KR20230027443A - 고함량 세리신 구조체 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고함량 세리신 구조체 제조방법으로, 세리신 분말로부터 세리신 방사용액을 제조하는 단계, 상기 세리신 방사용액을 습식 방사하는 단계 및 수분이 증발하며 세리신 분자가 자기 조립되는 단계를 포함하고, 상기 세리신 방사용액의 제조는, 불소계 유기용매, 글리세롤 및 증류수를 포함하는 다중 용매를 이용하는, 세리신 구조체 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따를 때, 습식 조건에서 세리신 섬유를 수득하고, 자가 접착 기능을 갖는 지능형 섬유로 활용하여, 약물의 이송, 생체 접착제, 필름 등으로 응용되는 효과를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 고함량 세리신 구조체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섬유 방사가 가능한 세리신 고분자 용액을 제조하여 단백질 실크 세리신만으로 구성된 나노 섬유를 제조하는 방법 및 그 섬유에 관한 것이다.
저렴한 가격에 대량생산이 가능한 합성 고분자 재료는 사용의 편의성으로 인하여 다양한 분야에 사용되어 왔다. 그러나 이러한 합성 고분자 재료들은 생분해가 되지 않아 환경오염을 일으키게 된다. 또한 최근에는 화석원료의 고갈로 인하여 향후 합성 고분자 재료의 이용이 제한이 될 것으로 예측된다. 이를 해결하기 위해 자연에서 생산되고 분해되는 천연 고분자를 재료로 이용하고자 하는 시도가 진행되고 있다.
단백질 소재는 물성이 일반 플라스틱에 비하여 약하며, 추출 및 정제과정으로 인하여 가격이 높기 때문에 일부 식품 포장재 또는 코팅용으로만 사용되고 있다. 하지만 콜라겐, 젤라틴 등과 같은 단백질은 생체적합성이 우수하여 조직공학용 지지체 등의 의료분야에서 다당류에 비하여 생분해성 천연 고분자 소재로 더 각광받고 있다.
실크 단백질은 두 가닥의 섬유 형태의 피브로인과 이를 둘러싸고 있는 세리신으로 구성되어 있다. 피브로인은 실크 단백질 중에서도 물성이 우수하고, 섬유형태로 제작하였을 때 우수한 특성이 많아 현재까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 세리신은 실크 내에서도 구조적으로 기계적 물성을 발현하는 중심 물질이 아니고, 특히 실크로부터 세리신을 열수로 추출하는 과정에서 가수분해에 의해 분자량이 감소하고 회수가 매우 어려워 활용이 어려웠다. 세리신을 섬유의 가공제로 사용하면 주름방지, 난연성, 자외선차단성, 대전방지성, 항균성 등의 효과를 부여할 수 있으며, 세리신을 공중합하거나 다른 고분자와 혼용하여 사용한다면, 우수한 물성을 갖는 생분해성 소재로서 응용될 수 있다.
한국 공개 특허 제10-2015-0046915호는 타 성분을 첨가하지 않고, 세리신 100%를 사용하면서도 기계적 물성이 우수한 실크 세리신 필름을 제조하고자 하는 발명에 관한 것이다. 이 발명은 100 % 세리신을 취급하였으나, 인체 유독성 물질인 강한 산성 조건에서 제조된다. 강산의 경우 신체에 매우 강한 자극을 일으킬 정도로 독성이 강하며, 기상으로 흡입 시 신체 내부의 장기에도 영향을 줄 수 있다. 또한 2차원 형태에 한정되어 활용성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 인체에 안전하게 사용 가능하면서도 3차원 연속 형상의 제조가 가능한 세리신 구조체 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 고함량 세리신 구조체 제조방법으로, 세리신 분말로부터 세리신 방사용액을 제조하는 단계, 상기 세리신 방사용액을 습식 방사하는 단계 및 수분이 증발하며 세리신 분자가 자기 조립되는 단계를 포함하고, 상기 세리신 방사용액의 제조는, 불소계 유기용매, 글리세롤 및 증류수를 포함하는 다중 용매를 이용하는, 세리신 구조체 제조방법을 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 세리신의 분자량은, 20kDa 내지 400 kDa 일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 세리신 방사용액의 농도는, 상기 다중 용매 전체 대비 0.15 g/ml 내지 0.20 g/ml 일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 글리세롤은, 상기 다중 용매의 3 부피% 내지 10 부피% 일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 유기용매는, 상기 다중 용매의 80 부피% 내지 90 부피% 일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 유기용매는, 헥사플루오로아이소프로판올(HFIP), 트리플루오로아세트산(TFA) 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다중 용매는, 가교제를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 가교제는, 글루타르알데히드(GTA), 