KR20230088367A - 콜라겐 생체 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (i) 부분 가수분해된 콜라겐 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함하는 콜라겐 조성물로부터 제조된 생체 재료를 기술한다. 상기 생체 재료는 가죽형 재료(leather-like material)일 수 있는 가공된 생체 재료를 제조하는 데 유용하다.

Description

콜라겐 생체 재료
본 발명은 콜라겐 조성물을 사용한 생체 재료(biomaterial)의 제조방법 및 콜라겐 조성물을 포함하는 생체 재료에 관한 것이다. 상기 콜라겐 조성물은 수산물(marine product)로부터 추출될 수 있다.
가죽(leather)은 널리 사용되는 재료이며 가죽 제품에 대한 수요는 전 세계적으로 엄청나다. 예를 들어, 가죽은 가구 커버, 의류, 신발, 여행 가방, 핸드백 및 액세서리에 사용된다.
천연 가죽은 동물 생가죽과 스킨, 종종 소 원피(hide)를 무두질하여 생산된다. 동물 원피(및 따라서 동물 원피로 만들어진 가죽)은 주로 섬유성 단백질인 콜라겐으로 구성된다. 콜라겐은 적어도 28개의 상이한 콜라겐 유형의 패밀리에 대한 일반 명칭으로, 모두 삼중 반복 아미노산, -(Gly-X-Y),,-이 특징이므로 콜라겐 중 아미노산 잔기의 약 1/3은 글리신이다. X는 대체로 프롤린이고 Y는 대체로 하이드록시프롤린이다. 따라서, 콜라겐 구조는 서로 다른 길이의 펩타이드 사슬이 얽힌 삼중 단위로 이루어질 수 있다. 삼중 나선은 피브릴이라는 다발로 함께 묶일 수 있으며, 피브릴 다발이 함께 모여 섬유를 만들 수 있다. 콜라겐 섬유는 전형적으로 스킨층 전체를 통해 서로 연결된다. 가교 또는 결합은 재료에 강도를 제공할 수 있다.
천연 가죽의 특성은 사용되는 동물 원피의 유형에 영향을 받는다. 특히, 상이한 동물은 콜라겐의 서로 다른 아미노산 조성을 생성하여 상이한 특성을 나타낼 수 있다. 원피 두께 전체에 걸쳐 콜라겐 구조의 변화가 또한 발생한다. 원피의 상부 털이 있는 쪽(top grain side)은 일반적으로 콜라겐 피브릴의 미세망으로 구성되는 반면 더 깊은 부분(혁질부(corium)라고도 함)은 더 큰 섬유 다발로 구성된다. 가죽의 상부 털이 있는 쪽은 혁질부보다 더 매끄럽고 부드럽다. 따라서, 양면에 매끄러운 결이 있는 천연 가죽을 생산하기 위해서는 두 개의 결, 혁질부 면을 함께 결합하여 꿰매거나 접착제로 라미네이트해야 한다. 이러한 결합 단계를 피하기 위해 양면에 매끄러운 표면을 생성하도록 콜라겐 구조를 제어할 수 있는 가죽 재료에 대한 요구가 있다.
가죽 제조에 사용되는 후가공 단계는 상이한 동물 원피 간 콜라겐 구조의 자연적 변화에 의해 제한된다. 무두질 단계에서 안정화 및 윤활 분자를 원피에 통합하여 가죽의 최종 특성을 어느 정도 제어할 수 있지만 이러한 분자의 선택은 원피의 조밀한 구조에 침투해야 하는 필요성으로 인해 제한된다. 원피의 원래 콜라겐 구조가 사용될 수 있는 후가공 단계를 제한하지 않는 가죽 재료의 제조 방법이 필요하다.
당업계에 공지된 가죽형 재료(leather-like material)를 제조하는 다른 방법은 콜라겐을 배양하여 가죽형 재료를 생산하기 위해 가교화될 수 있는 시트를 생산하는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 방법은 전형적으로 그렇게 효율적이지 않으며 대규모 생산으로 구현하기 어렵다. 또한, 콜라겐으로부터 순수하게 만들어진 가죽형 재료는 전형적으로 그다지 강하지 않다.
따라서, 개선된 가죽형 생체 재료를 제조하기 위해 가공될 수 있는 새로운 생체 재료 및 가죽형 생체 재료를 생성하는 방법을 개발할 필요가 있다.
발명의 요약
본 발명의 발명자들은 (i) 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물이 개선된 생체 재료를 제조하는 데 사용될 수 있음을 발견하였다. 이러한 생체 재료는 당업계에 알려진 것과 비교하여 개선된 가죽형 재료를 제공할 수 있다. 콜라겐 조성물로 만들어진 이전에 알려진 생체 재료는 콜라겐만을 사용하며, 일반적으로 예를 들어 다량의 산성 용매를 만드는 데 시간과 자원이 많이 소요되는 가공 단계를 필요로 한다. 콜라겐만으로 만들어진 이러한 생체 재료의 제조는 또한 전형적으로 매우 농후하고 점성이 있는 콜라겐 겔의 취급을 요한다. 이는 가공 도중 제거하기 어려운 기포가 겔에 형성되어 재료에 결함이 생길 수 있다는 단점이 있다. 이전에 알려진 생체 재료는 또한 전형적으로 인장 강도가 낮다. 이러한 요인은 생체 재료가 고강도 및 매끄러운 외관을 가진 가죽형 생체 재료로 추가 가공하는 데 적합하지 않을 수 있음을 의미한다. 그러나, 본 발명자들은 (i) 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함하는 콜라겐 조성물로부터 제조된 생체 재료가 콜라겐 단독으로 제조된 이전에 공지된 생체 재료보다 더 강하다는 것을 발견하였다. 또한, 생체 재료는 보다 적은 자원을 사용하여 보다 효율적으로 생산할 수 있으며 제조 과정에서 기포를 보다 쉽게 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명은 탈수 콜라겐 겔(dehydrated collagen gel)을 포함하는 생체 재료를 제공하며, 여기서 콜라겐 겔은 (i) 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물을 포함하고, 여기서
콜라겐 조성물은 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
또한 본 발명의 생체 재료를 생산하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하는 단계; 및
b) 상기 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성하는 단계.
또한, 탈수 콜라겐 겔을 포함하는 생체 재료가 제공되며, 여기서 콜라겐은 수산물로부터 추출된 콜라겐 조성물을 포함하고, 상기 콜라겐 조성물은 콜라겐과 부분 가수분해된 콜라겐, 및 선택적으로 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
또한 본원에 기술된 생체 재료를 포함하는 가공된 가죽형 생체 재료가 제공된다.
상세한 설명
콜라겐 조성물
본 발명의 생체 재료는 콜라겐 조성물로부터 형성된 탈수 콜라겐 겔을 포함한다. 본원에 사용된 콜라겐 조성물은 콜라겐 또는 임의의 콜라겐 유도체(예컨대 부분 가수분해된 콜라겐 또는 완전 가수분해된 콜라겐)를 포함하는 임의의 조성물이다. 본 발명에 따르면, 콜라겐 조성물은 (i) 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
본원에서 사용된 콜라겐이라 함은 삼중 나선 구조의 콜라겐을 지칭한다. 콜라겐은 산 용해성 콜라겐일 수 있다. 부분 가수분해된 콜라겐은 삼중 나선 구조를 포함하지 않지만 여전히 아미노산 사슬을 포함하는 콜라겐을 지칭한다. 전형적으로, 부분 가수분해된 콜라겐은 단일 사슬 콜라겐을 지칭한다. 부분 가수분해된 콜라겐은 젤라틴을 포함할 수 있다. 전형적으로, 본원에서 사용되는 부분 가수분해된 콜라겐은 젤라틴이다. 완전 가수분해된 콜라겐은 콜라겐 펩티드 및/또는 아미노산을 지칭한다. 완전 가수분해된 콜라겐은 콜라겐 가수분해물을 포함할 수 있다. 전형적으로, 본원에서 사용되는 완전 가수분해된 콜라겐은 콜라겐 가수분해물이다.
콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐은 각각 독립적으로 임의의 동물성 원료 또는 산물에서 유래할 수 있다. 대안적으로, 콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐은 시험관내 합성 절차에 의해 제조될 수 있다. 본원에 사용된 특정 동물 공급원 또는 산물에서 유래한 콜라겐 또는 콜라겐 유도체(예컨대 부분 가수분해된 콜라겐 또는 완전 가수분해된 콜라겐)는 동물 공급원 또는 산물로부터 콜라겐 조성물의 일부로 추출되고, 콜라겐 또는 콜라겐 유도체를 생성하기 위해 임의로 추가 가공(예를 들어, 가수분해 또는 정제)되는 콜라겐 함유 성분을 의미한다. 예를 들어, 동물 공급원 또는 산물에서 유래한 부분 가수분해된 콜라겐은 먼저 동물 공급원 또는 산물로부터 콜라겐 조성물의 일부로 추출된 다음 해당 콜라겐 조성물의 가수분해를 통해 얻어진다.
예를 들어, 콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐은 각각 독립적으로 수산물(marine product), 소 산물(bovine product) 또는 돼지 산물(porcine product), 바람직하게는 수산물 또는 돼지 산물에서 유래할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 수산물, 소 또는 돼지 공급원 또는 산물에서 유래한 콜라겐(또는 부분 가수분해된 또는 완전 가수분해된 콜라겐)은 또한 각각 해산 콜라겐(marine collagen), 소 콜라겐 또는 돼지 콜라겐(또는 부분 가수분해된 또는 완전 가수분해된 콜라겐)으로 지칭될 수 있다. 전형적으로, 부분 가수분해된 콜라겐, 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐 조성물 중 적어도 하나는 수산물에서 유래한다. 예를 들어, 일 실시양태에서 부분 가수분해된 콜라겐은 부분 가수분해된 해산 콜라겐이다. 일 실시양태에서, 완전 가수분해된 콜라겐은 완전 가수분해된 해산 콜라겐이다. 일 실시양태에서, 콜라겐은 소 콜라겐이 아니다. 일 실시양태에서, 콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 어느 것도 소 산물에서 유래하지 않는다. 특정 콜라겐 조성물 중의 콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐은 모두 동일한 유형의 동물 공급원에서 유래할 수 있거나 서로 다른 유형의 동물 공급원에서 유래할 수 있다. 예를 들어, 일 실시양태에서 콜라겐 조성물은 부분 가수분해된 해산 콜라겐 및 돼지 콜라겐을 포함한다.
동물 공급원 또는 산물은 콜라겐을 함유하는 동물의 임의의 부분일 수 있다. 예를 들어, 수산물은 콜라겐을 함유하는 수산 동물의 임의의 부분일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 수산 동물은 수계 환경에 주로 또는 전적으로 존재하는 임의의 동물일 수 있으며, 바다뿐만 아니라 담수 환경에서 발견되는 동물도 포함할 수 있다. 수산 동물은 농어, 도미, 브릴(brill), 불허스(bull huss), 메기, 검정 대구, 대구, 댑(dab), 돔발 상어, 장어, 도다리, 동갈치, 해덕 대구, 큰넙치, 고등어, 넙치, 폴락(pollock), 명태, 가오리, 연어, 정어리, 홍어, 스무타운드(smoothound), 가자미, 틸라피아(tilapia) 또는 참치와 같은 어류일 수 있다. 수산 동물은 말미잘, 조개, 산호, 히드로충(hydrozoan), 해파리, 홍합, 굴, 가리비, 해삼, 바다 민달팽이, 바다 우렁이, 성게, 해면, 불가사리 또는 벌레와 같은 무척추동물일 수 있다. 수산 동물은 거미류, 갑각류, 곤충 또는 다족류와 같은 절지동물일 수 있다.
수산물은 민물고기 산물, 바닷물고기 산물, 무척추동물 산물 또는 절지동물 산물일 수 있다. 일 실시양태에서, 수산물은 민물고기뿐만 아니라 바닷물고기를 포함하는 어류 산물이다. 어류 산물은 콜라겐을 함유한 어류의 임의의 부분일 수 있다. 전형적으로, 어류 산물은 하나 이상의 어피, 어류 비늘, 어류 부레 또는 어류 관절 및/또는 힘줄을 포함하며, 예를 들어 어류 껍질, 어류 비늘 및/또는 어류 부레 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 모든 어류 산물은 콜라겐을 함유하고 있지만, 하나의 바람직한 실시양태에서 사용되는 어류 부레에 콜라겐 함량이 특히 높다. 어류 산물은 또 다른 바람직한 실시양태에서 어피를 포함한다. 어류 산물 생산에 더 적은 물이 필요하고 탄소 발자국이 더 적기 때문에 어류 산물이 다른 동물로부터의 콜라겐 함유 산물, 예를 들면 소 산물보다 더 지속 가능하다. 특히, 어피는 쉽게 접근할 수 있는 폐기물이므로 어피의 사용은 환경적인 이점이 있다.
소 산물은 콜라겐을 함유하는 소과 동물의 임의의 부분일 수 있다. 일 실시양태에서, 소 산물은 소 힘줄이다. 소과 동물은 카우(cow), 들소, 버팔로 또는 영양일 수 있다. 전형적으로, 소 산물은 카우 산물이다. 돼지 산물은 콜라겐을 함유하는 돼지과 동물의 임의의 부분일 수 있다. 일 실시양태에서, 돼지 산물은 돼지 스킨이다. 돼지과 동물은 돼지, 비육돈 또는 멧돼지일 수 있다.
본 발명에 따르면, 콜라겐 조성물은 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 콜라겐 조성물에서 부분 가수분해된 콜라겐(예컨대 젤라틴)의 존재는 생체 재료 및 생체 재료로부터 생산된 임의의 가공된 생체 재료의 강도를 향상시킨다. 본원에 사용된 콜라겐 또는 콜라겐 유도체의 중량%에 대한 언급은 콜라겐 조성물 내 모든 콜라겐 또는 콜라겐 유도체 성분의 중량 백분율로 표현된 콜라겐 또는 콜라겐 유도체의 중량을 의미한다.
콜라겐 조성물은 적어도 40 중량%, 적어도 50 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 75 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 85 중량%, 적어도 90 중량%, 또는 적어도 95 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 적어도 70 중량%, 적어도 75 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 85 중량% 또는 적어도 90 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 보다 바람직하게는 적어도 70 중량% 또는 적어도 80 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 전형적으로, 콜라겐 조성물은 99 중량% 미만의 부분 가수분해된 콜라겐, 예를 들어 95 중량% 이하의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 콜라겐 조성물은 30 중량% 내지 95 중량%, 50 중량% 내지 95 중량%, 60 중량% 내지 95 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 75 중량% 내지 95 중량% 또는 80 중량% 내지 95 중량%의 부분 가수분해 콜라겐을 포함할 수 있다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 30 중량% 내지 90 중량%, 50 중량% 내지 90 중량%, 60 중량% 내지 90 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 90 중량% 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 30 중량% 내지 85 중량%, 50 중량% 내지 85 중량%, 60 중량% 내지 85 중량%, 70 중량% 내지 85 중량%, 75 중량% 내지 85 중량% 또는 80 중량% 내지 85 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다.
콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 적어도 1 중량%로 포함할 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 적어도 2 중량%, 적어도 3 중량%, 적어도 4 중량% 또는 적어도 5 중량%, 바람직하게는 적어도 5 중량%로 포함한다. 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐의 혼합물을 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 또는 적어도 50%로 포함할 수 있다. 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 70 중량% 이하, 60 중량% 이하, 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 또는 10 중량% 이하로 포함할 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 5 중량% 내지 70 중량%, 5 중량% 내지 50 중량%, 5 중량% 내지 40 중량%, 5 중량% 내지 30 중량%, 5 중량% 내지 25 중량%, 또는 5 중량% 내지 20 중량%로 포함한다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 10 중량% 내지 70 중량%, 10 중량% 내지 50 중량%, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 30 중량%, 10 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 20 중량%로 포함할 수 있다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 15 중량% 내지 70 중량%, 15 중량% 내지 50 중량%, 15 중량% 내지 40 중량%, 15 중량% 내지 30 중량%, 15 중량% 내지 25 중량%, 또는 15 중량% 내지 20 중량%로 포함할 수 있다.
콜라겐 조성물은 적어도 1 중량%의 콜라겐 및/또는 적어도 1 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다. 콜라겐 조성물은 적어도 2 중량%, 적어도 3 중량%, 적어도 4 중량% 또는 적어도 5 중량%의 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 적어도 5 중량%의 콜라겐 및/또는 적어도 5 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
콜라겐 조성물이 콜라겐을 함유하는 경우, 콜라겐 조성물은 적어도 1 중량%, 적어도 5 중량%, 적어도 10 중량%, 적어도 15 중량%, 적어도 20 중량%, 또는 적어도 25 중량%의 콜라겐, 바람직하게는 적어도 5 중량% 또는 적어도 10 중량%의 콜라겐을 포함할 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 조성물이 콜라겐을 함유하는 경우, 콜라겐 조성물은 70 중량% 이하의 콜라겐, 예를 들어 60 중량% 이하, 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하 또는 10 중량% 이하의 콜라겐을 포함한다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 50 중량% 이하의 콜라겐을 포함한다. 콜라겐 조성물은 30 중량% 이하의 콜라겐을 포함할 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 조성물은 5 중량% 내지 70 중량%, 5 중량% 내지 50 중량%, 또는 5 중량% 내지 40 중량%, 또는 5 중량% 내지 30 중량%, 또는 5 중량% 내지 25 중량%, 또는 5 중량% 내지 20 중량%의 콜라겐을 포함한다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 5 중량% 내지 50 중량%, 또는 5 중량% 내지 30 중량%의 콜라겐을 포함한다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 10 중량% 내지 70 중량%, 10 중량% 내지 50 중량%, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 30 중량%, 10 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 20 중량%의 콜라겐을 포함할 수 있다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 15 중량% 내지 70 중량%, 15 중량% 내지 50 중량%, 15 중량% 내지 40 중량%, 15 중량% 내지 30 중량%, 15 중량% 내지 25 중량%, 또는 15 중량% 내지 20 중량%의 콜라겐을 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 콜라겐 믹스는 콜라겐을 함유하지 않는다. 콜라겐 조성물에서 콜라겐의 양을 제한하면 조성물이 부분 가수분해된 콜라겐을 더 많이 함유할 수 있으며, 이는 본 발명자에 의해 생체 재료의 인장 강도를 개선하고 제조 방법의 효율성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다(특히, 요구되는 중화를 줄이거나 제거하고, 특히 산물의 점도를 감소시켜 기포 형성을 감소시킴으로써 제조 동안 산물의 취급을 개선할 수 있으므로 해서). 적은 양의 콜라겐을 사용하면 생성되는 생체 재료의 비용도 줄어든다.
콜라겐 믹스가 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 경우, 콜라겐 믹스는 적어도 1 중량%, 적어도 5 중량%, 적어도 10 중량%, 적어도 15 중량%, 적어도 20 중량%, 또는 적어도 25 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다. 콜라겐 조성물에 완전 가수분해된 콜라겐(예를 들어, 콜라겐 가수분해물)의 존재는 생체 재료의 경도, 탄성, 연성 및 강도뿐만 아니라 생체 재료로부터 생산되는 임의의 가공된 생체 재료를 개선할 수 있다. 그러나, 다량의 완전 가수분해된 콜라겐은 콜라겐 겔 및 생성된 생체 재료를 약화시키고 콜라겐 겔이 함께 잘 유지되는 것을 방해하기 때문에 콜라겐 조성물에서 완전 가수분해된 콜라겐의 양을 제어하는 것이 중요하다. 콜라겐 조성물이 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 경우, 전형적으로 콜라겐 조성물은 50 중량% 이하, 40 중량% 이하, 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하 또는 10 중량% 이하의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 30 중량% 이하 또는 20 중량% 이하의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 전형적으로, 콜라겐 조성물은 5 중량% 내지 50 중량%, 또는 5 중량% 내지 40 중량%, 또는 5 중량% 내지 30 중량%, 또는 5 중량% 내지 25 중량%, 또는 5 중량% 내지 20 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 5 중량% 내지 30 중량% 또는 5 중량% 내지 20 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 10 중량% 내지 50 중량%, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 30 중량%, 10 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 20 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다. 대안적으로, 콜라겐 조성물은 15 중량% 내지 50 중량%, 15 중량% 내지 40 중량%, 15 중량% 내지 30 중량%, 15 중량% 내지 25 중량%, 또는 15 중량% 내지 20 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 콜라겐 믹스는 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하지 않는다.
일 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 (i) 30 내지 95 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 5 내지 70 중량%의 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 (i) 50 내지 95 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 5 내지 50 중량%의 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 (i) 60 내지 95 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 5 내지 40 중량%의 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 (i) 70 내지 95 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 5 내지 30 중량%의 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 (i) 80 내지 95 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 5 내지 20 중량%의 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 (i) 70 내지 90 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 10 내지 30 중량%의 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
추출된 콜라겐 조성물
일 실시양태에서, 콜라겐 겔은 동물성 산물, 특히 수산물로부터 추출된 콜라겐 조성물로부터 형성될 수 있다. 본원에서 동물(예를 들어, 수산물)로부터 추출된 콜라겐 조성물이 추출된 콜라겐 조성물로 기술될 수 있다. 본원에서 사용된, 수산물로부터 추출된 콜라겐 조성물은 해산 콜라겐 조성물로 기술될 수 있다. 본원에서 언급되는 수산물은 상술되었다.
유리하게는, 수산물로부터 추출된 콜라겐 조성물은 가죽형 생체 재료를 생성하기 위한 추가 가공 단계에 매우 적합한 생체 재료를 만드는 데 효율적으로 사용될 수 있다. 콜라겐으로부터 생체 재료를 제조하기 위한 이전에 알려진 방법은 수산물을 콜라겐 공급원으로 사용하지 않으며 추가 가공에 적합한 형태로 콜라겐을 제공하기 위해 종종 길고 복잡한 추출 단계를 필요로 한다. 배양된 콜라겐도 사용되어 왔지만 이것은 효율적이지 않고 공정을 용이하게 확장할 수 없다. 배양 콜라겐은 또한 천연 콜라겐 단백질의 내인성 혼합물을 제공하지 않는다는 단점이 있다.
추출된 콜라겐 조성물 중의 콜라겐은 산(즉, 산 용해성 콜라겐) 또는 펩신(즉, 펩신 용해성 콜라겐)을 사용하여 추출될 수 있다. 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 추출된 콜라겐 조성물에 첨가하여 더 많은 양의 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 갖는 추출된 콜라겐 조성물을 제공할 수 있다. 예를 들어, 부분 가수분해된 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 추출된 콜라겐 조성물에 첨가하여 (i) 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물을 제공할 수 있다. 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐의 바람직한 양은 상기 기재된 바와 같다. 일 실시양태에서, 본원에 정의된 바와 같은 콜라겐 조성물은 추출된 콜라겐 조성물, 예를 들어 수산물로부터 추출된 콜라겐 조성물을 포함한다.
