KR102391943B1 - 변성 셀룰로오스와 히알루론산 함유 피부필러용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변성 셀룰로오스와 히알루론산 함유 피부필러용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀룰로오스를 가공하는 과정에서 특정 조건으로 제조한 특정 물성의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물로 구성된 것으로써, 보습효과는 물론 피부 조직 수복 능력도 우수하므로 피부필러용 조성물 등으로도 유용하고, 특히 수분 보유력(WRV; Water Retention Value)과 저장탄성률 및 손실탄성률 등의 물성이 우수한 새로운 개념의 변성 셀룰로오스와 히알루론산 함유 피부필러용 조성물에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 피부 필러용 조성물은 기존의 히알루론산을 대체하여 안면필러, 피부 미용 증진용 조성물로 사용이 가능하고 다양한 분야에서 우수한 기능의 바이오 소재로 사용이 가능하다.

Description

변성 셀룰로오스와 히알루론산 함유 피부필러용 조성물{Composition for dermal filler containing denatured cellulose and hyaluronic acid}

본 발명은 변성 셀룰로오스와 히알루론산 함유 피부필러용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀룰로오스를 가공하는 과정에서 특정 조건으로 제조한 특정 물성의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물로 구성된 조성물로써, 보습효과는 물론 피부 조직 수복 능력도 우수하므로 피부필러용이나 피부미용증진용 조성물 등으로도 유용하고, 특히 수분 보유력(WRV; Water Retention Value)과 저장탄성률 및 손실탄성률 등의 물성이 우수한 새로운 개념의 변성 셀룰로오스와 히알루론산 함유 피부필러용 조성물에 관한 것이다.

천연목재를 구성하고 있는 섬유 셀룰로오스는 자연 그대로의 상태에서는 사용에 많은 제약이 있다. 그러나 그 크기를 더 작은 크기로 가공하게 되면 셀룰로오스의 비표면적이 크게 증가하게 되며, 그에 따라 새로운 물성을 기대할 수 있다. 연구된 바로는 ITT사의 Rayonier 연구실에서는 우유 가공 장치인 Gaulin형 고압균질기를 이용하여 고온 고압에서 셀룰로오스를 가공하여 겔 형태의 물질로 전환시켰다고 알려져 있다.

상기 실험 이후 셀룰로오스를 나노 크기로 가공하는 기계적 방법은 꾸준히 연구되고 있는데, 그 구동방식에 따라 Masuko Sanyo사의 Supermasscolloider 그라인더 방식, Microfluidics사의 Microfluidizer 방식, Silverson사 등의 고압균질기(high pressure homogenizer) 방식 등이 있다.

이러한 셀룰로오스 가공을 위한 기계적 방법 중에서 그라인더 방식은 상하로 연접한 한 쌍의 디스크 사이로 셀룰로오스를 통과시킴으로써 셀룰로오스 나노피브릴을 만들었고, 고압균질기 방식은 가늘고 꺾어진 관에 셀룰로오스를 매우 큰 압력으로 통과시켜 셀룰로오스 나노피브릴을 만들었기 때문에, 이들 각각의 장치 특성상 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴 특성이 일률적으로 결정되는 것으로 알려져 왔고, 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴 성상은 길이가 길면서 굵기가 얇은 것을 만드는 것이 주요 이슈가 되고 있다.

종래기술 중에서 한국등록특허 제10-1487475호에서는 셀룰로오스 섬유를 포함하는 현탁액을 제공하는 단계, 상기 현탁액 내의 상기 셀룰로오스 섬유를 분쇄, 균질화 및 파쇄하는 복합공정을 수행하는 단계, 상기 현탁액을 탈수함으로써 응집된 고체분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유(nano cellulose fiber)를 획득하는 단계 및 상기 응집된 고체분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 분산시키는 단계를 포함하는 나노 셀룰로오스 섬유의 제조방법을 제안하고 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2015-0110549호에서 하이드록실기의 일부가 카복실기 및 알데하이드기로 치환된 셀룰로오스 나노섬유로서, 최대 섬유경이 1,000nm 이하이고 또한 수평균 섬유경이 2nm 이상 150nm 이하인 미세 셀룰로오스 섬유가 제안되어 있다.

이렇게 제조되는 변성 셀룰로오스는 그 화학구조나 일부 성질이 기존의 화장료 조성으로 널리 사용되는 히알루론산 구조와 유사한 것으로 확인된다,

다음의 화학구조식 1은 전형적인 변성 셀룰로오스의 일종인 카복시메틸셀룰로오스(CMC)의 구조를 나타내고, 화학식 2는 히알루론산의 화학구조식을 나타낸 것이다.

[화학식 1]

[화학식 2]

상기와 같이, 변성 셀룰로오스는 생체 적합성이 우수한 히알루론산과 화학적 구조가 유사하지만 그 물성이 상이하여 히알루론산 대체 원료로 사용하기 어려운 문제가 있다.

그러나 일부에서는 히알루론산과 카르복시메틸셀룰로오스를 혼합한 피부 필러가 제안되어 있다. 그 예로서, 한국특허공개 제10-2017-0117368호에서는 가교결합된 히알루론산(HA), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC), 및 선택적으로 미세입자들, 예컨대 칼슘 하이드록시아파타이트(CaHAP) 미세입자들을 포함하는, 겔 형태의 주사용 피부 필러 조성물에 제안되어 있다.

또한, 미국특허등록 제9371402호에서는 히알루론산과 카르복시메틸셀룰로오스, 그리고 가교제를 함유하는 피부용 필러 구성에 대하여 제안하고 있다.

그 외에도, WO 국제공개특허 제2007-014285호에서는 카르복시메틸 셀룰로오스 (CMC), 폴리 에틸렌 옥사이드 (PEO), 그리고 피부에 관한 충전이 바람직한 사이트에서 스킨에 상기 조성물을 주입하는 필러로서의 사용에 관하여 제안하고 있다.

이와 같이, 종래에 변성 셀룰로오스인 카르복시메틸셀룰로오스를 피부용 필러로 혼합 사용한 사례가 제안되어 있다.

그러나 이러한 카르복시메틸셀룰로오스는 단독성분으로 피부용 필러로 사용하는 것에 관해서는 아직 제안되지 못하고 있으며, 대체적으로 히알루론산과 같은 생체유래 천연 원료에 의존하여 매우 일부 보조적으로 사용되고 있다.

특히, 히알루론산과 같은 천연 원료로 이루어진 피부용 필러는 적용 성분이 매우 제한적이고 가격이 비싸서 널리 이용하기 어려운 문제가 있다.

또한, 기존의 필러는 생분해성 주기가 짧아서 필러의 원료 구성에 따라서 짧게는 6개월 주기나 2 내지 3년 주기로 재사용하여야 하여야 하는 불편함이 있었다,

한국등록특허 제10-1487475호 한국공개특허 제10-2015-0110549호 한국특허공개 제10-2017-0117368호 미국특허등록 제9,371,402호 WO 국제특허공개 제2007-014285호

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기존에 필러로 사용되어 왔던 성분을 보다 경제적인 조성으로 새로이 개발하여 구성한 바이오소재의 개발을 해결과제로 한다.

