KR20180104386A - 다기능성 바이오나노복합 하이드로겔, 그의 제조방법 및 그의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생고분자 및 금속 나노입자를 포함하는 다기능성의 생분해성 나노복합 하이드로겔, 그의 제조방법, 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔을 포함하는 피부질환, 상처 또는 화상 치료용 드레싱, 및 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔을 포함하는 스킨 케어용 화장료 조성물에 관한 것이다.

Description

다기능성 바이오나노복합 하이드로겔, 그의 제조방법 및 그의 용도{Mutifunctional bionanocomposite hydrogel, method of manufacturing thereof and use thereof}

본 발명은 다기능성 바이오나노복합 하이드로겔, 그의 제조방법 및 그의 용도에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생고분자 및 금속 나노입자를 포함하는 생분해성 나노복합 하이드로겔, 그의 제조방법, 상기 다기능성 바이오나노복합 하이드로겔을 포함하는 피부질환, 상처 또는 화상 치료용 드레싱, 및 상기 다기능성 바이오나노복합 하이드로겔을 포함하는 스킨 케어용 화장료 조성물에 관한 것이다.

최근 세계적으로 급격한 환경의 변화와 기후변동으로 인해 피부질환의 발생이 급격히 증가하고 있으며 사회경제적 발전에 따라 삶의 질의 향상과 피부질환에 대한 관심의 고조되고 있어 새로운 기능성 피부보호제에 대한 요구가 증대되고 있다. 현재 스킨케어용품으로 널리 사용되고 있는 것 중에 하이드로겔을 사용하여 여기에 다양한 기능성을 부여한 제품이 널리 이용되고 있다.

하이드로겔(hydrogel)은 고분자 사슬이 3차원 망상구조를 갖고 있고 친수성 관능기 및 모세관현상과 삼투압현상에 의해 다량의 수분을 함유할 수 있는 친수성 고분자로서 상처드레싱, 콘택트 렌즈, 약물전달 시스템, 의료용 보형물 및 폐수처리용 담체 등으로 많이 이용되고 있으며 최근에는 얼굴에 수분 및 영양성분을 보충하기 위해 사용하는 마스크 팩(mask pack)의 소재로도 널리 이용되고 있다.

상기에서 언급한 분야에 사용하기 위한 하이드로겔은 다량의 수분을 흡수할 수 있는 능력과 적절한 물리적인 강도 및 일정한 형태를 유지해야 하는 형태안정성이 기본적으로 요구된다.

특히 상처 치료용이나 인체(피부) 접촉용으로 사용되는 하이드로겔은 인체에 독성이 없어야 하며, 사용시 외부로부터 오염을 막을 수 있고 상처나 피부에 접착이 용이할 뿐만 아니라 멸균이 가능하고 저장성이 우수하며 취급이 용이해야 한다.

현재 하이드로겔 소재로 폴리아크릴산과 폴리비닐 알코올 등이 널리 사용되고 있다. 이들은 수분의 흡수율이 높고 형태안정성이 우수하나 피부에 장시간 부착하고 있으면 피부를 자극하여 가려움증을 유발하는 등의 생체조화성이 다소 떨어지는 문제점이 제기되고 있다.

최근에는 환경 친화적이고 생체 조화성이 우수하며, 무독성의 재생가능한 소재인 생고분자 물질의 사용이 주목을 받고 있다. 그러나 대부분의 생고분자 물질은 기존의 플라스틱에 비해 물리적인 강도가 떨어지고, 수분에 대한 저항성이 약하며 가공성이 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 생고분자 소재의 문제점을 개선하기 위한 방법의 일환으로 생고분자에 소량의 나노점토나 나노금속 또는 나노섬유소와 같은 나노입자를 혼합하여 나노입자와 폴리머 사이의 결합강도를 증가시켜 물성이 증진된 나노복합체를 제조하는 기술이 이용되고 있다.

나노복합필름을 제조하므로 생고분자 하이드로겔의 물리적 강도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 나노복합체의 제조에 사용되는 나노입자들이 갖는 항균성, 항산회성, 자외선 차단성 등과 같은 다양한 기능성을 갖는 제품의 개발이 기대된다.

예로서, 생고분자에 금나노 입자를 첨가하여 외관의 증진 외에 서방형 약물 전달체로 개발한 바 있으며 (Expert Opin. Drug Deliv. 7(6): 753-763 (2010)), 은나노 입자와 철나노 입자(Fe₃O₄)를 첨가하여 카라기난 하이드로겔의 수분 흡수율을 증대시키고, 서방형 약물전달 시스템으로 개발한 것이 보고된 바 있고 (Biomaterials 29(4): 487-496 (2008); Nanotechnology 27(6): 085103 (2016); J. Mater. Chem. B, 1: 2874-2884 (2013), 나노점토인 sodium montmorillonite (Na-MMT)를 첨가했을 때 색소 흡착율이 증가한 것과 나노점토와 은나노입자를 카라기난에 첨가했을 때 UV 차단성과 항균성을 갖음을 보고한 바 있다 (Applied Clay Science 97-98: 174-181 (2014); Materials Scienece and Engineering C 32(8): 2349-2355 (2012); J. Mater. Chem. B, 3: 7237-7245 (2015)).

이외에도 ZnO와 CuO 나노입자를 여러 종류의 천연고분자에 첨가하여 필름을 제조하였을 때 이들 필름이 자외선 차단성과 강한 항균성을 보인 결과가 알려져 있다 (Food Hydrocolloids 45: 264-271 (2015); Materials Letters 132: 307-311 (2014)).

한편, 금속 나노입자가 혼합된 하이드로겔을 이용한 생체 적합성을 갖는 표면증강라만산란 패치 (한국공개특허 제10-2011-0027366호), 수소결합성 하이드로겔 및 전기전도성 물질을 포함하는 전기전도성 하이드로겔 복합재료 (한국공개특허 제10-2015-0024490호) 등이 개시되어 있으나, 본 발명의 생고분자 및 금속 나노입자를 포함하는 생분해성 나노복합 하이드로겔 및 그 용도에 대해서는 개시되어 있지 않다.

따라서, 본 발명에서는 금속 또는 산화금속형의 나노입자를 대규모로 생산하고 이를 안전성과 생체조화성이 검증된 생고분자에 분산 혼합하여 나노복합형의 하이드로겔 타입과 건조필름형으로 제조하고 또한 이들 나노입자를 거즈나 탈지면에 도포한 상처치료용 드레싱으로 개발하고, 또한 이들 나노입자를 크림에 분산시킨 크림형 제품으로 개발하여 사용이 간편하고 지속적으로 기능성이 유지되는 신개념의 피부질환치료제 또는 피부보호제를 개발하고자 하였다.

