기고 요청
변환기 및 계산기
2021년 스탠포드 첨단 재료 대학 장학금 수상자
SAM의 2021 대학 장학금은 신기술과 신소재가 우리 사회에 미치는 영향에 초점을 맞춥니다. 첨단 소재는 우리에게 밝은 미래를 가져다주었지만, 여전히 다양한 기술 문제가 존재합니다. 따라서 SAM은 학생들에게 향후 10년 동안 가장 큰 도전이 될 기술 문제에 대해 이야기하도록 초대했습니다. 또한 SAM은 학생들에게 첨단 소재를 사용하여 문제를 해결한 이전 프로젝트를 공유해달라고 요청했습니다.
지난 몇 달 동안 약 150편의 에세이와 20편의 동영상이 제출되었습니다. 이 모든 학생들이 좋은 성과를 거두었으며 앞으로도 큰 성취를 이루기를 바랍니다!
제출된 작품 중에서 최종적으로 두 명의 수상자를 선정했습니다.
매들린 브라운
샌디에이고 캘리포니아 대학교
알렉스 구에라
산호세 주립대학교
다음은 이들의 제출물입니다.
에세이 - 매들린 브라운
메스의 종말: 수술의 미래 들여다보기
의학 분야가 발전함에 따라 고리타분한 과거에 머물러 있는 관행이 하나 있습니다. 수술 분야의 기술 발전과 상관없이 절개를 통해 인체를 적극적으로 개방하는 관행은 초기 의학의 야만적인 관행을 떠올리게 합니다. 절개는 항생제 내성 미생물을 통해 인체를 질병에 노출시킬 뿐만 아니라 어떤 종류의 절개든 흉터 조직이 생겨 수술 후 환자에게 극도로 고통스러운 기억을 남깁니다. 이 문제를 해결하는 것은 쉬운 일이 아니지만 첨단 소재를 활용하면 가능합니다.
수술 방법 개선에 대한 저의 열정은 집 근처에서 어머니와 함께 시작되었습니다. 대학 1학년 중반에 어머니는 심장 판막 교체술이 필요하다는 사실을 알게 되었습니다. 수술은 오른쪽 겨드랑이를 절개하여 동맥을 통해 문제가 있는 판막으로 이동하는 최소 침습적 수술로 진행되었습니다. 수술 후 오빠와 저는 회복실에서 그녀와 함께 지냈는데, 이 방에서 저는 현대 수술에 결함이 있다는 것을 깨달았습니다. 수술 내내 그녀는 고통스러워했지만 아픈 것은 심장이 아니라 절개 부위였습니다. 수술 후 시간이 지날수록 절개 부위와 관련된 합병증 관리가 힘들어졌습니다. 감염을 예방하기 위해 매일 세척하고 붕대를 교체하는 것이 일상이 되었습니다. 수술 후 지침을 철저히 따랐지만 어머니는 흉터 조직이 쌓여 절개 부위의 통증으로 여전히 고통받으셨고,지금까지도 수술 당시를 끊임없이 떠올리며 불필요한 흉터 조직의 통증으로 고통받고 계십니다. 이 통증이 불필요하다는 생각은 흉터 조직이 생기기 전에 예방할 수 있는 수술 방법, 즉 절개하지 않는 수술 방법을 개발하는 데 박차를 가하게 했습니다.
수술을 발전시키기 위한 해결책은 약물 전달 장치를 전략적으로 적용하는 것이었습니다. 즉, 다공성 실리콘 입자와 폴리머의 조합입니다. 이 하이브리드 시스템의 장점은 그 구성 요소를 분석할 때 분명해집니다. 실리콘 입자는 특정 약물 페이로드를 보유하도록 조정할 수 있으며, 폴리머는 입자가 의도하지 않은 영역으로 이동하는 것을 방지하는 데 활용될 수 있습니다. 이러한 방법을 사용하는 매력은 비침습적일 뿐만 아니라 특정 환자의 필요에 맞게 맞춤화할 수 있다는 점에 있습니다. 예를 들어 허혈성 뇌졸중을 앓고 있는 환자의 경우, 혈전을 확산시키기 위해 t-PA가 탑재된 실리콘 입자를 혈류를 통해 혈전 위치로 유도하여 혈전을 분산시키는 역할을 할 수 있습니다. 이는 잠재적으로 독성이 있는 t-PA를 고립된 지점으로 유도하고 혈전을 제거하는 데 최대한의 효과를 발휘할 수 있기 때문에 특히 유리합니다.
