KR102115167B1 - Mechanically improved collagen/chitin nanofibers membrane and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a nanofiber membrane manufactured by an electrospinning process from an electrospinning solution containing collagen and chitin, and a nanofiber membrane manufactured therefrom. The present invention provides the nanofiber membrane obtained by an electrospinning process from an electrospinning solution in which collagen and chitin are dissolved together. The nanofiber membrane of the present invention not only increases mechanical properties such as toughness, tensile strength and Young′s modulus by new combination of collagen and chitin, but also has excellent biocompatibility like collagen.

Description

강도가 증가된 콜라겐/키틴 나노섬유 멤브레인 및 이의 제조 방법 {MECHANICALLY IMPROVED COLLAGEN/CHITIN NANOFIBERS MEMBRANE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}A collagen / chitin nanofiber membrane with increased strength and a method for manufacturing the same {MECHANICALLY IMPROVED COLLAGEN / CHITIN NANOFIBERS MEMBRANE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 콜라겐과 키틴을 포함하는 나노섬유 멤브레인의 제조방법 및 이를 통해 제조되는 나노섬유 멤브레인에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanofiber membrane comprising collagen and chitin and a nanofiber membrane produced therefrom.

콜라겐은 인간 및 동물의 생체를 보호하고 지지하는 조직의 주요한 성분인 경단백질의 일종으로 동물의 뼈, 피부, 장기, 연골, 머리카락 등에 분포하고 있으며 척추동물이 가지고 있는 단백질의 약 3분의 1이 콜라겐으로 구성되어 있다. 콜라겐은 글라이신, 프롤린, 하이드록시프롤린으로 주로 구성되어 있으며 이들로 구성된 세개의 폴리펩타이드 사슬이 꼬여 있는 삼중의 나선형 구조를 가지고 있다.Collagen is a type of light protein that is a major component of tissues that protect and support human and animal organisms. It is distributed in animal bones, skin, organs, cartilage, hair, etc. It is composed of collagen. Collagen is mainly composed of glycine, proline, and hydroxyproline, and has a triple spiral structure in which three polypeptide chains composed of them are twisted.

특히 콜라겐은 치주조직 재생술에서 특정 종류의 세포 유입을 차단하거나 특정 위치에 제한할 수 있는 기능을 가진 생체분해성 차폐막으로 사용된다. 여타 비 흡수성 차폐막과 다르게, 콜라겐으로 구성된 차폐막은 생체내 흡수 및 분해능력이 뛰어나 2차 수술이 필요없는 간편한 술식 덕분에 최근 멤브레인 시장의 대부분을 차지하고 있다. 그러나 콜라겐은 기계적인 물성이 좋지 못하여 지지체의 역할이 부족하고 흡수 능력이 뛰어나 예상보다 빠른 분해속도 때문에 차폐막으로의 기능에 단점 또한 가지고 있다.In particular, collagen is used as a biodegradable shielding membrane with the ability to block certain types of cell inflow or limit it to a specific location in periodontal tissue regeneration. Unlike other non-absorbent masks, the shields made of collagen have excellent absorption and decomposition ability in vivo, and occupy most of the membrane market in recent years thanks to the simple procedure that does not require secondary surgery. However, collagen has poor mechanical properties, so it lacks the role of a support and has excellent absorption ability, so it has a disadvantage in its function as a shielding film due to its faster decomposition rate than expected.

키틴과 키토산으로 대표되는 글루코사민 당류는 새우, 게 등의 절지동물의 외골격을 이루는 성분으로 지구에 존재하는 당류 중 셀룰로오스 다음으로 풍부하다. 키틴은 무수한 N-아세틸-D-글루코사민 단위체로 이루어진 다당류 물질이며, 키토산은 키틴에서 무수한 탈아세틸화가 진행된 단위체로 이루어진 다당류 물질이다.Glucosamine saccharides, represented by chitin and chitosan, are the components that make up the exoskeleton of arthropods such as shrimp and crabs, and are richer after cellulose among saccharides present on the earth. Chitin is a polysaccharide substance composed of countless N-acetyl-D-glucosamine units, and chitosan is a polysaccharide substance composed of countless deacetylation-produced units in chitin.

키틴과 키토산은 생체적합성이 뛰어난 천연 성분으로 화상치료제, 봉합사, 인공막, 의약 전달 등의 의료분야뿐만 아니라 화장품, 플라스틱, 섬유 등의 공업분야 등 다양한 분야에서 활용가치가 높은 특징을 가지고 있다. 또한 키틴과 키토산은 합성고분자와 다르게 생체내에 서서히 흡수되는 성질을 가지고 있는 동시에 기계적 특성이 우수한 장점을 가지고 있다. 때문에 보다 약한 기계적 물성을 가진 다양한 기능성 물질들과 혼용하여 사용하면 서로의 단점을 보완하는 효과를 나타낼 수 있다.Chitin and chitosan are natural ingredients with excellent biocompatibility, and have high utility value in various fields such as burn, medicine, suture, artificial membrane, medicine delivery, as well as industrial fields such as cosmetics, plastics, and textiles. In addition, chitin and chitosan, unlike synthetic polymers, have the property of being slowly absorbed in vivo and have excellent mechanical properties. Therefore, when used in combination with various functional materials having weaker mechanical properties, it can exhibit the effect of compensating each other's shortcomings.

