KR100315381B1 - 키토산 마이크로플레이크와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부에 대한 피복능을 획기적으로 향상시킨 키토산 마이크로 플레이크에 관한 것이다. 본 발명의 키토산 마이크로플레이크는 키토산을 약산성 액상에서 용해시키고 추출 고화 시키는 과정에서 그 형태를 두께보다 폭이 적어도 10배 이상 넓은 고순도의 키토산으로 마이크로 플레이크를 형성시키며 이방성 형태를 가짐으로서 피부에 도포 시 그 피복능을 크게 향상시킨 키토산 마이크로 플레이크를 제공하는 것이다. 이 키토산 마이크로 플레이크는 항균성, 지혈작용, 생체적합성, 세포포집성, 생체조직배양, 항취성 등의 기능성을 갖는 임상의학용 피복재료 및 화장재료의 원료물질로 사용될 수 있다.

Description

키토산 마이크로 플레이크와 그 제조방법{CHITOSAN MICROFLAKE AND METHOD OF MANUFACTURING THEM}

본 발명은 키토산을 약산성 액상에서 용해시켜 키토산 용액을 만들고 이 키토산 용액을 동결 건조시킨 후 파쇄 시켜서 얻어진 피복능을 획기적으로 향상시킨 키토산 마이크로 플레이크에 관한 것이다.

키토산은 자연계로부터 풍부하게 얻어지고 있으며, 건강 식품과 피부 미용재료로 널리 이용되고 있다. 키토산은 자연계에 존재하는 아미노폴리사카라이드의 일종으로 게, 새우의 껍질, 오징어 뼈 및 곰팡이, 버섯류, 세균 등 미생물의 세포벽에 함유되어 있는 키틴을 탈아세틸화하여 얻어지는 천연물질로 독성이 없고, 생분해가 가능하여 생체친화성을 갖고 있으며, 세포의 결합 및 생체조직배양, 항균성, 지혈작용, 생체적합성 등의 생체학적 특징이 있는 것으로 알려져 있다.

키틴은 갑각류와 곤충의 갑피, 곰팡이, 효모, 버섯과 같은 진균류의 세포벽에 함유되어 있으며 탄산칼륨을 중심으로 회분, 단백질, 지질, 색소 등과 함께 조직을 구성하고 있다. 지구상에서 생물체에 의해서 생산되고 있는 키틴/키토산의 양은 대략 10억톤/년으로 추정되고 있으며 셀룰로오스 다음으로 그 생산량이 많은 천연고분자물질이다.

그러나, 키틴은 수불용성이므로 섬유, 필름 등의 형태로 성형하는 것이 어려워서 그 용도가 제한되므로 탈아세틸화시켜 약산성에서 수용성으로 되는 키토산으로 전환시켜 사용하고 있으며, 수용성 키토산이 산업적으로 키틴보다 더 유용하게 이용되고 있다.

키틴 및 키토산은 초기에는 식품공장 폐수내의 유효물질을 회수하는 응집제로 사용되었으나, 최근에는 식품 분야, 의료의학 분야, 기능성막, 생물공학 분야, 화장품 분야, 농업 분야, 화공 분야, 환경 분야 등 전 분야에 걸쳐 폭넓게 그 용도가 개발되고 있다.

현재까지는 키틴의 주요 공급원이 새우류와 게류를 포함하는 갑각류의 폐기물이지만, 앞으로는 크릴류에서도 생산될 것으로 기대되고 있다. 특히 진균류는 세포벽에 키틴과 키토산을 함께 함유하고 있기 때문에 진균류의 효과적인 배양과 추출법이 확립된다면 키틴과 키토산의 공급원은 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다.

일반적으로 키틴은 정제하지 않은 상태로 폐수처리 등에 사용되고 있으나,정제한 고품위 키토산은 고기능성의 생체 임상의학용 및 피부 미용제 등으로 응용 범위가 화대되고 있어서 정제된 고품위 키토산을 염가로 제조하는 방법이 요구되고 있다.

미국특허 제3,533,940호에 의하면 키틴으로부터 키토산을 제조하는 방법이 공개되었는바, 전술한 특허에서는 키토산을 초산 등과 같은 유기산 수용액에 용해시켜 섬유, 필름 등을 성형할 수 있는 용액으로 만들고 있다. 또한 미국특허 제4,699,135호에서는 키틴을 염화리튬을 함유한 디메틸아세트아마이드 등 극성유기용매에 용해시켜서 키틴섬유를 제조하는 방법이 공개되었으며, 초산 수용액에 용해시킨 키토산 용액으로부터 얻은 키토산 단섬유를 얻는 방법도 공개되었다. 또한 미국특허 제5,900,479호에서는 키토산을 유기산 수용액에 용해시킨 키토산 용액을 사용하여 불용성인 키틴성분의 필름 및 섬유를 제조하는 방법이 공개되었다.