따라서 본 발명의 목적은 가늘고 짧은 특정 물성의 셀룰로오스 나노피브릴(cellulose nano-fibril ; CNF) 형태의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 유효성분으로 포함하는 피부필러용 조성물을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 새로운 구성의 변성 셀룰로오스인 카복시메틸셀룰로오스(CMC)와 히알루론산의 혼합물를 유효성분으로 함유하고 특정 물성 범위를 가지는 피부필러용 조성물 또는 안면필러를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 특정 물성의 카복시메틸셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 함유하는 피부미용증진용 조성물을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 특정 물성의 카복시메틸셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 함유하는 새로운 바이오 소재를 제공하는데 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 펄프 셀룰로오스로 이루어지고 카르복시메틸기를 치환기로 함유하며, 평균 직경이 3.0~10.0nm이고, 길이가 100~560nm인 셀룰로오스 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 유효성분으로 함유하는 피부필러용 조성물을 제공한다.

본 발명은 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 함유하고, 968G(중력가속도) 조건으로 50분 원심분리 후 수분함량을 측정한 수분 보유력(WRV; Water Retention Value)이 200 내지 500%, 더욱 좋기로는 250-450%인 피부필러용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 바람직한 구현예로서, 0.1Pa의 저 전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 0.1~0.4이고, 25Pa의 고 전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 1.0~5.0인 피부필러용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 바람직한 구현예로서, 상기 변성셀룰로오스는 치환도가 0.3-0.6인 것을 특징으로 하는 피부필러용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 피부필러용 조성물을 포함하는 안면필러를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 물성을 가지는 피부미용증진용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 물성을 가지는 바이오 소재를 제공한다.

본 발명에 따른 변성 셀룰로오스는 보습력이 우수하면서 수분 보유력(Water Retention Value)이 특정 범위이고, 점도, 저장탄성률, 손실탄성률 등이 우수하며 세포독성이 없고 생분해성이 좋아서 피부필러용으로 적용하는 경우 피부 조직수복 효과가 우수한 것으로 확인되었다.

특히, 피부에 필러로 투여하는 경우 히알루론산과 유사한 물성으로 우수한 피부조직의 수복 효과를 가지는 것이므로, 값비싼 히알루론산의 대체 소재로서 널리 활용될 수 있는 효과가 있다.

이러한 물성에 근거하여 본 발명에 따른 나노셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 함유하는 피부 필러용 조성물의 경우 단독의 경우보다 더 우수한 물성의 필러의 특정을 가지는 것으로 확인되어, 기존에 비해 경제적이고 장기간 효과가 유지되는 물성의 조성물로 널리 이용할 수 있는 것으로 확인되었다.

따라서 본 발명의 변성 셀룰로오스와 히알루론산을 혼합하여 구성한 혼합물을 함유하는 피부 필러용 조성물은 안면필러 등에 적용 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 특정 물성을 가지는 변성 셀룰로오스와 히알루론산 혼합물은 순수한 히알루론산을 적용한 필러에 비해 오히려 더 유리한 피부미용 효과가 있으므로, 고가의 히알루론산이 적용되고 있는 피부미용증진용 조성물로 널리 대체하여 매우 경제적으로 사용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 이러한 본 발명의 혼합물은 기존 히알루론산과 단독으로 사용하였던 분야에서 이를 경제적으로 대체하여 사용할 수 있는 바이오 소재로 유용한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 변성 셀룰로오스를 제조하기 위한 방법을 예시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 제조예에서 본 발명에 따라 전처리한 펄프 셀룰로오스를 그라인더에 투입하는 횟수에 따라 달라지는 셀룰로오스 나노피브릴의 물성을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 및 실시예에서 본 발명에 따라 전처리한 펄프 셀룰로오스 또는 이를 그라인더 처리단계를 거쳐 제조된 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스를 고압균질기에 투입하여 제조시 투입 횟수에 따라 달라지는 변성 셀룰로오스 나노피브릴의 물성을 비교한 그래프이다.
도 4는 실험예에서 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스가 제조되는 방식에 따라, 펄프 셀룰로오스의 전처리, 전처리 후 그라인더 처리, 그리고 전처리와 그라인더 처리 및 고압균질기 처리를 모두 실시한 결과에 따른 보습력 평가 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스에 대한 수분 보유력 실험결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스에 대한 0.1Pa의 저 전단응력 조건(도 6a) 및 25Pa의 고 전단응력 조건(도 6b)에서의 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값을 히알루론산과 각각 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7a와 도 7b는 본 발명에 따른 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스의 신장세포(도 7a)와 간세포(도 7b)에 대한 세포독성실험 결과를 히알루론산과 각각 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 새로운 물성을 가지는 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물에 대한 새로운 용도에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 셀룰로오스를 특정 조건으로 제조고 이를 히알루론과 혼합하여 사용하는 경우 보습효과는 물론 피부 조직 수복 능력도 우수하므로 피부필러 등의 피부미용증진용 조성물로 유용한 흡습성을 가지면서, 특히 수분 보유력, 저장탄성률 및 손실탄성률 등에서 우수한 물성을 가진 새로운 바이오 소재에 관한 것이다.

본 발명에서 사용되는 셀룰로오스는 목질계 또는 비목질계 펄프로부터 얻어진 것이 사용될 수 있다. 목질계 펄프라 함은 각종 나무, 나무와 같은 재질을 가지는 식물, 열매, 천연자원 등으로부터 얻어지는 펄프를 모두 포함하는 것을 의미한다. 비목질계라 함은 볏짚, 밀짚, 옥수수대, 수수대, 사탕수수 부산물, 목화씨 종피섬유 등의 농업 부산물, 대나무 등을 의미하고, 예컨대 목화씨를 감싸고 있는 종피섬유인 면 셀룰로오스 등이 비목질계 셀룰로오스로 사용될 수 있다.

본 발명의 변성 셀룰로오스는 더욱 바람직하게는 목질계 펄프로부터 유래된 셀룰로오스로 이루어질 수 있다. 가장 바람직하게는 대나무 펄프 셀룰로오스를 사용한 경우가 바람직하게 적용될 수 있다. 또한, 비목질계로는 목화씨 종피섬유 셀룰로오스가 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 셀룰로오스는 산화 또는 치환된 전처리 과정을 거친 펄프 셀룰로오스가 바람직하게 적용될 수 있다. 이러한 전처리된 펄프 셀룰로오스는 예컨대, 카르복실메틸화, 아민화 또는 TEMPO-산화된 치환기 중 하나이상이 포함된 셀룰로오스일 수 있다.

본 발명에서 변성 셀룰로오스는 바람직하게는 카르복시메틸기가 치환된 변성 셀룰로오스가 바람직하다.

여기서 ‘치환된’이란 셀룰로오스의 말단인 OH기가 카르복시메틸기 등으로 치환된 것을 의미한다,

본 발명에서 치환도는 셀룰로오스의 화학구조에서 말단기 OH기가 카르복시메틸기 등의 치환기로 치환된 정도를 나타내는 것으로서. 전혀 치환되지 않은 경우의 치환도는 0이고, 모든 치환 가능한 말단기 OH기가 모두 치환된 경우를 1로 한다. 그러므로 치환도는 그 치환된 정도에 따라서 0 보다 크고 최대치가 1에서 제한되어 표현될 수 있다.

본 발명에서 수분 보유력(WRV; Water Retention Value)은 변성 셀룰로오스를 968G(중력가속도) 조건으로 50분 원심분리 후 수분함량을 측정한 결과의 값을 100분율로 나타낸 수치를 의미한다.

