KR20050087175A - 초음파를 이용한 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생체친화성과 생분해성을 갖는 키토산, 젤라틴 및 알진 용액을 사용하여 스폰지를 제조하고자 하며, 이때 키토산 용액과 알진 용액을 혼합시에 강한 초음파를 조사함으로써 양이온성인 키토산과 음이온성인 알진의 이온 결합으로 겔이 형성되면서 발생하는 석출물의 생성을 방지하여 균일한 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액에 젤라틴 용액을 첨가한 후 동결건조시킨 다음 가교시킨 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 키토산과 알진의 이온결합과 키토산, 젤라틴 및 알진의 화학적 가교결합을 동시에 유도할 수 있고, 특히 키토산과 알진의 혼합시 발생하는 석출물의 생성을 효율적으로 방지하여 보다 균일한 구조를 가지며, 유연성과 기계적 물성이 우수하고, 생체친화적 천연고분자의 효능을 다양한 분야에 활용가능한 효과가 있는 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 제조할 수 있다.

Description

초음파를 이용한 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법{Preparation methods of chitosan-gelatin-algin sponge using ultrasonication}

본 발명은 초음파를 이용한 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생체친화성과 생분해성을 갖는 키토산, 젤라틴 및 알진 용액을 사용하여 스폰지를 제조하고자 하며, 이때 키토산 용액과 알진 용액을 혼합시에 강한 초음파를 조사함으로써 양이온성인 키토산과 음이온성인 알진의 이온 결합으로 겔이 형성되면서 발생하는 석출물의 생성을 방지하여 균일한 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액에 젤라틴 용액을 첨가한 후 동결건조시킨 다음 가교시킨 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

키토산은 갑각류 껍질에서 추출한 천연고분자인 키틴을 탈아세틸화하여 얻어진 고분자로 자기멸균성, 생체적합성, 생분해성을 가지는 양이온성을 띠는 염기성 다당류의 일종이다. 이러한 키토산은 화장품 분야에서 보습제로 처음 사용된 후, 생체 구성성분인 당단백질, 뮤코 다당류, 콜라겐, 엘라스틴 등의 기능을 보완할 수 있는 대체물질로서 알려져 다양한 의료용 소재로의 활용이 연구되고 있다.

젤라틴은 생체 구성성분인 콜라겐의 가수분해물로서 글리신, 프롤린, 하이드로프롤린과 같은 다양한 아미노산으로 구성된 천연 단백질이다. 젤라틴은 콜라겐과 달리 항원성을 억제할 수 있고, 생분해성 및 생체친화성을 보이는 것으로 알려져 있으며 최근에는 높은 지혈효과를 갖는 것으로 보고된 바 있다.

한편, 알진은 갈색 해조류에서 추출되는 음이온성 천연고분자로서 상처 피복용 드레싱과 같은 의료용 소재로 사용되고 있는 것으로 알려져 있다.

상기 천연고분자들의 생체적합성, 생분해성, 항균력을 이용하여 지금까지 의료용 또는 화장품 소재로 사용가능한 다양한 형태의 스폰지를 개발하였는데, 예를 들면 미국특허 제2,507,244호에는 가교된 젤라틴 스폰지에 대하여 개시되어있으며, 미국특허 제2,558,395호와 제3,325,366호는 젤라틴에 트롬빈 또는 폴리비닐피롤리돈을 첨가하여 제조한 스폰지에 대하여 개시하고 있다. 또한, 미국특허 제2,899,362호에는 젤라틴에 녹말을 혼합하여 스폰지를 제조하는 방법이 개시되었다. 또한 대한민국공개특허공보 제1999-24621호에는 젤라틴과 알진을 혼합하여 제조한 가교 스폰지가 개시되어 있고, 대한민국공개특허공보 제1999-49107호에는 양이온성 키토산과 음이온성 천연고분자의 이온결합을 이용한 고분자 전해질 복합체 스폰지가 개시되어 있다.

