KR102653460B1 - 콜라겐과 레시틴을 포함하는 분해도 조절이 가능한 스타치 나노섬유의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기방사를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (a) 전분, 콜라겐, 레시틴 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 수분 환경에서도 분해도 조절이 가능하고, 생체 적합성 및 기계적 특성이 우수하며, 세포성장 및 생장을 활성화시키는 나노섬유의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 생체적합성, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 조직공학용 지지체, 생체의학용 소재 등으로 안정적으로 사용할 수 있는 나노섬유를 제공할 수 있다.
본 발명은 수분 환경에서도 분해도 조절이 가능하고, 생체 적합성 및 기계적 특성이 우수하며, 세포성장 및 생장을 활성화시키는 나노섬유의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 생체적합성, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 조직공학용 지지체, 생체의학용 소재 등으로 안정적으로 사용할 수 있는 나노섬유를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 전기방사를 이용한 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (a) 전분, 콜라겐, 레시틴 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.
최근 빠르게 진행되고 있는 인구 고령화 현상으로 인한 만성질환(심근경색, 간병변, 신부전 등)의 증가는 재생의료 산업의 활성화로 이어지고 있다.
재생의료란 세포, 생체재료 등을 혼합하여 손상된 조직이나 장기 기능 복원 등을 뜻하는 포괄적인 개념으로 그 중 조직공학은 세포 배양에 의해 조직 재생이 가능한 연골 또는 피부를 중심으로 기술이 활발하게 개발되고 있다.
조직공학용 3차원 지지체를 제조하는 방법으로는 동결건조법, 가스발포법, 침엽법, 전기방사법 등이 있다.
특히 전기방사법으로 제조한 나노섬유 스캐폴드는 나노크기의 미세한 기공과 높은 비표면적을 제공하여 수분 및 통기성이 우수하다. 그러나 나노섬유를 구성하는 물질에 따라 면역반응 및 감염의 우려가 발생할 수 있으며, 낮은 기계적 강도는 나노섬유의 한계 중 하나이다.
스타치(전분)는 천연 고분자로 생분해성이며 생체적합성이 뛰어나므로 스타치 나노섬유는 감염의 위험성을 최소화할 수 있다.
그러나 스타치 나노섬유는 수분 환경에 노출되는 경우 쉽게 분해되어 내구성 및 기계적 강도가 저하되므로 장기간 안정적으로 사용될 수 없다.
본 발명은 수분 환경에서도 분해도 조절이 가능하고, 생체 적합성 및 기계적 특성이 우수하며, 세포성장 및 생장을 활성화시키는 나노섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 생체적합성, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 조직공학용 지지체, 생체의학용 소재 등으로 안정적으로 사용할 수 있는 나노섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 전분, 콜라겐, 레시틴 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 나노섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 고분자 용액은 용매 100중량부에 대하여 전분 10~30중량부, 콜라겐 1~10중량부 및 레시틴 1~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 용매는 트리플루오로아세트산 및 2,2,2-트리플루오로에탄올을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 트리플루오로아세트산 및 2,2,2-트리플루오로에탄올의 중량비는 60~80:20~40 인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 나노섬유를 제공한다.
본 발명은 수분 환경에서도 분해도 조절이 가능하고, 생체 적합성 및 기계적 특성이 우수하며, 세포성장 및 생장을 활성화시키는 나노섬유의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 생체적합성, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 조직공학용 지지체, 생체의학용 소재 등으로 안정적으로 사용할 수 있는 나노섬유를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 나노섬유의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 나노섬유의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. (a) 전분, (b) 콜라겐, (c) 레시틴, (d) 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유.
도 3은 본 발명의 나노섬유의 DSC 측정결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 나노섬유의 TGA 결과를 나타낸다. (a) 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유, (b) 콜라겐, (c) 레시틴, (d) 전분.
도 5는 본 발명의 나노섬유의 분해도를 나타낸다. (a) 전분 나노시트, (b) 전분/콜라겐 나노시트, (c) 전분/레시틴 나노시트, (d) 전분/콜라겐/레시틴 나노시트.
도 6은 본 발명의 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유의 세포독성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 나노섬유의 형광현미경 이미지를 나타낸다. (a-c) 전분/레시틴 나노섬유 스캐폴드, (d-f) 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유 스캐폴드.
도 2는 본 발명의 나노섬유의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. (a) 전분, (b) 콜라겐, (c) 레시틴, (d) 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유.
도 3은 본 발명의 나노섬유의 DSC 측정결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 나노섬유의 TGA 결과를 나타낸다. (a) 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유, (b) 콜라겐, (c) 레시틴, (d) 전분.