제니핀(genipin), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 습식 방사는, 글리세롤:알코올의 질량 중량비가 0.5:1 내지 1:1인 응고용매에서 수행될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 생체 적합성 나노구조체 첨가 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 생체 적합성 나노구조체는, 탄소나노튜브(CNT), 사이클로다이페닐알라닌(Cyclo-FF) 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 다중 용매를 이용하는 세리신 방사용액 제조 단계, 상기 세리신 방사용액의 습식 방사 단계 및 세리신 분자의 자기조립 단계에 의해 제조되는, 세리신 구조체를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 일 방향으로 배열된 2차원 또는 3차원의 연속 섬유 형상이고, 상기 연속섬유의 인장강도는, 40 Mpa 내지 200 Mpa 인, 세리신 연속섬유를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 연속섬유의 직경은 10마이크론 내지 30마이크론 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 전술한 일 실시예에 따른 세리신 구조체를 포함하는 의료용 점착제를 제공한다.
본 발명은 세리신 구조체 제조방법, 이에 의해 제조되는 세리신 구조체와 이를 포함하는 세리신 섬유 및 의료용 점착제에 관한 것으로, 세리신 분말로부터 세리신 방사용액을 제조하는 단계; 상기 세리신 방사용액을 습식 방사하는 단계; 및 수분이 증발하며 세리신 분자가 자기 조립되는 단계; 를 포함하고, 상기 세리신 방사용액의 제조는, 불소계 유기용매, 글리세롤 및 증류수를 포함하는 다중 용매를 이용한다.
본 발명에 따를 때, 습식 조건에서 세리신 섬유를 수득하고, 자가 접착 기능을 갖는 지능형 섬유로 활용하여, 약물의 이송, 생체 접착제, 필름 등으로 응용되는 효과를 기대할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 세리신 섬유 제조공정 모식도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 세리신 방사 용액의 방사 후 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따라 습식 방사 후 침전만 시킨 단계(b), 열 처리 단계까지 진행한 세리신 섬유(c)와 세리신 분말(a)의 FT-IR 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세리신 섬유의 2차 구조의 변화 및 구성분율을 나타낸 표이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 세리신 방사 용액의 건조된 패턴에 대한 광학 이미지 (a)와 편광 현미경 이미지(b) 이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따라 부피분율 별로 각각 다른 함량의 생체 나노구조체를 첨가한 세리신 섬유의 배향 이미지이다.
도 7 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 부피분율 별로 각각 다른 함량의 생체 나노구조체를 첨가한 세리신 섬유를 유연화 시킨 후 인장강도를 측정한 그래프이다.
도 7 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 부피분율 별로 각각 다른 함량의 생체 나노구조체를 첨가한 세리신 섬유를 열 고정화 시킨 후 인장강도를 측정한 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세리신 섬유의 생체 나노구조체 첨가 결과, 자가조립되는 특성을 나타내는 광학 이미지이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 의한 세리신 방사 용액의 방사 후 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따라 습식 방사 후 침전만 시킨 단계(b), 열 처리 단계까지 진행한 세리신 섬유(c)와 세리신 분말(a)의 FT-IR 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세리신 섬유의 2차 구조의 변화 및 구성분율을 나타낸 표이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 의한 세리신 방사 용액의 건조된 패턴에 대한 광학 이미지 (a)와 편광 현미경 이미지(b) 이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따라 부피분율 별로 각각 다른 함량의 생체 나노구조체를 첨가한 세리신 섬유의 배향 이미지이다.
도 7 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 부피분율 별로 각각 다른 함량의 생체 나노구조체를 첨가한 세리신 섬유를 유연화 시킨 후 인장강도를 측정한 그래프이다.