키틴의 종류는 분자 간 결합 구조에 따라서 알파(α)-키틴, 베타(β)-키틴, 감마(γ)-키틴으로 분류된다. α-키틴은 갑각류의 껍질에 주로 분포하며 지구상에 존재하는 모든 키틴질의 약 2/3를 차지한다. α-키틴은 분자간의 사슬구조가 역평형 구조로 서로 어긋나게 배열되어 있어 물리적 성질이 매우 단단한 특징을 가진다. β-키틴은 주로 해양 연체동물에 존재하며 분자간의 사슬구조가 평형한 구조로 α-키틴보다 느슨하여 유도체 형성이 용이하고 반응성이 좋아 가용성이 뛰어나다. 감마-구조는 알파-키틴과 베타-키틴의 배열이 혼합되어 있는 구조로, 주로 곤충류의 갑각을 구성하고 있다.The types of chitin are classified into alpha (α) -chitin, beta (β) -chitin, and gamma (γ) -chitin according to the intermolecular bond structure. α- Chitin is mainly distributed in the shells of crustaceans and accounts for about 2/3 of all chitins present on the earth. α-chitin has an extremely hard physical property because the intermolecular chain structures are arranged in an inverse equilibrium structure. β-chitin is mainly present in marine mollusks and has a structure in which the intermolecular chain structure is balanced, so it is looser than α-chitin, so it is easy to form derivatives and has good reactivity, so it is highly available. The gamma-structure is a structure in which the arrangement of alpha-chitin and beta-chitin is mixed, and mainly constitutes the carapace of insects.

벌크(bulk)재료와는 다르게 나노단위의 구조를 가진 재료는 물리적, 화학적으로 다른 독특한 구조를 가지고 있어 최근 학문적인 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 나노재료를 제조하기 위한 방법으로 전기방사 기술은 효율적이고 경제적인 방법으로 널리 이용되고 있다. 기능성 재료들과 혼합된 고분자 나노섬유 등 여러가지 복합체들을 쉽게 제조할 수 있어 화학, 의학, 전자소재 등의 응용분야에서 다양하게 연구하고 있다.Unlike bulk materials, nano-structured materials have unique structures that are physically and chemically different, and recently, academic research has been actively conducted. Electrospinning technology is widely used as an efficient and economical method for manufacturing such nanomaterials. Since various complexes such as polymer nanofibers mixed with functional materials can be easily manufactured, various studies are being conducted in applications such as chemistry, medicine, and electronic materials.

키틴은 서로간의 강한 인력을 가진 구조때문에 전기방사에 어려움이 있어 그간의 기술들은 용해를 원활히 시키기 위하여 키틴의 분자량을 떨어뜨리거나, 값이 비싼 이온성 액체를 사용해 왔다. 따라서 경제적이고 간편한 방법으로 키틴을 활용하는 전기방사는 나노섬유 시장에서 높은 우선순위의 경쟁력을 가질 수 있다.Chitin is difficult to electrospin because of the structure with strong attraction between each other, so the techniques have lowered the molecular weight of chitin or used an expensive ionic liquid to facilitate dissolution. Therefore, electrospinning that utilizes chitin in an economical and convenient way can have a high priority competitiveness in the nanofiber market.

기존의 기술 및 발명들에서는 고분자량의 키틴을 용해하기 위한 방법으로서 이온성 액체(ionic liquids, ILs)를 용매로 이용하거나 방사선 등의 에너지를 가하여 분자량을 낮춘 후 극성 용매에 용해하는 방법들을 사용하였다. 그러나 이온성 액체는 값이 매우 비싸며 분자량을 낮추는 경우 키틴의 좋은 기계적 물성을 기대하는데 한계가 있기 때문에 적절한 극성 용매를 사용하여 고분자량의 키틴을 전기방사 하는 것이 본 발명의 특징이다.In the existing technologies and inventions, ionic liquids (ILs) are used as a solvent for dissolving high molecular weight chitin, or methods of dissolving in polar solvents after lowering the molecular weight by applying energy such as radiation are used. . However, since the ionic liquid is very expensive and has a limitation in expecting good mechanical properties of chitin when lowering the molecular weight, it is a feature of the present invention to electrospin high molecular weight chitin using an appropriate polar solvent.

Jamil A. Matthews et al, Biomacromolecules, Vol. 3, 232-238, 2002  Jamil A. Matthews et al, Biomacromolecules, Vol. 3, 232-238, 2002

이에 본 발명의 발명자들은 콜라겐을 기반으로 한 생체분해성 차폐막을 개발하던 중, 콜라겐과 키틴을 첨가하는 경우에 콜라겐과 키틴 간의 새로운 상호작용으로 인하여 우수한 기계적인 물성이 나타나는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention completed the present invention by confirming that excellent mechanical properties appear due to a new interaction between collagen and chitin when collagen and chitin are added while developing a biodegradable shield based on collagen. .

본 발명은 콜라겐 및 키틴 기반의 나노섬유 멤브레인의 제조방법 및 콜라겐 및 키틴 기반의 나노섬유 멤브레인을 제공하는 것을 목표로 한다.The present invention aims to provide a method for producing a nanofiber membrane based on collagen and chitin and a nanofiber membrane based on collagen and chitin.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양태로서As one aspect of the present invention for achieving the above object

(1) HFIP(Hexafluoro-2-propanol) 및 TFA(Trifluoroacetic acid)의 혼합용매에 콜라겐 및 키틴을 첨가하여 전기방사 용액을 제조하는 단계;(1) preparing a electrospinning solution by adding collagen and chitin to a mixed solvent of HFIP (Hexafluoro-2-propanol) and TFA (Trifluoroacetic acid);

(2) 전기방사 공정을 통해 상기 전기방사 용액으로부터 나노섬유 멤브레인을 제조하는 단계; 및(2) preparing a nanofiber membrane from the electrospinning solution through an electrospinning process; And

(3) 상기 제조된 나노섬유 멤브레인으로부터 잔여 용매를 제거하는 단계;(3) removing residual solvent from the prepared nanofiber membrane;

를 포함하는 나노섬유 멤브레인 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a nanofiber membrane comprising a.

