KR101170363B1 - 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알긴산 나트륨 용액을 방사원액으로 하여 염화칼슘을 포함하는 응고욕에 방사하여 응고된 섬유를 수세하여 알지네이트 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서 수세단계에서 계면활성제처리 및 건조단계에서 근적외선 열처리를 함으로써 알지네이트 섬유에 존재하는 엔도톡신을 획기적으로 저감시켜 알지네이트 섬유의 용도를 인체에 직접 적용할 수 있는 드레싱용품등에 응용범위를 확대할 수 있으며 유기용제등의 처리에 따른 환경오염문제를 극복하면서도 반응시간을 단축시킬 뿐만 아니라 높은 수율로 알지네이트 섬유를 제조할 수 있게 되었다.

알지네이트 섬유, 엔도톡신, 계면활성제처리, 근적외선, 부직포

Description

엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법{Process Of Producing Alginate Fiber Having Ultra Low Contents of Endotoxin}

본 발명은 알지네이트섬유에 내재되어 있는 엔도톡신을 획기적으로 저감시켜 인체에 적용하는 경우에 안전성을 최대한 확보할 수 있는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 알지네이트 섬유는 천연재료인 해조류를 원료로 하는 섬유로서 국내외에서 생체친화적인 섬유재료로 관심이 증대되고 있으며 그에 관한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.

알지네이트 섬유의 원료인 알긴산은 해양생물의 하나인 갈조류의 세포막과 세포막간물질을 구성하는 해조 다당류의 일종으로서 만루론산(M) 단위의 블록, 글루론산(G) 단위의 블록 및 그 중간의 MG 단위의 블록이 1,4-글리코시드로 구성된 직쇄의 공중합체이다. 알긴산은 분자속에 우론산의 카르복시기가 있으므로 산의 성질을 나타내며 보통은 나트륨염 형태로 이용되고 있으며, 염화칼슘용액을 응고욕으로 방사하여 쉽게 섬유화할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 알긴산은 인체에 무독성이며 가공하기가 쉽고 물에 용해되어 고점성 을 나타내므로 식품, 의약품, 섬유공업에서 사용되고 있으며, 금속염과 가교결합을 형성하여 겔을 유도하게 되므로 이를 이용하여 최근에는 창상피복제(Wound dressing)로 키틴, 키토산등과 함께 천연고분자물질로 주목을 받고 있다.

칼슘알지네이트 섬유는 1850년대 중반이후 유럽을 중심으로 소개되고 있으며, 1980년대 칼슘알지네이트 부직포가 개발되면서 창상피복재용 소재로 용도가 확대되었으며 최근에는 칼슘알지네이트의 겔화특성을 조절하거나 상처치유속도 및 감염의 위험을 억제하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

그러나 천연고분자인 알지네이트 고분자물은 그 원료가 천연물질인 특성상 오염에 의한 고분자물내에 엔도톡신을 다량 함유하는 문제점을 가지고 있다. 이러한 엔도톡신은 주로 그람음성균(gram-negative bacteria)에 존재하는 것으로서 생물공정과정을 통해 만들어지는 치료용 단백질의 주된 오염요인 중의 하나이다. 엔도톡신은 미량이라도 인체에 직접 적용되는 용도로 사용하는 경우에는 체내에서 여러 가지 부작용을 일으키는 것으로 알려져 있다.

엔도톡신은 대부분의 단백질이 변성되는 조건인 고온에서도 활성이 유지되는 등 생물학적으로 상당히 안정된 상태를 유지하고 있다. 일반적으로는 엔도톡신을 효율적으로 파괴하기 위해서는 섭씨 200℃이상의 고온이나 최소한 0.1 M 이상의 강산 또는 강염기 조건에 몇 시간동안 반응시켜야 한다. 따라서 이러한 혹독한 조건에 민감한 단백질로부터 엔도톡신을 제거하기는 매우 어려운 일이다.

엔도톡신의 선택적 제거방법으로는 미세투과법, 2상분획법, 흡착법 등이 소개되고 있다. 미세투과법의 경우에는 최종제품이 저분자물질인 경우에는 쉽게 엔도 톡신을 제거할 수 있으나, 용액에 단백질이 녹아 있으면 엔도톡신이 단량체로도 존재하기 때문에 제거가 불가능하다.