도 7 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 부피분율 별로 각각 다른 함량의 생체 나노구조체를 첨가한 세리신 섬유를 열 고정화 시킨 후 인장강도를 측정한 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세리신 섬유의 생체 나노구조체 첨가 결과, 자가조립되는 특성을 나타내는 광학 이미지이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 고함량 세리신 구조체 제조방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면은, 고함량 세리신 구조체 제조방법으로, 세리신 분말로부터 세리신 방사용액을 제조하는 단계, 상기 세리신 방사용액을 습식 방사하는 단계 및 수분이 증발하며 세리신 분자가 자기 조립되는 단계를 포함하고, 상기 세리신 방사용액의 제조는, 불소계 유기용매, 글리세롤 및 증류수를 포함하는 다중 용매를 이용하는, 세리신 구조체 제조방법을 제공한다.
본 명세서에서의 세리신은 고분자 재료로 이용하기 위한 고분자량의 100 % 세리신을 의미한다.
상기 고함량 세리신 구조체는, 전체 구조체의 90 % 이상의 고비율 세리신을 포함하는 구조체이며, 나노 크기 또는 마이크로 크기 모두를 포함할 수 있다. 상기 고함량 세리신 구조체를 포함한 세리신 섬유, 세리신 필름, 의료용 점착제, 창상 피복재 등을 제조할 수 있다.
상기 세리신 분말은 실크 생사로부터 열수 추출한 세리신을 동결 건조시킨 분말일 수 있다.
상기 세리신 방사용액은 세리신 분말을 분산 용매에 분산 또는 용해시킨 용액을 의미한다.
본 발명의 세리신 방사용액에서 상기 세리신은 분절된 헬릭스 구형 응집체를 형성할 수 있다. 상기 분절된 헬릭스 구형 응집체는, 단백질 3차 구조를 파괴하고, 시간에 따라 방향성을 갖도록 기여할 수 있다.
이 때, 상기 분산 용매는 불소계 유기용매, 글리세롤 및 증류수를 포함하는 다중 용매를 의미한다. 다중 용매 상에 세리신 분말을 용해화한 후, 가교제를 첨가할 수 있다. 상기 다중 용매와 가교제는 최적의 특정 부피비를 가진다.
상기 습식 방사는 성형이 어려운 세리신 구조체 또는 세리신 섬유의 연속 섬유화와 섬도 조절을 위해 회전형 습식 방사를 이용할 수 있다. 응고욕의 회전 증감을 통해 전단응력을 부여하고 섬유의 굵기를 조절할 수 있다. 전기 방사를 이용한 종래의 세리신 섬유의 경우, 부직포 형태의 2차원적 웹 구조를 형성하는 반면, 본 발명의 세리신 섬유는 습식 방사를 통해 어떤 형태도 성형 가능하다. 본 발명의 습식 방사에 의할 때, 기계적 물성을 충분히 확보하여 쉽게 구조가 파괴되지 않아 다양하게 적용 가능한 섬유형태를 얻을 수 있다.
상기 섬유형태는 2차원 또는 3차원 구조의 직물, 니트 구조 등의 다양한 응용이 가능하다.
상기 습식 방사는 응고욕에 첨가한 응고용매 내에 세리신 방사 용액을 회전형 액추에이터로 방사하여 이루어질 수 있다.
세리신 방사용액을 습식 방사한 후, 세리신 구조체의 성형을 위하여 고형화 및 유연화 단계, 열 연신 단계를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 고형화 및 유연화 단계, 열 연신 단계를 통하여 세리신 구조체의 수분이 증발하여 자기 조립 성질을 가질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 세리신의 분자량은, 20kDa 내지 400 kDa 일 수 있다.
이 때, 사용된 세리신은20kDa 이상 400 kDa 이하의 고분자량 세리신이며, 질소 원자의 질량 비율이 13~18%, 수분 함유량이 10% 질량 비율인 입자 형태이다. 해당 분자량 범위 내의 세리신은 열수 추출하는 과정에서 가수분해가 일어나도 높은 분자량을 유지하여 기계적 물성을 유지할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 세리신 방사용액의 농도는, 상기 다중 용매 전체 대비 0.15 g/ml 내지 0.20 g/ml 일 수 있다.