본 발명에 사용되는 전기방사 공정은 용액 또는 고형의 고분자를 고전압의 정전기적 인력을 이용해 순간적으로 섬유 형태로 방사하여 수에서 수백 나노미터 단위의 직경을 갖는 섬유를 얻을 수 있는 공정이다. 본 발명의 나노섬유는 기존 방사 방법들과 비교하여 매우 작은 직경을 가지고 있기 때문에 기존 섬유에 비하여 큰 표면적을 가지게 되어 표면에서 일어나는 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.The electrospinning process used in the present invention is a process in which a polymer having a diameter of hundreds to hundreds of nanometers is obtained by instantaneously spinning a solution or a solid polymer in the form of a fiber using high-voltage electrostatic attraction. Since the nanofiber of the present invention has a very small diameter compared to conventional spinning methods, it has an advantage of maximizing the effect occurring on the surface because it has a larger surface area than the existing fiber.

본 발명에서 제조한 나노섬유에 포함된 콜라겐 및 키틴은 전기방사 용액으로 제조되어 전기방사하는 과정에서 수소 결합과 소수성 상호작용을 형성하여 새로운 구조를 이룬다.The collagen and chitin contained in the nanofibers prepared in the present invention are made of an electrospinning solution to form hydrogen bonds and hydrophobic interactions during electrospinning to form a new structure.

콜라겐은 동물이나 인간의 연골이나 장기에서 추출할 수 있으며 산, 알칼리 또는 염 등의 화학물질을 사용하여 추출하거나 초음파 등의 물리적 방법을 사용하여 추출하는 것을 포함한다.Collagen can be extracted from animal or human cartilage or organs and includes extraction using chemicals such as acids, alkalis or salts, or extraction using physical methods such as ultrasound.

본 발명의 일 구체예에서, (1) 단계의 전기방사 용액을 제조하는 단계는 혼합용매에 α-키틴 또는 β-키틴을 첨가하여 10 내지 30시간 용해시키고, 콜라겐을 첨가하여 5 내지 20시간 용해시키는 것이며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, α-키틴 또는 β-키틴을 첨가하여 약 24시간 용해시키고, 콜라겐을 첨가하여 약 12시간 용해시키는 것이다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 용해에 필요한 적절한 순서와 용해 시간이 자유롭게 선택될 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the step of preparing the electrospinning solution of step (1), α-chitin or β-chitin is added to the mixed solvent to dissolve for 10 to 30 hours, and collagen is added to dissolve for 5 to 20 hours. According to a specific embodiment of the present invention, α-chitin or β-chitin is added to dissolve for about 24 hours, and collagen is added to dissolve for about 12 hours. However, the present invention is not limited thereto, and an appropriate order and dissolution time required for dissolution can be freely selected.

본 발명의 일 구체예에서, (1) 단계의 혼합 용매는 HFIP와 TFA 중량비가 7:3 내지 9:1이며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 약 8.5:1.5이다. 해당 비율을 벗어나는 경우 α-키틴은 용매에 용해되지 않을 수 있다. 구체적으로 α-키틴의 경우, β-키틴보다 강한 수소결합을 서로 하고 있어 용매에 녹이기 더 어렵기 때문에, β-키틴은 해당 비율을 벗어나더라도 용매에 용해될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the mixed solvent of step (1) has an HFIP and TFA weight ratio of 7: 3 to 9: 1, and according to a specific embodiment of the present invention, is about 8.5: 1.5. If outside this ratio, α-chitin may not be soluble in the solvent. Specifically, in the case of α-chitin, since it is more difficult to dissolve in a solvent because it has a stronger hydrogen bond than each other, β-chitin can be dissolved in a solvent even if it exceeds the corresponding ratio.

본 발명의 일 구체예에서, (1) 단계의 전기방사 용액은 콜라겐 및 키틴을 10:1 내지 15:1의 중량비로 포함하며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 콜라겐 및 키틴을 약 13:1의 중량비로 포함한다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 나노섬유 멤브레인의 물성을 조절하기 위해 요구되는 적절한 중량비가 선택될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrospinning solution of step (1) comprises collagen and chitin in a weight ratio of 10: 1 to 15: 1, according to a specific embodiment of the present invention, collagen and chitin are about 13: It is included in a weight ratio of 1. However, it is not limited thereto, and an appropriate weight ratio required to control the properties of the nanofiber membrane may be selected.

본 발명의 일 구체예에서, (2) 단계의 전기방사 공정은 전기방사 용액을 주입하는 바늘에 30 내지 35kV의 전압이 인가된다. 전압이 30kV 미만인 경우에는 용액의 표면장력이 인가되는 전압보다 강하여 방사가 이루어지지 못하는 문제점이 발생할 수 있으며 35kV 초과인 경우에는 스프레이 형태로 용액이 방사되어 섬유가 형성되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the electrospinning process of step (2), a voltage of 30 to 35 kV is applied to the needle injecting the electrospinning solution. When the voltage is less than 30kV, the surface tension of the solution may be stronger than the applied voltage, resulting in a problem that radiation cannot be made, and when the voltage is more than 35kV, a solution may be spun in the form of a spray and fibers may not be formed.