도 5는 본 발명의 나노섬유의 분해도를 나타낸다. (a) 전분 나노시트, (b) 전분/콜라겐 나노시트, (c) 전분/레시틴 나노시트, (d) 전분/콜라겐/레시틴 나노시트.
도 6은 본 발명의 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유의 세포독성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 나노섬유의 형광현미경 이미지를 나타낸다. (a-c) 전분/레시틴 나노섬유 스캐폴드, (d-f) 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유 스캐폴드.
이하 실시예를 바탕으로 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명에 사용된 용어, 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고 통상의 기술자의 이해를 돕기 위하여 예시된 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 권리범위 등이 이에 한정되어 해석되어서는 안 된다.
본 발명에 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 나타낸다.
본 발명은 (a) 전분, 콜라겐, 레시틴 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.
상기 고분자 용액은 용매 100중량부에 대하여 전분 10~30중량부, 콜라겐 1~10중량부 및 레시틴 1~10중량부를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계는 고분자 용액을 제조하는 단계로서, 전분, 콜라겐, 레시틴 및 용매를 혼합하여 고분자 용액을 제조할 수 있다.
상기 용매로는 트리플루오로아세트산, 2,2,2-트리플루오로에탄올, 클로로포름, 증류수 등을 사용할 수 있다.
본 발명은 용매로서 트리플루오로아세트산 및 2,2,2-트리플루오로에탄올을 혼합하여 사용할 수 있다. 이때 상기 트리플루오로아세트산 및 2,2,2-트리플루오로에탄올의 중량비는 60~80:20~40 인 것이 바람직하며, 중량비가 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
또한 본 발명은 용매로서 트리플루오로아세트산, 2,2,2-트리플루오로에탄올 및 클로로포름을 혼합하여 사용할 수 있다. 이때 상기 트리플루오로아세트산, 2,2,2-트리플루오로에탄올 및 클로로포름의 중량비는 100:20~40:5~15 인 것이 바람직하며, 중량비가 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 전분은 용매 100중량부에 대하여 10~30중량부 사용되는 것이 바람직하고, 전분의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
또한 상기 전분은 콜라겐 또는 레시틴으로 코팅될 수 있으며, 코팅된 전분은 고분자 용액의 결합력을 향상시킬 수 있다. 이때 전분 100중량부에 대하여 콜라겐 또는 레시틴 1~10중량부를 사용하여 코팅할 수 있다.
아울러 상기 전분은 감태 추출물로 코팅될 수 있으며, 전분 100중량부에 대하여 감태 추출물 1~10중량부를 사용하여 코팅할 수 있다.
상기 감태 추출물은 감태를 용매로 가열 추출하고 여과한 후 감압 농축하여 제조된다.
상기 가열 추출은 감태 100중량부에 대하여 용매 500~2,000중량부를 가하고 40~95℃에서 1~10시간 가열하여 추출할 수 있다.
상기 용매는 물, 주정, 에탄올, 메탄올, 헥산, 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 에틸아세테이트 및 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
가열 추출 후 기공의 직경이 0.2~1㎛인 여과막으로 여과하고, 여과된 여액을 감압 농축기로 감압 농축하여 감태 추출물을 수득한다.
상기 콜라겐은 용매 100중량부에 대하여 1~10중량부 사용되는 것이 바람직하고, 콜라겐의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 레시틴은 용매 100중량부에 대하여 1~10중량부 사용되는 것이 바람직하고, 레시틴의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
또한 상기 고분자 용액은 젤라틴, 후코이단, 키토산, 글리코사미노글리칸 및 알지네이트를 추가로 포함할 수 있다.
상기 젤라틴은 용매 100중량부에 대하여 1~5중량부 사용되는 것이 바람직하고, 젤라틴의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 후코이단은 용매 100중량부에 대하여 1~5중량부 사용되는 것이 바람직하고, 후코이단의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 키토산은 용매 100중량부에 대하여 1~5중량부 사용되는 것이 바람직하고, 키토산의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 글리코사미노글리칸은 용매 100중량부에 대하여 1~5중량부 사용되는 것이 바람직하고, 글리코사미노글리칸의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 알지네이트는 용매 100중량부에 대하여 1~5중량부 사용되는 것이 바람직하고, 알지네이트의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 나노섬유의 내구성 및 생체적합성이 극대화될 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 단계로서, 노즐을 통하여 상기 고분자 용액을 토출시켜 전기방사하며, 상기 전기방사를 통해 나노섬유를 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 전기방사를 이용한 나노섬유에 관한 것이다.
상기 나노섬유는 수분 환경에서도 분해도 조절이 가능하고, 생체 적합성 및 기계적 특성이 우수하며, 세포성장 및 생장을 활성화시킬 수 있다.