상기 범위의 농도를 가지는 세리신 방사용액은, 미세구조 변형을 위해 수계 다중 용매 형태를 유지할 수 있다. 수치범위를 벗어날 경우, 세리신 단백질이 물에 쉽게 용해되지 않거나, 세리신의 가교 반응이 일어나지 않아 자기조립 성질이 구현되지 않을 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 글리세롤은, 상기 다중 용매의 3 부피% 내지 10 부피% 일 수 있다.
여기서 글리세롤은, 다중 용매 내에서 수용성 첨가제 또는 가소제의 역할을 한다.
다중 용매 전체 대비 10 내지 20 부피%의 증류수를 포함하고, 글리세롤은, 다중 용매 전체 대비 3 부피% 내지 10 부피% 포함될 수 있다.
상기 부피 범위의 증류수를 한정하는 것은 추후에 생체 적합성 나노구조체를 첨가하여 자기조립형 세리신 구조체를 제조할 때, 생체 적합성 나노구조체의 균일한 성장을 도모하기 위함이다.
상기 부피 조성비 내의 다중 용매 상에서 세리신이 분자 사슬 간의 결합력을 약화시켜 유연성을 증가시켜 추후 가공 과정에서 수축에 의해 부서지는 현상을 보완할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 유기용매는, 상기 다중 용매의 80 부피% 내지 90 부피% 일 수 있다.
세리신 방사용액을 제조하기 위하여 다중 용매의 80 부피% 내지 90 부피% 내의 불소계 유기용매를 포함함에 따라 세리신 단백질이 용해되어 습식 방사 단계에서 균일한 직경을 갖는 섬유사 형태를 수득할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 불소계 유기용매는, 헥사플루오로아이소프로판올(HFIP), 트리플루오로아세트산(TFA) 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 다중 용매는, 가교제를 더 포함할 수 있다.
상기 가교제는, 바람직하게는 다중 용매상에서 세리신이 용해된 후 추가적으로 단백질 가교를 위하여 첨가되는 것일 수 있다. 가교제는 세리신에 일정한 가교반응을 부여하기 위하여 다중 용매의 수용성 첨가제인 글리세롤과 일정 부피비율로 첨가될 수 있다.
가교제의 첨가 부피비는 바람직하게는, 글리세롤: 가교제의 부피비가 1: 1 내지 5: 1일 수 있다. 즉, 글리세롤과 동일 부피 또는 1/5 부피에 해당하는 양을 가교제로 첨가할 수 있으며, 해당 범위 내에서 형태 안정성 및 유연화 효율을 가질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 가교제는, 글루타르알데히드(GTA), 제니핀(genipin), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 가교제는 글루타르알데히드일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 습식 방사는, 글리세롤:알코올의 질량 중량비가 0.5:1 내지 1:1인 응고용매에서 수행될 수 있다.
상기 응고용매의 알코올은, 단백질의 쏠팅 아웃(salting out)을 촉진하고, 글리세롤은 수용성 가소제 역할이다. 이때 알코올은, 바람직하게는 에탄올 일 수 있다.
응고용매의 글리세롤과 알코올 중량 조성비에 따라 세리신 연속 섬유의 형태 안정성 또는 유연화 효율이 달라질 수 있다.
응고용매의 글리세롤: 알코올의 질량 중량비가 0.5: 1 내지 1: 1 범위에 해당할 경우, 세리신 섬유가 고형화 되어 형태 안정성을 가지고, 100 시간 이내에 상온 침전되어 유연화 효율을 가질 수 있다.
반면, 응고용매 글리세롤: 알코올의 질량 중량비가 2: 1에 해당할 경우, 세리신 섬유가 빠르게 가소화되어 고형화에 부적합할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 생체 적합성 나노구조체 첨가 단계를 더 포함할 수 있다.
생체 적합성 나노구조체는 비촉매 방식의 물리적 기상 증착법으로 합성된 것일 수 있다. 세리신 방사용액을 제조하는 단계에서, 다중용매에 생체 적합성 나노구조체의 첨가를 통해 접착기능을 갖는 생체 단백질 섬유를 제조할 수있다. 상기 생체 단백질 섬유는 서로간 강한 접착성을 보이며, 특히 친수성 세리신의 미세 결정 이방성을 활용하여 빠른 감응의 자기 접착(self-adhesion)특성을 갖는다.