이상과 같이 키틴 또는 키토산을 원료물질로 사용하여 필름 및 섬유 형태로 제조하는 기술은 많이 공개되어 있으며, 또한 이를 이용한 임상의학용, 생체학적, 위생학적 특성을 갖는 제품을 생산하는 방법과 기능성에 관한 활발한 연구가 진행 중이며 또한 이와 관련된 여러 기술들이 공개되고 있다.

다이네쉬 등( Rev. Macromol. Chem. Phys., C40(1), 69-83 (2000) )은 키틴과 키토산 및 이들을 이용한 화합물을 이용한 상처 치유재, 인공 피부, 약전성재료, 혈액 응집제. 인공신장막, 생분해성 수술용 봉합사, 항균성 재료로의 적용 가능성과 우수한 기능성을 보고하였다. 또한 마리에판 등( ILEE Engineering In Medicine and Biology November/December, 1999 )은 상처치유의 목적으로 키토산박막이 도포된 침대보를 이용하였을 때 흉터를 예방하고 상처치유를 촉진한다는 연구결과를 보고하고 있다.

키토산은 최근 종양억제 효과, 항암작용에 대한 연구 결과도 발표되고 있으며, 생체의 상처치유 능력을 향상시켜 주는 키토산의 특성의 원인을 규명하기 위한 다양한 연구가 진행되었는데, 일반적인 가설은 키토산의 양이온이 세균의 음이온과 결합하여 세균세포를 응착시킴으로써 세균세포가 다른 생체 조직이나 생체 표면에 응착되는 것을 방지함으로써 생체의 상처치유 능력을 향상시킬 수 있다는 것이다. 키토산은 생체 내 효소에 의해 서서히 가수분해되는바, 특히 피부의 상처 부위에 풍부하게 존재하는 효소인 라이소짐(Lysozyme)에 의해서 쉽게 분해를 일으켜 가수분해 생성물인 올리고머(Oligomer), 이합체(Dimer)등으로 분해되면서 오랜 기간동안 지속적으로 상처 치료 효과를 나타낸다고 알려져 있다.

한편 독일특허 제DE1906155호, 제DE1906159호는 키틴, 키토산 관련 창상피복재에 관한 최초의 특허로서, 상기 특허에 따르면 분쇄된 키틴 분말이 상처 회복에 좋다고 기재되어 있다. 또한 영국특허 제GB1252373호에도 이와 유사한 내용을 제시하고 있다.

미국특허 3632754호, 3914413호에는 키틴이 창상 치유를 촉진시킨다는 내용이 기재되었으며, 키틴은 라이소짐에 의해 분해되는 성질이 있어 생리적으로 용해될 수 있음을 제시하고 있다.

유럽특허 제EP0089152호, 일본특허 제JP86141373호 등에는 키토산을 케라틴 또는 콜라겐과 복합시킨 필름으로 만들어 창상 보호제로 사용하는데 대하여 기재되어 있다.

이상과 같이 키틴과 키토산을 인체병리학적인 용도로 적용하려는 기술들은 이미 보고된 것이 많다. 하지만 기존의 기술에서는 키틴 또는 키토산을 인체 적합성 소재로서의 가능성을 제시하였을 뿐 상업화시키지 못하였으며, 임상병리학적인 다양한 처리에 적합하면서 기능성이 최대로 발휘되는 효과적인 형태의 키틴과 키토산의 제조법에 관한 내용은 알려진 것이 없다.

인체의 피부는 부위에 따라 다양한 형태를 가지고 있으며, 신체의 운동 시 신체 각 부위에 따른 신장 및 수축의 정도 등과 같은 서로 다른 특징을 갖고 있어서 키토산의 효과적인 적용을 위해서는 밀착성이 효과적으로 개선된 형태의 키토산이 절실히 요구되고 있다. 특히 종래의 피부에 처리하는 키토산은 분말상, 필름상, 스폰지 또는 쉬트 등의 형태로만 제조하고 있어서 사용 시 그 용도가 극히 제한되어 있었다.

예를 들면, 키토산이 분말로 되었을 때는 피부에 고르게 피복 시키는 것이 어렵고 많은 양의 분말을 사용하여야 하며 피부와 접촉하는 면적이 작아 키토산의 효능이 효과적으로 발현되기 어렵고 밀착성이 떨어진다. 또한 필름, 스폰지, 쉬트 등의 형태는 피부에 밀착시키는 것이 어렵고 크기가 극히 제한적이며 끊임없이 유동하는 피부의 신장 및 수축운동에 지속적인 밀착성을 기대할 수 없었다.