본 발명에서 저장탄성률은 피부투여 후의 중력에 의한 처짐 현상의 정도를 나타내는 지표로서, 피부투여 후의 조건인 0.1Pa의 저전단응력 조건에서 측정한 저장탄성계수를 의미한다.

또한, 본 발명에서 손실탄성률은 피부투여 전인 주사 시 액체가 흐르려고 하는 성질로서 주사의 용이성 정도를 나타내는 지표로서, 피부투여 전의 주사 시의 조건인 25Pa의 고 전단응력 조건에서 측정한 손실탄성계수를 의미한다.

여기서, 저장탄성계수는 액체가 흐르지 않고 저항하는 고체나 겔의 성질에 관한 계수이고, 손실탄성계수는 액체가 흐르려고 하는 성질에 관한 계수를 의미한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 피부필러용이나 피부미용증진용 조성물은 특정 물성의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 유효성분으로 하여 이루어지며, 이때 사용되는 변성 셀룰로오스는 특히 펄프 셀룰로오스로 이루어지고 카르복시메틸기를 치환기로 함유하며, 평균 직경이 3.0-10.0nm이고, 길이가 100-560nm인 변성 셀룰로오스를 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 변성 셀룰로오스는 셀룰로오스 나노피브릴(CNF)로서, 본질적으로 굵기가 가늘고 길이가 짧은 특성을 가지는 것으로 제조될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 변성 셀룰로오스는 나노피브릴 형태로서, 더욱 바람직하게는 변성 셀룰로오스는 섬유의 평균 직경이 3.5-5.0nm를 가질 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 더욱 바람직하게는 변성 셀룰로오스는 평균 길이 120-500nm를 가질 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 더욱 바람직하게는 변성 셀룰로오스는 평균 길이가 300nm이상인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따르면 이러한 변성 셀룰로오스를 함유하는 조성물은 전형적으로는 하이드로겔 형태로 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 하이드로겔은 물에 변성 셀룰로오스가 혼합되어 있되 고형분이 0.1~10중량%, 더욱 바람직하게는 0.5~5중량%로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 만일 그 고형분 함량이 너무 적으면 너무 묽어서 피부필러용이나 피부미용 증진용 조성물로 사용이 곤란하고, 너무 과량이면 역시 점도가 높아서 그 사용이 어려운 문제가 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 변성 셀룰로오스가 상기와 같은 섬유의 평균 직경과 길이를 가지지 않는 경우 보습력이 현저하게 저하된다. 또한, 평균길이가 너무 작으면 다른 물성이 크게 저하될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 변성 셀룰로오스는 0.1Pa의 저 전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 0.1~0.3이고, 25Pa의 고 전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 1.0~2.0인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 저장탄성률이 600~1,200 Pa이고, 손실탄성률이 150~400Pa인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 가장 좋기로는 카르복시메틸기의 치환도가 0.3-0.6인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 바람직한 구현예로서, 점도가 3,000-10,000 cP인 변성 셀룰로오스를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 피부필러용 조성물은 카르복시메틸기로 치환된 치환기를 함유하는 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물로서, 968G(중력가속도) 조건으로 50분 원심분리 후 수분함량을 측정한 수분 보유력(WRV)이 200 내지 500%, 바람직하게는 250 내지 450%, 더욱 바람직하게는 280 내지 450%인 물성을 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 혼합물은 피부 투여 조건인 0.1Pa의 저 전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값(손실탄성계수/저장탄성계수)이 0.1~0.4, 더욱 바람직하게는 0.1~0.3이고, 25Pa의 고 전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 1.0~5.0, 더욱 바람직하게는 1.5~3.0인 물성을 가지는 피부필러용 조성물을 제공ㅎ할 수 있다. 여기서, 본 발명의 혼합물에 대한 tan δ 값은 저 전단응력 조건에서 0에 가까워서 필러의 장기 유지력이 비교적 우수하다. 또한, 고 전단응력 조건에서는 tan δ 값이 1 보다 커서 피부 주입 전에 액체 상태이므로 주입에 용이한 우수한 물성이 있는 것이다.

이러한 본 발명에 따른 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물의 물성은 히알루론산 단독 사용에 비해 그 물성이 우수하고 세포독성이 없으며, 특히 피부 투여 조건인 저 전단응력에서의 저장탄성률과 손실탄성률이 우수하여 필러로서 매우 적합한 물성을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 변성셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물이 상기와 같은 수분 보유력, 저 전단응력 및 고 전단응력에서의 tan δ 값, 저장탄성률, 손실탄성률 등의 물성이 우수함으로 인해 히알루론산이 단독으로 적용되는 피부 미용증진용 조성물에 대체하여 널리 사용될 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 물성을 가지는 피부필러용 조성물에 대한 피부미용증진용 조성물로서의 용도를 포함한다. 구체적으로는 보습, 주름개선 등의 기능성을 가진 화장료 조성물을 포함한다.

특히, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 피부필러용 조성물은 치환도가 0.3-0.6인 변성 셀룰로오스와 히알루론산응ㄹ 혼합한 혼합물이 바람직하다. 만일 치환도가 이 범위를 벗어나면 그 물성이 현저하게 저하된다.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 피부필러용 조성물은 치환도가 0.3-0.6인 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물이 6:4 내지 9:1의 중량비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 만일, 혼합물의 범위가 이 범위를 벗어나면 역시 필러로서의 물성이 현저하게 저하될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 피부필러용 조성물이나 피부미용증진용 조성물은 더욱 바람직하게는 상기 수분 보유력, 저 전단응력 및 고 전단응력에서의 tan δ 값, 저장탄성률, 손실탄성률, 치환도, 변성 셀룰로오스와 히알론산의 혼합비율 등의 여러 물성 조건을 2 이상 동시에 만족하는 경우이다. 가장 바람직하게는 상기 물성 조건을 모두 만족하는 경우이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같은 본 발명에서 사용되는 변성 셀룰로오스를 제조하기 위해서는 기계적 처리공정의 새로운 조합을 통해 제조될 수 있다.

특히, 이러한 본 발명에 따른 새로운 제조방법에 의하면 제조되는 변성 셀룰로오스를 나노피브릴화하여 평균 직경과 길이를 조절할 수 있다.

그러므로 본 발명의 제조방법을 이용하면 종래의 셀룰로오스, 특히 종래의 카르복시메틸화 셀룰로오스(CMC)와 달리 굵기가 가늘고 길이가 짧은 보습력이 우수한 셀룰로오스 나노피브릴을 대량 생산할 수 있으므로 경제적으로 제조할 수 있다.

아울러서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 제조공정의 초기에 이루어지는 전처리 공정인 카르복시메틸기의 치환공정에서 치환도를 조절하고 상기 제조공정 조건을 조절함으로서 상기 여러 물성을 만족시키는 변성 셀룰로오스를 제조할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 가늘고 긴 변성 셀룰로오스(CNF)를 제조하기 위해 도 1에 일 실시예의 공정도로 도시된 바와 같은 처리단계를 거칠 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 변성 셀룰로오스의 제조방법을 하나의 구현예로서 설명한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 가늘고 길게 나노피브릴화된 변성 셀룰로오스를 제조하기 위해서는 기본적으로 셀룰로오스를 그라인딩하는 그라인더(Grinder) 처리단계와 고압 균질화하는 고압균질기(Homogenizer) 처리단계를 모두 거치는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 사용되는 펄프 원료는 목질계 또는 비목질계 모두 가능하여 펄프를 셀룰로오스 나노피브릴 재료로 모두 사용할 수 있으며, 특히 표면에 거친 대나무 펄프의 경우에도 나노화 재료로 사용시 매우 효과적인 것으로 나타났다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 가늘고 긴 변성 셀룰로오스를 제조하기 위해서 우선 본 발명은 섬유의 나노화 촉진을 위한 펄프 셀룰로오스 전처리 단계를 거친다.