이에 본 발명의 발명자들은 매년 재생이 가능하고 환경 친화적이며, 인체에 무해하고 수분흡수율이 높은 천연 생고분자와 금속 나노입자와 기타 친환경 첨가물을 혼합하여 피부에 자극이 없고, 적절한 강도와 규격 안정성을 갖는 다기능성 바이오 나노복합 스킨케어 용품을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 생고분자와 금속 나노입자를 활용하여 환경 친화적인 생분해성의 다기능성 나노복합 하이드로겔을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 생분해성의 다기능성 나노복합 하이드로겔을 제조하는 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생분해성 나노복합 하이드로겔의 용도로서, 피부질환, 상처 또는 화상 치료용 드레싱, 및 스킨 케어용 화장료 조성물을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 생고분자 및 금속 나노입자를 포함하는 생분해성의 다기능성 나노복합 하이드로겔을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a) 생고분자, 금속 나노입자 및 가소제를 용매에 첨가하여 용해시키는 단계, (b) 상기 용해시킨 용매를 균질화하여, 나노입자가 균질하게 분산된 하이드로겔 용액을 얻는 단계, 및 (c) 상기에서 얻은 하이드로겔 용액을 겔화시키는 단계를 포함하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 탈지면 또는 거즈에, 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔이 도포되어 있는 드레싱을 제공한다.

또한, 본 발명은 생분해성 나노복합 하이드로겔 및 크림 베이스를 포함하는, 스킨 케어용 화장료 조성물을 제공한다.

본 발명은 보습력이 우수하고, 물리적인 강도가 크며 규격안정성이 우수한 생체조화형의 다기능성의 바이오 나노복합 제재의 스킨케어 용품을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다기능성 바이오 나노복합 스킨케어 용품 제조시, 주름제거제, 미백제, 화장수, 여드름 치료제, 피부질환 치료제, 항산화제, 진통소염제, 상처치료제, 건선치료제 중에서 선택된 어느 하나의 기능성 제제를 포함하도록 하여 다기능성 바이오 나노복합 스킨케어 용품을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다기능성 나노물질과 상기의 기능성 물질을 크림베이스에 혼합하여 피부 도포용의 기능성 크림 제재나 나노 화장품을 제공할 수 있다.

도 1은 산화아연 나노입자(ZnO NPs)의 제조 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 산화구리 나노입자(CuONPs)의 제조 공정도를 나타낸 것이다.
도 3a는 산화아연(ZnO) 나노입자의 FE-SEM 마이크로그래프, 도 3b는 산화구리(CuO) 나노입자의 FE-SEM 마이크로그래프를 나타낸 것이다.
도 4a는 산화아연 나노입자의 XRD 스펙트라, 도4b는 산화구리 나노입자의 XRD 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 5a는 산화아연 나노입자의 FTIR 스펙트라, 도5b는 산화구리 나노입자의 FTIR 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 6은 pH에 따른 카라기난 하이드로겔 필름의 팽윤도 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 카라기난 필름의 팽윤도에 미치는 CaCO₃의 농도의 영향을 나타낸 것이다.
도 8은 나노하이드로겔 필름의 팽윤도를 나타낸 것이다.
도 9a는 각종 하이드로겔의 모습, 도 9b는 카라기난/Cu 나노입자 나모복합 필름, 도 9c는 나노복합 하이드로겔, 도 9d는 각종 하이드로겔 필름을 나타낸 것이다.
도 10은 필름의 표면과 단면의 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, (1)은 카라기난, (2)는 카라기난-KCl, (3)은 카라기난-KCl/ZnONPs 1%, (4)는 카라기난-KCl/CuNPs 1%, (5)는 ZnONPs 0.5% /CuNPs 0.5%의 외관을 나타낸 것이다.
도 11은 카라기난 하이드로겔 필름의 광학적 특성 및 외관을 나타낸 것으로서. (a)는 광투과도, (b)는 흡광도, (c)는 필름의 외관을 나타낸 것으로서, (1)은 카라기난, (2)는 카라기난-KCl, (3)은 카라기난-KCl/ZnONPs 1%, (4)는 카라기난-KCl/CuNPs 1%, (5)는 ZnONPs 0.5% /CuNPs 0.5%의 외관을 나타낸 것이다.
도 12a는 나노컴포지트 카라기난필름의 L. monocytogenes에 대한 항균 특성, 도 12b는 나노컴포지트 카라기난필름의 E. coli 에 대한 항균 특성을 나타낸 것이다.
도 13은 여러 가지 나노입자의 UV-가시광선 스펙트라(UV-visible spectra)를 나타낸 것이다.
도 14는 여러 나노입자들의 전자현미경 사진(Transmission Electron Micrographs)을 나타낸 것이다.
도 15는 여러 가지 나노입자들의 FTIR 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 16은 여러 가지 나노입자들의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 17은 젤라틴 필름과 젤라틴 나노복합 필름의 전자현미경 사진(FE-SEM micrographs)을 나타낸 것이다.
도 18은 젤라틴 필름과 젤라틴 나노복합 필름의 UV-가시광선 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 19a는 젤라틴 필름과 젤라틴 나노복합 필름의 E. coli ATCC 25922에 대한 항균성, 도 19b는 젤라틴 필름과 젤라틴 나노복합 필름의 S. epidermis KCT1917에 대한 항균성을 나타낸 것이다.
도 20은 기능성 나노입자 함유 크림 제제를 나타낸 것이다.
도 21은 상기 크림 제제의 E . coli에 대한 항균성을 나타낸 것이다.

본 발명은 생고분자 및 금속 나노입자 를 포함하는 생분해성 나노복합 하이드로겔에 관한 것이다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔에서, 상기 생고분자는 카라기난, 젤라틴, 밀단백, 대두단백, 유청단백, 펙틴, 알긴산, 키토산 및 아가 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 생분해성의 다기능성 나노복합 하이드로겔에서, 상기 금속 나노입자는 산화아연 나노입자, 산화구리 나노입자, 나노은입자, 나노금입자 및 나노산화티타늄입자 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔에서, 상기 생고분자 100 중량부에 대하여, 상기 금속 나노입자 1~10 중량부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 (a) 생고분자, 금속 나노입자 및 가소제를 용매에 첨가하여 용해시키는 단계, (b) 상기 용해시킨 용매를 균질화하여, 나노입자가 균질하게 분산된 하이드로겔 용액을 얻는 단계, 및 (c) 상기에서 얻은 하이드로겔 용액을 겔화시키는 단계를 포함하는, 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 생고분자는 카라기난, 젤라틴, 밀단백, 대두단백, 유청단백, 펙틴, 알긴산, 키토산 및 아가 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 금속 나노입자는 산화아연 나노입자, 산화구리 나노입자, 나노은입자, 나노금입자 및 나노산화티타늄입자 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 가소제는 글리세린, 폴리에틸렌 글리콜, 트리에틸 시트레이트 및 솔비톨 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 (a) 단계는 상기 생고분자 100 중량부에 대하여, 상기 금속 나노입자 1~10 중량부 및 상기 가소제 25~40 중량부를 용매에 첨가하여 용해시킬 수 있다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 용매는 증류수, 알코올 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 용해는 85~95℃, 바람직하게는 95℃에서, 15~30 분간, 바람직하게는 20분간 가열하면서 용해시킬 수 있다.