또한 상기 나노섬유는 생체적합성, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 조직공학용 지지체, 생체의학용 소재 등으로 안정적으로 사용될 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 실시를 위하여 예시된 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
트리플루오로아세트산 100중량부, 전분 25중량부, 콜라겐 5중량부 및 레시틴 5중량부를 혼합하여 고분자 용액을 제조하였다.
상기 고분자 용액을 전기 방사(방사거리 12cm, 전압 15kV, 유속 0.5㎖/h, 노즐 21G)하여 나노섬유를 제조하였다.
도 1은 상기 나노섬유의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)을 나타낸다.
상기 나노섬유는 연속적인 섬유상을 보이며 섬유의 배향성은 없고 불규칙하게 섬유를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 섬유의 직경은 800nm~1㎛의 크기를 가진다.
도 2는 상기 나노섬유의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
전분/콜라겐/레시틴 나노섬유는, 전분을 구성하는 O-H bonding의 피크인 3,600~3,300cm-1에서 O-H stretching vibration이 나타났다. 또한 C-H 알칸의 stretching vibration이 2,930cm-1에서 확인되고, 931, 853, 762cm-1에서는 carbohydrate에 의한 C-O-C ring vibration이 나타났다. 레시틴의 O-P-O 인산기의 stretching vibration에 의해 1,223cm-1에서 피크가 나타났으며, 1,352cm-1에서 나타나는 피크는 콜라겐의 주요 피크로 아민기의 bending vibration에 의해서 나타났다. 1,789cm-1에서 나타나는 피크는 레시틴과 콜라겐의 C=O stretching vibration에 의해서 나타난다.
도 3은 상기 나노섬유의 DSC 측정결과를 나타낸다.
전분 나노섬유의 유리전이온도는 72℃이며, 70℃ 부근에서 발생하는 피크는 전분의 amylose에 의해 나타나는 호화상전이 현상으로 전분입자의 무정형 부분에서 먼저 용융이 일어난 뒤 결정형 부분이 용융되어 넓은 범위에서 나타난다. 130℃에서 250℃까지 발행하는 구간은 coagulation에 의해 나타나며, 300℃ 이후에서 나타나는 피크는 TFA와의 상호작용에 의한 반응물들이 용융되어 나타난다.
전분/콜라겐 나노섬유의 경우 60℃ 부근에서 발생하는 넓은 범위의 피크는 전분에 의해 용융되어 나타나며, 130℃부터 발생하는 curve는 전분과 콜라겐의 사슬 구조의 coagulation에 의해 나타난다.
전분/레시틴 나노섬유는 전분의 amylose와 레시틴의 지방산의 복합체 (amylose-lecithin complex) 형성으로 인해 호화상전이 현상이 일어나는 온도가 증가하며 85℃에서 유리전이온도가 확인된다. 용융점은 280℃로 amylose-lecithin complex에 의해 생성된 복합체가 용융된다.
전분/콜라겐/레시틴 나노섬유의 유리전이 온도는 70℃이며 49℃부터 113℃까지 넓은 범위에서 발생하는 피크는 전분에 의해 나타나며 전분 나노섬유에 비해 49℃부터 용융이 시작된다. 150℃부터 250℃까지 나타나는 구간은 coagulation에 의해 나타나며 277℃에서 나타나는 피크는 결정화에 의한 것으로 TFA에 각 물질들이 용해되면서 발생하는 상호작용으로 인해 나타나는 것을 확인하였다.
도 4는 상기 나노섬유의 TGA 결과를 나타낸다.
전분은 100℃ 부근에서 12% 발생하는 질량 손실은 수분의 의한 것이며, 280℃ 부근에서 급격하게 열분해가 일어나 91.6% 이상의 질량 손실을 보였고, 레시틴은 200℃ 부근에서 열분해가 시작된다. 질량 손실이 서서히 일어나 87.1%의 질량 손실을 보였다.
콜라겐은 100℃ 부근에서 수분에 의한 7% 질량 손실을 보였으며 300℃ 부근에서 열분해가 시작되어 78.8%의 질량 손실을 보였다.
전분/콜라겐/레시틴 나노섬유는 Starch, Collagen에 비해 초기 수분에 의해 손실되는 질량이 3%로서, 이는 Lecithin에 의한 것이며, 230℃ 부근에서 열분해가 시작되어 50% 질량 손실이 일어나지만 280℃ 이후에는 천천히 분해가 일어나 최종적으로 71.5%의 질량 손실이 일어났다. 최종 질량이 28.5% 보존되는 것을 확인하였으며 Starch의 O-H end group과 Collagen의 carboxyl group과 amino group 사이에 수소결합으로 인한 상호작용에 의해 원물질인 Starch, Collagen, Lecithin보다 상대적으로 열적 안정성이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 상기 나노섬유의 분해도를 나타낸다.