추출된 콜라겐 조성물에 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐의 존재는 생체 재료를 생성하는 데 유용하다. 특히, 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐은 가교 및 겔 형성의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐은 생체 재료 및 생체 재료로부터 생성된 임의의 가공된 생체 재료의 특성을 개선할 수 있다. 특히, 부분 가수분해된 콜라겐의 존재는 부분 가수분해된 콜라겐을 함유하지 않는 생체 재료에 비해 더 부드럽고 더 탄력적인 생체 재료 및/또는 가공된 생체 재료를 생성할 수 있다.
추출된 콜라겐 조성물은 전형적으로 콜라겐 및 선택적으로, 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 전형적으로, 추출된 콜라겐 조성물은 산 용해성 콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐 중 적어도 하나를 포함한다. 본원에서 사용된 산 용해성 콜라겐은 산을 이용하여 추출될 수 있는 콜라겐이다. 추출된 콜라겐 조성물은 적어도 20 중량%, 적어도 30 중량%, 또는 적어도 40 중량%의 산 용해성 콜라겐을 함유할 수 있다. 예를 들어, 추출된 콜라겐 조성물은 20 내지 50 중량%의 산 용해성 콜라겐을 함유할 수 있다. 추출된 콜라겐 조성물은 적어도 1 중량%, 적어도 5 중량%, 적어도 10 중량%, 적어도 15 중량%, 적어도 20 중량%, 또는 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 함유할 수 있다. 예를 들어, 추출된 콜라겐 조성물은 1 내지 40 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 함유할 수 있다. 추출된 콜라겐 조성물은 적어도 1 중량%, 적어도 5 중량%, 적어도 10 중량%, 적어도 15 중량%, 적어도 20 중량%, 또는 적어도 30 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 함유할 수 있다. 예를 들어, 추출된 콜라겐 조성물은 1 내지 40 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 함유할 수 있다. 일 실시양태에서, 추출된 콜라겐 조성물은 적어도 20 중량%의 산 용해성 콜라겐, 및/또는 적어도 1 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐, 및/또는 적어도 1 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 함유한다. 일 실시양태에서, 추출된 콜라겐 조성물은 적어도 1 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐 및/또는 적어도 1 중량%의 완전 가수분해된 콜라겐을 함유한다. 산 용해성 콜라겐에 대해 위에서 제공된 양이 콜라겐에도 적용될 수 있다.
추출된 콜라겐 조성물은 내인성 조성물일 수 있으며, 즉 수산물에서 자연적으로 발견되는 콜라겐, 콜라겐 유도체(예컨대 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐) 및 기타 성분(예컨대 자연 발생 불순물)을 함유한다. 예를 들어, 콜라겐은 전형적으로 손상되지 않은 텔로펩티드 영역을 가질 것이다. 이는 추출된 콜라겐 조성물로부터 형성된 제품을 특정 소비자 그룹에게 더 바람직하게 만들 수 있다. 유리하게는 수산물로부터 추출된 콜라겐 조성물은 복잡한 가공 없이 내인성 형태로 사용될 수 있다.
또한, 내인성 조성물은 생체 재료의 제조 효율을 개선할 수 있고 생체 재료로부터 생성된 임의의 가공된 생체 재료의 특성에 유리하게 영향을 미칠 수 있는 콜라겐 유도체를 함유할 수 있다.
제조 방법
본 발명은 또한 본원에 기술된 생체 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 전형적으로, 생체 재료를 제조하는 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하는 단계; 및
b) 상기 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성하는 단계.
콜라겐 조성물은 본원에 정의된 바와 같은 임의의 콜라겐 조성물일 수 있다. 일 실시양태에서, 본 발명은 생체 재료를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은
a) 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하는 단계; 및
b) 상기 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성하는 단계를 포함하고;
여기서 콜라겐 조성물은 (i) 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함하고, 여기서
콜라겐 조성물은 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
일 실시양태에서, 형성 단계 (a)는 콜라겐 조성물을 하나 이상의 가교제와 접촉시켜 가교성 콜라겐 혼합물을 형성하고, 상기 가교성 콜라겐 혼합물을 가교시켜 콜라겐 겔을 형성하는 단계를 포함한다.
형성하는 단계는 가지 처리(fat-liquoring) 성분 및/또는 염료 또는 안료(pigment)를 콜라겐 조성물 또는 가교성 콜라겐 혼합물에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 본 발명은 생체 재료를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은
a) 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하는 단계; 및
b) 상기 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성하는 단계를 포함하고;
여기서 형성하는 단계는 가지 처리 성분 및/또는 염료 또는 안료를 콜라겐 조성물에 첨가하는 단계를 포함한다.
일 실시양태에서, 본 발명은 생체 재료를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은
a) 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하는 단계; 및
b) 상기 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성하는 단계를 포함하고;
여기서, 형성 단계는 콜라겐 조성물을 하나 이상의 가교제와 접촉시켜 가교성 콜라겐 혼합물을 형성하는 단계, 및 가교성 콜라겐 혼합물을 가교화하여 콜라겐 겔을 형성하는 단계를 포함하고, 형성 단계는 추가로 가지 처리 성분 및/또는 염료 또는 안료를 콜라겐 조성물 또는 가교성 콜라겐 혼합물에 첨가하는 단계를 포함한다.
또한, 본원에는 생체 재료를 제조하는 방법이 개시되며, 이 방법은
a) 동물성 산물, 바람직하게는 수산물로부터 콜라겐 조성물을 추출하는 단계; 및
b) 상기 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하고 콜라겐 겔을 탈수하여 생체물질을 형성하는 단계를 포함하고;
여기서 콜라겐 조성물은 콜라겐 및 선택적으로, 부분 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
추출 단계 (a)는 또한 부분 가수분해 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 추출된 콜라겐 조성물에 첨가하여 (i) 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물을 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 콜라겐 조성물은 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다. 일 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 부분 가수분해된 콜라겐, 콜라겐, 및 선택적으로, 완전 가수분해된 콜라겐을 포함하고, 여기서 콜라겐 조성물은 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함한다.
본원에 기재된 임의의 방법은 생체 재료를 가공하여 가공된 생체 재료를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 가공된 생체 재료는 가죽형 생체 재료일 수 있다. 가공 단계(들)는 생체 재료의 건조, 염색, 가지 처리, 마무리 및 코팅 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시양태에서, 추출 단계 (a)는 동물성 산물, 예를 들어 수산물을 알칼리성 용액으로 세척하는 단계, 선택적으로 수산물을 탈지제로 추가로 세척하는 단계, 수산물을 pH 4 내지 5의 산성 용액과 접촉시키는 단계, 및 산성 용액으로부터 추출된 콜라겐 조성물을 수득하는 단계를 포함하며; 형성 단계 (b)는 추출된 콜라겐 조성물을 하나 이상의 가교제와 접촉시켜 가교성 콜라겐 혼합물을 형성하는 단계, 가교성 콜라겐 혼합물을 가교화하여 콜라겐 겔을 형성하는 단계, 및 콜라겐 겔을 탈수시키는 단계를 포함하고; 선택적으로 방법은 형성 단계 (b) 이후에 가공된 생체 재료를 형성하기 위한 가공 단계 (c)를 추가로 포함하며, 여기서 가공 단계는 생체 재료를 가지 처리하는 단계, 가지 처리된 생체 재료를 염색하는 단계, 염색 및 가지 처리된 생체 재료를 건조하는 단계 및 건조된 생체 재료를 기계적으로 작업하는 단계를 포함한다.