본 발명의 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법에서, 상기 (a) 단계의 균질화는 500∼2,000 rpm, 바람직하게는 1000~1500 rpm으로, 12∼24시간, 바람직하게는 15~20시간 동안 교반시킨 후, 20∼100 kHz, 바람직하게는 40∼80 kHz의 초음파를 10∼20분 동안 처리하여 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 탈지면 또는 거즈에, 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔이 도포되어 있는 드레싱에 관한 것이다.

본 발명의 상기 드레싱은 피부질환 치료용, 상처 치료용 또는 화상 치료용일 수 있다.

본 발명의 상기 드레싱은상기 드레싱은 식물 추출물을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 드레싱에서, 상기 식물은 비쑥(Artemisia scoparia), 함초, 잠몽씨추출물, 녹차추출물 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 상기 생분해성 나노복합 하이드로겔 및 크림 베이스를 포함하는 스킨 케어용 화장료 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 상기 스킨 케어용 화장료 조성물에서, 상기 크림 베이스는 화장품 제조시에 사용되는 공지의 크림 베이스를 사용하는 것으로 족하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명의 상기 스킨 케어용 화장료 조성물은 자몽 추출물을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 스킨 케어용 화장료 조성물에서, 상기 자몽 추출물은 자몽씨, 자몽 껍질, 또는 자몽 씨와 껍질로부터 추출한 것일 수 있다.

본 발명의 상기 스킨 케어용 화장료 조성물에서, 상기 자몽 추출물의 추출 방법은 공지된 방법, 예컨대 알코올, 물 및 글리세롤 혼합 추출 용매를 사용하여 추출하는 것으로 족하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이하 본 발명의 내용을 실험 예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 나노입자의 제조

1. 나노산화아연(ZnO nanoparticles)의 제조

나노산화아연(ZnO NPs)을 아연의 원료인 질화 아연에 NaOH를 가수분해제로 사용하여, 도 1에 표시한 공정에 따라 제조하였다.

이를 위해 29.75 g의 0.1 M 질화 아연을 1000 mL의 증류수에 용해시키고 끓는점까지 가열하고, 여기에 40 mL의 5 M NaOH 용액을 첨가하여 90℃에서 2시간 동안 가열하였다.

이때 백색 침전물이 생성되는데, 이것이 산화아연 나노입자(ZnO NPs)이었다. 침전물을 원심분리에 의해 수집하고, 증류수로 3회, 무수 알코올로 2회 세척한 후, 70℃에서 6 시간 건조하여 분말을 얻었다.

상기에서 얻은 ZnO NPs 분말을 밀봉하여 상온에 보관하면서, 나노복합 필름의 제조에 사용하였다.

2. 나노산화구리( CuO nanoparticles )의 제조

나노 산화구리(CuO NPs)를 염화구리를 원료로 사용하고, NaOH를 가수분해제로 사용하여 도 2의 공정에 따라 제조하였다.

34.96 g의 0.2 M 염화구리를 1000 mL의 증류수에 용해시켜 끓는점까지 가열한 후, 60 mL의 5 M NaOH 용액을 가한 다음, 90℃에서 2시간 동안 가열하여, CuO NPs가 갈색 침전물로 얻어졌다.

상기 침전물을 원심 분리에 의해 수집하고, 증류수로 3회, 무수알코올로 2회 세척한 후, 70℃에서 6시간 동안 건조하여 분말을 얻었다.

상기에서 얻은 CuO NPs 분말을 밀봉하여 상온에 보관하면서, 나노복합 필름의 제조에 사용하였다.

3. 나노입자의 특성 조사 (Characterization of nanoparticles )

산화아연과 산화구리 나노입자의 미세구조를 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, S-4800, Hitachi Co., Ltd., Matsuda, Japan)를 사용하여 조사하였다. 이를 위해 산화아연과 산화구리 나노입자 분말을 카본 테이프로 고정한 후, 가속 전압(acceleration voltage) 10.0 kV로 관찰하였다.

나노입자의 결정 구조는 X-ray 회절도를 측정하여 조사하였다.

- Cu Kα 방사선 (파장: 0.1541 nm)

- 니켈 모노크로메이터 여과 파장

- 40 kV 및 30 mA로 가속

이때, 회절 패턴(diffraction pattern)은 2θ=30-80의 회절각에서 0.4°/분의 스캐닝 속도로 측정하였다.

나노입자의 Fourier transform infrared(FT-IR) 스펙트라를 oattenuated total reflectance-Fourier transform infrared(AT-FTIR) 스펙트로포토미터(TENSOR 37 spectrophotometer, Billerica, MA, USA)를 사용하여 4 cm^-1의 해상도(resolution)로 4000~500 cm^-1의 파장수 범위에서 측정하였다.

4. 결과 및 고찰

본 연구에서 제조된 ZnO NPs는 백색 분말로 생산량(yield)는 25 wt% (7.5g의 ZnO NPs/29.75g의 질화아연)이었다. 반면에 CuO 나노입자는 진한 갈색의 분말로서 생산량이 약 30 wt% (12g의 CuO NPs/34.96g의 염화구리)이었다.

도 3a 및 도 3b는 ZnO와 CuO 나노입자의 SEM 마이크로그래프를 보여주고 있다. ZnO 나노입자는 구형으로 크기가 50~100 nm이었으며, 100~200 nm 크기의 균일한 클러스터를 형성했다. 반면에 CuO 나노입자는 막대모양 (rod shape)으로 그 크기가 100~200 nm이었다.

도 4a 및 도 4b는 나노입자들의 XRD 패턴을 보여주고 있다. 모든 나노입자들은 결정형 구조를 보이고 있으며, 각 나노입자의 특징적인 회절 피트를 보여주고 있다.

도 5a 및 도 5b는 ZnO와 CuO 나노입자의 FTIR 스펙트라 결과를 보여주고 있다.

ZnO 나노입자의 865 cm^-1에서의 아연의 사면체 배위(tetrahedral coordination)의 형성에 기인하며, 650~700 cm^-1에서 나타난 피크는 ZnO 나노입자의 스트레치 진동(stretching vibrations)에 의한 것이다.

반면에, 670 및 686 cm^-1에서 나타난 피크는 Cu-O의 스트레치 진동에 의한 것이다.

<실시예 2> 카라기난을 이용한 기능성 하이드로겔의 제조

1. 재료

κ-카라기난은 한국카라겐 (화순, 전남)에서 구입하였으며, 염화구리(CuCl₂·2H₂O)와 질화아연(N₂O₆Zn·6 H₂O)는 덕산화학(Duksan Pure Chemical Co., Ltd., Ansan, Gyonggido, Korea)에서 NaOH는 삼천화학 (Samchun Pure Chemical Co., Ltd., Pyeongtaek, Gyonggido, Korea), 염화칼륨(KCl)과 구연산, 젖산 및 글리세린은 대정화학(Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Siheung, Gyonggido, Korea)에서 구입하여 사용하였다.