본 발명의 일 구체예에서, (2) 단계의 전기방사 공정은 전기방사 용액의 공급속도가 0.15 내지 0.25ml/h이며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 공급속도는 약 0.25ml/h이다. 제조된 전기방사 용액의 공급속도가 증가할수록 나노섬유 멤브레인의 생산성이 증가한다. 0.25ml/h를 초과하는 경우는 섬유가 형성되기 전에 용액끼리 뭉치는 현상이 발생하여 방울로 떨어질 수 있어 제조되는 나노섬유 멤브레인에 손상을 가할 수 있기 때문에 적합하지 않다. In one embodiment of the present invention, in the electrospinning process of step (2), the feed rate of the electrospinning solution is 0.15 to 0.25 ml / h, and according to a specific embodiment of the present invention, the feed rate is about 0.25 ml / h. . As the supply speed of the prepared electrospinning solution increases, the productivity of the nanofiber membrane increases. If it exceeds 0.25ml / h, it is not suitable because the solution may be agglomerated before the fibers are formed, which may fall into droplets and damage the nanofiber membrane being manufactured.

본 발명의 일 구체예에서, (2) 단계의 전기방사 공정은 60 내지 240분간 수행될 수 있으며, 바람직하게는 60 내지 120분간 수행될 수 있으며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 전기방사 공정은 약 90분간 수행될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 전기방사 공정에 사용되는 용매 또는 용액의 용량이나 농도에 적절한 시간이 선택될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrospinning process of step (2) may be performed for 60 to 240 minutes, preferably 60 to 120 minutes, and according to a specific embodiment of the present invention, the electrospinning process May be performed for about 90 minutes, but is not limited thereto, and an appropriate time may be selected for the capacity or concentration of the solvent or solution used in the electrospinning process.

본 발명의 일 구체예에서, (3) 단계의 잔여 용매를 제거하는 단계는 멤브레인에 가온하여 용매를 증발시켜 건조시키는 것이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 용매를 증발시키는 데에 사용될 수 있는 다양한 방법이 사용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the step of removing the residual solvent in step (3) may be used by heating the membrane to evaporate the solvent to dry, but is not limited thereto, and may be used to evaporate the solvent. Various methods can be used.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태는 상기 제조방법 중 어느 하나의 제조방법으로 제조된 나노섬유 멤브레인이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object is a nanofiber membrane manufactured by any one of the above manufacturing methods.

상기 나노섬유 멤브레인의 강인도는 100 내지 400 KJ/m3이며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 약 100 내지 350 KJ/m3이나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.The nanofiber membrane has a toughness of 100 to 400 KJ / m 3 , and according to a specific embodiment of the present invention, is about 100 to 350 KJ / m 3, but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 강인도(Toughness)는 시료가 연신에 따라 유연하게 변화하다가 시료가 완전히 끊어지기 직전까지 시료가 에너지를 흡수하는 능력을 의미하며 kJ/m3의 단위를 가진다.Toughness of the present invention refers to the ability of a sample to flexibly change with stretching, and the ability of the sample to absorb energy until the sample is completely cut off, and has a unit of kJ / m 3 .

상기 나노섬유 멤브레인의 인장강도는 0.5 내지 1.5 MPa이며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 약 0.5 내지 1.1 MPa이나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.The tensile strength of the nanofiber membrane is 0.5 to 1.5 MPa, according to a specific embodiment of the present invention, about 0.5 to 1.1 MPa, but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 인장 강도(Tensile strength, Pa)는 잡아당기는 힘을 단면적으로 나눈 값으로 N/m2의 단위를 가지고, 연신률(Strain, %)은 연신된 길이를 처음길이로 나누어 100을 곱하여 %로 나타내어 늘어난 비율을 의미한다.Tensile strength (Pa) of the present invention is a value obtained by dividing the pulling force by a cross-section, and has a unit of N / m 2 , and the elongation (Strain,%) is divided by the first length divided by the first length and multiplied by 100 to%. It indicates the increased ratio.

상기 나노섬유 멤브레인의 영률은 10 내지 30 MPa이며, 본 발명의 구체적 실시 양태에 따르면, 약 15 내지 25 MPa이나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.The Young's modulus of the nanofiber membrane is 10 to 30 MPa, and according to a specific embodiment of the present invention, about 15 to 25 MPa, but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 영률(Young’s modulus)은 시료에서 나타나는 변형과 압력 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수로서 변형에 필요한 힘(인장 강도)의 변화값을 변형도의 변화값으로 나누어 준 값으로 단위는 인장 강도와 동일하다.The Young's modulus of the present invention is a modulus of elasticity representing the relationship between strain and pressure that appears in a sample. It is a value obtained by dividing the change value of the force (tensile strength) required for deformation by the change value of the strain, and the unit is tensile strength same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양태는 HFIP(Hexafluoro-2-propanol) 및 TFA(Trifluoroacetic acid)의 혼합용매, 콜라겐 및 키틴을 포함하는 전기방사 용액으로부터 형성되는 것인 나노섬유 멤브레인이다.Another aspect of the present invention for achieving the above object is a nanofiber membrane that is formed from an electrospinning solution comprising a mixed solvent of Hexafluoro-2-propanol (HFIP) and Trifluoroacetic acid (TFA), collagen and chitin.