또한 본원에 기재된 바와 같은 방법에 의해 얻을 수 있는 생체 재료가 본원에 기재된다. 생체 재료는 가죽형 생체 재료일 수 있다.
(a) 추출
아래 섹션은 동물성 산물로부터 콜라겐 조성물을 추출하는 방법을 설명한다. 여기에서 동물성 산물에 대한 언급은 콜라겐이 특정 동물성 산물로부터 추출되는 특정 동물성 산물(예를 들어 수산물)에 대한 언급으로 간주될 수 있다.
콜라겐은 동물성 산물을 산성 용액과 접촉시킴으로써 동물성 산물, 예를 들어 수산물로부터 추출될 수 있다. 산성 용액은 7 미만의 pH를 갖는 임의의 용액일 수 있다. 전형적으로, 산성 용액은 3 내지 6, 바람직하게는 4 내지 6의 pH를 가질 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 산성 용액은 4 내지 5의 pH를 갖는다. 산성 용액은 임의의 약산 또는 적절한 pH로 희석된 강산을 포함할 수 있다. 전형적으로, 산성 용액은 아세트산, 포름산 또는 염산의 수용액이다. 일 실시양태에서, 산성 용액은 아세트산 수용액이다.
동물성 산물은 적어도 6시간, 또는 적어도 12시간, 또는 적어도 24시간 동안 산성 용액과 접촉될 수 있다. 전형적으로, 동물성 산물은 약 12시간 동안 산성 용액과 접촉된다. 동물성 산물은 30℃ 미만, 또는 20℃ 미만, 또는 10℃ 미만의 온도에서 산성 용액과 접촉될 수 있다. 전형적으로, 동물성 산물은 약 4℃의 온도에서 산성 용액과 접촉된다. 동물성 산물을 산성 용액과 접촉시킨 후, 추출된 콜라겐 조성물을 용액으로부터 분리할 수 있다. 추출된 콜라겐 조성물은 냉동건조(동결건조)될 수 있다.
추출 단계는 동물성 산물을 산성 용액과 접촉시키기 전에 알칼리성 용액으로 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 동물성 산물은 알칼리성 용액으로 복수회 세척될 수 있다. 예를 들어, 동물성 산물은 알칼리성 용액으로 2회 세척될 수 있다. 알칼리성 용액은 동물성 산물에서 비-콜라겐 단백질을 제거하고 동물성 산물을 분해하는 데 유용할 수 있다. 알칼리성 용액은 pH 7 초과의 임의의 용액일 수 있다. 전형적으로, 알칼리성 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨 또는 탄산마그네슘의 수용액이다. 일 실시양태에서, 알칼리성 용액은 수산화나트륨 용액이다.
추출 단계는 동물성 산물을 산성 용액과 접촉시키기 전에 탈지제로 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 탈지제는 산물에서 지방을 제거하는 데 유용할 수 있다. 전형적으로, 탈지제는 알코올 용액, 유기 용매(예컨대 클로로포름, 석유 에테르 또는 n-헥산) 또는 초임계 CO2이다. 바람직한 실시양태에서, 탈지제는 알코올 용액이다. 알코올 용액은 수중 70% v/v 미만, 50% v/v 미만 또는 30% v/v 미만의 알코올을 함유할 수 있다. 전형적으로, 알코올 용액은 수중 5 내지 20% v/v의 알코올을 함유한다. 순수 알코올이 아닌 수중 알코올 용액을 사용하면 동물성 산물의 탈수를 방지하여 콜라겐 조성물의 추출 효율을 저하시킬 수 있다. 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판-1-올, 프로판-2-올(이소프로필 알코올), 부탄-1-올 또는 부탄-2-올일 수 있다. 일 실시양태에서, 알코올 용액은 이소프로필 알코올 용액이다.
동물성 산물이 산성 용액과 접촉하기 전에 알칼리성 용액 및 탈지제로 세척되는 경우, 알칼리성 용액으로 세척하는 것은 탈지제로 세척하기 전 또는 후에 발생할 수 있다. 전형적으로, 동물성 산물은 탈지제로 세척하기 전에 알칼리성 용액으로 세척된다. 일 실시양태에서, 동물성 산물은 알코올 용액으로 세척하기 전에 알칼리성 용액으로 세척된다.
동물성 산물은 추출 공정의 각 부분 전 및/또는 후에 물로 세척될 수 있다. 예를 들어, 동물성 산물을 알칼리성 용액과 접촉시키기 전, 동물성 산물을 알칼리성 용액과 탈지제와 접촉시키는 사이, 그리고 동물성 산물을 탈지제와 산성 용액과 접촉시키는 사이에 동물성 산물을 물로 세척할 수 있다.
본원에 기술된 추출 방법에서는 콜라겐 조성물의 효소 분해 또는 정제와 같은 추가 가공 단계가 필요하지 않다. 이는 이러한 단계가 필요한 방법과 비교하여 추출을 수행하는 데 필요한 시간과 자원을 줄인다. 또한 콜라겐 단백질을 소화되지 않은 형태로 단백질 사슬의 단편화 없이 유지한다.
(i) 형성
추출된 콜라겐 조성물일 수 있거나 이를 포함할 수 있는 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하고 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성한다.
콜라겐 조성물은 전형적으로 먼저 생체 재료를 형성하기 위해 적합한 용액에 제공된다. 예를 들어, 콜라겐 조성물을 물 또는 완충액에서 희석하거나, 동결건조된 콜라겐 조성물을 물 또는 완충액에 용해시킬 수 있다. 적합한 농도는 1 내지 200 mg/mL, 예를 들어 10 내지 100 mg/mL의 콜라겐 단백질(콜라겐, 산 용해성 콜라겐, 부분 가수분해된 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐 포함)이다.
유리하게는, 추출된 콜라겐 조성물을 포함할 수 있는 본 발명에 사용된 콜라겐 조성물은 전형적으로 pH 5 내지 8, 예를 들어 pH 6 내지 8, pH 6 내지 7 또는 pH 약 7의 수용액에서 고도의 가용성이다. 이는 pH를 낮추고 콜라겐 조성물을 용해시키기 위해 상당량의 산을 첨가할 필요 없이 소량의 수성 용매(예컨대 물)를 사용할 수 있음을 의미한다. 일 실시양태에서, 콜라겐 조성물은 5 내지 8의 pH 및 25℃의 온도에서 수성 용매 mL당 적어도 20 mg/mL, 적어도 30 mg, 또는 적어도 40 mg, 또는 적어도 50 mg의 콜라겐 조성물의 용해도를 갖는다. 바람직하게는, 콜라겐 조성물은 6 내지 7의 pH 및 25℃의 온도에서 수성 용매 mL당 적어도 20 mg/mL, 적어도 30 mg, 또는 적어도 40 mg, 또는 적어도 50 mg의 콜라겐 조성물의 용해도를 갖는다. 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물의 경우, 용해를 달성하기 위해 산성 용매의 첨가가 필요할 수 있다. 임의의 적절한 약산 또는 희석된 강산, 예를 들어 아세트산, 포름산 또는 염산의 수용액이 사용될 수 있다. 전형적으로, 콜라겐을 부분 가수분해 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐과 별도로 산성 용매에 용해시킨 다음, 콜라겐 용액을 부분 가수분해 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 용액에 첨가하여 pH 5 내지 8, 바람직하게는 pH 6 내지 8 또는 6 내지 7의 콜라겐 조성물의 조합 용액을 제공한다. 콜라겐은 pH 5 미만, 4 미만, 3 미만 또는 2 미만, 바람직하게는 3 미만의 수용액에 용해될 수 있다. 일 실시양태에서, 콜라겐은 pH 약 2인 수용액에 용해된다. 그러나, 소량의 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물에서는 소량의 산성 용액만이 필요하다. 더욱이, 전체 콜라겐 조성물은 여전히 전형적으로 pH 5 내지 8 사이의 용액에 가용성이다. 교반, 혼합 및 초음파 처리와 같은 물리적 교반이 또한 용해를 돕기 위해 사용될 수 있다. 이 단계에서 고 가용성 콜라겐 조성물을 사용하는 것은 적은 양의 용매가 필요하고 탈수 중에 용매를 제거하는 것이 더 쉽기 때문에 유리하다.