2. 방법

대조구 카라기난 필름을 제조하기 위해 3g의 카라기난(2% w/v)과 0.9g의 글리세린(카라기난의 30%)을 150 mL의 증류수에 넣고 90C에서 20분간 가열하면서 용해시킨 후, 테플론 필름(Cole-Parmer InstrumentCo., Chicago, IL, USA)으로 코팅한 유리판(24 cm × 30 cm) 위에 캐스팅하고, 상온에서 건조하였다.

카라기난 하이드로겔 필름은 카라기난의 겔형성을 촉진시키기 위해, 위의 카라기난 필름용액에 2.5 mL의 1 M KCl 용액을 첨가하여 상기의 방법으로 필름을 제조하였다.

카라기난 나노복합 하이드로겔 필름은 앞서 서술한 바와 같은 카라기난 필름 용액에 1 wt%의 산화아연 나노입자(ZnO NPs), 1 wt%의 구리 나노입자(CuO NPs) 및 0.5 wt%의 ZnO NPs와 0.5 wt%의 Cu NPs를 혼합첨가하여 3종의 나노복합 필름을 제조하였다.

필름의 수분 흡착능을 표시하는 팽윤도(swelling ratio)는 일정한 크기의 시료(2.5 cm×5 cm)를 증류수에 침지한 후 일정시간 간격으로 시료를 꺼내 표면수를 제거한 후, 무게를 측정하여 다음 식 1에 따라 수분흡착능을 백분율로 표시하였다.

<식 1>

여기에서, W₁은 필름의 초기무게, W₂는 침지후의 무게이다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 팽윤도(swelling ratio)

하이드로겔 필름의 팽윤도에 미치는 pH의 영향을 조사하기 위해 필름용액의 pH를 달리하여 조사한 결과는 도 6과 같았다.

도 6에서 보는 바와 같이, 일반적으로 팽윤도는 침지시간이 15분까지는 급격히 증가하였으나, 그 이후에는 증가속도가 느려지거나 일정한 값을 나타내었다. pH가 낮을수록 팽윤도는 높았으나, 겔의 안정성은 다소 떨어지는 현상이 있었다.

팽윤도에 미치는 CaCO₃의 첨가효과를 조사하기 위하여, CaCO₃의 농도를 변화시키면서(5, 10, 15, 20%), 카라기난 하이드로겔 필름의 팽윤도를 조사한 결과는 도 7과 같았다.

도 7에서 보는 바와 같이, CaCO₃의 첨가는 카라기난 필름의 팽윤도를 증가시킬 뿐 아니라 겔의 안정성도 증가시켰는데, 5%를 첨가했을 때 가장 높은 효과를 나타내었다.

따라서, 필름의 안정성 증진을 위해, 카라기난 필름 용액의 pH를 10으로 조정하고, 5%의 CaCO₃를 첨가하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다.

3.2. 나노금속입자(산화아연, 구리)의 첨가 효과

카라기난 하이드로겔 필름에 기능성을 부여하기 위하여, 나노금속 입자를 혼합하여 나노하이드로겔 필름을 제조하여 그 팽윤도를 조사한 결과는 도 8과 같았다.

도 8에서 보는 바와 같이, 1%의 ZnO NPs를 첨가한 나노하이드로겔 필름은 팽윤도가 증가하였으나, Cu NPs을 첨가한 것은 팽윤도가 감소하였으며, Cu NPs를 1% 첨가한 경우는 겔형성을 저해하였다.

3.3. 하이드로겔의 물리적 강도

하이드로겔의 물리적인 강도를 레오메터(Sun Rheo Meter Compac-100II, Tokyo Maruichishoji Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 사용하여 콤프레션 모드(compression mode)로 다음의 조건에서 측정하였다.

- 헤드 스피드(head speed) : 100 mm/min

- 최대 로드셀(maximum load cell): 10 kg

- 인장 거리(tension distance): 70%.

3.4. 카라기난 하이드로겔의 강도에 미치는 나노금속의 첨가 효과

카라기난 하이드로겔의 강도에 미치는 나노금속의 첨가 효과를 조사한 결과를 표 1에 나타내었다.

도 9a는 각종 하이드로겔의 모습, 도 9b는 카라기난/Cu 나노입자 나모복합 필름, 도 9c는 나노복합 하이드로겔, 도 9d는 각종 하이드로겔 필름을 나타낸 것이다.

3.5. 카라기난 나노복합 필름의 인장특성

카라기난 나노복합 필름의 인장특성을 조사한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

3.6. 카라기난 하이드로겔 필름의 미세구조

전자주사현미경(SEM)을 사용하여 카라기난 하이드로겔 필름의 표면과 단면의 미세구조를 조사한 결과는 도 10과 같다.

도 10에서, (1)은 카라기난, (2)는 카라기난-KCl, (3)은 카라기난-KCl/ZnONPs 1%, (4)는 카라기난-KCl/CuNPs 1%, (5)는 ZnONPs 0.5%/CuNPs 0.5%의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.

3.7. 카라기난 하이드로겔 필름의 광학적 특성 및 외관

카라기난 하이드로겔 필름의 투광도, 흡광도 및 외관은 도 11에 나타난 바와 같다. ZnO 나노입자를 첨가한 필름은 백색을 띠고, CuO 나노입자를 첨가한 필름은 갈색을 나타냈다.

ZnO 나노입자와 CuO 나노입자를 첨가한 필름 모두 UV-B 범위의 파장에서 광투과성이 떨어져, 이들 필름이 자외선 차단성이 강함을 확인하였으며, 이는 스킨케어용품의 개발에 적합하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

3.8. 나노복합 필름의 항균 특성

나노복합 카라기난필름의 L. monocytogens와 E. coli 에 대한 항균 특성을 조사한 결과는 도 12a 도 12b와 같았다.

도 12a 도 12b에서 보는 바와 같이, 나노금속을 첨가한 카라기난 필름은 그램 양성 균인 L. monocytogens와 그램 음성 균인 E. coli 에 대해 뚜렷한 항균 특성을 나타냈다.

이러한 나노필름이 갖는 항균 특성은 스킨케어 용품으로서의 가치를 증진시켜 줄 수 있는 것으로 생각된다.

<실시예 3> 피부질환(여드름) 치료용 기능성 바이오 나노복합 필름 개발

1. 서론

여드름은 전세계 청소년들의 85% 정도가 경험하는 피부질환으로 Propionibacterium acne, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli , Staphylococcus aureus와 같은 세균에 감염되면 이들 세균이 내는 지용성 효소에 의해 피부에 질환을 일으킬 뿐만 아니라, 호르몬 불균형과 면역 과민성(immune hypersensitivity)을 초래하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 자외선이나 기타 독소성분에 의해 발생하는 자유라디칼이 피부세포에 손상을 초래하며 건강한 피부세포를 파괴하여 피부에 흉터를 남기게 된다. 이러한 피부 질환을 치료하기 위해 피부 연고제나 경구 제재가 사용되고 있으나, 이러한 제재를 장기적으로 사용하면 항생제 내성의 세균이 발생할 위험이 있다.