중복되는 내용은 본 명세서의 복잡성을 고려하여 생락하며, 본 명세서에서 달리 정의되지 않은 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 의미를 갖는 것이다.The overlapping contents are omitted in consideration of the complexity of the present specification, and terms that are not otherwise defined herein have meanings commonly used in the technical field to which the present invention pertains.

본 발명에서는 전기방사 공정으로 콜라겐과 키틴 기반의 나노섬유 멤브레인을 제조함으로써 콜라겐과 키틴 간의 새로운 상호작용으로 의한 강인도, 인장강도 및 영률 등과 같은 기계적 물성이 향상되었음을 확인하여 기존의 차폐막이 가지는 단점을 개선하였다.In the present invention, by manufacturing a nanofiber membrane based on collagen and chitin by an electrospinning process, it is confirmed that mechanical properties such as toughness, tensile strength and Young's modulus are improved due to new interaction between collagen and chitin, and thus the disadvantages of the existing shielding film Improved.

본 발명의 제조방법으로 제조된 콜라겐/키틴 나노섬유 멤브레인은 전기방사법으로 제조된 콜라겐 단독 멤브레인과 비교하여 우수한 생체적합성을 유지하는 동시에 기계적 물성이 우수하게 개선되어 생체 소재로 이용 시 치주조직 재생술에 이용되는 골유도 재생술식(Guided bone Regeneration, GBR) 멤브레인 등에 유용하게 이용할 수 있다. The collagen / chitin nanofiber membrane prepared by the manufacturing method of the present invention maintains excellent biocompatibility as compared to the collagen-only membrane prepared by electrospinning, and has excellent mechanical properties and is used for periodontal tissue regeneration when used as a biomaterial. It can be usefully used as a guided bone regeneration (GBR) membrane.

도 1은 분자량 10만 이상의 고순도 α-키틴(Sigma Aldrich, C9752-1G)을 다양한 비율의 HFIP(Hexafluoro-2-propanol) 및 TFA(Trifluoroacetic acid)의 혼합용매에 용해하는 실험을 실시한 결과를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 실시예 2의 방법으로 콜라겐을 단독으로 전기방사하여 얻은 콜라겐 나노섬유의 전자주사현미경 이미지이며, (b)는 본 발명의 실시예 2의 방법으로 콜라겐과 α-키틴을 혼합한 전기방사 용액을 전기방사하여 얻은 콜라겐/α-키틴 나노섬유의 전자주사현미경 이미지이며, (c)는 본 발명의 실시예 2의 방법으로 콜라겐과 β-키틴을 혼합한 전기방사 용액을 전기방사하여 얻은 콜라겐/β-키틴 나노섬유의 전자주사현미경 이미지이다.
도 3의 (a), (e) 및 (f)는 각각 콜라겐 원재료, α-키틴 원재료 및 β-키틴 원재료를 시차주사열량법으로 온도별 열량변화를 측정한 것이며 (b), (c) 및 (d)는 각각 본 발명의 제조방법으로 제조된 콜라겐, 콜라겐/α-키틴 및 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인을 시차주사열량법으로 온도별 열량변화를 측정한 것이다.
도 4의 본 발명의 나노섬유 멤브레인의 기계적 강도를 측정한 것으로 (a)는 공칭응력(힘)-연신률 대표도, (b)는 강인도, (c)는 인장강도, (d)는 영률을 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows the results of experiments in which high-purity α-chitin (Sigma Aldrich, C9752-1G) having a molecular weight of 100,000 or more is dissolved in a mixed solvent of Hexafluoro-2-propanol (HFIP) and Trifluoroacetic acid (TFA) in various ratios. .
Figure 2 (a) is an electron scanning microscope image of collagen nanofibers obtained by electrospinning collagen alone by the method of Example 2 of the present invention, (b) is collagen and α by the method of Example 2 of the present invention -Electron scanning microscopic image of collagen / α-chitin nanofibers obtained by electrospinning an electrospinning solution of chitin, and (c) is an electrospinning mixture of collagen and β-chitin by the method of Example 2 of the present invention This is an electron scanning microscope image of collagen / β-chitin nanofibers obtained by electrospinning a solution.
3 (a), (e), and (f) are collagen raw materials, α- chitin raw materials, and β- chitin raw materials, respectively. Differential Scanning Calorimetry measures the change in calories by temperature (b), (c), and (d) is a collagen, collagen / α-chitin, and collagen / β-chitin nanofiber membranes prepared by the manufacturing method of the present invention, respectively, by measuring the change in calories by temperature by differential scanning calorimetry.
The mechanical strength of the nanofiber membrane of the present invention of FIG. 4 is measured (a) is a nominal stress (force) -elongation representative diagram, (b) is toughness, (c) is tensile strength, and (d) is Young's modulus. It is shown.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments are provided to help understanding of the present invention. However, the following examples are only provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.