상기한 바와 같이, 수용성의 젤라틴은 물이나 인체의 심출액에 쉽게 용해되므로 반드시 가교 반응을 통하여 기계적 물성을 부여해야 한다. 스폰지 제조시 기계적 물성을 부여하기 위해 상기한 발명에서 사용된 가교제는 포름알데하이드, 글루타알데하이드, 덱스트린 알데하이드와 같은 알데하이드계 화합물과 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필카보이미드)(이하, "EDC "라 함), 디사이클로헥실카보이미드, 1-에틸-3-(2-몰포리닐-4-에틸)카보이미드와 같은 수용성 카보이미드계 화합물등이 주로 사용되며, 그 밖에, 에폭시화합물이나 디이소시아네이트 등도 가교제로 사용되었다.

상기 가교제 중에서 알데하이드 계열의 가교제는 높은 반응성을 갖지만 ppm 단위의 미량이 존재해도 세포독성을 나타내기 때문에 생체 재료의 가교제로 사용하기에는 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 반면에, 본 발명에서 가교제로 사용한 EDC와 같은 카보이미드 계열의 가교제는 반응성이 높고 세포독성도 낮음은 물론, EDC와 가교반응의 부가적인 생성물인 우레아 유도체가 수용성이기 때문에 가교반응 후 제거하기가 용이한 장점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

상술한 바와 같이, 양이온성의 키토산은 알진과 같은 음이온성 천연고분자와 이온결합을 통하여 겔을 형성하여 불용성의 고분자 전해질 복합체를 구성할 수 있다. 하지만 겔 형성과정에서 석출물이 발생하기 때문에 균일한 조직의 스폰지를 얻기 위해서는 적당한 pH의 조절과 원심분리 과정을 통하여 석출물을 제거해야 하며, 또한 스폰지 제조 후에도 화학적 가교구조에 비하여 기계적 물성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

이에 본 발명의 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 생체친화적 소재인 키토산, 젤라틴 및 알진을 혼합하여 스폰지를 제조하고자 하며, 상기 소재의 화학적 가교결합과 이온결합을 적절히 조절함으로써 기존의 젤라틴-알진 스폰지와 키토산-알진 스폰지의 단점을 보완하고자 하였으며, 상기 소재를 혼합시에 초음파를 조사함으로써 양이온성 키토산과 음이온성 알진의 이온결합으로 겔이 형성될 때 석출물이 발생하는 문제점을 해결할 수 있고, 또한 이온결합을 통해 제조된 스폰지가 기계적 물성이 떨어지는 단점을 보완하기 위하여 키토산과 알진의 비율을 특이성 있게 조절함으로써 젤라틴과의 화학적 가교결합을 유도할 수 있게 되어 보다 향상된 기계적 성질을 갖는 스폰지를 제조할 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 보다 균일한 구조를 가지며, 우수한 기계적 물성과, 항균력, 보습력 및 지혈작용 등의 물성을 갖는 진보된 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 1) 키토산 용액과 알진 용액을 초음파를 조사하면서 혼합하여 키토산-알진 혼합용액을 제조하는 단계, 2) 상기 혼합용액에 젤라틴 용액을 혼합한 다음 동결 건조시켜 스폰지를 제조하는 단계, 3) 상기 동결 건조된 스폰지를 가교반응시켜 가교구조를 형성하는 단계, 및 4) 상기 가교구조가 형성된 스폰지의 불순물을 제거하고, 탈수 및 건조시키는 단계를 포함하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 다음에서 상세하게 설명한다.

본 발명은 생체친화성과 생분해성을 갖는 키토산, 젤라틴 및 알진 용액을 사용하여 스폰지를 제조하고자 하며, 키토산 용액과 알진 용액을 혼합시에 강한 초음파를 조사함으로써 양이온성인 키토산과 음이온성인 알진의 이온결합으로 겔이 형성되면서 발생하는 석출물의 생성을 방지하여 균일한 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액에 젤라틴 용액을 첨가한 후 동결건조시킨 다음 가교시켜 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법을 제공하고자 하며, 이러한 본 발명에 의하면 키토산과 알진의 이온결합과 젤라틴, 키토산 및 알진의 화학적 가교결합을 동시에 유도할 수 있고, 특히 키토산과 알진의 혼합시 발생하는 석출물의 생성을 효율적으로 방지하여 보다 균일한 구조를 가지며, 유연성과 기계적 물성이 우수하고, 생체친화적 천연고분자의 효능을 다양한 분야에 활용가능한 효과가 있는 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 제조할 수 있다.