이는 생체 재료를 제조하기 위해 알려진 방법에서 전형적으로 사용되며 콜라겐만을 또는 콜라겐을 주로 함유하는 콜라겐 혼합물과 대조된다. 이러한 콜라겐 혼합물은 전형적으로 5 내지 8의 pH에서 불용성이며, 용해를 위해 훨씬 더 낮은 pH, 예를 들어 5 미만의 pH를 필요로 한다. 용해를 위해 고도의 산성 조건을 필요로 하지 않는 콜라겐 조성물의 사용은 용액이 겔 형성 과정에서 나중에 중화되기 쉽다는 것을 의미한다. 이를 통해 제조 효율성이 향상되고 필요한 용매의 전체 양이 더욱 줄어든다.
형성 단계의 일부로서, 추출된 콜라겐 조성물일 수 있거나 이를 포함할 수 있는 콜라겐 조성물은 당업계에 공지된 임의의 적절한 단백질 가교 방법을 사용하여 가교화될 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 조성물을 하나 이상의 가교제와 접촉시켜 가교성 콜라겐 혼합물을 형성한다. 가교제(들)는 콜라겐 분자 사이에 가교를 형성할 수 있는 이작용성, 삼작용성 또는 다작용성 반응기를 갖는 임의의 분자일 수 있다. 대안적으로, 가교제(들)는 광-개시 가교 공정에 사용될 수 있는 분자일 수 있다. 가교제는 효소일 수 있다. 전형적으로, 가교제(들)는 알코올, 알데히드, 아민, 아지드, 카복실산, 카보디이미드, 크롬염, 에폭사이드, 히드라지드, 이소시아네이트 또는 설프히드릴로부터 선택되는 하나 이상의 제제이다. 예를 들어, 하나 이상의 가교제는 글루타르알데히드 및/또는 트랜스글루타미나제를 포함할 수 있다. 적절한 양의 가교제는 당업자에게 공지되어 있다. 전형적으로, 콜라겐 조성물의 중량을 기준으로 0.1 내지 40% w/w, 예를 들어 1 내지 10% w/w의 가교제(들)가 사용될 수 있다. 글루타르알데히드가 가교제로서 사용되는 경우, 가교성 조성물 중 글루타르알데히드의 양은 예를 들어 0.5 내지 10% w/w, 예를 들어 1 내지 5% w/w일 수 있다. 대안적으로, 가교제가 효소인 경우, 전형적으로 효소는 콜라겐 조성물 1 g당 0.1 내지 40 U, 예를 들어 1 내지 10 U/g의 양으로 사용된다. 트랜스글루타미나제가 가교제로서 사용되는 경우, 트랜스글루타미나제의 양은 예를 들어 0.5 내지 10 U/g, 예를 들어 1 내지 5 U/g일 수 있다.
가교성 콜라겐 혼합물은 또한 염료 또는 안료를 함유할 수 있다. 따라서, 일 실시양태에서, 염료 또는 안료가 콜라겐 조성물 또는 가교성 콜라겐 혼합물에 첨가된다. 예를 들어, 염료 또는 안료는 수계 염료 또는 안료, 알코올계 염료 또는 안료, 산성 염료, 직접 염료, 매염 염료 또는 염기성 염료일 수 있다. 일 실시양태에서, 염료는 수계 염료 또는 수계 안료이다. 이 단계에서 염료를 사용하면 생성된 생체 재료가 두께에 걸쳐 고르게 염색되도록 하는 데 도움이 될 수 있다.
가교성 콜라겐 혼합물은 또한 가지 처리 성분, 예를 들어 가지 처리 에멀젼을 함유할 수 있다. 따라서, 일 실시양태에서, 가지 처리 성분이 콜라겐 조성물 또는 가교성 콜라겐 혼합물에 첨가된다. 가지 처리 에멀젼은 지방의 염, 예를 들어 트리글리세리드의 설포네이트 염, 설파이트 염 및/또는 포스페이트 염을 포함할 수 있다. 이 단계에서 가지 처리 에멀젼을 사용하면 겔 형성 후 가지 처리에 비해 생체 재료를 통한 지방액(fat-liquor) 침투의 깊이, 속도 및 균일성을 개선하는 동시에 유리한 연화 및 발수 특성을 제공할 수 있다. 가지 처리는 가공 단계에 대한 설명에서 자세히 설명한다.
가교성 콜라겐 혼합물은 하나 이상의 가소제와 같은 하나 이상의 추가 첨가제를 포함할 수 있다. 가소제는 생성된 생체 재료를 부드럽고 유연하게 만드는 데 도움이 된다. 적합한 가소제는 당업자가 알고 있을 것이다. 일 실시양태에서, 가소제는 글리세롤이고 가교성 콜라겐 혼합물은 글리세롤을 포함한다. 가소제는 예를 들어 콜라겐 조성물의 중량을 기준으로 5 내지 50% w/w의 양으로 사용될 수 있다. 글리세롤(글리세린으로도 알려짐)이 가소제로 사용되는 경우, 가교성 조성물 중 글리세롤의 양은 예를 들어 10 내지 40% w/w, 예를 들어 20 내지 40% w/w일 수 있다.
콜라겐 조성물(및 가교성 콜라겐 혼합물)이 하나 이상의 소포제(antifoam agent)를 추가로 포함하도록 하나 이상의 소포제가 가교성 콜라겐 혼합물에 또한 첨가될 수 있다. 소포제는 조성물 내에 형성되는 기포 또는 거품을 제거하여 조성물의 취급성을 개선하고 보다 균일한 생체 재료를 생성하는 데 도움을 준다. 전형적으로, 교반 또는 진탕과 같은 물리적 교반이 기포 및 거품을 완전히 제거하기 위해 소포제와 함께 사용된다. 일 실시양태에서, 적어도 10분, 적어도 20분, 적어도 30분, 또는 적어도 1시간 동안 소포제를 포함하는 콜라겐 조성물 및/또는 가교성 콜라겐 혼합물에 물리적 교반이 적용될 수 있다. 부분 가수분해된 콜라겐을 함유하는 가교성 콜라겐 혼합물은 콜라겐만 포함하는 혼합물보다 소포제를 사용하여 소포하기가 더 쉽다. 예를 들어, 본 발명자들은 소 콜라겐으로부터 생 제작된 가죽의 형성을 기술하는 EP3205668의 실시예 2를 재현하려고 시도했다. 가교성 콜라겐 혼합물은 pH 2에서도 일상적인 방법(예컨대 초음파 처리)으로 용이하게 제거할 수 없는 많은 양의 기포와 함께 매우 농후한 것을 발견하였다. 본 발명에 사용된 콜라겐에 부분 가수분해된 콜라겐의 존재가 덜 농후하고 점성인 혼합물을 생성하며, 이는 소포제 사용 시 소포를 돕는 것으로 생각된다.