실시예 1. 콜라겐/키틴 전기방사 용액 제조Example 1. Preparation of collagen / chitin electrospinning solution

도 1에서 나타낸 바와 같이 시판되는 분자량 10만 이상의 일반 α-키틴을 다양한 비율의 HFIP(Hexafluoro-2-propanol)와 TFA(Trifluoroacetic acid)의 혼합용액에 용해시켰을 경우 특정 비율(HFIP:TFA=7:3, 8:2, 9:1)에서만 α-키틴이 완전히 용해되었음을 알 수 있다. α-키틴의 경우, β-키틴보다 강한 수소결합을 서로 하고 있어서 용매에 녹이기 더 어렵기 때문에, α-키틴을 기준으로 극성 용매의 비율을 확인하였다. β-키틴은 α-키틴과 비교하여 우수한 용해능력이 있어 동일한 조건의 특정 비율에서 용해를 진행하였다.As shown in FIG. 1, when a commercially available general α- chitin having a molecular weight of 100,000 or more is dissolved in a mixed solution of various ratios of Hexafluoro-2-propanol (HFIP) and Trifluoroacetic acid (TFA), a specific ratio (HFIP: TFA = 7: 3, 8: 2, 9: 1) it can be seen that α- chitin was completely dissolved. In the case of α-chitin, since it is more difficult to dissolve in a solvent because it has a stronger hydrogen bond than that of β-chitin, the ratio of polar solvents was confirmed based on α-chitin. β-chitin has superior solubility compared to α-chitin, and thus dissolution proceeds at a specific ratio under the same conditions.

콜라겐 키틴 나노섬유 기반 멤브레인 제조를 위하여 먼저 2ml의 HFIP:TFA (8.5:1.5)의 중량비를 갖는 혼합용매에 α-키틴을 0.02g 첨가한 1% (w/v)의 용액과 β-키틴을 0.02g을 첨가한 1% (w/v)의 용액을 제조하여 24시간 동안 용해시켰다. 이후 두 용액에 콜라겐을 0.26g 첨가하고 12시간 용해시켜 콜라겐을 13% (w/v)의 중량비가 되도록 제조하여 콜라겐:키틴의 중량비가 13:1이 되도록 하였다. 키틴이 첨가되지 않은 콜라겐 대조군으로 2ml의 HFIP:TFA(8.5:1.5) 혼합용매에 콜라겐을 0.28g 첨가하여 콜라겐을 14% (w/v)의 중량비가 되도록 제조하였다.For the production of collagen chitin nanofiber-based membrane, 1% (w / v) solution and β- chitin of 0.02 g of α-chitin added to a mixed solvent having a weight ratio of 2 ml of HFIP: TFA (8.5: 1.5) are added. A solution of 1% (w / v) added with g was prepared and dissolved for 24 hours. Then, 0.26 g of collagen was added to both solutions and dissolved for 12 hours to prepare collagen to have a weight ratio of 13% (w / v) so that the weight ratio of collagen: chitin was 13: 1. As a collagen control to which chitin was not added, 0.28 g of collagen was added to a mixed solvent of 2 ml of HFIP: TFA (8.5: 1.5) to prepare collagen to have a weight ratio of 14% (w / v).

실시예 2. 콜라겐/키틴 기반의 나노섬유 멤브레인 제조Example 2. Preparation of collagen / chitin based nanofiber membrane

전기방사를 하기 위하여 내부 지름이 4.24mm인 26-게이지의 스테인레스 스틸 바늘이 있는 시린지(syringe) 내로 상기 전기방사 용액을 주입하였다. 이 때, 30-35kV의 전압이 바늘에 인가되는 것을 특징으로 한다. 용액의 공급속도는 0.25ml/h로 조절하였다. 멤브레인 제조를 위하여 전기방사 공정에 90분이 소요되었다.For electrospinning, the electrospinning solution was injected into a syringe with a 26-gauge stainless steel needle with an inner diameter of 4.24 mm. At this time, a voltage of 30-35 kV is applied to the needle. The feed rate of the solution was adjusted to 0.25 ml / h. The electrospinning process took 90 minutes to prepare the membrane.

전기방사된 나노섬유 멤브레인은 특수 제조된 금속 블록의 상단 표면 위에 균일하게 형성되었다. 나노섬유로 구성된 멤브레인을 금속 블록에서 조심스럽게 분리하여 40도의 오븐에서 잔여하고 있는 용매를 증발시켜 제거하였다. The electrospun nanofiber membrane was uniformly formed on the top surface of a specially manufactured metal block. The membrane composed of nanofibers was carefully separated from the metal block, and the remaining solvent was removed by evaporation in an oven at 40 degrees.

실시예 3. 콜라겐/키틴 나노섬유의 전자주사현미경 관찰Example 3. Electron scanning microscopy observation of collagen / chitin nanofibers

실시예 2에서 제조된 콜라겐 키틴 나노섬유의 형태를 알아보기 위하여 전자주사현미경(SEM)으로 관찰하고 그 결과를 도 2에 도시하였다. In order to find out the shape of the collagen chitin nanofibers prepared in Example 2, they were observed with an electron scanning microscope (SEM) and the results are shown in FIG. 2.

도 2에 나타낸 바와 같이, 방사가 잘못된 형태인 구슬(bead)이 형성되지 않은 균일하며 균질한 직경(콜라겐: 210nm, 콜라겐/α-키틴: 271nm, 콜라겐/β-키틴: 223nm)을 가진 나노섬유를 제조하였음을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 2, nanofibers having a uniform and homogeneous diameter (collagen: 210 nm, collagen / α-chitin: 271 nm, collagen / β-chitin: 223 nm) without formation of beads in the wrong form of spinning It was confirmed that it was prepared.