상기 비촉매 방식의 물리적 기상 증착법은, 퍼니스 내부에 실린더를 두어 내부 온도차이 구간에 플레이트를 둔 후, 펩타이드 다이머(dimer)를 기상화시켜 실린더 내부 온도가 낮은 플레이트 방향으로 흐름을 준다. 이 때, 강한 자기조립 특성을 가지는 전구체를 합성할 수 있다. 펩타이드 다이머의 모티브를 달리하여 형성되는 선형 나노구조체는 이중 용매와 기상 계면에서 성장을 유도할 수 있다.
또한, 습식 방사 단계에서 세리신 방사용액의 로딩(loading) 농도에 따라 섬유화 시, 내부에서 통합된 연결구조를 가질 수 있어 펩타이드 나노와이어의 보강 응용이 확대될 수 있다.
생체 적합성 나노구조체의 종류에 따라 세리신 구조체, 세리신 섬유 또는 이를 이용한 복합재의 기계적 물성을 조절할 수 있다. 생체 적합성 나노구조체는 세리신과 높은 친밀도를 가져 구조학적으로 통합구조를 가진다. 유연한 세리신 섬유는 가소화된 상태이기 때문에, 본연의 결정구조의 밀도가 줄어드는 것이 일반적이다. 그러나 생체 적합성 나노구조체를 첨가한 후, 열 연신을 통한 고정화를 통해, 섬유에 대하여 느슨해진 펩타이드 구조간에 단단한 가교결합을 형성하여 높은 열에도 분해되지 않고 우수한 기계적 물성을 갖는 연속섬유를 얻을 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 생체 적합성 나노구조체는, 탄소나노튜브(CNT), 사이클로다이페닐알라닌(Cyclo-FF) 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 사이클로다이페닐알라닌(Cyclo-FF)일 수 있으며, 상기 사이클로다이페닐알라닌을 세리신 방사용액 전체 부피의 4.44 부피% 내지 17.40 부피%, 바람직하게는 8.77 부피% 로 첨가할 경우, 첨가하지 않은 순수 세리신 섬유의 탄성률 대비 2배 이상의 탄성 강화율을 보인다.
상기 수치 범위 내의 생체 적합성 나노구조체의 함량은, 미세 가교 구조의 회복을 촉진하는 임계값에 해당하며, 열에 상관없이 물리화학적으로 상호작용 혹은 접착할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 다중 용매를 이용하는 세리신 방사용액 제조 단계, 상기 세리신 방사용액의 습식 방사 단계 및 세리신 분자의 자기조립 단계에 의해 제조되는, 세리신 구조체를 제공한다.
상기 세리신 구조체는, 전술하는 일 실시예에 따른 세리신 구조체 제조방법에 따라 제조된 것일 수 있다.
세리신 구조체를 제공하기 위해서, 방사용액 제조단계, 습식 방사 단계, 자기조립 단계 이후에 유연화를 위한 침전 시간을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 일 방향으로 배열된 2차원 또는 3차원의 연속 섬유 형상이고, 상기 연속섬유의 인장강도는, 40 Mpa 내지 200 Mpa 인, 세리신 연속섬유를 제공한다.
상기 세리신 연속섬유는, 전술한 일 실시예에 따른 세리신 구조체를 포함하는 세리신 섬유로, 방사용액 제조단계, 습식 방사 단계, 자기조립 단계 이후에 유연화를 위한 침전 시간과 특정 온도 범위에서의 열 연신을 통한 고정화 단계를 가질 수 있다.
상기 세리신 연속섬유는, 파단된 두 섬유 시편이 상온 조건, 수분에 빠르게 반응하여 자가접착 (self-adhesion) 기능의 지능형 섬유로 활용될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 연속섬유의 직경은 10마이크론 내지 30마이크론 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 전술한 일 실시예에 따른 세리신 구조체를 포함하는 의료용 점착제를 제공한다.
세리신 구조체는 자가접착 기능의 지능형 섬유로 활용될 수 있으며, 이는 단백질 접착 섬유 상 약물의 이송, 세포의 성장을 위한 지지체용 생체 접착제로서의 응용이 가능하다.