여기서, 전처리란, 특정 성상의 변성 셀룰로오스인 나노피브릴을 더욱 효율적으로 제조하기 위하여 본 공정 투입 전에 펄프 상의 셀룰로오스를 특정한 성질을 띠도록 미리 처리하는 기술로, 예컨대 셀룰로오스에 카르복시메틸기를 붙이는 카르복시메틸화(carboxymethylation), 또는 TEMPO 유도체를 이용한 촉매 산화의 방법을 통해 처리할 수 있다.

본 발명에서 적용 가능한 카르복시메틸화란, 셀룰로오스 표면에 CH₂-COOH를 치환하는 방법으로서, 셀룰로오스 표면에 위 작용기를 치환시킴으로써 표면에 음전하를 가지게 함으로써 셀룰로오스 간에 음전하로 인한 정전기적 반발력이 작용하도록 하는 기술이다.

또한, TEMPO 유도체를 이용한 촉매 산화란 셀룰로오스의 6번 탄소(CH₂OH)를 COOH로 산화시켜 셀룰로오스 표면에 음전하를 가지도록 함으로써 정전기적 반발력을 주도록 하는 처리이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 예컨대 전처리 공정에서 카르복시메틸화를 하는 경우에는 셀룰로오스 표면의 음전하가 작용하여 정전기적 반발력에 의해 셀룰로오스간에 반발력이 작용하게 되므로 셀룰로오스 나노피브릴 제조 생산성을 크게 높일 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 펄프 셀롤로오스 전처리 단계는 펄프 셀룰로오스에 화학물질을 혼합하고 특정온도에서 일정 시간 교반 처리함으로써 본 생산 공정에 투입하기 전 펄프 재료를 준비하는 단계이다. 이 단계를 거치면 본 생산 공정에서 나노피브릴 생산 효율을 크게 높일 수 있게 된다.

본 발명에서 전처리는 펄스 셀룰로오스, 수산화나트륨, 모노클로로아세트산(액상)을 미량 사용하여 이루어질 수 있다. 이 경우 각 성분은 예컨대, 펄프 셀룰로오스 1 내지 10 중량부, 수산화나트륨 0.1 내지 3 중량부, 모노클로로아세트산 0.1 내지 2 중량부를 혼합하여 혼합액 상태로 제조하고 이를 교반하에 85℃ 내지 95℃에서 100분 내지 140분간 처리할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 전처리된 펄프 셀룰로오스를 그라인더 장치를 통해 셀룰로오스 나노피브릴로 전환하는 그라인더 처리단계를 거친다.

여기서는, 예컨대 전처리한 펄프 셀룰로오스에 정제수를 첨가하여 펄프 셀룰로오스 함량이 0.5~3 중량%가 되도록 현탁액으로 제조하는 것이 바람직하다. 만일, 그라인더에 투입되는 현탁액의 펄프 셀룰로오스 함량이 0.5% 미만시 셀룰로오스와 접촉하는 디스크간 마찰력이 심하게 떨어져 생산 효율이 크게 떨어지며, 3%를 초과하면 점도가 크게 증가하여 작업성이 현저히 떨어지게 된다. 이 때문에 생산비용 면에서 바람직하지 않다.

상기 (2)단계의 그라인더 방식은 서로 반대방향으로 회전하도록 상하부가 결합되고 그 사이에 미세한 갭을 두어 셀룰로오스를 투입하여 가동하게 되는데, 이때 셀룰로오스 투입 횟수와 장치에 설정된 통과되는 갭 간격을 조절함으로써 셀룰로오스 나노피브릴의 성상을 다양하게 조절할 수 있다고 알려져 있다. 또한, 고압균질기는 균질기 내부에 ‘ㄱ’ 자 형태의 가는 관이 있고 그 내부로 셀룰로오스 현탁액을 통과시켜 현탁액이 관의 각진 부분에 기계적으로 부딪히게 함으로써 나노화시키는 기술이다.

이때, 사용되는 나노셀룰로오스 제조용 그라인더로는 통상 IKA사의 Colloidal Mill 또는 Masuko Sangyo사의 Supermasscollider를 사용할 수 있다.

그라인더는 한 쌍의 디스크가 쌍으로 결합하고 서로 마찰하는 방식으로 작동하는데, 이때 셀룰로오스가 통과하는 디스크 사이의 갭 간격을 조절하여 나노크기로 셀룰로오스를 제조하게 된다. 즉, 투입 셀룰로오스의 상태 및, 그라인더의 디스크 간 갭 조절을 통해 다양한 성상의 나노크기 셀룰로오스를 만들게 되며, 지금까지는 대략 15회 내지 30회 정도의 처리횟수를 거쳐야 산업에 사용할 셀룰로오스 나노피브릴이 제조되는 것으로 알려져 있었다.

이렇게 상기 (2) 그라인더 처리단계를 거쳐 만든 변성 셀룰로오스의 나노피브릴 가닥들은 특정한 물성 띠게 된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 (2)의 그라인더 처리단계를 거친 변성 셀룰로오스의 나노피브릴을 고압균질기 장치를 이용하여 다시 처리하는 고압균질기 처리단계를 거칠 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 그라인더 처리단계를 거쳐 제조된 변성 셀룰로오스의 나노피브릴은 더 세밀한 가공을 위해 고압균질기에 투입하는 고압균질기 처리단계를 거치게 되면 특정한 용도로 사용할 수 있는 크기로 나노피브릴화된 변성 셀룰로오스를 만들 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 따르면 바람직하게도 그라인더 처리단계를 통과한 변성 셀룰로오스는 고압균질기 처리단계를 더 거치게 되면서 그라인더만으로 또는 고압균질기 만으로 생산되는 셀룰로오스 나노피브릴과 전혀 다른, 피브릴 굵기와 길이가 독특하여 특이 물성을 가지는 변성 셀룰로오스의 나노피브릴을 기계적으로 대량 제조할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 그라인더 처리단계와 고압균질기 처리단계는 바람직하게는 1-10회, 더욱 바람직하게는 2-6회, 가장 바람직하게는 4회 반복하여 실시하는 것이 좋다.

이렇게 생산되는 변성 셀룰로오스는 비표면적이 종래방식으로 만든 나노피브릴보다 크게 증가함에 따라 보수성과 보습력이 크게 요구되는 화장품 등 특정 산업분야에 크게 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

이와 같이 본 발명에서 적용하는 기술로서, 나노 변성 셀룰로오스 제조 현장에서 상기 그라인더 처리나 고압균질기 처리 방식들은 각각 독립적으로 도입 활용되고 있을 뿐 이들 두 방식을 결합하여, 본 발명과 같이 바람직한 물성을 가지는 변성 셀룰로오스를 제조하는 예는 찾아볼 수 없다.