실시예 4. 시차주사열량법(Differential Scanning Calorimetry, DSC)을 이용한 구조 차이 분석Example 4. Analysis of structural differences using Differential Scanning Calorimetry (DSC)

실시예 2에서 제조된 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 대조군과 다른 분자적 상호작용을 확인하기 위해 상변이화 할 때 필요한 열량변화를 확인하였다. 동일한 조건에서 제조된 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인 및 콜라겐 나노섬유 멤브레인과 용매에 녹이지 않은 원재료 콜라겐, α-키틴, β-키틴과 비교하였다. 도 3에 따르면 β-키틴이 함유된 나노섬유 멤브레인은 콜라겐 나노섬유 멤브레인과 비교하여 보았을 때, 콜라겐의 열적 물성을 그대로 유지하는 것으로 나타나 콜라겐의 구조를 저하시키지 않는 것으로 확인하였다.In order to confirm different molecular interactions with the control group of the collagen / β-chitin nanofiber membrane prepared in Example 2, it was confirmed that the heat change required when phase transformation was performed. Collagen / α-chitin nanofiber membranes prepared under the same conditions and collagen nanofiber membranes and raw material collagen not dissolved in a solvent were compared with α-chitin and β-chitin. According to Figure 3, when compared to the nanofiber membrane containing β- chitin compared to the collagen nanofiber membrane, it was confirmed that the thermal properties of collagen are maintained, and the structure of collagen is not deteriorated.

실시예 5. 기계적 강도 확인Example 5. Confirmation of mechanical strength

실시예 2에서 제조된 콜라겐, 콜라겐/α-키틴 및 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 기계적 강도에 대한 평가를 진행하였다. 시료는 5mm X 20mm 크기로 재단하여 지그(zig)에 잡히는 부분이 상, 하 각각 5mm가 되도록 늘려지는 부분의 길이가 10mm이 되도록 하였다. 기계적 인장 강도를 분석하기 위한 장비는 universal testing machine(UTM, INSTRON)을 사용하였다. 인장속도는 10mm/분으로 조절하였다. The collagen, collagen / α-chitin and collagen / β-chitin nanofiber membranes prepared in Example 2 were evaluated for mechanical strength. The sample was cut to a size of 5 mm X 20 mm so that the length of the portion to be stretched so that the portion caught by the jig was 5 mm above and below each was 10 mm. As a device for analyzing mechanical tensile strength, a universal testing machine (UTM, INSTRON) was used. The tensile speed was adjusted to 10 mm / min.

도 4에서 (a)는 공칭응력(힘)-연신률 대표도, (b)는 강인도, (c)는 인장강도, (d)는 영률을 나타내었다. In FIG. 4, (a) is a nominal stress (force)-elongation representative diagram, (b) is toughness, (c) is tensile strength, (d) is Young's modulus.

본 발명의 실시예 2의 조건에 따라 제조된 콜라겐 멤브레인, 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인 및 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 강인도는 각각 24.9, 123.8, 319.4 KJ/m3이었다. 이를 통해 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 강인도는 콜라겐 나노섬유 멤브레인의 강인도에 비하여 12.83배, 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인의 강인도에 비하여 2.58배 향상되는 것을 알 수 있었다. The strengths of the collagen membrane, collagen / α-chitin nanofiber membrane and collagen / β-chitin nanofiber membrane prepared according to the conditions of Example 2 of the present invention were 24.9, 123.8, and 319.4 KJ / m 3 , respectively. Through this, it was found that the toughness of the collagen / β-chitin nanofiber membrane is 12.83 times higher than that of the collagen nanofiber membrane and 2.58 times higher than that of the collagen / α-chitin nanofiber membrane.

또한, 본 발명의 실시예 2의 조건에 따라 제조된 콜라겐 멤브레인, 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인 및 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 인장강도는 각각 0.097, 0.687, 1.055 MPa이었다. 이를 통해 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 인장강도는 콜라겐 나노섬유 멤브레인의 인장강도에 비하여 10.88배, 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인의 인장강도에 비하여 1.53배 향상되는 것을 알 수 있었다.In addition, the tensile strength of the collagen membrane, collagen / α-chitin nanofiber membrane and collagen / β-chitin nanofiber membrane prepared according to the conditions of Example 2 of the present invention were 0.097, 0.687, and 1.055 MPa, respectively. Through this, it was found that the tensile strength of the collagen / β-chitin nanofiber membrane is 10.88 times higher than that of the collagen nanofiber membrane and 1.53 times higher than the tensile strength of the collagen / α-chitin nanofiber membrane.

또한, 본 발명의 실시예 2의 조건에 따라 제조된 콜라겐 멤브레인, 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인 및 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 영률은 각각 2.69, 17.86, 24.63 MPa이었다. 이를 통해 콜라겐/β-키틴 나노섬유 멤브레인의 영률은 콜라겐 나노섬유 멤브레인의 영률에 비하여 9.16배, 콜라겐/α-키틴 나노섬유 멤브레인의 영률에 비하여 1.38배 향상되는 것을 알 수 있었다. In addition, Young's modulus of the collagen membrane, collagen / α-chitin nanofiber membrane, and collagen / β-chitin nanofiber membrane prepared according to the conditions of Example 2 of the present invention were 2.69, 17.86, and 24.63 MPa, respectively. Through this, it was found that the Young's modulus of the collagen / β-chitin nanofiber membrane is 9.16 times higher than the Young's modulus of the collagen nanofiber membrane, and 1.38 times higher than the Young's modulus of the collagen / α-chitin nanofiber membrane.