상기 의료용 점착제는 치과용 접착제일 수 있으며, 그 일 예로 치과용 왁스의 대용재로 사용 가능하다. 특히 본 발명에 따르는 의료용 점착제를 포함하는 치과용 치실의 경우, 생체 적합성이 뛰어나면서도 강도와 탄성이 보강된 치실 보급이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 의료용 점착제를 포함하는 창상 피복재를 포함할 수 있다.
상기 창상피복재는 생체 적합성 소재를 필요로 하는 피복재라면 특별히 제한되지 않으나, 봉합사 또는 운드 드레싱(wound dressing)에 적용할 경우 우수한 생체적합성과 자가복원력을 보일 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
<실시예1. 세리신 섬유의 제조>
1. 세리신 방사용액 제조
세리신 160 mg/ml 농도를 다중 용매 (HFIP/ DW 9:1, v:v, 글리세롤/DW: 38.46wt%), 가교제 (GTA, 8.8 % v/v) 구성으로 한 방사용액을 조성하였다.
세리신 성분의 연속섬유화를 위해 0.16g/ml 세리신 농도에 일정한 가교반응을 위해 상기 가교제는 GTA 10-20μL의 범위 내에서 조절하였다.
이 때, 가교제의 적절한 첨가량을 확인하기 위해, 하기 표 1에 따라 글리세롤과 가교제의 부피비를 달리하여 습식 방사 단계까지 반복적으로 실험하였다. 그 결과, 글리세롤/수용액에 대하여 글리세롤의 구성 부피함량은 GTA(glutaraldehyde) 첨가량 10 μL (8.8% v/v 세리신 부피대비) 대비 1~5 배를 구성하는 경우, 분산상의 단백질 구조의 재배열 정도와 습식 상 섬유화를 유도할 수 있으며, 가장 바람직하게는 8.8 % v/v 가교제의 함량비를 도출하였다.
| 글리세롤:GTA 부피비 |
초기 섬유화 (Die swell) |
고형화 (형태안정성) |
유연화 요구시간 (hr) |
| 1:1 | 부적합(응집과다) | 적합 | 50-60 hr |
| 2.5:1 | 적합 | 적합 | 24-30 hr |
| 5:1 | 적합 | 적합 | 10-20 hr |
| 8:1 | 부적합(응집부족) | 부적합 | X |
2. 세리신 방사용액 습식 방사
에탄올/글리세롤 부피비 50:1 (v/v)를 갖는 혼합 응고욕을 조성하여 세리신 단백질의 침전과 동시에 구조의 유연화를 돕는 응고욕을 제조하였다.
제조된 세리신 방사용액을 27 G의 방사노즐을 통하여 0.1 ml/min의 속도로 에탄올 응고욕 중에 방사하여 세리신 섬유를 제조하였다. 방사 직후 섬유를 침지하여, 상온에서 6 시간 이상 에이징(aging) 하여 유연한 섬유를 수득하였다.
이 때, 응고욕의 응고용매 최적의 함량비를 도출하기 위하여, 하기 표2에 따라 글리세롤: 에탄올 부피비를 달리하여 습식 방사를 진행하였고, 에탄올/글리세롤 부피비 50:1 (v/v)의 조성비를 도출하였다.
| 글리세롤:에탄올 중량조성비 |
초기 섬유화 (Die swell) |
고형화 (형태안정성) |
유연화 요구시간 (hr) |
| 0.5:1 | 적합 | 적합 | 80-100 hr |
| 1:1 | 적합 | 적합 | 24-30 hr |
| 2:1 | 적합 | 부적합(빠른가소화) | 3-10 hr |
3. 열 연신을 통한 열 고정화
2단계 습식 방사까지 진행한 세리신 섬유를 180도 온도에서 열 스트레칭 혹은 연신하는 과정을 진행하였다. 연신 섬유는 평균 20마이크론의 직경을 갖는다.
<실시예2. 생체 적합성 나노구조체 복합섬유의 제조>
전술한 실시예1의 1단계인 방사용액 제조 단계에서, 다중 용매에 생체 적합성 나노구조체로 사이클로다이페닐알라닌(Cyclo-FF)을 첨가한 것 이외에 동일한 방법으로 복합섬유를 제조하였다.