본 발명의 이러한 변성 셀룰로오스의 제조는 바람직하게도 그라인더 방식과 고압균질기 방식을 특정하게 조합 사용함으로써 용이하게 제조 가능하며, 특히 굵기가 얇고 길이는 짧은 변성 셀룰로오스의 나노피브릴을 대량 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 바람직하게도 본격 제조 공정에 투입하기 전에 펄프 셀룰로오스를 미리 전처리하는 과정을 추가함으로써 본 공정에서의 생산 효율을 더욱 높일 수 있고, 이를 통해 본 발명에서 요구하는 물성의 변성 셀룰로오스를 대량생산할 수 있는 것이다.

상기와 같이, 본 발명에 따라 제조된 변성 셀룰로오스의 나노피브릴은 기존에 비해 나노셀룰로오스의 굵기를 더욱 가늘게 하거나 길이를 더욱 짧게 만든 셀룰로오스 나노피브릴로서, 1% 현탁액으로 만든 후, 온도 25℃, 상대습도 50%의 조건에서 4시간 경과 후 75% 이상, 예컨대 75-85%, 6시간 경과 후 65% 이상, 8시간 경과 후 50% 이상, 예컨대 50-60%, 12시간 경과 후 22% 이상, 예컨대 22-35%의 잔존 중량을 유지하여 기존에 비해 월등하게 우수한 보습력을 나타낼 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 상기와 같이 제조된 변성 셀룰로오스 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스를 히알루론산과 혼합하여 특정 비율의 혼합물로 조성하는 경우 수분 보유력, 저 전단응력 및 고 전단응력에서의 tan δ 값, 저장탄성률, 손실탄성률, 점도, 치환도 등을 상기 조건으로 유지할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 본 발명의 변성 셀룰로오스와 히알루론산 혼합물은 피부필러용 조성물이나 피부미용증진용 조성물로 바람직하게 사용할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 조성물은 강력한 보습력이 필요한 화장품분야에 특화시켜 소재로 활용될 수 있으며, 히알루론산 단독으로 사용되었던 소재 분야에서 대체물질의 바이오 소재로 사용할 수 있다. 또한, 화장품 이외에 다이어트용 가공식품, 기저귀, 센서 등 전기전자 재료, 생체 의학재료 또는 나노 복합재료 등 분야에서도 다양한 바이오 신소재로 가공되어 활용될 수 있다. 특히, 피부용 바이오 소재로 적합하다.

따라서 본 발명은 이러한 바이오 소재를 포함한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

1. 펄프 셀룰로오스 전처리 단계

전처리는 펄프 셀룰로오스 3 내지 6 중량부, 수산화나트륨 0.6 내지 1.5 중량부, 모노클로로아세트산 0.4 내지 0.6중량부를 혼합하고 에탄올 92 내지 96중량부에 투입한 후 잘 교반한다. 상기의 과정을 거쳐 만들어진 펄프 셀룰로오스 액상체를 80℃ 내지 95℃ 온도에서 100분 내지 140분 교반한다.

여기서, 펄프 셀룰로오스 액상체의 혼합 조성은 가장 바람직하게는 전처리 단계는 크라프트펄프 4.7중량부, 수산화나트륨 0.9중량부, 모노클로로아세트산 0.5중량부, 에탄올 93.9중량부인 경우이다.

온도와 반응시간 조건은 온도가 너무 낮으면 반응시간을 다소 길게 잡아야 하며, 온도가 다소 높은 경우에는 반응시간을 상대적으로 짧게 조정하여 이루어진다. 이는 80℃보다 낮은 온도에서는 셀룰로오스가 액상체 내 조성분들과 반응속도가 크게 떨어져 효율이 낮으며, 95℃를 초과하는 고온에서는 주 성분인 에탄올의 폭발위험이 크게 높아지기 때문에 생산 현장에서는 바람직하지 않은 조건이기 때문이다. 가장 바람직한 반응 온도와 시간은 90℃에서 120분이다.

[제조예 1]

크라프트펄프(무림피앤피 제조, 활엽수 표백펄프) 100g, 수산화나트륨 20g, 모노클로로아세트산 10g을 액상 에탄올 2kg에 혼합하여 펄프 액상체를 제조하고 90℃에서 120분동안 교반하여 셀룰로오스를 전처리하였다.

[제조예 2]

상기 제조예 1과 다른 구성은 동일하게 준비하되, 모노클로로아세트산을 6g으로 조정하였다.

[제조예 3]

상기 제조예 1과 다른 구성은 동일하게 준비하되, 모노클로로아세트산을 14g으로 조정하였다.

[제조실험예 1]

상기 제조예 1 내지 3의 실험결과, 제조예 3에서는 펄프 셀룰로오스가 모노클로로아세트산의 화학반응이 과도하게 나타나 투명하게 변하며, 탈수성이 매우 떨어지는 것이 확인 되었다.

이를 통해 본 발명의 전처리단계에서 모노클로로아세트산의 조성비는 0.7중량부 미만으로 조정하는 것이 바람직하다고 확인하였다.

2. 그라인더 처리단계

상기 ‘1. 펄프 셀룰로오스 전처리단계’를 거친 셀룰로오스를 그라인더를 사용하여 셀룰로오스 나노피브릴을 기계적 처리하여 제조하였다.

상기 제조예 1을 통해 슬러리 상태로 만들어진 펄프 셀룰로오스 0.5 중량부 내지 3중량부와 정제수 97 중량부 내지 99.5중량부를 혼합하여 0.5 내지 3% 현탁액을 제조하고 균질기를 이용하여 잘 분산되게 저어주면서, 그라인더 장비에 통과시킨다.

그라인더에 투입되는 현탁액의 펄프 셀룰로오스 함량이 0.5% 미만시 셀룰로오스와 접촉하는 디스크간 마찰력이 심하게 떨어져 생산 효율이 크게 떨어지며, 3%를 초과하면 점도가 크게 증가하여 작업성이 현저히 떨어지게 된다. 이 때문에 생산비용 면에서 바람직하지 않다.

그라인더의 디스크간 갭 간격은 투입되는 셀룰로오스에 마찰을 가하여 전단력을 제공하는 중요한 수단이므로 맞춤형 셀룰로오스 나노피브릴을 제조할 수 있는 조건을 다음과 같이 실험하였다.

[제조예 4]

상기 제조예1에서 제조된 전처리 셀룰로오스 100g을 정제수 5kg에 투입한 후 균질기를 이용하여 현탁액으로 만들고 이를 Masuko Sangyo사의 그라인더 Supermasscollider에 투입하였다. 이때 그라인더 회전속도는 1,300rpm, 투입시 디스크간 갭 간격은 100-150μm로 조정하였고, 투입 횟수는 3회로 설정하였다.

[제조예 5]

상기 제조예 4와 동일하되, 투입횟수를 1회로 조정하였다.

[제조예 6]

상기 제조예 4와 동일하되, 투입횟수를 6회로 조정하였다.

상기 제조예 4 내지 제조예 6에 의해 제조된 셀룰로오스 나노피브릴의 점도(cP) 조사결과는 다음과 같다. 점도측정은 브룩필드 점도계(Brookfield viscometer) 로 측정하였고, 나노셀룰로오스 농도를 1%로 희석하여 측정하였다. 제조된 셀룰로오스 나노피브릴의 평균 굵기와 길이는 TEM(제조사 Carl Zeiss, 상표명 Libra 120)을 사용하여 측정하여 하기 표 1과 같이 조사되었다.