본 발명은 임상병리학적인 피부의 손상, 수술 및 화상을 포함하는 신체적 외상에 처리하였을 때 상처치유, 살균, 흉터조직방지, 흉터조직억제, 상처 회복등의 효능을 갖고 있는 고순도의 키토산을 피부에 대한 피복능이 획기적으로 개선된 키토산 마이크로플레이크 형태로 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 피복능을 획기적으로 향상시킨 고순도의 키토산으로 구성된 마이크로 플레이크를 제공하는 것이다. 본 발명의 키토산 마이크로 플레이크는 키토산을 약산성의 유기산 수용액에 용해시켜서 키토산용액을 제조하고 이 용액으로부터 키토산을 추출하여 고화시키는 과정에서, 키토산의 형태를 두께보다 폭이 적어도 10배 이상 넓고 이방성 형태를 갖는 마이크로 플레이크 형태로 제조하여 피부에 도포할 때 피복능이 획기적으로 개선된 키토산 마이크로 플레이크를 제공하는 것이다.

키토산 마이크로 프레이크는 피부에 도포 시 모자이크 평면을 형성하여 획기적으로 향상된 피복성을 나타내며, 피부와 전체적으로 잘 밀착되어 키토산의 기능을 최대로 발휘할 수 있게 한다.

이와 같이 본 발명은 지금까지 제조된 적 없는 새로운 형태의 조직의 키토산 마이크로 플레이크 구조를 제공하므로서 키토산을 임상병리학적 피복제로 사용하였을 때 피복능이 향상되어 효과적인 처리가 가능하고 또한 키토산의 기능성을 최대로 발휘시키는 진보된 기술을 제시하고 있다.

도1은 본 발명의 키토산 마이크로플레이크의 구조를 간략하게 도시한 사시도,

도2는 본 발명에 의한 마이크로플레이크의 현미경 사진으로서, 좌측은 60배로 확대한 사진이며, 우측은 왼쪽 사진의 일부를 600배로 확대한 사진이다.

도3은 본 발명에 의한 동결건조된 키토산 플레이크를 200배로 확대한 SEM사진으로 판상의 고순도 키토산을 보여준다.

본 발명은 키토산을 특정비율로 약산성의 용재에 용해시킨 후 동결건조의 방법으로 건조시키며 추출하여 고순도의 다공성 키토산 필름을 얻은 후 이를 분쇄시키는 방법으로 제조되는 두께보다 폭이 적어도 10배 이상 되는 것을 특징으로 하는키토산 마이크로플레이크를 제공하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 키토산은 중합도가 20 내지 10,000 사이이고 탈아세틸화도가 60% 내지 99% 사이인 것이 유용하며, 보다 바람직하게는 중합도가 100내지 5,000사이이고 탈아세틸화도가 70% 내지 95% 사이인 것이 사용된다. 또한 용매로서는 산성 수용액, 무기염 수용액, 유기용매 중에서 임의로 선택된 것이 사용된다.

산성 수용액으로서는 물에 산을 0.1wt% 내지 20wt% 사이의 농도로 용해시킨 수용액이 사용되며, 산으로서는 초산, 젖산, 개미산, 글리콜산, 아크릴산, 프로핀산, 석신산, 수산, 호박산, 아스콜빈산, 글루콘산, 주석산, 말레인산, 구연산, 글루타민산, 톨루엔설폰산 같은 유기산이나, 염산, 황산, 인산 같은 무기산 중에서 선택된 것이 사용될 수 있다. 전술한 유기산이나 무기산은 단독으로 사용할 수도 있고 2종 이상을 혼합하려 사용할 수도 있다.

무기염 수용액으로서는 물에 무기 금속염을 10wt% 내지 70wt% 사이의 농도로 용해시킨 수용액이 사용되며, 무기 금속염으로서는 소디움치오시아네이트, 징크클로리드, 염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화리튬 등 무기 금속염 중에서 1개 이상 임의로 선택하여 사용할 수 있다.

유기용매로서는 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디에틸아세트아미드, 삼불화초산, 삼염화초산, 메틸렌클로리드, 사염화에탄 등 극성유기용매 중에서 1개 이상을 임의로 선택하여 사용할 수 있으며, 보다 극성을 높이기 위하여 위의 유기용매에 무게비로 1wt% 내지 10wt% 사이의 농도로 상기의 무기 금속염 중에서 선택한 무기 금속염을 유기 용매 용액에 첨가할 수도 있다.