이 때, 사이클로다이페닐알라닌(Cyclo-FF)의 최적의 첨가량을 확인하기 위하여, 실시예 1의 세리신 방사용액 전체 대비 일정 부피 분율로 첨가하여 실험한 결과(하기 실험예5), 실시예 1의 세리신 방사용액 전체 대비 8.7 %의 부피를 추가로 혼입하는 것이 바람직함을 도출하였다.
<비교예. 전기 방사를 통한 세리신 섬유의 제조>
전술한 실시예1의 2단계인 습식 방사 단계에서, 습식 방사가 아닌 전기 방사를 수행하여 섬유를 제조한 것 이외에 동일한 방법으로 세리신 섬유를 제조하였다.
<실험예1. 자가 접착 실험>
상기 실시예 1, 2 및 비교예에 따라 제조된 세리신 섬유의 자기조립 성능을 실험하기 위하여, 일정 거리에 위치한 동일한 두 섬유 단사 시편 위 수분을 스프레이 형태로 뿌린 뒤 섬유의 거동을 관찰하였다.
이 때, 실험예 2의 파단 된 두 섬유 시편이 상온 조건, 수분에 빠르게 반응하여 자가접착 (self-adhesion) 기능을 가짐을 확인하였다(하기 도 8 참조).
<실험예2. 실시예 1의 작용기 확인>
상기 실시예 1에 따라 방사된 세리신 섬유가 초기 고형분 원료인 세리신 분말(a) 대비 작용기를 어떻게 갖는지 확인하기 위하여, 습식 방사 이후 침전 시간을 통해 유연화시키는 단계(b), 열 연신을 통한 열 고정화(c) 단계 후 FT-IR을 측정하였다.
측정 결과, 1128, 1183카이저에 분별한 피크가 wet spun fiber 샘플에 측정이 되어 내부 구조에 가교제가 충분한 작용을 했음을 확인하였다(하기 도 3 참조). 열고정화 섬유샘플의 경우, 글리세롤이 충분하게 흡수된 상태이기 때문에 글리세롤 피크가 우세하게 나타난 것이 확인되었고, 단백질 구조 특성을 나타내는 amideII band 세기를 보상하는 효과를 나타낸 것을 확인하였다.
<실험예3. 실시예 1의 단백질 2차 구조 확인>
상기 실시예 1에 따라 방사된 세리신 섬유의 단백질 2차구조(알파 헬릭스, 베타 시트 구조)를 확인하기 위해서, 실험예 2의 결과에 1600-1700 cm-1 범위의 amide 1 밴드에 대하여 Deconvolution 결과를 도출하였다.
그리고 그 Deconvolution 결과에 상응하는 세리신 2차 구조의 변화 및 구성분율로 도출한 결과, 열 연신을 통한 열고정화 단계까지 거친 세리신 섬유가 초기 세리신 분말 대비 베타 시트 분율이 높은 것을 확인하였다(하기 도4 참조).
즉, 가소화된 섬유는 느슨한 체인구조로 랜덤코일이 분율이 높아지나 열 연신 후 turn 구조 및 베타시트로 전환하는 효과를 가져오는 것을 확인하였다.
<실험예4. 실시예 2의 건조 크랙 확인>
세리신은 수용액 상태에서 열 처리를 할 경우, 가수분해에 의해 분자량이 감소하고 회수가 어려워 기계적 물성이 떨어지는 단점이 있었다. 이 단점 극복 여부를 확인하기 위해, 실시예2단계인 세리신 방사용액을 건조시킨 후, 건조된 패턴에 대한 광학 이미지 (a)와 편광 현미경 이미지(b)를 관찰하였다.
그 결과, 크랙이 발생하지 않고 형태를 유지하여 기계적 물성이 유지됨을 확인할 수 있다(하기 도5 참조).
이를 통해 실시예2의 방사용액이 우수한 적합성을 보이고 적용 구조체가 실크 섬유의 피브로인 코어를 대체할 수 있다는 구조적 모방형태를 확인하였다.
특히, 특정 함량에서 우수한 기계적 물성 향상을 보이는 특성을 확인하였다.