	나노피브릴굵기(평균)	나노피브릴길이(범위, 평균)	점도(cP)
제조예 4	11nm	132nm - 497nm(366nm)	787.4
제조예 5	25nm	172nm - 1,660nm(791nm)	671.2
제조예 6	10nm	128nm - 429nm(276nm)	825.7

상기 표 1과 도 2로부터, 그라인더의 디스크간 갭 간격이 90μm인 경우, 펄프 셀룰로오스의 처리 후 물성은 투입횟수가 2회인 경우 1회 투입에 비해 굵기가 크게 향상된 반면, 5회와 비교시에는 점도 외에 상당히 유사한 피브릴 굵기와 길이를 보여주고 있음을 확인하였다. 이를 통해 셀룰로오스 나노피브릴의 굵기와 길이를 얇고 짧게 만들기 위한 그라인더 처리횟수는 디스크간 갭 간격이 100-150μm인 경우 3회 처리하는 것이 가장 효과적임을 확인할 수 있었다. 이는 종래에 사용하던 15회 내지 30회 정도의 처리방식에 비해 굵기와 길이를 조절함에 있어서 전처리 단계와 연관되어 매우 의미있는 기술적 특성을 보여주는 것이다.

3. 고압균질기 처리단계

상기 ‘1. 펄프 셀룰로오스 전처리단계’와 ‘2. 그라인더 처리단계’에서 제조한 전처리 셀룰로오스 100g을 정제수 5kg에 투입한 후 균질기를 이용하여 현탁액으로 만들고 고압균질기에 투입하여 셀룰로오스 나노피브릴 제조공정을 거쳤다.

셀룰로오스 나노피브릴은 정제수를 함유한 슬러리상태로 투입되기 때문에 마찰력에 의해 작업성이 크게 저하되어, 최초 투입시와 재투입시 압력을 적절히 조절하면서 최종 생산물의 물성을 확인하였다.

[비교예]

상기 제조예 1에서 전처리한 펄프 셀룰로오스 100g을 고압균질기에 투입하되 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 5회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[제조실시예 1]

상기 제조예 4에서 제조한 셀룰로오스 나노피브릴 100g을 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 2회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[제조실시예 2]

상기 제조예 5에서 제조한 셀룰로오스 나노피브릴 100g을 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 2회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[제조실시예 3]

상기 제조예 6에서 제조한 셀룰로오스 나노피브릴 100g을 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 2회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[제조실험예 1]

상기 비교예와 제조실시예 1-3에서 제조된 나노피브릴화된 변성 셀룰로오스의 평균 굵기와 길이는 TEM(제조사 Carl Zeiss, 상표명 Libra 120)을 사용하여 측정하여 하기 표 2와 같이 조사되었다. 그 결과는 도 2에서 그래프로 비교하여 도시하였다.

투입횟수	나노피브릴굵기(평균)	나노피브릴길이(범위, 평균)
비교예	9.0nm	349nm - 1,513nm (726nm)
제조실시예1	4.3nm	125nm - 492nm(316nm)
제조실시예2	6.6nm	145nm - 718nm(429nm)
제조실시예3	3.7nm	123nm - 421nm(213nm)

상기 표 2와 도 3으로부터, 전처리한 펄프 셀룰로오스를 6회 처리한 것에 비해 제조실시예 1과 같이 그라인더에서 3회 처리하고 고압균질기에 3회 처리할 경우 가장 우수한 고품질의 셀룰로오스 나노피브릴을 얻을 수 있었다.

특히 피브릴의 굵기와 길이가 짧아짐에 따라 보습력을 평가하는 기준인 점도(cP) 면에서 제조실시예 1에 비해 제조실시예 3의 효과가 크게 개선된 것으로 확인되었다. 즉, 상기 제조실시예 1은 비교예에 비해 나노피브릴의 굵기는 46.3%, 길이는 약 40% 정도 개선된 효과가 있었으며, 보습력을 평가하는 점도 면에서는 13% 정도의 월등한 개선효과가 확인되었다.

다만, 제조실시예 1과 제조실시예 3을 대비한 결과, 그라인더 및 고압균질기에서 6회 처리한 경우에도 그라인더 및 고압균질기에서 각각 3회 처리한 경우에 비해 개선 효과가 크게 두드러지지 않았고, 점도 또한 상당히 근사한 결과를 시현하였다. 이를 통해 카르복실레이션 단계를 거치는 경우 그라인더 및 고압균질기에서 각각 3회 처리하는 경우 비용 대비 효과면에서 가장 우수한 물성을 나타내는 것을 확인하였다.

[실험예 2] 보습력 평가 실험

상기 그라인더 방식과 고압균질기 방식을 병행처리하여 제조된 상기 비교예 및 ㅤㅔㅈ조실시슴슝1, 2, 3을 기준으로 얻어진 셀룰로오스 나노피브릴의 물성에 대한 보습력을 평가하였다.

보습력은 상온에서 제조물을 방치하고 시간이 경과됨에 따라 보습 정도를 측정함으로써 확인할 수 있었다. 실험은 비교예 및 제조실시예1, 2, 3에서 각각 제조된 셀룰로오스 나노피브릴을 온도 25℃, 상대습도 60%의 조건에서 여과지가 놓여있는 비커에 10g을 넣고 6시간, 12시간, 18시간, 24시간 동안 증발량을 측정하여 정해진 시간마다 잔존 중량(중량%)을 확인하였다. 그 결과는 하기 표 3과 같으며, 도 4에서 그래프로 비교하여 도시하였다.

투입횟수	6시간 경과	12시간 경과	18시간 경과	24시간 경과
비교예	69.1	28.2	11.2	7.2
제조실시예1	70.5	40.1	15.8	12.9
제조실시예2	67.8	22.3	12.0	5.7
제조실시예3	69.1	22.2	5.9	3.1

상기 표 3에서 확인하는 바와 같이, 제조실시예 1은 그라인더 공정과 고압균질기 공정을 거치면서 나노셀룰로오스의 크기가 작아져 나노셀룰로오스의 수산기가 노출되어 비교예와 제조실시예 2에 비해 보습력이 크게 증가하였다. 하지만 나노셀룰로오스의 크기가 더 작아진 제조실시예 3의 경우 노출되는 수산기의 양은 증가하였지만 섬유 하나당 수분을 보유하는 량이 적어져 보습력이 떨어진다.

상기 표 3과 도 4에서 확인하는 바와 같이, 카르복시메틸화를 거친 펄프 셀룰로오스는 그라인더와 고압균질기를 각각 3회 처리하는 경우 그라인더 또는 고압균질기를 각각 6회 처리한 나노피브릴에 비해 보습력이 상당히 우수해 졌음을 확인할 수 있었다. 이는 나노피브릴의 굵기와 길이가 조사된 바와 같이 더 가늘고 짧아짐에 따라 수분 보습력이 크게 증가하였기 때문으로 나타났기 때문이다.

[실험예 3] 수분 보유력(WRV; Water Retention Value) 평가

CNF가 안면필러로써 사용되었을 때, 인체 내에서 수분 유지 정도를 시험하기 위해 수분 보유력을 측정하였다.

1g kraft pulp를 homogenizer(IKA) 6000-8000 rpm으로 균질화 시킨다. Glass filter에 균질화 시킨 pulp를 filtering 한다. 이러한 과정은 glass filter에 pulp mesh를 깔아주어 CNF가 빠져나가지 않게 하기 위함이다.