상기 나노섬유의 분해도(Degradability)를 평가하기 위해 나노시트를 가로 10mm, 세로 20mm 크기로 샘플을 제작하여 10mL 바이알(vial)에 담은 후, 증류수 5mL에 침지시켰다. 각 샘플의 분해도는 24시간과 48시간 동안 측정하였다.
레시틴이 함유되지 않은 전분 나노시트와 전분/콜라겐 나노시트는 물과 접촉하게 되면 물에 용해되어 섬유의 형상을 유지하지 못하는 것을 확인하였다.
레시틴이 함유된 전분/레시틴 나노시트와 전분/콜라겐/레시틴 나노시트는 물과 접촉하게 되어도 섬유의 형상을 잃지 않고 용해되지 않는 것을 확인하였다. Lecithin의 양친매 성질로 인하여 나노섬유의 수화 정도가 조절되었으며 나노시트의 형상을 유지할 수 있는 것으로 보인다.
도 6은 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유의 세포독성을 나타낸다.
전분/콜라겐/레시틴 나노섬유는 고농도와 저농도에서 세포 생존율의 변화가 크지 않으며 24시간 후에 세포 생존율이 감소하였지만 48시간 후에 생존율이 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 전분/콜라겐/레시틴 나노섬유의 세포 독성이 적은 것을 확인할 수 있다.
도 7은 상기 나노섬유의 형광현미경 이미지를 나타낸다.
Starch/Lecithin 나노섬유에서는 세포배양이 거의 되지 않았으며 Starch/Collagen/Lecithin 나노섬유의 경우 세포수가 증가하는 것을 확인하였다.
Starch/Lecithin 나노섬유와 Starch/Collagen/Lecithin 나노섬유의 세포부착정도를 비교한 결과 Collagen이 함유되어있지 않은 나노섬유보다 Collagen이 함유되었을 때 세포 부착 정도가 향상되는 것을 확인하였다. 결과적으로 Collagen에 의해 나노섬유의 생체적합성을 향상된 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 2)
레시틴 0.5중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.
(실시예 3)
레시틴 15중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.
(실시예 4)
트리플루오로아세트산 100중량부 대신에, 트리플루오로아세트산 70중량부 및 2,2,2-트리플루오로에탄올 30중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.
(실시예 5)
전분 분말 100중량부에 대하여 레시틴 5중량부를 사용하여 전분의 표면을 레시틴으로 코팅하였다.
전분 대신에, 레시틴이 코팅된 전분을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.
(실시예 6)
젤라틴 3중량부, 후코이단 3중량부, 글리코사미노글리칸 3중량부 및 알지네이트 3중량부를 추가로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.
(분해도)
나노섬유의 분해도(Degradability)를 평가하기 위해, 나노시트를 가로 10mm, 세로 20mm 크기로 샘플을 제작하여 10mL 바이알(vial)에 담은 후, 증류수 5mL에 침지시켰다. 24시간 후의 각 샘플의 분해도를 측정하였다.
| 분해도(%) | 인장강도(MPa) | |
| 실시예 1 | 16 | 1.6 |
| 실시예 2 | 36 | 1.2 |
| 실시예 3 | 32 | 1.1 |
| 실시예 4 | 9 | 2.1 |
| 실시예 5 | 8 | 2.3 |
| 실시예 6 | 10 | 2.5 |
상기 표 1의 결과로부터, 실시예 1, 4 내지 6의 경우, 실시예 2 및 3에 비해 나노섬유의 내구성 및 인장강도가 우수함을 알 수 있다.
Claims (5)
- (a) 전분, 콜라겐, 레시틴 및 용매를 포함하는 고분자 용액을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 고분자 용액을 전기 방사하여 나노섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 나노섬유의 제조방법에 있어서,
상기 고분자 용액은 용매 100중량부에 대하여 전분 10~30중량부, 콜라겐 1~10중량부 및 레시틴 1~10중량부를 포함하고,
상기 용매는 트리플루오로아세트산 및 2,2,2-트리플루오로에탄올을 혼합하여 사용하며,
상기 트리플루오로아세트산 및 2,2,2-트리플루오로에탄올의 중량비는 60~80:20~40 이고,
상기 전분은 콜라겐 또는 레시틴으로 코팅되며,
상기 전분 100중량부에 대하여 콜라겐 또는 레시틴 1~10중량부를 사용하여 코팅되고,
상기 전분은 감태 추출물로 추가로 코팅되며,
상기 전분 100중량부에 대하여 감태 추출물 1~10중량부를 사용하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 나노섬유의 제조방법.
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