<실험예5. 실시예 2의 생체 적합성 나노구조체 함량비 확인>
상기 실시예 2에 따라 방사된 세리신 복합섬유의 최적의 생체적합성 나노구조체 첨가비율을 확인하기 위하여, 불소계 유기 용매인 HFIP 용액 전체에 대해 농도에 따라 4.44 v/v%, 8.77 v/v%, 17.40 v/v%로 사이클로다이페닐알라닌을 첨가하여 섬유의 배향 이미지를 편광 현미경 이미지로 촬영하였다.
그 촬영 결과로 불소계 유기 용매인 HFIP 용액 대비 8 부피%의 사이클로다이페닐알라닌을 첨가한 경우, 기계적 물성이 유지됨을 확인하였으며(하기 도6 참조), 이는 전체 세리신 방사용액 부피 대비 8.77 v/v%에 해당한다.
그리고, 불소계 유기 용매인 HFIP 용액 전체에 4 부피%, 8 부피%, 16 부피%로 사이클로다이페닐알라닌을 첨가한 세리신 섬유의 유연화 단계(a) 및 열 고정화 단계(b)에서 각각 인장 강도를 측정하였다.
그 결과, 불소계 유기 용매인 HFIP 용액 대비 8 부피%의 사이클로다이페닐알라닌을 첨가한 경우, 가장 MPa가 높아 기계적 물성이 우수함을 확인하였다(하기 도7 참조).
상기 실시예 1 및 비교예의 실험에 따라 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세리신 섬유는 베타 시트 구조를 많이 생성하여 기계적 물성이 우수한 세리신 섬유 또는 이를 포함하는 필름을 제조할 수 있음을 확인하였다.
또한 상기 실시예 2를 통하여, 생체 적합성 나노구조체의 특정 함량비 첨가로 세리신 분말 대비 인장강도, 인장신도가 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
Claims (15)
- 고함량 세리신 구조체 제조방법으로,
세리신 분말로부터 세리신 방사용액을 제조하는 단계;
상기 세리신 방사용액을 습식 방사하는 단계; 및
수분이 증발하며 세리신 분자가 자기 조립되는 단계;를 포함하고,
상기 세리신 방사용액의 제조는, 불소계 유기용매, 글리세롤 및 증류수를 포함하는 다중 용매를 이용하는, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 세리신의 분자량은, 20kDa 내지 400 kDa 인, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 세리신 방사용액의 농도는, 상기 다중 용매 전체 대비 0.15 g/ml 내지 0.20 g/ml 인, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 글리세롤은, 상기 다중 용매의 3 중량% 내지 10 중량% 인, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 불소계 유기용매는, 상기 다중 용매의 80 중량% 내지 90 중량%인, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 불소계 유기용매는, 헥사플루오로아이소프로판올(HFIP), 트리플루오로아세트산(TFA) 또는 이 둘 모두를 포함하는, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 다중 용매는, 가교제를 더 포함하는, 세리신 구조체 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 가교제는, 글루타르알데히드(GTA), 제니핀(genipin), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 습식 방사는, 글리세롤:에탄올의 질량 중량비가 0.5:1 내지 1:1인 응고용매에서 수행되는 것인, 세리신 구조체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
생체 적합성 나노구조체 첨가 단계;
를 더 포함하는, 세리신 구조체 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 생체 적합성 나노구조체는, 탄소나노튜브(CNT), 사이클로다이페닐알라닌(Cyclo-FF) 또는 이 둘 모두를 포함하는, 세리신 구조체 제조방법.
- 다중 용매를 이용하는 세리신 방사용액 제조 단계, 상기 세리신 방사용액의 습식 방사 단계 및 세리신 분자의 자기조립 단계에 의해 제조되는, 세리신 구조체.
- 일 방향으로 배열된 2차원 또는 3차원의 연속 섬유 형상이고,
상기 연속섬유의 인장강도는, 40 Mpa 내지 200 Mpa 인, 세리신 연속섬유.
- 제13항에 있어서,
상기 연속섬유의 직경은 10마이크론 내지 30마이크론 인 것인, 세리신 연속섬유.
- 제12항의 세리신 구조체를 포함하는, 의료용 점착제.
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