상기 결과를 통해, β-키틴을 사용하였을 경우 콜라겐과 β-키틴의 혼합에서 콜라겐과 α-키틴의 혼합에서 나타나지 않은 수소결합과 소수성 상호작용을 형성하여 기계적 강도의 현저한 증가를 불러왔음을 알 수 있었다. From the above results, it can be seen that when β-chitin was used, a combination of collagen and β-chitin formed a hydrogen bond and a hydrophobic interaction that did not appear in the mixture of collagen and α-chitin, resulting in a significant increase in mechanical strength. there was.

이상과 같이 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실험예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The present invention has been described through the examples as described above. Those skilled in the art to which the present invention pertains will appreciate that the present invention may be implemented in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. Therefore, the above-described experimental examples are to be understood as illustrative and non-limiting in all respects. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

Claims (13)

(1) HFIP(Hexafluoro-2-propanol) 및 TFA(Trifluoroacetic acid)의 혼합용매에 콜라겐 및 키틴을 첨가하여 전기방사 용액을 제조하는 단계로서,
상기 (1) 단계는 혼합용매에 α-키틴 또는 β-키틴을 첨가하여 10 내지 30시간 동안 용해시키고, 콜라겐을 첨가하여 5 내지 20시간 동안 용해시키는 것이고,
상기 혼합 용매는 HFIP와 TFA 중량비가 7:3 내지 9:1이고;
(2) 전기 방사 공정을 통해 상기 전기방사 용액으로부터 나노섬유 멤브레인을 제조하는 단계; 및
(3) 상기 제조된 나노섬유 멤브레인으로부터 잔여 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 나노섬유 멤브레인 제조방법.
(1) preparing a electrospinning solution by adding collagen and chitin to a mixed solvent of HFIP (Hexafluoro-2-propanol) and TFA (Trifluoroacetic acid),
Step (1) is to dissolve for 10 to 30 hours by adding α-chitin or β-chitin to the mixed solvent, and for 5 to 20 hours by adding collagen,
The mixed solvent has an HFIP and TFA weight ratio of 7: 3 to 9: 1;
(2) preparing a nanofiber membrane from the electrospinning solution through an electrospinning process; And
(3) removing the residual solvent from the prepared nanofiber membrane; nanofiber membrane manufacturing method comprising a.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
(1) 단계의 전기방사 용액은 콜라겐 및 키틴을 10:1 내지 15:1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 나노섬유 멤브레인 제조방법.
According to claim 1,
The electrospinning solution of step (1) is characterized in that it comprises collagen and chitin in a weight ratio of 10: 1 to 15: 1, wherein the nanofiber membrane manufacturing method.
제1항에 있어서,
(2) 단계의 전기방사 공정은 전기방사 용액을 주입하는 바늘에 30 내지 35kV의 전압이 인가되는 것인 나노섬유 멤브레인 제조방법.
According to claim 1,
The electrospinning process of step (2) is a method of manufacturing a nanofiber membrane, in which a voltage of 30 to 35 kV is applied to a needle injecting an electrospinning solution.
제1항에 있어서,
(2) 단계의 전기방사 공정은 전기방사 용액의 공급속도가 0.15 내지 0.25ml/h인 것인 나노섬유 멤브레인 제조방법.
According to claim 1,
The electrospinning process of step (2) is a nanofiber membrane manufacturing method wherein the supply speed of the electrospinning solution is 0.15 to 0.25 ml / h.
제1항에 있어서,
(2) 단계의 전기방사 공정은 60 내지 240분간 수행되는 것인 나노섬유 멤브레인 제조방법.
According to claim 1,
The electrospinning process of step (2) is performed for 60 to 240 minutes.
제1항에 있어서,
(3) 단계의 잔여 용매를 제거하는 단계는 멤브레인에 가온하여 용매를 증발시켜 건조시키는 것인 나노섬유 멤브레인 제조방법.
According to claim 1,
The step of removing the residual solvent of step (3) is to heat the membrane and evaporate the solvent to dry the nanofiber membrane.
제1항 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 나노섬유 멤브레인.Nanofiber membrane produced by the production method according to any one of claims 1 and 4 to 8. 제9항에 있어서, 강인도가 100 내지 400 KJ/m3인 것인 나노섬유 멤브레인.The nanofiber membrane according to claim 9, wherein the toughness is 100 to 400 KJ / m 3 . 제9항에 있어서, 인장강도가 0.5 내지 1.5 MPa인 것인 나노섬유 멤브레인.The nanofiber membrane of claim 9, wherein the tensile strength is 0.5 to 1.5 MPa. 제9항에 있어서, 영률이 10 내지 30 MPa인 것인 나노섬유 멤브레인.The nanofiber membrane according to claim 9, wherein the Young's modulus is 10 to 30 MPa. HFIP(Hexafluoro-2-propanol) 및 TFA(Trifluoroacetic acid)의 혼합용매, 콜라겐 및 키틴을 포함하는 전기방사 용액으로부터 형성되는 것인 나노섬유 멤브레인으로서,
상기 키틴은 α-키틴 또는 β-키틴이고,
상기 혼합 용매는 HFIP와 TFA 중량비가 7:3 내지 9:1인 것인 나노섬유 멤브레인.
A nanofiber membrane formed from an electrospinning solution comprising a mixed solvent of Hexafluoro-2-propanol (HFIP) and Trifluoroacetic acid (TFA), collagen and chitin,
The chitin is α-chitin or β-chitin,
The mixed solvent is HFIP and TFA nanofiber membrane having a weight ratio of 7: 3 to 9: 1.
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