본 연구에서는 기능성을 갖는 나노입자를 첨가한 천연 고분자 하이드로겔을 제조하여 피부를 보호하고 여드름과 같은 피부 질환을 치료할 수 있는 생체 조화형의 바이오 나노복합 하이드로겔형의 스킨케어 용품을 개발하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 재료

따로 명기하지 않은 모든 화학약품은 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)로부터 구입하여 사용하였다. Tryptic soy broth(TSB)와 brain heart infusion broth(BHI) 및 아가 분말은 덕산화학 (Duksan Pure Chemicals Co., Ltd., Ansan, Gyeonggi-do, Korea)에서 구입하였다.

항균성 시험용 미생물(Escherichia coli ATCC 25922, Staphylococcus epidermis KCTC 1917)은 한국종균협회 (Korean Collection for Type Cultures, KCTC, Seoul, Korea)에서 구입하여 사용하였다.

2.2. 비쑥 ( Artemisia scoparia ) 추출액

내염성 식물인 비쑥(Artemisia scoparia)을 2014년 5월 전남 해안에서 채취한 것을 사용하였다. 이 식물의 지상부를 스팀 가열하고 45℃에서 2 일간 건조한 후, 모르타르를 사용하여 분쇄하고 -70℃에 보관하면서 사용하였다.

건조분말 4 kg을 40 L의 증류수에 혼합하여 121℃에서 30분간 추출한 후 No. 2 필터 페이터(Whatman, Maidstone, UK)를 사용하여 비쑥 추출액을 얻었다.

2.3. 금속 나노입자의 제조

금, 은, 구리 나노입자 및 이들을 2가지 합친 바이메탈릭(bimetallic) 나노입자를 앞에 서술한 방법으로 제조하였다.

10 mL의 비쑥 추출액을 490 mL 의 증류수에 질소 가스를 주입시키면서 혼합하며 70℃로 가열하였다. 금(Au NPs), 은(Ag NPs), 및 구리(Cu NPs) 나노입자를 제조하기 위해 각각 0.5 mL의 1 M의 Gold (III) chloride trihydrate(HAuCl₄), 질화은(AgNO₃), 및 copper (II) nitrate trihydrate (CuN₂O₃)를 AS 추출액에 서서히 첨가한 후 용액의 색깔이 변할 때까지 가열하였다.

바이메탈릭 나노입자를 제조하기 위해서, 0.25 mL(1 M)의 각 금속염용액(HAuCl₄ and AgNO₃; HAuCl₄ and CuN₂O₃; AgNO₃ and CuN₂O₃)을 위와 같은 방법으로 AS추출액에 첨가한 후 가열하였다.

이와 같이 제조한 나노입자들을 각각 AuNPs(금), AgNPs(은), CuNPs (구리), AuAgNPs(금-은), AuCuNPs(금-구리) 및 AgCuNPs(은-구리) 나노입자로 표시하였다.

2.4. 나노입자의 특성 연구

나노입자가 형성되는 것을 용액의 빛깔이 변하는 것으로 확인하고, UV-visible spectrophotometer(Mecasys Optizen POP Series UV/Vis, Seoul, Korea)를 사용하여 200~700 nm 범위에서 흡광도를 측정하여 조사하였다.

나노입자의 모양과 크기는 transmission electron microscopy(TEM, JEOL-1010 instrument, Tokyo, Japan)를 사용하여 가속 전압 120 kV의 조건으로 측정하였다.

나노입자의 Fourier transform infrared(FT-IR) 특성과 XRD 특성은 앞서 서술한 방법에 따라 조사하였다.

나노입자의 표면 부하(surface charge)는 제타 퍼텐셜(zeta potential을 측정하였고, 입자의 크기는 Zeta PALS-zeta potential analyzer(Brookenhaven Instruments Corporation, NY, USA)를 사용하여 dynamic light scattering(DLS) 방법으로 측정하였다.

2.5. 나노입자의 항균성

그램 양성(S. epidermis) 및 그램 음성(E. coli) 병원성 세균에 대한 나노입자의 항균성을 브로쓰 마이크로 희석(broth microdilution) 방법을 사용하여 최소 저해농도(MIC) 및 최소 살균농도(MBC)로 측정하였다.

2.6. 젤라틴/나노입자 복합필름의 제조

젤라틴필름 및 젤라틴/나노입자 복합필름을 solution casting method을 사용하여 제조하였다.

젤라틴/NPs 나노복합 필름의 제조를 위해 4 g의 젤라틴을 상기 제조된 150 mL의 나노입자 용액에 첨가하여 용해시킨 후, 1.2 g의 글리세롤을 첨가하고 80℃에서 20 분간 가열한 후, 수평의 유리판에 캐스팅한 다음, 건조하여 필름을 제조하였다.

모든 필름은 25℃와 50% RH로 조절된 습도 챔버(model FX 1077, Jeio Tech Co. Ltd., Ansan, Korea)에서 48시간 이상 커디셔닝을 한 후, 시료로 사용하였다.

이렇게 제조된 젤라틴/NPs 복합필름을 각각 젤라틴/AuNPs, 젤라틴/AgNPs, 젤라틴/CuNPs, 젤라틴/AuAgNPs, 젤라틴/AuCuNPs, 젤라틴/AgCuNPs로 표기하였다.

2.7. 젤라틴/나노입자 복합필름의 특성

2.7.1. 미세구조 및 공학 특성

필름의 미세구조는 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM, S-4800, Hitachi Co., Ltd., Matsuda, Japan)를 사용하여 가속 전압 5.0 kV에서 조사하였다.

필름의 표면색은 백색 표준 플레이트(L = 97.75, a = -0.49, and b = 1.96)를 배경으로 크로마 미터(Konica Minolta, CR-400, Tokyo, Japan)를 사용하여 측정하였고, 총색차(total color difference, E)는 하기의 식 2에 따라 계산하였다.

<식 2>

필름의 광학 특성은 UV-vis spectrophotometer(Mecasys Optizen POP Series UV/Vis, Seoul, Korea)를 사용하여 조사하였으며, 필름의 자외선 차단성과 투명도를 280 nm(T₂₈₀) 와 660 nm(T₆₆₀)에서 광 투과도를 측정하여 조사하였다.

2.7.2. 필름의 인장 특성

필름의 인장 강도(tensile strength, TS), 연신율(elongation at break, E) 및 탄성률(elastic modulus)를 ASTM D 882-88 표준 방법에 따라 Instron Universal Testing Machine(Model 5565, Instron Engineering Corporation, Canton, MA, USA)를 사용하여 측정하였다.