그 다음으로 Kokusan Enshinki Co.,Ltd.사의 모델명 H-103NR 원심분리기로 25℃ 15분간 968G(중력가속도)로 원심 분리하여 pulp mesh를 압착시킨다.

측정하고자 하는 샘플을 약 8g 정도를 넣고 동일한 원심분리기로 50분간 968G (중력가속도) 조건으로 원심분리 한다. 분리 후 CNF와 pulp mesh의 무게를 건조 전 무게와 건조 후 무게를 측정한다.

샘플은 각각의 치환도 별로 전처리된 CNF를 1중량%로 희석하여 그라인더 (Supermasscollider, Masuko Sangyo) 4회, 고압균질기(Panda plus, GEA) 8회 작업하였다. 측정은 결과를 바탕으로 하여, 하기 수학식 1의 방법으로 수분 보유력(WRV)을 계산하였다.

[수학식 1]

WRV(%)= (샘플무게 - 건조 후 샘플무게)/건조 후 샘플무게 × 100 - pulp mesh 무게

상기 방법으로 WRV를 측정하되 CNF 에 대하여 카르복시메틸기의 치환도별로 WRV를 측정한 결과를 동일 조건의 히알루론산(HA)와 비교한 결과는 다음 표와 같다.

CNF 치환도	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
WRV(%)	55	303	378	326	69	229

이러한 결과는 도 5에 그래프로 나타낸 바와 같다. 이러한 결과에 의하면, Kraft pulp의 고유한 수분 보유력(WRV)은 치환도 0.3에서 0.6까지의 수치가 다른 경우에 비해 현저하게 우수하여 유효한 것으로 확인되었다.

상기 실험결과에서 보면, CNF의 경우 치환도가 0.3-0.6의 경우는 WRV가 303-326로서 약 3배(300%) 이상의 수분을 보유하고 있으며, 히알루론산에 비해서도 우수함을 확인하였다.

[실험예 4] 유동성 변화(Rheology modifier) 평가

CNF가 안면필러로 사용될 때, 인체에 고정되었을 때와 인체에 주사 할 때의 유동성 변화를 확인하기 위해 저 전단 응력과 고 전단 응력이 가해졌을 때의 저장탄성계수와 손실탄성계수를 각각 확인하였다.

유동성 변화를 측정하기 위한 장치로 레오미터(MCR102, Anton paar, Austria)를 사용하여 측정하였으며, 측정 도구로 measuring plate PP25을 measuring system으로 시용하였다. 측정 모드는 Liner ciscoelasic range mode로 측정하였으며, 0.1Pa(저 전단 응력)부터 25Pa(고 전단 응력)의 응력에서 저장 탄성률과 손실탄성률을 측정하였다.

샘플은 각각의 치환도 별로 전처리된 CNF를 CNF 중량(중량%) 1%로 희석하여 그라인더 (Supermasscollider, Masuko Sangyo) 4회, 고압균질기(Panda plus, GEA) 8회 작업하였다.

저 전단응력 조건(0.1Pa)은 안면필러가 피부에 주사된 후 고정된 상태를 가정한 실험으로써, 고체의 성질을 나타내는 저장탄성계수가 액체의 성질을 나타내는 손실탄성계수보다 크게 나타나야 하며, 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 작을수록 고정 상태를 유지하는 능력이 크다.

고 전단응력 조건(25Pa)은 안면필러가 피부에 주사 될 때 CNF의 흐름성을 확인하는 실험으로써, 액체의 성질을 나타내는 손실탄성계수가 고체의 성질을 나타내는 저장탄성계수보다 크게 나타나야 하며, 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 클수록 흐름성이 크게 나타난다.

이 과정에서 피부투여 조건인 0.1Pa의 저 전단응력에서 CNF의 유동성 변화를 확인하기 위하여 CNF의 저장탄성계수로서 저장탄성률(Storage Modulus)과 손실탄성계수로서 손실탄성률(Loss Modulus)을 확인하였다.

여기서, tan δ값은 하기 수학식 2로 계산하였다. tan δ 값은 물질이 고체, 액체 중 어느 쪽에 가까운 지를 나타내는 수치이다. 값이 1에 가까울수록 용액 상태(탄성이 낮음)이며, 0에 가까울수록 탄성이 높은 탄성체로 정의할 수 있다.

[수학식 2]

tan δ (tangent delta) = loss modulus(손실탄성계수) / storage modulus(저장탄성계수)

상기 수학식 2의 tan δ 값을 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이라고 정의한다.

상기 방법으로 CNF 에 대하여 카르복시메틸기의 치환도별로 저장탄성률과 손실탄성률을 각각 측정한 결과를 동일 조건의 히알루론산(HA)와 비교한 결과는 다음 표와 같다.

하기 표 5는 피부투여 후 조건인 0.1pa의 저전단 응력에서 측정한 결과이고, 여기서 저장탄성계수는 저장탄성률을 의미하고, 손실탄성계수는 손실탄성률을 의미한다.

CNF 치환도	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (저장탄성률) (Pa)	558	766	979	1,029	353	47
손실탄성계수 (Pa)	84	114	149	143	125	33
tan δ	0.14	0.15	0.15	0.14	0.36	0.71

하기 표 6은 피부투여 전 조건인 25Pa의 고전단 응력에서의 측정 결과이다.

CNF 치환도	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	64	229	249	235	29	42
손실탄성계수 (손실탄성률) (Pa)	94	249	284	306	71	32
tan δ	1.47	1.09	1.14	1.30	2.44	0.77

상기 표에서 보면, 상기의 데이터는 CNF 시료가 주사기 용출 시 샘플이 액상이고, 주사 투여 후에는 점성이 높은 고체 상태임을 추측할 수 있다.

상기 실험결과에서는 상기 제조된 CNF의 경우 저 전단응력과 고 전단응력 모두에서 치환도 0.3-0.6 범위에서 히알루론산에 비해 우수한 물성 값을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있다. 특히, CNF는 주사 전 상태인 고 전단응력에서 저장탄성계수에 비해 손실탄성계수가 높다는 것은 고압에서는 액체 상태를 유지한다는 것을 의미한다.

상기 결과에 따른 저 전단응력과 고 전단응력에서 측정한 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값을 히알루론산(HA)와 비교한 결과는 각각 도 6a와 도 6b에 각각 그래프로 비교하여 나타내었다. 이 결과에서는 CNF의 치환도가 0.3 내지 0.6 사이에서 히알루론산보다 우수한 물성을 가지는 것으로 확인되었다.

이로부터 CNF도 피부수복을 위해 필러로 사용이 가능함을 확인하였다.

[실험예 5] 세포독성 실험(Cytotoxicity Test)

제조된 CNF에 대하여 CCk8 kit를 사용하며 이 실험은 CCk-8 이라는 시약이 세포의 dehydrogenase에 의해 환원되어 발색하는 양을 흡광도로 측정하는 실험으로 시행하였다.

CNF에 대한 치환도 0.2 ~ 0.7에 대해 각각의 치환도별로 HA(hyaluronic acid)과의 독성비교를 실시하였다.

실험은 각 sample을 total media에 0.1%, 1.0%, 10%, 50% 농도로 조절하여 실험을 진행하였다.

이러한 실험결과는 도 7a와 도 7b에서 각각 신장세포(HEK293)와 간세포(HepG2)에 동일조건으로 각 농도 별로 투여했을 때의 비교실험결과로서, 각 농도에서 독성 수치는 히알루론산과 비교했을 때 그 차이가 미미하므로 CNF는 히알루론산과 동일하게 독성문제가 없음을 확인하였다.