2상분획법은 엔도톡신을 함유하는 단백질용액에 세척제를 첨가하면 용액에 포함된 엔도톡신의 lipid A 부분이 세척제에 결합하면서 수용액층으로부터 분리되는데, 이러한 성질을 이용하여 엔도톡신을 효과적으로 제거할 수 있다. 원심분리에 의해 수용층아래로 엔도톡신이 포함된 세척제층이 분리되는데, 이때 상층에도 엔도톡신이 소량 존재하게 되기 때문에 추가적인 처리가 필요하게 된다.

흡착법은 이온교환수지나 폴리믹신 B로 고정된 수지등을 사용하여 대전된 엔도톡신을 음이온 교환수지에 흡착시켜 제거하는 것이다. 그러나 이 경우에도 단백질이 산성을 띠는 경우에는 단백질도 음으로 하전되므로 엔도톡신을 분리하기가 어렵게 된다. 폴리믹신 B로 고정된 수지를 이용하는 경우에도 일부 단백질이 폴리믹신 B에 결합함으로써 생산효율의 감소를 초래할 수 있다.

이렇게 단백질용액으로부터 엔도톡신을 제거하는 방법은 여러 가지가 소개되어 있으나, 엔도톡신을 인체나 동물에게 직접 사용할 수 있을 정도의 안전할 정도로 감소시키는 방법으로 효율적인 것은 아직 소개된 바 없다.

한편, 인체에 직접 적용할 수 있는 드레싱용품등에 대해서는 엔도톡신의 함량이 높으면 상기와 같은 문제를 초래할 수 있게 되는데, 일본특허출원제2005-268586호에서는 원료를 세정하고 필터류나 컬럼등을 통과시키거나 흡착, 유기용제처리, 계면활성제처리등을 통해 엔도톡신함량을 저하시킨 창상피복제를 소개한 바 있다. 상기 선행발명에서는 원료단계에서의 세정이나 필터링, 유기용제처리 등으로 엔도톡신을 저하시키고 있으나, 그 처리방법이 복잡하고, 연속공정인 섬유제조공정에 대하여 접목시키기에는 반응시간이 길어지고 수율 및 엔도톡신 제거효과가 저하되는 문제점이 있으며, 유기용제등의 처리에 따른 환경오염의 문제점이 있다.

그러므로 본 발명에서는 유기용제등의 처리에 따른 환경오염문제를 극복하면서도 반응시간을 단축시킬 뿐만 아니라 수율 및 엔도톡신 제거효과를 향상시킬 수 있는 알지네이트 섬유를 제조하는 것을 기술적과제로 한다.

그러므로 본 발명에 의하면 알긴산 나트륨 용액을 방사원액으로 하여 염화칼슘을 포함하는 응고욕에 방사하는 단계,

상기 응고욕에서 응고된 알지네이트 섬유를 수세하는 단계,

상기 수세된 알지네이트 섬유를 근적외선으로 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법이 제공된다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 알지네이트 섬유는 알긴산 나트륨 용액을 방사원액으로 하여 염화칼슘을 포함하는 응고욕에 방사하여 응고된 섬유를 수세하여 제조하게 되는데, 수세단계 및 건조단계에서 특유한 처리를 함으로써 엔도톡신을 저감시킬 수 있다.

우선, 본 발명의 알지네이트 섬유를 제조하기 위해서 알긴산 나트륨 원료를 물에 용해시켜 알긴산 나트륨 용액(도프)을 준비한다. 준비된 상기 도프를 중성상태를 유지하면서 기포를 제거하여 도프조에 넣어 노즐을 통해 염화칼슘을 포함하는 응고욕에서 습식방사를 하게 된다. 일반적으로 상기 노즐은 직경이 0.1~0.5 ㎜이고 구멍수가 3,000 ~ 30,000개인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 이때 방사되는 섬유의 섬도는 1 ~ 10 데니어이다. 필요에 따라 방사후 권취시 연신비 1.1 ~2.1 정도로 연신을 하여 섬유의 섬도 및 강신도를 조절시킬 수 있다.

상기 제조된 알지네이트 섬유는 물로 수세를 하여 미반응염을 제거한 후 건조시키는데, 본 발명에서는 상기 건조공정을 일반적인 자연건조, 열풍건조, 드럼건조 또는 텐터건조가 아닌 근적외선으로 건조함으로써 알지네이트 섬유내ㆍ외부에 존재하고 있는 엔도톡신을 획기적으로 저감시킬 수 있게 된다.