상기한 용매에 키토산을 무게비로 0.5wt% 내지 30wt% 사이의 농도로 용해시켜 키토산용액이 제조된다. 이와 같이 제조된 키토산 용액은 동결 건조하여 파쇄하면 본 발명의 키토산 마이크로플레이크가 얻어진다.

동결건조는 재료를 동결시킨 다음 높은 진공장치 내에서 액체상태를 거치지 않고 기체 상태의 증기로 승화시켜 건조하는 방법으로, 일반의 건조방법에서 보다 고품질의 제품을 얻을 수 있고 동결된 상태에서 수분이 제거되므로 건조된 제품은 가벼운 형태의 다공성구조를 가지는 특징을 가지고 있다. 이러한 동결 건조방법은 현재 식품과 제약, 미생물의 건조에 이용되는 고품질을 얻는 건조방법이다. 전술한 동결 건조는 예비동결, 승화건조, 탈습건조의 3단계 건조처리된다.

예비동결처리는 동결온도가 건조품의 품질에 큰 영향을 미치므로 이의 조절에 세심한 주의가 요구되는데, 본 발명에서는 영하 10℃ 내지 영하 60℃의 온도에서 예비동결처리 되며 보다 바람직하게는 영하 35℃ 내지 영하 40℃의 온도에서 예비동결처리 하는 것이 필요하다.

승화건조처리에서 키토산용액에 존재하는 총 용매의 65wt% 내지 90wt%에 해당하는 유리용매를 제거시키는 것이 필요하며, 이는 일정한 주기로 가열 및 영하 10℃ 내지 영하 60℃의 온도에서 10분 내지 2시간의 시간동안 100Torr 내지 0.1Torr의 압력에서 승화건조처리 하는 것이 요구된다.

승화건조처리된 키토산 용액은 총 용매의 35wt% 내지 10wt%의 결합용매를 가지며 이는 탈습건조처리로 제거된다. 키토산 용액을 가열한 열량은 동결층의 승화잠열로 제거시키고 수분은 동결층의 상부로부터 서서히 제거되어 다공질의 키토산필름을 남기고 승화면은 아래로 내려가 결국 동결층은 사라지고 다공질의 키토산 필름이 얻어진다.

다공성 키토산 필름은 온도 0℃ 내지 영하 60℃에서 냉동파쇄 처리되어 10메쉬 내지 100메쉬체로 통과시켜 필요한 크기의 두께보다 폭이 적어도 10배 이상 되는 것을 특징으로 하는 고순도 키토산 마이크로플레이크를 얻는다.

본 발명에 의한 키토산 마이크로플레이크는 도1에 도시된 바와 같이 폭이 두께의 10배 이상 되는 플레이크 형태로 얻어 진다.

종래의 기술에서는 임상병리학적인 피복제로서 키토산을 적용하는데 단순히 섬유, 필름, 분말형태의 재료를 제시하는 것에 불과하여 인체피부와 우수한 밀착성을 기대할 수 없었으며 또한 키토산의 우수한 기능성이 발현되는 것이 불가능하였으나 본 발명의 키토산 마이크로플레이크는 그 형태가 두께보다 폭이 적어도 10배 이상 넓은 마이크로 플레이크 형태로 형성된 이방성 형태를 가지는 것이 특징으로 피부에 도포 시 피부 손상, 수술 및 화상으로 인한 피부의 염증 부위에 적용되어 상처를 신속히 치유하며 동시에 세포의 결합 조직을 강화하고 피부에 적당한 수분을 유지해 줄 수 있을 뿐만 아니라 사용되는 물질의 활성을 오랫동안 유지시켜 이들의 효과를 높여줄 수가 있다.

이하 본 발명의 실시예는 본 발명의 일부분을 보다 구체적으로 설명하고 있으나 본 발명의 내용이 이에 국한된 것은 아니다.

[실시예1]

키토산용액 제조

3wt%의 젖산수용액 95g에 점도가 116cps이고 탈아세틸화도가 94%인 키토산 5g을 용해시켜서 투명한 용액을 제조한다.

예비동결 처리

제조된 키토산용액을 동결건조기의 용기에 넣어 온도 영하 50℃까지 냉각시켜 예비동결 처리한다.

승화건조처리 및 탈습건조처리

예비건조된 키토산용액을 압력 0.1Torr에서 영하 5℃에서 50℃까지 변화시키며 2시간 동안 동결건조 처리한다.