2.7.3. 필름의 수분함량(MC)과 수분 접촉각 ( WCA )

필름의 친수성 또는 소수성의 지표가 되는 수분 접촉각을 WCA analyzer(model Phoenix 150, Surface Electro-Optics Co., Ltd., Kunpo, Korea)를 사용하여 측정하였다.

필름의 수분함량은 필름을 105℃에서 24시간 동안 건조한 후, 무게 차에 의해 결정하였다.

2.7.4. 필름의 항균 특성

젤라틴 필름과 젤라틴/나노메탈 복합 필름의 S. epidermis 와 E. coli에 대한 항균성을 viable colony count 방법을 사용하여 측정하였다.

먼저 S . epidermis와 E. coli를 각각 20 mL의 BHI 및 TSB 브로쓰에 무균적으로 접종한 후 37℃에서 16시간 동안 배양하였다.

각 배양액을 5000 rpm에서 10 분간 원심 분리하여 얻은 셀 펠릿(cell pellet)을 100 mL의 멸균 TSB 및 BHI 브로쓰에 용해시킨 후, 멸균 증류수로 10배씩 희석하였다.

이 용액 50 mL(10⁶~10⁷ CFU/mL)를 필름 시료 (5 cm×5 cm)를 넣은100 mL의 코니칼 플라스크에 넣고 37℃에서 12시간 동안 배양하였다. 동일한 비율로 희석한 브로쓰를 대조구로 사용하였다.

3시간 간격으로 시료를 채취하여 생균수를 콜로니 카운팅 방법으로 측정하였다. 항균성 실험은 따로 제조된 필름을 사용하여 3 반복 실시하였다.

2.7.5. 필름의 항산화성

필름의 항산화성 조사를 위해, 200 mg의 필름 시료를 10 mL의 재증류수에 용해시켜 20 mg/mL 필름 용액을 얻어, 이를 사용하여 DPPH radical scavenging assay, ABTS⁺ radical scavenging assay 및 Ferric reducing (FRAP) ability assay 방법을 사용하여 항산화성을 조사하였다.

2.8. 통계분석

필름의 특성은 3반복 실험하여 각 실험치를 구하고, 데이터를 mean±SD (standard deviation)으로 표시하였다.

통계분석은 SPSS software (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 사용하여 one-way analysis of variance (ANOVA)를 행하고, 처리구간의 차이분석을 유의수준 5%를 사용하여 Duncan’s multiple range test를 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 나노입자의 특성

비쑥 추출액을 사용하여 제조한 단일 또는 2종의 금속 나노입자 용액의 색깔이 변하는 것으로 나노입자가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 초기에는 용액이 무색이었으나, AuNPs, AgNPs, CuNPs, AuAgNPs, AuCuNPs, AgCuNPs가 생성되면서, 용액의 색이 ruby red, brownish yellow, pale brown, pale ruby, brownish red, pale yellow로 변하였다 (도 13).

이러한 색의 변화는 각각의 나노입자들의 표면 플라즈몬 진동(surface plasmon vibrations)에 기인한다.

또한, 나노입자가 형성되는 것을 분광광도계를 이용하여 조사하였는데, 금, 은, 구리 나노입자의 최대 흡수파장이 각각 558, 424, 344 nm에서 관찰되었으며, 바이메틸릭 나노입자의 경우 피크가 브로드해 졌다 (도 13).

한편, 나노입자들의 미세구조를 TEM을 사용하여 조사한 결과는 도 14에 보인 바와 같은데, 모든 나노입자들은 구형을 이루었고, 그 크기는 종류에 따라 다음과 같이 20~120nm 크기를 나타냈다. AuNPs(20~30nm), AgNPs(20~50nm), CuNPs(<15nm), AuAgNPs(10~20nm), AuCuNPs(20~30nm), AgCuNPs(80~120nm).

그러나, dynamic light scattering(DLS) 법으로 측정한 입자들의 크기는 표 3에 보인 바와 같이 100 nm 이상이었다.

3300, 2931, 1749, 1635, 1550, 1456, 1240, 1033, 921, 846 cm^-1에서의 진동 피크는 아민의 N-H 또는 카르복실산 또는 물의 O-H 스트레치, 알칸의 C-H 스트레치, 카르복실산의 C=O 스트레치, 1차 아민의 N-H 벤드, 방향족환의 C-C 스트레치, 알칸의 C-H 벤드, 방향족 아민의 C-N 스트레치 또는 알코올이나 카르복실산의 C-O s스트레치, 알리파틱 아민의 C-N 스트레치, 카르복실산의 O-H 벤드, 페놀 화합물(phenolic compounds)의 N-H에 기인한다.

이들 피크들은 비쑥 추출액이 나노입자의 캡핑 물질로 사용하고 있음을 의미한다.

또한, 나노 금속입자들의 XRD 패턴은 도 16에 나타낸 바와 같다.

도 16에서 보는 바와 같이, 모든 나노입자들은 다결정질(polycrystalline) 특성을 보이고, 각각 금, 은, 동 나노입자의 특징적인 회절 피크를 보였다. 모든 나노입자들은 강한 (111) 결정형 피크를 보였다.

콜로이드 시스템에서의 나노입자들의 안정성을 조사하기 위하여, 나노입자들의 제타 포텐셜(Zeta-potential)을 측정한 결과를 상기의 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에서 보는 바와 같이, AuNPs, AgNPs, CuNPs, AuAgNPs, AuCuNPs, AgCuNPs 나노입자의 제타포텐셜은 각각 -22.7±1.4, -42.3±3.4, -25.2±1.8, -23.4±2.6, -22.1±2.7, -16.5±1.9 mV을 나타내었다.

모든 나노입자들은 높은 제타포텐셜 값을 보이고 있는데, 이는 이들 나노입자들이 용액 내에서 안정성이 높음을 의미한다.

3.2. 나노입자의 항균 특성

나노입자들의 항균성을 마이크로 희석법(micro-dilution method)을 사용하여 조사하였으며, 이들의 최소저해농도(MIC) 및 최소살균농도(MBC) 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

표 4에서 보는 바와 같이, E. coli ATCC 25922에 대한 AuNPs, AgNPs, CuNPs, AuAgNPs, AuCUNPs, AgCuNPs의 MIC/MBC 결과는 각각 >500/>500, 15.6/31.2, 250/500, 7.8/31.2, >500/>500, 31.2/125 μM 이었으며, S. epidermis 에 대해서는 각각 >500/500, 31.2/125, >500/>500, 7.8/62.5, >500/>500, 31.2/62.5 μM 이었다.

대체적으로 은 나노입자들이 구리 나노입자들에 비해 강항 항균력을 나타냈으며, 그램 양성균보다는 그램 음성균에 대해 보다 강한 항균력을 나타내었다.