상기 엔도톡신은 미량이라도 인체 및 동물체내에서 여러 가지 부작용을 일으키는 것으로 알려져 있는데, 단위는 유닛(Endotoxin unit, EU)으로 표기하며 1EU에는 100pg정도의 엔도톡신이 포함되어 있다. 이러한 엔도톡신은 대부분의 단백질이 변성되는 조건인 고온에서도 활성이 유지되는 등 생물학적으로 상당히 안정한 상태를 유지하고 있으므로 이를 효과적으로 파괴하기 위한 방법으로는 200℃이상의 고온이나 최소 0.1M 이상의 강산 또는 강염기 조건에서 몇시간 이상 반응시켜야 하는데, 이러한 조건에서는 대부분의 재료 변성이 발생하는 문제점이 있다.

그러나 본 발명에서는 알지네이트 섬유를 근적외선으로 건조함으로써 알지네이트 섬유다발 내부로 근적외선이 깊숙이 침투하여 섬유를 건조시킴과 동시에 강력한 열원(熱源)으로 엔도톡신을 파괴할 수 있다. 특히 본 발명에서는 파장범위가 0.75～3㎛인 근적외선을 사용하는 것이 침투성을 강하게 할 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 방사단계 이후에 응고욕에서 응고된 알지네이트 섬유를 수세하는 단계에서 수세액은 계면활성제를 함유한 수세액을 사용하는 것이 바람직한데, 섬유제조의 연속공정에서 1차로 계면활성제를 통한 엔도톡신의 흡착을 일부 감소시키고 강력한 침투성 열원인 근적외선을 이용하여 엔도톡신을 효과적으로 제거할 수 있다.

엔도톡신은 주로 올리고지질(lipopolysaccharide)로 비극성 지질인 lipid A와 중심 올리고당 그리고 표면항원으로 작용하는 O-항원으로 구성되어 있다. 엔도톡신 분자는 음전하를 띠게 되고 단략체가 응집되어 마이셀 등의 거대 구조를 이루는 경우에 매우 안정하여 제거가 힘들게 되므로 단량체로 변형시킨 후 제거하여야 한다. 따라서 엔도톡신을 제거하기 위해서는 음이온, 비이온, 양이온, 양성이온 계면활성제로 모두 가능하나 가장 적합하기로는 이온성을 가지지 않는 비이온 계면활성제가 가장 바람직하다.

특히 본 발명의 알지네이트 섬유는 분자구조에 다량의 카르복시기와 수산기를 가지고 있기 때문에 양이온 계면활성제를 사용할 경우 엔도톡신 분자와 응집된 후 제거되지 못하고 섬유내부에 흡착될 수 있으며 음이온 계면활성제를 사용할 경우 엔도톡신과 같은 이온성을 가지므로 엔도톡신 분자가 회합되어 있는 마이셀을 적극적으로 파괴하지 못하는 단점이 있기 때문에 비이온 계면활성제가 가장 바람직하다. 상기 계면활성제를 함유한 수세액은 수세액에서의 계면활성제 함량이 2~7%인 것을 사용하는 것이 알지네이트섬유의 물성을 저하시키지 않으면서 엔도톡신의 효과적인 저감효과를 이룰 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에 의해서 알지네이트 섬유에 함유된 엔도톡신량이 1~1,000(EU/g)인 알지네이트 섬유가 제공된다. 상기 엔도톡신량정도는 인체나 동물의 피부에 직접 접촉하는 용도로 사용할 경우에도 부작용을 일으키지 않게 된다. 또한, 본 발명에서는 상기 알지네이트 섬유를 컷팅하여 단섬유를 만들어 오프닝, 카딩, 래핑, 니들링을 거쳐 제조된 부직포가 제공될 수 있다.

그러므로 본 발명에 의하여 알지네이트 섬유에 존재하는 엔도톡신을 획기적으로 저감시킴으로써 알지네이트 섬유의 용도를 인체에 직접 적용할 수 있는 드레싱용품등에 응용범위를 확대할 수 있으며 유기용제등의 처리에 따른 환경오염문제를 극복하면서도 반응시간을 단축시킬 뿐만 아니라 높은 수율로 알지네이트 섬유를 제조할 수 있게 되었다.

이하 다음의 실시 예에서는 본 발명의 알지네이트 섬유의 제조방법에 대한 비한정적인 예시를 하고 있다.

[실시예 1]

4% 알긴산 나트륨 원료를 물에 용해시켜 알긴산 나트륨 용액(도프)을 만든 후 중성상태를 유지하면서 기포를 제거하여 도프조에 넣어 직경이 0.1 ㎜이고 구멍수가 6,000개인 노즐을 통해 3.5데니어가 되도록 기어펌프로 토출량을 조절하면서 습식방사를 하였다. 이때 연신비 1.1로 고정하였고 권취속도는 10m/분으로 하였다. 응고욕은 1M 염화칼슘용액을 사용하였다. 이후 알지네이트 섬유를 비이온성 계면활성제인 Triton X-100 5% 수용액에서 수세를 하여 미반응염을 제거한 후 파장 0.9㎛인 근적외선을 10분 동안 조사하여 알지네이트 섬유를 건조시켰다.