먼저, 본 발명에서는 키토산, 젤라틴 및 알진의 사용량을 조절함으로써, 화학적 가교구조의 형성이 원활하게 이루어지도록 하여 스폰지의 유연성과 기계적 물성을 유도할 수 있다. 이러한 키토산, 젤라틴 및 알진은 1 ∼ 6 : 1 ∼ 6 : 1 ∼ 3 중량비로 사용하는데, 상기한 키토산, 젤라틴 및 알진을 4 ∼ 6 : 1 ∼ 3 : 1 ∼ 3 중량비로 사용할 경우 보다 바람직한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 주성분인 키토산은 양이온성 고분자이므로 음이온성 고분자와의 이온결합을 통한 겔 형성이 가능하며, 또한 아미노 그룹을 포함하고 있기 때문에 카보이미드와 같은 가교제에 의하여 산과 화학적 가교결합이 가능하다. 이러한 키토산의 중량비가 상기 범위를 초과하면 화학적 가교결합이 약해지며, 중량비가 상기 범위 미만으로 적어지면 스폰지의 유연성이 감소하는 문제점이 있다. 젤라틴은 중량비가 상기 범위 미만이면 화학적 가교 구조의 감소로 인하여 스폰지의 기계적 성질이 감소하며, 중량비가 상기 범위를 초과하면 스폰지의 수분 흡수력이 감소하는 문제점이 있다. 알진은 중량비가 상기 범위미만으로 감소하면 스폰지의 유연성이 감소하며, 상기 중량비를 초과하면 키토산과 이온 결합이 증가하여 불용성의 겔로 석출되기 때문에 pH 조절 없이는 균일한 혼합용액을 제조하기가 어려운 단점이 있다. 상기와 같은 키토산, 젤라틴 및 알진은 0.5 ∼ 2 중량% 농도의 용액 상태로 제조하여 사용한다.

본 발명은 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 제조함에 있어서, 용액상태로 제조한 키토산과 알진의 혼합과정에서 초음파를 조사하여 균일한 혼합용액을 제조함에 그 기술구성상의 가장 큰 특징이 있다.

즉, 본 발명에서 사용되는 초음파는 키토산과 알진의 이온결합으로 용액이 혼합될 때 생성되는 겔 형태의 불용성 석출물을 방지하기 위하여 사용되며, 구체적으로 일례를 들자면, 이때 강한 초음파를 발생시키는 막대형태의 티타늄 봉을 키토산 용액의 상층부에 담근 후 알진 용액을 0.5 ∼ 2.0 ㎖/ 분의 속도로 서서히 초음파 발생부분에 첨가하여 제조한다. 이때 적용되는 초음파의 출력은 120 ∼ 280 와트(watt)이다. 초음파의 출력 범위가 120 와트 미만이면 석출물이 생성되고, 280 와트를 초과하면 기기 자체의 과부하 때문에, 가급적이면 상기 범위를 유지하도록 함이 바람직하다.

상기와 같이 초음파를 조사하면서 제조된 키토산-알진 혼합용액에 젤라틴 용액을 첨가하여 혼합한 다음 동결 건조시켜서 스폰지 상태로 제조한다. 상기 스폰지를 가교용액에 침지하여 화학적으로 가교반응시키는데, 본 발명에서 스폰지의 화학적 가교에 사용되는 가교제는 공지된 바와 같이 저독성이고 물에 세척함으로써 잔유물을 간단히 제거할 수 있는 장점을 가지고 있는 카보이미드 계열의 가교제를 사용하여 가교용액을 제조하는데, 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필카보이미드), 디사이클로카보이미드 및 1-에틸-3-(2-몰포리닐-4-메틸)카보이미드 등 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 가교제 혼합물을 0.3 ∼ 0.5 중량% 농도로 제조한 가교용액으로 사용한다. 이때 가교용액의 농도는 가교제의 가격이 상대적으로 비싼 단점이 있기 때문에 최소한의 양을 사용하지만 0.3 중량% 농도 미만인 경우 가교력이 떨어지는 문제점이 있으므로 유의해야 한다. 상기한 가교용액은 상기 키토산-젤라틴-알진 용액 사용량 100 중량부에 대하여 200 ∼ 500 중량부 사용한다.