3.3. 나노복합필름의 특성

3.3.1. 미세구조, 표면색 및 광학 특성

젤라틴 필름과 젤라틴/나노금속 복합필름을 제조하여 FE-SEM을 이용하여 이들 필름 표면의 미세구조를 살펴본 결과는 도 17과 같다.

도 17에서 보는 바와 같이, 젤라틴 필름은 표면이 매끄럽고 치밀한 반면 복합필름의 표면은 덜 매끄러운 모습을 보이고 있다. AuNPs, AgNPs, CuNPs 나노입자를 첨가한 복합필름에서는 나노입자들이 균일하게 분포되어 있었으나, AuAgNPs, AuCuNPs, AgCuNPs 나노입자를 첨가한 필름은 나노입자들이 다소 뭉쳐지는 모습을 보였다.

필름의 표면색과 광투과성을 측정한 결과를 하기의 표 5에 나타내었다.

상기 표 5에서 보는 젤라틴 필름은 무색의 투명하였으나, 나노금속을 첨가한 필름은 투명도가 다소 낮고 첨가한 나노입자의 종류에 따라 독특한 색깔을 나타냈다.

젤라틴 필름과 젤라틴/나노금속 복합필름의 광흡습성과 광투과도를 200-700 nm의 파장범위에서 측정한 결과는 도 18에 나타내었다.

젤라틴 필름은 280 nm에서 최대흡광파장을 나타냈는데, 이는 젤라틴에 함유되어 있는 아미노산인 타이로신과 트립토판에 기인한다. 반면에 젤라틴/NPs 나노복합 필름은 280-350 nm 범위에서 넓은 흡광피크를 보이고 있는데, 이는 젤라틴과 비쑥 추출액에 함유된 페놀화합물에 기인하며, 이외에도 이들 복합필름들은 사용한 나노입자에 따라서 독특한 피크를 나타내었다.

일반적으로 페놀 화합물들은 자외선 영역에서 강한 광흡습능을 갖는 것으로 알려져 있다. 이들 필름의 자외선 차단성과 투명도를 조사하기 위하여, 280 과 660 nm에서 광투과도를 측정하여 그 결과를 상기 표 5에 나타내었다.

젤라틴 필름은 660 nm에서 광투과도 (T₆₆₀)가 89.3±0.9 %로서 투명도가 높았으나, 나노입자를 첨가했을 때 나노입자의 종류에 따라 투명도가 감소하였다.

자외선에 대한 광투과도 (T₂₈₀)는 젤라틴필름이 29.4±2.6% 이었으나, 나노입자와 복합필름을 형성한 후에는 그 값이 0~0.2%로 크게 낮아져 자외선 차단성이 크게 증가하였음을 알 수 있다.

3.3.2. 물리적 특성

젤라틴 필름과 젤라틴/나노금속 복합필름의 물리적인 특성을 조사한 결과는 하기 표 6과 같다.

상기 표 6에서 보는 바와 같이, 필름의 두께는 54.0±2.7 μm로서 CuNPs 외에는 나노입자의 첨가가 필름의 두께에 큰 영향을 미치지 않았다. 젤라틴 필름의 인장강도와 연신율은 각각 97.0±6.9 MPa 및 8.3±1.4% 이었다.

인장특성 역시 나노입자의 첨가에 의해 영향을 받았는데, AuNPs, AgNPs 및 CuNPs를 첨가하였을 때는 유의적인 차이가 없었으나, AuAgNPs, AuCuNPs 및 AgCuNPs를 첨가하였을 때는 유의적인 차이를 보이며 감소하였다.

반면에, 나노복합 필름의 연신율은 큰 변화를 보이지 않았다. 그러나 필름의 탄성률 (EM)은 다소 감소하였다.

3.3.3. 수분함량 및 수분접촉각

젤라틴 필름과 젤라틴/나노금속 복합필름의 수분함량 및 수분점촉각을 측정한 결과는 상기 표 6에 나타난 바와 같다.

젤라틴 필름에 비해 나노복합 필름의 수분함량이 다소 낮게 나타났다. 젤라틴 필름의 수분접촉각 56.9±0.7°이었으며, 나노입자와 복합필름을 형성한 후에는 그 값이 다소 감소하였다.

3.3.4. 항균성

피부 질환을 일으키는 세균인 S. epidermis 과 E. coli에 대해 colony count method를 사용하여 조사한 나노복합 필름의 항균성 테스트 결과를 도 19a 및 도 19b에 나타내었다.

도 19a 및 도 19b에서 보는 바와 같이, 젤라틴 필름과 젤라틴/비쑥 추출액 필름은 항균성을 나타내지 않았으며, 나노입자를 첨가한 필름은 AuNPs를 제외하고는 모두 강한 항균성을 나타냈다.

특히, AgNPs와 이의 합금(alloy)을 첨가한 필름이 보다 높은 항균성을 나타냈다. 사용 균주에 따라서는 E. coli 가 S. epidermis 보다 AgNPs, AuAgNPs, AgCuNPs 및 CuNPs 에 의해 더 민감하였다.

이는 그램 음성균이 그램 양성균에 비해 이들 나노입자들에 의해 더 생육이 억제됨을 의미한다.

3.3.5. 항산화성

젤라틴/NPs 나노복합 필름의 항균성을 DPPH, ABTS 및 FRAP 활성측정법을 사용하여 조사한 결과는 표 7에 나타난 바와 같이 젤라틴/NPs 나노복합 필름의 항균성은 사용한 나노입자의 종류에 따라 다르게 나타났다.

상기 표 7에서 보는 바와 같이, 사용한 나노입자 중에서는 AgNPs-를 사용한 것이 가장 항산화성이 높았으며, 다음은 AuNPs로 나타났고, CuNPs를 첨가한 것이 가장 낮은 항산화성을 나타내었다.

젤라틴/AgNPs, 젤라틴/AuNPs 및 젤라틴/CuNPs 필름의 DPPH 활성은 각각 89.7%, 66.0 및 22.9% 이었으며, 젤라틴/바이메탈릭 NPs 필름의 활성은 사용한 나노입자의 종류에 따라 다르게 나타났다.

즉, 젤라틴/CuAgNPs 복합필름은 젤라틴/CuNPs(22.4%)필름보다 높은 활성(50.6%)을 보였다. ABTS와 FRAP 활성 측정을 한 경우에도 DPPH법과 유사한 결과가 얻어졌다.

이와 같이 강한 항산화성과 자외선 차단성을 갖는 젤라틴/나노입자 복합필름은 피부의 산화적인 손상과 자유라디칼의 생성을 억제하여 피부질환 치료에 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

4. 결론

비쑥 추출물을 환원제와 캡핑agent로 사용하여 6종의 모노 또는 바이메탈릭 나노입자를 제조하고, 이를 이용하여 젤라틴과 복합필름을 제조하였다.

모든 젤라틴/나노입자 복합필름은 자외선 차단성을 나타냈다.