적합한 소포제는 당업자가 알고 있을 것이다. 일 실시양태에서, 소포제는 식품 등급의 소포제이다. 소포제는 실리콘계 에멀젼, 폴리프로필렌 글리콜 조성물 또는 에틸렌 옥사이드(EO) 및 프로필렌 옥사이드(PO) 공중합체일 수 있다. 일 실시양태에서, 소포제는 실리콘계 에멀젼이다. 소포제는 예를 들어 0.001% 내지 5% w/w의 양으로 사용될 수 있으며, 여기서 % w/w는 전체 용액의 중량당 소포제의 활성 성분의 중량을 의미한다. 전형적으로, 용액에 첨가되는 소포제의 양은 형성 공정에서 생성되는 거품의 양에 따라 달라지며, 이는 다양한 공급원으로부터 추출된 콜라겐의 다양한 분자량에 의해 영향을 받을 수 있다. 소포제는 바람직하게는 기포 및 거품을 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95% 제거하기에 충분한 양으로 첨가된다. 전형적으로, 소포제는 0.001 내지 5% w/w, 또는 0.01 내지 3% w/w, 또는 0.1 내지 3% w/w, 또는 0.1 내지 2% w/w, 또는 0.1 내지 1% w/w, 또는 0.1 내지 0.5% w/w의 양으로 사용된다. 바람직하게는, 소포제는 1% w/w 이하의 양으로 사용된다. 예를 들어, 소포제는 0.001 내지 1% w/w, 또는 0.01 내지 1% w/w, 또는 0.1 내지 1% w/w의 양으로 사용될 수 있다. 실리콘계 에멀젼이 소포제로 사용되는 경우, 가교성 조성물 중 실리콘계 에멀젼의 양은 예를 들어 0.001 내지 5% w/w, 예를 들면 0.1 내지 2% w/w일 수 있다.
소포제는 또한 생체 재료 및 생체 재료로부터 생성된 임의의 가공된 생체 재료의 특성을 개선할 수 있다. 특히, 저농도(예를 들어 0.1% 내지 3% w/w)의 소포제가 생성된 생체 재료의 인장 강도를 증가시키는 것으로 밝혀졌다.
전형적으로, 가교성 콜라겐 혼합물은 가교 전에 6 내지 8, 바람직하게는 약 7의 pH를 가진다. 가교성 콜라겐 혼합물이 이 범위의 pH를 벗어나면 원하는 pH를 달성하기 위해 적절한 양의 산 또는 염기가 첨가될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 콜라겐 조성물은 유리하게는 pH 5 내지 8, 바람직하게는 6 내지 8 또는 6 내지 7의 수용액에 고도로 용해된다. 따라서, 일 실시양태에서, 형성 단계에서 pH 6 내지 8의 가교성 혼합물을 제공하기 위해 중화가 필요하지 않다. 일 실시양태에서, 형성 단계는 가교성 혼합물의 pH를 pH 6 내지 8의 범위로 상승시키는 중화 단계를 포함하고, 여기서 중화 단계는 가교성 혼합물의 pH를 3 이하, 2 이하 또는 1 이하로 상승시키는 것을 포함한다.
가교성 콜라겐 혼합물을 가교화하여 콜라겐 겔을 형성할 수 있다. 가교화는 적어도 15분의 기간 동안 가교성 콜라겐 혼합물을 정치시킴으로써 달성될 수 있다. 전형적으로, 가교성 콜라겐 혼합물은 적어도 30분, 또는 적어도 1시간, 또는 적어도 2시간 동안 정치된다. 대안적으로, 가교성 콜라겐 혼합물은 적어도 12시간, 또는 적어도 24시간, 또는 적어도 36시간, 또는 적어도 48시간 동안 정치된다. 일 실시양태에서, 가교성 콜라겐 혼합물은 적어도 48시간 동안 정치된다. 가교성 콜라겐 혼합물은 약 1℃ 내지 약 30℃, 예를 들어 약 1℃ 내지 약 20℃ 또는 약 1℃ 내지 약 10℃의 온도에서 정치될 수 있다. 일 실시양태에서, 가교성 콜라겐 혼합물은 약 4℃의 온도에서 정치된다. 일 실시양태에서, 가교성 콜라겐 혼합물은 약 20℃의 온도에서 정치된다.
콜라겐 겔은 생체 재료를 형성하기 위해 탈수된다. 콜라겐 겔은 케톤이나 알코올과 같은 수혼화성일 수 있는 적합한 탈수 용매를 사용하여 탈수될 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 겔은 아세톤이나 에탄올에서 탈수된다. 아세톤이나 에탄올과 같은 탈수 용매에서 탈수하면 콜라겐 겔 전체에 고르게 탈수가 일어나며 특히 콜라겐 겔의 한 쪽이 다른 쪽보다 빨리 건조되는 것을 방지한다. 대안적으로, 콜라겐 겔은 약 25℃ 내지 약 45℃의 온도에서 탈수기를 사용하여 탈수될 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 겔은 약 30℃ 내지 약 40℃, 예를 들어 약 35℃의 온도에서 탈수기를 사용하여 탈수된다. 콜라겐 겔은 탈수기에서 적어도 4시간, 적어도 6시간, 적어도 8시간, 적어도 10시간 또는 적어도 12시간 탈수될 수 있다. 전형적으로, 콜라겐 겔은 탈수기에서 적어도 8시간, 예를 들어 약 10시간 동안 탈수된다. 탈수기에서의 탈수는 용매를 사용하는 탈수 공정에 비해 제조 공정에 사용되는 용매의 양을 줄인다. 탈수 콜라겐 겔의 수분 함량은 전형적으로 10 내지 35%이다.
탈수된 콜라겐 겔(즉, 생체 재료)의 형상은 제한이 없으며 임의의 2차원 또는 3차원 형상을 포함할 수 있다. 생체 재료의 형상은 예를 들어 적절한 형상의 몰드에서 가교성 콜라겐 혼합물을 가교화함으로써 제어될 수 있다. 대안적으로, 콜라겐 겔은 적절한 성형 기술을 사용하여 탈수 전 및/또는 후에 성형 및/또는 재성형될 수 있다. 이러한 성형은 콜라겐 겔 또는 탈수된 콜라겐 겔을 구부리거나, 접거나, 늘이거나, 말거나, 자르는 것을 포함할 수 있다. 전형적으로, 생체 재료는 시트 형태로 형성되므로, 생체 재료는 시트 형태로 제공된다. 시트는 임의의 두께일 수 있지만 전형적으로 시트의 두께는 5 cm 미만이다. 전형적으로, 시트의 두께는 3 cm, 2 cm, 1 cm, 0.5 cm 또는 0.1 cm 미만일 수 있다. 시트는 균일한 두께일 수 있거나, 시트는 두께가 다를 수 있다. 시트는 원하는 두께를 제공하기 위해 가교성 콜라겐 혼합물을 적절한 몰드에 넣고 겔 형성을 허용하도록 가교화함으로써 형성될 수 있다.
가교 후 형성된 콜라겐 겔은 몰드에서 쉽게 제거 가능하도록 일시적으로 동결될 수 있다. 그런 다음 겔은 전형적으로 탈수 전에 해동된다.
본 발명에 따른 생체 재료는 전형적으로 높은 인장 강도를 갖는다. 예를 들어, 생체 재료는 적어도 5 MPa, 또는 적어도 10 MPa, 적어도 15 MPa, 적어도 20 MPa 또는 적어도 25 MPa의 인장 강도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 생체 재료는 적어도 10 MPa, 적어도 15 MPa, 또는 적어도 20 MPa의 인장 강도를 갖는다. 일 실시양태에서, 생체 재료는 약 5 MPa 내지 약 25 MPa의 인장 강도를 갖는다. 인장 강도는 전형적으로 표준 방법 ISO 3376 (2020)에 따라 측정된다.
