하에서 열려 미생물 집락화를 위한 장소로 '활성화'된다는 것을 입증합니다. 이 연구는 엘라스토머의 높은 탄성 한계로 인해 이러한 미세 균열이 '동적 결함'으로 가역적으로 열리고 닫힐 수 있음을 보여줍니다. 상업용 카테터는 제조 시 표면 거칠기가 상대적으로 높지만 새로 주조된 PDMS를 수동으로 닦아도 표면 미세 균열이 발생하기에 충분하다는 것을 보여줍니다. 우리는 국부적인 인장 조건으로 인해 이러한 표면 결함이 기회 미생물에 노출될 수 있는 지속적인, 수술적 또는 주기적 변형을 특징으로 하는 의료 기기에 대한 의미를 고려합니다. 결과적으로, 우리의 연구는 의료 기기에 엘라스토머를 널리 사용하고 개발하는 데 있어 심각한 잠재적인 문제를 보여줍니다.

실리콘, 폴리우레탄, 폴리염화비닐(PVC)과 같은 엘라스토머는 1950년대 의료 기기에 처음 사용되었으며 현재 널리 사용되고 있습니다. 예로는 폴리디메틸실록산(PDMS) 요도 카테터, 폴리우레탄 PICC 카테터, 내시경 덮개, 실리콘 보형 유방 또는 안면 보형물과 같은 광범위한 재건 성형 수술 제품이 있습니다1,2. 최근 실리콘은 낮은 혈전성, 우수한 화학적 안정성 및 다양한 제조 가능성을 갖기 때문에 차세대 인공 심장 및 인공 심장 판막의 기초가 되었습니다3. 이식된 장치 외에도 엘라스토머는 투석 시스템의 펌프 및 튜브와 같은 체외 의료 장치에 일반적으로 사용됩니다.

널리 사용됨에도 불구하고 탄성중합체 장치의 미생물 군집화와 생물막 기반 감염에 대한 후속 개발은 이식 장치와 재사용 장치 모두에서 지속적인 문제로 남아 있습니다. 기기 관련 감염은 미국에서 발생하는 약 200만 건의 의료 관련 감염(HAI) 중 50~70%를 차지합니다4,5. HAI는 건강에 해로운 위험, 환자의 입원 기간 및 치료 비용을 크게 증가시킵니다. 장치 관련 감염의 대부분은 중심선 관련 혈류 감염(CLABSI), 카테터 관련 요로 감염(CAUTI) 및 인공호흡기 관련 폐렴(VAP)6,7을 포함하여 카테터에 박테리아가 서식한 결과입니다. 미국에서 매년 삽입되는 500만개 이상의 중심선 카테터 중 3~5%의 환자가 CLABSI로 고통을 받아 치료 비용이 크게 증가했습니다8. 정맥 카테터 삽입이 필요한 환자에 대한 최근 비교 분석에 따르면 감염으로 인해 평균 2일의 추가 입원이 발생하는 것으로 나타났습니다9.

장치 관련 감염은 미생물 병원체에 의한 표면의 초기 집락화와 이후 생물막으로의 발달로 시작됩니다10,11,12. 생물막의 세포는 소독제, 항생제 및 숙주 방어 메커니즘으로부터 세포를 보호하는 세포외 고분자 물질을 생성하므로 결과적으로 생물막은 지속적이고 근절하기 어렵습니다5,13,14,15,16,17,18,19. 다양한 그람 양성 박테리아(Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, S.epidermidis), 그람 음성 박테리아(Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa) 및 곰팡이(Candida albicans)가 일반적으로 체외 이식된 의료 기기에서 분리됩니다12. 이들 병원체는 다약제 내성을 나타내는 것으로 알려져 있으며 일단 생물막을 형성하면 전신적이고 광범위한 항생제를 사용하는 것이 효과적이지 않은 경우가 많습니다. 감염된 경우 장치 제거 및 교체가 필요한 경우가 많으며 이는 재감염 가능성이 높은 매우 외상적이고 의학적으로 위험한 옵션이 될 수 있습니다12.