또한, 젤라틴/AuNPs 필름을 제외하고 모든 복합필름은 피부 질환을 야기하는 그램 양성균과 그램 음성균에 대해 강한 항균특성을 나타냈다.

또한, 젤라틴/CuNPs 필름을 제외하고 다른 복합필름들은 강한 항산화성을 나타냈다.

이러한 나노복합 필름이 갖는 항균성과 자외선 차단성은 피부질환을 야기하는 미생물의 생육번식을 억제하고 자외선으로부터 피부를 보호할 수 있다. 뿐만 아니라 이들 복합필름은 강한 항산화성을 나타내어 여드름과 같은 피부질환 치료제나 보호제로 사용이 기대된다.

< 적용예 1> 기능성 나노입자 함유 크림제품 제조

스킨케어 용품의 제형 다변화를 위한 연구의 일환으로 크림형의 제품을 제조하였다.

크림 베이스는 ㈜메디플랜에서 제공한 것을 사용하였으며, 크림베이스에 GSE (자몽씨 추출물)와 ZnO 나노입자를 첨가하여 다음과 같은 4종의 크림형 제재를 제조하였다.

(1) ZnONPs 0.1%;

(2) ZnONPs 0.1% + GSE 1%

(3) ZnONPs 0.25%

(4) ZnONPs 0.25% + GSE 1%

먼저 이들 성분을 10 mL의 살균 증류수에 용해시킨 후, 5분간 초음파 처리를 한 다음, 90 g의 크림베이스와 첨가하여 고속 슈퍼 믹서 (EURO-ST PB, IKA® WERKE, Germany)를 사용하여 7000 rpm에서 10분간 혼합하였다. 이렇게 제조한 크림을 플라스틱 용기에 포장하였으며, 그 모습은 도 20과 같다.

상기 제품을 사용하여 E. coli 에 대한 항균성을 agar diffusion 방법을 사용하여 조사한 결과를 도 21에 나타내었는데, GSE와 ZnO 나노입자를 첨가한 크림 제재는 E. coli 에 대해 뚜렷한 항균성을 나타냈다.

기능성 크림형의 제품을 제조시에 이미 미백 효과와 주름개선 효과가 알려진 기능성 물질을 첨가하여 그 기능성의 범위를 증진시킬 수 있다. 미백 효과를 위해서는 니아신 아마이드를 중량비로 2~5% 첨가하고, 주름개선효과를 위해서는 아데노신을 0.04% 정도 첨가할 수 있다.

< 적용예 2> 상처 치료나 화상 치료용 드레싱 제조

본 발명에서 개발된 다기능성 (항균성, 항산화성)의 생분해성 나노하이드로겔을 거즈나 탈지면에 도포하여 상처 치료나 화상 치료용 드레싱을 제조하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 기술자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 보습력이 우수하고, 물리적인 강도가 크며 규격안정성이 우수한 인체에 친화적인 기능성 바이오 나노복합 하이드로겔을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 바이오 나노복합 하이드로겔 제조시 주름제거제, 미백제, 화장수, 여드름 치료제, 피부질환 치료제, 항산화제, 진통소염제, 상처치료제, 건선치료제 중에서 선택된 어느 하나의 기능성 제제를 포함하도록 하여 기능성 제제를 포함하는 바이오 나노복합 하이드로겔을 제공할 수 있기 때문에, 상기 기능성 제제를 필요로 하는 산업의 활성화와 상품 개발에 기여할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 있다.

또한, 항균성 및 생체조화성을 갖는 생분해성 나노복합 소재를 탈지면이나 거즈에 도포하여 상처치료용 드레싱이나 염증이나 여드름과 같은 피부질환 치료제로 이용가능성이 있다.

또한, 본 발명에서 개발된 기능성 나노소재와 미백효과 및 주름개선효과와 같은 효능이 알려진 기능성 소재를 크림 베이스에 첨가하여 피부도포용 기능성 크림이나 나노화장품으로 이용가능성이 있다.

Claims (19)

1. 생고분자 및 금속 나노입자를 포함하는 생분해성 나노복합 하이드로겔.
2. 제1항에 있어서, 상기 생고분자는 카라기난, 젤라틴, 밀단백, 대두단백, 유청단백, 펙틴, 알긴산, 키토산 및 아가 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 산화아연 나노입자, 산화구리 나노입자, 나노은, 나노금, 및 나노이산화티타늄 중에서 선택되는 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔.
4. 제1항에 있어서, 상기 생고분자 100 중량부에 대하여, 상기 금속 나노입자 1~10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔.
5. (a). 생고분자, 금속 나노입자 및 가소제를 용매에 첨가하여 용해시키는 단계;
   (b). 상기 용해시킨 용매를 균질화하여, 나노입자가 균질하게 분산된 하이드로겔 용액을 얻는 단계; 및
   (c). 상기에서 얻은 하이드로겔 용액을 겔화시키는 단계를 포함하는, 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 생고분자는 카라기난, 젤라틴, 밀단백, 대두단백, 유청단백, 펙틴, 알긴산, 키토산 및 아가 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 산화아연 나노입자, 산화구리 나노입자, 나노은, 나노금, 및 나노이산화티타늄 중에서 선택되는 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 가소제는 글리세린, 폴리에틸렌 글리콜, 트리에틸 시트레이트 및 솔비톨 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 생고분자 100 중량부에 대하여, 상기 금속 나노입자 1~10 중량부 및 상기 가소제 25~40 중량부를 용매에 첨가하는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔.
10. 제5항에 있어서, 상기 용매는 증류수, 알코올 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
11. 제5항에 있어서, 상기 용해는 85~95℃에서 15~30 분간 가열하면서 용해시키는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
12. 제5항에 있어서, 상기 균질화는 500∼2,000 rpm으로 12∼24시간 동안 교반시킨 후, 20∼100 kHz의 초음파를 10∼20분 동안 처리하여 수행하는 것을 특징으로 하는 생분해성 나노복합 하이드로겔의 제조방법.
13. 탈지면 또는 거즈에, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 생분해성 나노복합 하이드로겔이 도포되어 있는 드레싱.
14. 제13항에 있어서, 상기 드레싱은 피부질환 치료용, 상처 치료용 또는 화상 치료용인 것을 특징으로 하는 드레싱.
15. 제13항에 있어서, 상기 드레싱은 식물 추출물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드레싱.
16. 제15항에 있어서, 상기 식물은 비쑥(Artemisia scoparia), 함초, 삼잎국화, 녹차 및 자몽씨추출물 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 드레싱.
17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 생분해성 나노복합 하이드로겔 및 크림 베이스를 포함하는, 스킨 케어용 화장료 조성물.
18. 제17항에 있어서, 자몽 추출물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨 케어용 화장료 조성물.
19. 제18항에 있어서, 상기 자몽 추출물은 자몽씨, 자몽 껍질, 또는 자몽 씨와 껍질로부터 추출한 것을 특징으로 하는 스킨 케어용 화장료 조성물.

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