적절한 자금이 주어진다면 저는 하이브리드 폴리머-다공성 실리콘 하이브리드 약물 전달 시스템의 기능을 테스트하기 시작할 것입니다. 약물이 탑재된 입자를 위한 스캐폴드는 폴리카프로락톤(PCL)이 될 것인데, 이 FDA 승인 폴리머는 실리콘 나노입자를 효과적으로 캡슐화하는 것으로 나타났습니다 [1]. 둘째, 다공성 실리콘 입자는 전기화학적 에칭을 통해 생산되며 [2], 이러한 입자는 다양한 약물을 탑재할 수 있도록 미세하게 조정할 수 있는 고유한 능력을 가지고 있습니다. 입자의 다공성과 크기를 변경하여 선택한 페이로드를 적절히 수용하도록 두 가지 기능을 최적화함으로써 "튜닝"을 수행할 수 있습니다. 하이브리드 입자 고분자 전달 시스템의 의도된 기능에 따라 로드되는 약물은 달라질 수 있습니다. 예를 들어 조직 혈관 재생에 초점을 맞춘다면 다양한 형태의 VEGF(각각 혈관 재생에 다른 영향을 미치는 것으로 나타났습니다)를 실리콘 입자에 로드할 수 있습니다. 다공성 실리콘 입자에 원하는 약물이 로드되면 두 용액을 결합하고 에어브러시로 분사하는 스프레이 분무를 통해 PCL에 통합할 수 있습니다. [3] 에어브러시에서 분사된 PCL은 방향성이 있는 섬유를 형성하고, 이 섬유에 초점을 맞추면 패치를 형성합니다. 이 패치는 크기에 맞게 잘라 투관침을 통해 체내에 배치할 수 있으므로 절개에 따른 충격이 큰 백신의 충격으로 줄어듭니다.
보다 복잡한 시술을 수행하기 위해서는 절개를 수행하고 봉합하고 치유를 촉진하는 입자 및 폴리머 조합을 사용해야 합니다. 각각은 별도의 연구 과정이 필요하지만, 이 시스템을 하나로 합치면 의학에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 결국 주사를 통해 투여되는 수술 시스템은 항생제 내성 감염에 덜 취약할 뿐만 아니라 고통스러운 흉터 조직의 축적에 덜 취약한 과정을 만들어낼 것입니다.
의학의 진화는 관찰자가 보기에 아무리 사소할지라도 그 함정을 인식하는 데 달려 있습니다. 현대 수술의 경우, 우리는질병을 치료하기 위해 환자에게해를 입히는 습관에 빠졌습니다. 이는 고귀한 대가처럼 보이지만, 모든 의사가 선서하는'해를 끼치지 않는다'는 '프리멈 논 노세레' 라는 선서를 잊어서는 안 됩니다. 따라서 환자에게 최상의 서비스를 제공하기 위해서는 메스를 버리고 나노 및 미세 침습 기술을 채택할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 이러한 기술을 수용함으로써 우리는 의학의 경계를 더욱 넓혀 '해를 끼치지 않는다'는 격언을 진정으로 받아들일 수 있습니다.
인용 문헌
[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., 폴리(락틱-코글리콜산) 나노섬유 스캐폴드에 내장된 다공성 실리콘 나노입자 신경 성장을 향상시키는 신경성 페이로드를 전달합니다. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560
[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. 및 Sailor, M.J. (2014), 전기 화학 천공 에칭에 의한 다공성 실리콘 나노 입자의 크기 제어. Part. Part. Syst. Charact., 31: 252-256. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244
[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785
비디오 - 알렉스 구에라
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