제조된 키토산 마이크로플레이크는 도2의 현미경 사진에서 알 수 있는 바와 같이 폭이 두께 보다 넓은 판상구조를 갖고 있다. 사진의 왼쪽은 배율 60배로 관찰된 키토산 마이크로플레이크의 응집된 형태이며 오른쪽은 사진 왼쪽의 일부분을 100배로 확대하여 6000배로 관찰한 키토산 마이크로플레이크의 형상을 관찰한 1:1크기의 사진이다.

키토산 마이크로플레이크의 제조

동결건조된 고순도의 다공성 키토산필름을 온도 영하 30℃에서 전동식분쇄기를 이용 10분간 파쇄시켜, 두께보다 폭이 적어도 10배 이상 되는 것을 특징으로 하는 고순도 키토산 마이크로플레이크가 얻는다.

[실시예2∼5]

키토산에 따른 플레이크의 특성

점도가 각각 11.6cps, 116cps, 370cps, 1446cps이고 탈아세틸화도가 94%인 키토산 3g과 5wt% 젖산수용액을 사용하여 실시예1과 동일하게 키토산 마이크로플레이크를 제조하여 각각 두께보다 폭이 적어도 10배 이상의 크기를 가지는 마이크로 플레이크를 얻었다.

실시예2∼5에서 얻어져 임의 선택된 10개의 키토산 마이크로플레이크의 평균 크기를 표 1에 기재한다.

표 1

키토산 마이크로플레이크의 특성 비교

분 류	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
키토산 점도	11.6cps	116cps	370cps	1446cps
키토산 마이크로플레이크의 평균두께	1.1㎛	1.3㎛	1.3㎛	2㎛
키토산 마이크로플레이크의 평균폭	11.2㎛	42㎛	49㎛	63㎛

[실시예6∼10]

키토산 용액의 농도에 따른 플레이크의 특성

3wt%의 젖산수용액에 점도가 116cps이고 탈아세틸화도가 94%인 키토산을 용해시켜 키토산의 농도를 각각 1wt%, 2wt%, 3wt%, 4wt%, 5wt%로 조절하여 실시예1과 동일하게 키토산 마이크로플레이크를 제조하여 각각 두께보다 폭이 적어도 10배 이상의 크기를 가지는 마이크로 플레이크를 얻었다.

실시예6∼10에서 얻어져 임의 선택된 10개의 키토산 마이크로플레이크의 평균 크기를 표2에 기재한다.

표 2

분 류	실시예6	실시예7	실시예8	실시예9	실시예10
키토산 농도	1wt%	2wt%	3wt%	4wt%	5wt%
키토산 마이크로플레이크의평균두께	0.8㎛	1.2㎛	1.3㎛	3㎛	5.3㎛
키토산 마이크로플레이크의평균폭	10.2㎛	44㎛	42㎛	330㎛	610㎛

[실시예11∼13]

예비동결 온도에 따른 키토산 마이크로 플레이크의 특성

실시예1과 동일한 방법으로 키토산 마이크로 플레이크를 제조함에 있어서 예비동결온도를 각각 영하 30℃, 영하 40℃, 영하 50℃로 조절하여 키토산 마이크로플레이크를 얻었다. 예비동결 온도에 따른 마이크로플레이크의 특성을 표3에 기재한다.

표 3

분 류	실시예11	실시예12	실시예13
예비동결 온도	영하30℃	영하40℃	영하50℃
키토산 마이크로플레이크의 평균두께	0.9㎛	1.1㎛	1.1㎛
키토산 마이크로플레이크의 평균폭	41㎛	41㎛	42㎛

Claims (1)

1. 중합도가 20 내지 10,000사이이고 탈아세틸화도가 60% 내지 99%인 키토산을,젓산,구연산,사과산,개미산,수산,글리콜산,호박산,아스콜빈산,말레인산,아크릴산,프롤피온산 중에서 1종 선택된 용매에 키토산을 무게비로 0.5wt% 내지 30wt% 사이의 농도로 용해 시켜 키토산용액을 제조한 다음, 이 키토산용액을 영하 10℃ 내지 60℃에서 예비동결하고, 영하 10℃ 내지 60℃에서 10분 내지 2시간 동안 100Torr 내지 0.1Torr압력 하에서 승화건조 처리하며, 상기 승화 건조 처리된 키토산용액을 탈습 건조 처리하여 두께 0.1㎛ 내지 10㎛이고, 폭이 2㎛ 내지 2000㎛ 사이의 이방성 형태의 판상구조를 갖는 다공성 키토산필름을 얻고, 상기 다공성 키토산필름을 영하 30℃에서 전동식 분쇄기를 이용하여 10분간 파쇄하여 키토산 마이크로플레이크를 제조하는 방법.