상기 제조된 알지네이트 섬유를 인치당 12개의 크림프가 들어가도록 한 후평균길이 51㎜로 컷팅하여 단섬유를 제조하였다. 컷팅된 상기 단섬유를 사용하여 오프닝, 카딩, 래핑, 니들링을 거쳐 단위면적당 중량이 140g이 되도록 조절하여 부직포를 제조하였다.

[비교예 1]

상기 실시예 1의 공정 중 파장 0.9㎛인 근적외선을 조사하여 건조하는 공정 대신에 24시간동안 상온에서 건조하여 알지네이트 섬유를 제조한 후 동일한 공정으로 부직포를 제조하였다.

[실험례 1]

상기 실시예 1 및 비교예 1의 부직포의 엔도톡신함유량을 측정하여 다음 표 1에 나타내었다. 시험방법은 대한약전 일반시험법내의 엔도톡신시험법 및 FDA Guideline "Validation of the Limulus Amebocyte Lysate Test as an End-product Endotoxin Test for Human and Animal Parential Drugs, Biological Product and Medical Devices, issued December 1987"에 준하여 수행하였다.

구분	DATA(EU/g)
실시예 1	9.05
비교예 1	11,300

[실험례 2]

상기 실시예 1 및 비교예 1의 알지네이트 부직포로 드레싱을 제조하여 창상 치유효과를 비교하였다.

1. 실험방법

● 6주령 SD(스프라기 도우리) rat 사용

● 2cm 지름의 전층 피부 결손(도 1)

● 21일후 창상면 관찰 및 평가

2. 평가방법

● 육안관찰(Gross examination)을 통한 창면 수축정도 비교

● 조직학적(Histology) 관찰을 통한 상처치유 특성 비교

3. 결과

도 2의 육안관찰 결과 受傷후 21일째 왼쪽의 실시예 1의 섬유로 제조된 드레싱의 창상수축 정도는 90%이상인 반면 엔도톡신이 높은 오른쪽의 비교예 1의 섬유로 제조된 드레싱은 70%정도로서 본 발명인 저엔도톡신 알지네이트 섬유로 제조된 드레싱의 치유효과가 우수하였다.

도 3 및 도 4의 조직학적 분석결과(masson's trichrome method) 실시예 1의 섬유로 제조된 드레싱의 경우(도 3) 외곽의 표피형성이 양호하게 진행되었으며 진피층의 콜라겐합성(푸르게 염색된 부분)또한 우수한 것으로 나타났다. 이에 반하여 도 4(비교예 1)의 경우 표피층의 형성이 아직 이루어지지 않았으며 염증반응에 의한 대식세포의 핵(검붉은 점)이 다수 관찰되는 것으로 보아 상처치유가 지연되고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 엔도톡신 함량이 낮을수록 창면의 염증반응을 빨리 끝냄과 동시에 줄여줌으로서 상처치유 시간을 단축시키는 잇점이 있다고 볼 수 있는 것이다.

도 1은 실험례 2의 SD 전층 피부결손(2cm dia) 사진이며,

도 2는 21일 후 창면의 사진이며,

도 3은 실시예 1의 섬유로 제조된 드레싱의 조직학적 분석결과(masson's trichrome method)사진이며,

도 4는 비교예 1의 섬유로 제조된 드레싱의 조직학적 분석결과(masson's trichrome method)사진이다.

Claims (7)

1. 알긴산 나트륨 용액을 방사원액으로 하여 염화칼슘을 포함하는 응고욕에 방사하는 단계,

   상기 응고욕에서 응고된 알지네이트 섬유를 수세하는 단계,

   상기 수세된 알지네이트 섬유를 근적외선으로 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방사단계 이후에 응고욕에서 응고된 알지네이트 섬유를 수세하는 단계에서 수세액은 계면활성제를 함유한 수세액을 사용하는 것을 특징으로 하는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 계면활성제를 함유한 수세액은 수세액에서의 계면활성제 함량이 2~7%인 것을 특징으로 하는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 근적외선은 파장범위가 0.75～3㎛인 것을 특징으로 하는 엔도톡신함량이 낮은 알지네이트 섬유의 제조방법.
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