그러므로 이러한 변성 셀룰오로스와 기존에 독성이 없는 것으로 확인된 히알루론산의 혼합물의 경우 역시 독성이 없는 것이 자명하게 확인된다.

실시예

상기 제조된 변성 나노 셀룰로오스 (CNF)를 이용하여 각 치환도별 CNF에 대해 히알루론산(HA)과의 혼합비율에 따른 물성을 확인하여, 고전단응력과 저전단응력에서의 각각 저장탄성율, 손실탄성율과 수분보유력(WRV)을 측정하여 다음 표들에 순서대로 나타내었다.

실험은 나노셀룰로오스의 치환도와 CNF:HA의 혼합비율에 대한 물성 결과를 HA 단독의 경우(대조군)와 비교하여 나타내었다.

각 실험은 상기 실험예의 변성 셀룰로오스에 대한 측정 방법과 같은 방법으로 실험하고 계산하여 그 결과를 나타낸 것이다.

1. CNF:HA=5:5 혼합물

(1) 저전단응력(0.1Pa)

CNF 치환도	0.1	0.3	0.4	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	226	155	163	171	136	48
손실탄성계수 (Pa)	84	61	64	65	61	32
tan δ	0.37	0.39	0.39	0.38	0.45	0.67

(2) 고전단응력(25Pa)

CNF 치환도	0.1	0.3	0.4	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	21	44	14	28	14	42
손실탄성계수 (Pa)	51	59	36	51	33	32
tan δ	2.43	1.34	2.57	1.82	2.36	0.76

(3) 수분 보유력

CNF 치환도	0.1	0.3	0.4	0.6	0.7	HA
WRV(%)	268	250	293	247	180	229

2. CNF:HA=6:4 혼합물

(1) 저전단응력(0.1Pa)

CNF 치환도	0.2	0.3	0.4	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	167	189	310	209	155	48
손실탄성계수 (Pa)	63	54	106	66	61	32
tan δ	0.38	0.29	0.34	0.32	0.39	0.67

(2) 고전단응력(25Pa)

CNF 치환도	0.2	0.3	0.4	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	6	48	83	23	11	42
손실탄성계수 (Pa)	23	68	122	54	32	32
tan δ	3.83	1.42	1.47	2.35	2.91	0.76

(3) 수분 보유력

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	HA
WRV(%)	232	275	347	372	368	368	254	229

3. CNF:HA=7:3 혼합물

(1) 저전단응력(0.1Pa)

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	325	305	211	206	387	364	242	48
손실탄성계수 (Pa)	81	112	50	57	83	82	87	32
tan δ	0.25	0.37	0.24	0.28	0.21	0.23	0.36	0.67

(2) 고전단응력(25Pa)

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	7	14	22	5	14	27	4	42
손실탄성계수 (Pa)	35	49	53	24	49	76	24	32
tan δ	5	3.5	2.41	4.8	3.5	2.81	6	0.76

(3) 수분 보유력

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
WRV(%)	287	399	434	451	434	332	229

4. CNF:HA=8:2 혼합물

(1) 저전단응력(0.1Pa)

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	323	329	211	254	567	412	429	48
손실탄성계수 (Pa)	81	114	50	68	90	76	129	32
tan δ	0.25	0.35	0.24	0.27	0.16	0.18	0.30	0.67

(2) 고전단응력(25Pa)

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	7	8	22	13	143	43	51	42
손실탄성계수 (Pa)	35	37	53	25	199	103	105	32
tan δ	5	4.63	2.41	1.92	1.39	2.40	2.06	0.76

(3) 수분 보유력

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
WRV(%)	164	165	244	354	367	217	229

5. CNF:HA=9:1 혼합물

(1) 저전단응력(0.1Pa)

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	416	391	580	423	476	338	48
손실탄성계수 (Pa)	77	80	61	74	83	75	32
tan δ	0.19	0.20	0.11	0.17	0.17	0.22	0.67

(2) 고전단응력(25Pa)

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.5	0.6	0.7	HA
저장탄성계수 (Pa)	11	12	138	24	21	2	42
손실탄성계수 (Pa)	52	23	197	77	76	24	32
tan δ	4.73	1.92	1.43	3.21	3.62	12	0.76

(3) 수분 보유력

CNF 치환도	0.1	0.2	0.3	0.6	0.7	HA
WRV(%)	56	263	257	318	71	229

상기 실시예의 실험결과를 보면, 전체적으로 치환도 0.3-0.6인 경우에 CNF:HA의 혼합비율이 6:4 내지 9:1의 범위에서 현저하게 우수한 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 특히 이러한 범위에서는 HA 단독 사용의 경우보다 오히려 우수한 물성을 나타내는 것으로 확인되었다.

따라서 본 발명에 따른 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물은 필로로서의 각종 물성에서 우수한 특성을 나타내므로, 고가의 히알루론산을 대체하여 피부 필러용 조성물이나 피부미용증진용 조성물, 안면필러, 기타 여러 생체 의료용 바이오 소재 등으로 널리 사용가능 함을 확인할 수 있었다.

상기와 같이 본 발명에 따라 제조되는 굵기가 가늘고 길이가 짧은 셀룰로오스 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스는 상기와 같은 우수한 보습력과 더불어서, 히알루론산보다 우수한 수분 보유력, 저장탄성률, 손실탄성률 등의 물성을 가지는 것으로서, 히알루론산을 대체하여 피부필러용 조성물과 피부미용증진용 조성물로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 특정 물성의 변성 셀룰로오스는 보수력, 보습력이 크게 개선되었기 때문에, 향후 화장품, 식품, 의약 등 관련 산업에서 그 활용성이 크게 늘어날 것으로 예상된다.

Claims (15)

1. 펄프 셀룰로오스로 이루어지고 카르복시메틸기를 치환기로 함유하며, 카르복시메틸기의 치환도가 0.3-0.6이고, 평균 직경이 3.0-10.0nm이고, 길이가 100-560nm인 셀룰로오스 나노피브릴 형태의 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물을 유효성분으로 함유하되,
   변성 셀룰로오스와 히알루론산을 6:4 내지 9:1의 중량비로 함유하고,
   상기 변성 셀룰로오스와 히알루론산의 혼합물은 968G(중력가속도) 조건으로 50분 원심분리 후 수분함량을 측정한 수분 보유력(WRV)이 200 내지 500%이고, 0.1Pa의 저전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 0.1~0.4이고, 25Pa의 고전단응력 조건에서 저장탄성계수에 대한 손실탄성계수의 tan δ 값이 1.0~5.0인 것을 특징으로 하는 피부필러용 조성물.
   
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9. 청구항 1에 있어서, 변성 셀룰로오스는 저장탄성률이 600~1,200 Pa이고, 손실탄성률이 150~400Pa인 것을 특징으로 하는 피부필러용 조성물.
   
10. 청구항 1에 있어서, 변성 셀룰로오스는 점도가 3,000-10,000 cP인 것을 특징으로 하는 피부필러용 조성물.
    
11. 청구항 1에 있어서, 하이드로겔 형태로 이루어진 피부필러용 조성물.
    
12. 청구항 1에 따른 피부필러용 조성물을 유효성분으로 하는 안면필러.
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