상기 가교용액은 유기용매와 물의 혼합용액에 상기한 가교제를 용해시켜 제조하는데, 유기용매는 카보이미드와 반응성이 없고 반응 후 제거가 용이한 아세톤, 메틸에틸케톤 및 메틸이소부틸케톤 등과 같은 케톤류와 벤젠, 크실렌 및 톨루엔 등과 같은 방향족 유기용매를 사용할 수 있다. 그러나, 방향족 화합물의 경우 친수성이 낮기 때문에 물로 세척시 스폰지에 독성의 잔유물이 존재할 가능성이 높은 단점을 갖기 때문에, 본 발명에서는 상대적으로 저독성이며 친수성이 좋은 아세톤 등의 케톤류를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 유기용매는 증류수와 10 ∼ 90 : 90 ∼ 10 중량비로 혼합하여 사용한다.

상기와 같은 가교용액에 침지하여 가교반응시킨 스폰지를 증류수, 알콜 또는 이들의 혼합물을 사용하여 불순물을 제거하고, 탈수 및 건조하여 가교된 본 발명의 키토산-젤라틴-알긴 스폰지를 제조한다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 키토산-젤라틴-알긴 스폰지는 기존의 젤라틴-알진 스폰지 또는 키토산-알진 스폰지가 가진 기계적 물성이 좋지 못하던 단점이 개선되어 유연성의 부여 및 기계적 물성이 향상되고, 키토산, 젤라틴 및 알진이 가지는 생체친화적 천연고분자가 가지는 항균력, 보습력 및 지혈작용 등의 우수한 효능을 발현하여 상처 치료용 피복 재료 등의 각종 의료용 소재, 보습재 등의 화장품 소재 및 세포배양을 위한 지지체 등의 다양한 산업분야에 활용 가능하다.

이하 본 발명은 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1 ∼ 2

분말형태의 젤라틴과, 알진을 증류수에 용해시켜 2 중량% 농도의 젤라틴 용액과 알진 용액을 각각 제조하고, 키토산은 10 % 초산 용액에 용해시켜 2 중량% 농도의 키토산 용액을 제조하였다.

상기 키토산 용액에 강한 초음파가 발생되는 티타늄 봉을 넣은 후 초음파를 조사하면서 알진 용액을 분당 2 ㎖ 의 속도로 서서히 첨가하고 여기에 초음파를 2분씩 3회 반복 조사하여 균일하게 혼합한 다음 젤라틴 용액을 혼합하였다.

상기 키토산-젤라틴-알진 혼합용액을 일부 취하여 몰드에 붓고 -10 ∼ -20 ℃ 냉동실에서 3 시간 동안 냉동시킨 후 -50 ∼ -60 ℃에서 12시간 이상 동결-건조시켜서 스폰지를 얻었다.

상기 스폰지를 증류수와 아세톤을 2 : 18 중량비로 혼합한 용액에 EDC를 첨가하여 그 농도가 0.5 중량%가 되도록 제조한 가교용액을 상기 키토산-젤라틴-알진 용액 사용량 100 중량부에 대하여 500 중량부에 침지한 후, 상온에서 서서히 24 시간 동안 교반하여 가교반응을 수행하였다.

상기 가교된 스폰지는 증류수와 알콜이 50 : 50 중량비로 혼합된 용액에 담가 1시간 동안 교반시켜, 우레아 유도체와 EDC, 아세톤 등을 제거한 후, 95% 농도의 알콜 용액에 담가 탈수시키고 진공-건조하여 가교된 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 얻었다.

상기 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1 ∼ 2에서 사용된 키토산 용액, 젤라틴 용액 및 알진 용액의 사용량과 제조된 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 물성과 수분흡수력을 다음 표 1에 나타내었다.

상기 수분 흡수력은 다음 수학식 1에 의하여 계산하였다.

실시예 4 ∼ 6 및 비교예 3 ∼ 4

상기 실시예 1 ∼ 3과 같은 방법으로 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 얻을 때, 키토산의 사용량을 60 중량%로 고정하여 제조한 스폰지의 물성을 다음 표 2에 나타내었다.

실시예 7 ∼ 9 및 비교예 5 ∼ 6

상기 실시예 1 ∼ 3과 같은 방법으로 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 얻을 때, 젤라틴의 사용량을 60 중량%로 고정하여 제조한 스폰지의 물성을 다음 표 3에 나타내었다.

