피부의 기계적 특성을 모사하는 피부 팬텀 개발 연구

Abstract

사람의 피부는 얕은 층의 상피인 표피, 그 아래의 진피, 그리고 피하조직으로 구성되어 있으며 각각 물리적 특성이 다르다. 그중 피부의 탄력에 주된 요인이 되는 구성 성분은 진피에 위치한 콜라겐과 엘라스틴이다. 콜라겐은 진피 내에서 피부를 구조적으로 지탱해 주는 역할을 하며 엘라스틴은 변형된 피부가 원래 상태로 돌아오게 하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 히알루론산은 진피 내에서 프로테오글리칸과 부착하여 프로테오글리칸 집합체를 이루고 있으며, 수분 결합 특성을 가지고 있기 때문에 피부 보습 역할을 한다. 사람 피부는 노화가 진행됨에 따라 콜라겐과 엘라스틴 섬유조직이 경화되고 불용성이 된다. 또한, 히알루론산의 양이 감소하기 때문에 피부의 탄력은 노화 진행에 따라 줄어든다. 피부의 특성을 반영한 피부 팬텀을 개발하는 연구가 다양한 관점에서 이루어지고 있다. 피부의 광학적 특성, 음향학적 특성, 표면적 특성, 기계적 특성 등 여러 특성을 모사하는 목적으로 개발되는 피부 팬텀들이 존재한다. 본 연구에서는 피부의 탄력을 측정할 수 있는 기반을 마련하기 위해 탄력과 관계된 기계적 특성을 모사하는 피부 팬텀을 개발하였다. 제작한 피부 팬텀은 다층 구조로 각 층의 기계적 특성을 반영하고 있으며, 진피 팬텀은 다공성 구조를 가지고 있다. 또한 본 연구에서 개발한 피부 팬텀은 실제 피부의 점탄성 특징을 모사하고 있다. 본 연구에서는 우선 피하지방 팬텀을 제작하고, 피부의 탄력과 깊은 연관성이 있는 진피의 팬텀을 제작한 다음, 그 위에 표피 팬텀을 제작하여 결합하는 방법으로 다층 구조의 피부 팬텀을 제작하였다. 피부의 표피와 피하지방은 탄성 물질에 해당하므로 각 층과 같은 탄성 계수를 가지는 실리콘을 사용하여 팬텀을 제작하였다. 표피 팬텀의 경우 실제 피부의 표피가 매우 얇기 때문에 두께를 실제 피부와 같게 맞추기 위해 스핀 코터를 사용하여 얇게 제작하였다. 사람의 진피는 점탄성 물질로 알려져 있기 때문에 진피 팬텀 또한 점탄성을 가지도록 제작하였다. 진피 내 탄력 섬유가 하는 역할을 모사하기 위해 하이드로젤을 동결건조하였으며, 동결건조하는 조건을 바꾸어가며 실제 피부와 같은 공극의 크기를 갖도록 제작하였다. 동결건조한 하이드로젤 안에 액체를 주입하여 완성된 진피 팬텀이 점탄성을 갖도록 하였다. 사람 피부의 탄력을 측정하는 접촉형 기술로는 다음의 네 가지 대표적인 기술이 있다. 첫 번째는 힘을 주었을 때 해당 변위를 측정하는 방법이고 두 번째는 전극을 사용하여 저항을 측정하는 방법이며, 세 번째는 음압을 주어 변위를 측정하는 방법이고 마지막으로 이미터가 분 파동을 리시버가 분석하는 방법이다. 그중 본 연구에서는 첫 번째 기술을 사용하였으며 구형 프로브로 응력 완화 시험을 진행하여 점탄성을 분석하였다. 팬텀으로 실험하기 전 돈피로 실험을 한 결과 피부는 두 개의 지수적 감쇠 함수의 합으로 나타낼 수 있어야 함을 확인하였고, 제작한 팬텀 또한 돈피 측정 결과와 잘 맞는 것을 확인하였다. 피부 팬텀의 제작 과정의 단계별로 제작 조건에 따라 응력 완화 시험 결과가 달라지며 본 연구에서 이를 분석하였다. 젤라틴 농도가 증가할수록 일반화된 맥스웰 모델에서 탄성에 해당하는 계수들이 증가한다. 팬텀 내 액체의 점성이 증가하면 시상수들이 증가한다. 이 결과들을 활용하여 본 연구에서 개발한 피부 팬텀은 실제 피부의 탄력과 관련이 있는 요소들의 변화를 반영할 수 있다. 피부 팬텀의 개발은 신뢰성 있는 탄력 측정 기기 개발의 밑바탕이 된다. 기존의 탄력 측정 기기와는 다르게 콜라겐, 엘라스틴 등 피부의 탄력에 영향을 주는 요소들을 구분하여 측정할 수 있다면 이는 피부의 탄력을 측정하는 방법을 새롭게 표준화할 수 있는 기틀이 될 것이다. 향후에는 이를 기반으로 고객에게 피부 분석 결과를 바탕으로 피부 고민에 대한 맞춤 해결 방안을 제시할 수 있을 것이다.

The skin consists of three layers: epidermis, dermis, and subcutaneous fat, each with different physical properties. Research about the skin phantom that reflects these skin characteristics is being conducted from various perspectives. There are skin various phantoms each stimulating properties such as acoustic properties, surface properties, optical properties, and mechanical properties of the skin. In this study, among those properties, skin phantom that mimic mechanical properties of each layer of the skin is developed. Skin phantom developed in this study has a multi-layered structure, and the dermis phantom has porous structure. In addition, it stimulates the viscoelastic properties of real skin. The development of skin phantom will become the basis for the development skin elasticity measurement device in the future. Unlike conventional elasticity measuring devices, factors that affect skin elasticity, such as collagen and elastin, can be measured separately, and this would lead a new way to measure the elasticity of the skin. In the future, this result and development of skin phantom will provide customized solutions to skin problems to customers based on skin analysis.