실시예 10 ∼ 12 및 비교예 7 ∼ 8

상기 실시예 1 ∼ 3과 같은 방법으로 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 얻을 때, 키토산-젤라틴-알진의 중량비를 60-20-20으로 고정하고 초음파의 강도를 40 ~ 280 watt로 변화시켜 제조한 스폰지의 물성을 하기 표 3에 나타내었다.

상술한 바와 같이, 생체 친화적이고 항균력 및 상처 치유력, 보습력이 우수한 천연고분자인 키토산, 젤라틴, 알진을 혼합한 스폰지를 제조함으로써 세 가지 천연고분자가 갖는 효능의 상승작용을 기대할 수 있는 기능성 소재로의 활용성이 유용하다.

또한, 상기 세 가지 천연고분자의 혼합비를 조절함으로써 키토산과 알진의 이온결합과 젤라틴과 키토산, 젤라틴과 알진의 화학적 가교결합을 동시에 유도함으로써 젤라틴-알진 스폰지와 키토산-알진 스폰지의 단점을 보완할 수 있는 기계적 물성이 향상된 스폰지를 제조할 수 있었으며, 특히, 키토산과 알진의 혼합시 강한 초음파를 조사하여 상기한 키토산과 알진의 이온결합에 의해 발생하는 석출물 형성을 방지함으로써 보다 균일한 구조의 스폰지를 효율적인 공정으로 제조할 수 있었다.

따라서, 본 발명의 방법에 의하면 초음파 조사와 키토산과 젤라틴, 알진의 조성비의 한정에 의하여 보다 균일한 입자를 가지는 키토산-젤라틴-알진 스폰지를 제조할 수 있으며, 상기한 키토산-젤라틴-알진 스폰지에 높은 유연성과 기계적 물성을 부여함으로써 생체친화적 천연고분자의 우수한 효능을 포함하는 의료용 소재, 화장품 소재, 상처 치료용 피복 재료 등으로의 활용 가능한 스폰지를 제조할 수 있다.

도 1은 실시예 3에 따라 키토산-젤라틴-알진의 중량비를 60 : 20 : 20으로 하여 제조한 스폰지의 단면을 200 배로 확대한 사진으로서, (a)는 가교반응 전의 사진이고, (b)는 가교반응 후의 사진이다.

도 2은 비교예 4에 따라 키토산과 알진의 중량비를 60 : 40 으로 하여 제조한 스폰지의 단면을 200 배로 확대한 사진으로서, (a)는 가교반응 전의 사진이고, (b)는 가교반응 후의 사진이다.

도 3은 비교예 6에 따라 젤라틴과 알진의 중량비를 60 : 40 으로 하여 제조한 스폰지의 단면을 200 배로 확대한 사진으로서, (a)는 가교반응 전의 사진이고, (b)는 가교반응 후의 사진이다.

Claims (6)

1) 키토산 용액과 알진 용액을 초음파를 조사하면서 혼합하여 키토산-알진 혼합용액을 제조하는 단계,

2) 상기 혼합용액에 젤라틴 용액을 혼합한 다음 동결 건조시켜 스폰지를 제조하는 단계,

3) 상기 동결 건조된 스폰지를 가교반응시켜 가교구조를 형성하는 단계, 및

4) 상기 가교 구조가 형성된 스폰지의 불순물을 제거하고, 탈수 및 건조시키는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 키토산, 젤라틴 및 알진은 1 ∼ 6 : 1 ∼ 3 : 1 ∼ 3 중량비로 사용되는 것임을 특징으로 하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 젤라틴 용액, 알진 용액 및 키토산 용액의 농도는 0.5 ∼ 2 중량%인 것임을 특징으로 하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 초음파는 출력이 120 ∼ 280 와트(watt)인 것임을 특징으로 하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지의 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 가교반응은 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필카보이미드), 디사이클로카보이미드 및 1-에틸-3-(2-몰포리닐-4-메틸)카보이미드 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 0.3 ∼ 0.5 중량% 농도로 포함된 가교용액을 상기 키토산-젤라틴-알진 용액 100 중량부에 대하여 200 ∼ 500 중량부 사용하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 불순물 제거는 증류수, 알콜 또는 이들의 혼합물을 사용하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 특징으로 하는 키토산-젤라틴-알진 스폰지 제조방법.