또한, 본 발명에 따른 생체 재료는 전형적으로 반-유연성(semi-soft)이고 구부려질 수 있다. 생체 재료는 일반적으로 두께 전체에 걸쳐 균일한 콜라겐 구조를 가지고 있다. 또한, 생체 재료의 특성은 사용되는 가교제(들) 및 선택적인 기타 첨가제의 양과 유형에 의해 용이하게 변경될 수 있다.
(c) 가공
생체 재료를 추기 가공하여 가공된 생체 재료를 형성할 수 있다. 따라서, 본원에 기술된 바와 같은 방법은 가공된 생체 재료를 형성하기 위해 시트 형성 단계 (b) 후에 가공 단계 (c)를 추가로 포함할 수 있다. 가공된 생체 재료는 전형적으로 가죽형 재료이다.
가공 단계는 가죽형 재료를 제공하는 임의의 단계 또는 단계들의 조합을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 가죽형 재료라 함은 천연 가죽과 유사한 물성을 가지는 재료를 지칭한다. 전형적으로, 가죽형 재료는 강하고 유연하다. 가죽형 재료는 재료를 두 번 접었을 때 균열이 나타나지 않을 수 있다. 전형적으로 가공 단계는 탈수 콜라겐 겔로부터 형성된 생체 재료에 대해 수행되지만, 적어도 가지 처리 및/또는 염색의 가공 단계가 상기 기재된 겔 형성 공정에 통합될 수 있다. 겔 형성 과정에 가지 처리 및/또는 염색 단계가 포함되는 경우, 콜라겐 겔의 탈수 후 형성되는 생체 재료는 추가 가공이 필요하지 않은 가죽형 재료일 수 있다.
가죽형 재료는 3 mm 초과, 또는 5 mm 초과, 또는 7 mm 초과의 지속성을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 가죽형 재료는 약 5 mm 내지 약 10 mm의 지속성을 갖는다. 지속성은 가죽 결의 팽창 정도와 강도를 나타낸다. 내구성은 전형적으로 표준 방법 ISO 3379(2015) 또는 DIN 53325에 따라 라스토미터(lastometer)를 사용하여 측정된다.
가죽형 재료는 10시간 후, 20시간 후, 30시간 후 또는 40시간 후 색조 변화나 표면 열화가 관찰되지 않는 광견뢰도를 가질 수 있다. 광견뢰도는 전형적으로 표준 방법 ISO 105-B02(2014)에 따라 측정된다. 광견뢰도는 300 내지 400 nm 파장의 빛을 사용하여 측정할 수도 있다.
가죽형 재료는 가속 환경 노화 시험을 거치고 20시간 후, 40시간 후 또는 60시간 후 색조 변화나 표면 열화가 관찰되지 않을 정도로 환경 노화에 대한 저항성을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 가속 환경 노화 시험은 생체 재료를 60 ± 2℃의 온도 및 90 ± 5% RH의 습도에 노출시키는 것을 포함할 수 있다.
가죽형 재료는 10시간 후, 13시간 후 또는 16시간 후 색조 변화나 표면 열화가 관찰되지 않을 정도로 물 얼룩에 대한 변색 견뢰도를 가질 수 있다. 물 얼룩에 대한 변색 견뢰도는 전형적으로 표준 방법 ISO 15700(1998)에 따라 측정된다.
가죽형 재료는 적어도 3000 사이클, 적어도 4000 사이클 또는 적어도 5000 사이클(모두 9 kPa 하에 측정됨)의 "마틴데일(Martindale)" 내마모성을 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 가죽형 재료는 마틴데일 마모 기계를 사용하여 측정되어 9 kPa 하에서 약 3000 사이클 내지 약 6000 사이클의 "마틴데일" 내마모성을 갖는다. "마틴데일" 내마모성은 전형적으로 표준 방법 ISO 17076-2(2011)에 따라 측정된다.
가죽형 재료는 100회 습윤 사이클 및 100회 건조 사이클, 또는 125회 습윤 사이클 및 125회 건조 사이클, 또는 150회 습윤 사이클 및 150회 건조 사이클 후에 분해가 관찰되지 않도록 하는 "베슬릭(Veslic)" 색상 마찰 견뢰도를 가질 수 있다. "베슬릭" 색상 마찰 견뢰도는 전형적으로 표준 방법 ISO 11640(2018)에 따라 측정된다.
가죽형 재료는 적어도 5 MPa, 또는 적어도 10 MPa, 적어도 15 MPa, 적어도 20 MPa 또는 적어도 25 MPa의 인장 강도를 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 가죽형 재료는 약 5 MPa 내지 약 25 MPa의 인장 강도를 갖는다. 인장 강도는 전형적으로 표준 방법 ISO 3376(2020)에 따라 측정된다.
가죽형 재료는 적어도 5 N, 또는 적어도 10 N, 또는 적어도 15 N의 인열 강도를 가질 수 있다. 일 실시양태에서, 가죽형 재료는 약 10 내지 약 20 N의 인열 강도를 갖는다. 인열 강도는 전형적으로 표준 방법 ISO 3377-1(2011) 또는 ISO 3377-2(2016)에 따라 측정된다. 일 실시양태에서, 인장 인열 강도는 300 ± 10 mm/분의 횡단 속도에서 저관성 자동 기록 인장 시험기를 사용하여 측정될 수 있다.
가죽형 재료는 9000회 굴곡 사이클 후, 12000회 굴곡 사이클 후 또는 15000회 굴곡 사이클 후 표면 열화가 관찰되지 않도록 하는 내굴곡성을 가질 수 있다. 내굴곡성은 전형적으로 표준 방법 ISO 5402-1(2017)에 따라 Bally 플렉소미터(flexometer)를 사용하여 측정된다.
가죽형 재료는 낮은 수준의 화학적 불순물을 가질 수 있다. 예를 들어, 가죽형 재료는 다음 하나 이상의 불순물을 다음 양 미만으로 함유할 수 있다: 75 ppm 포름알데히드, 1 ppm 클로로페놀, 1 ppm 총 금속 함량, 3 ppm Cr(VI), 200 ppm 디사이클로헥실 프탈레이트(DCHP), 0.1 ppm 디메틸 푸마레이트, 30 ppm 아조 염료, 1 ppm 다환식 방향족 탄화수소, 1 ppm 프탈레이트, 1 ppm 유럽 화학물질청에서 정의한 고위험성 우려 물질(Substance of Very High Concern: SVHC), 1 ppm 유기주석 화합물.
가공 단계는 생체 재료의 가지 처리, 염색 및 건조 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전형적으로, 가공 단계 (c)는 가지 처리, 염색 및 건조를 포함한다. 일 실시양태에서, 생체 재료는 가지 처리되고, 이어서 가지 처리된 생체 재료는 염색된 다음, 상기 염색 및 가지 처리된 생체 재료는 건조된다. 다른 실시양태에서, 생체 재료는 가지 처리된 다음, 상기 가지 처리된 생체 재료는 건조된다. 가공 단계는 또한 생체 재료를 기계적으로 작업하는 것을 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 생체 재료를 기계적으로 작업하는 것은 생체 재료를 구부리고, 접고/거나, 마는 것을 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 생체 재료는 먼저 가지 처리되고, 이어 가지 처리된 재료는 염색된 다음, 염색 및 가지 처리된 생체 재료는 건조되고, 이어서 건조된 생체 재료가 작업화된다.
가지 처리는 재료를 용매 중의 지방, 오일 및/또는 왁스의 에멀젼으로 코팅하여 지방, 오일 및/또는 왁스를 재료 중의 섬유에 고정시키는 공정이다. 전형적으로, 지방, 오일 및/또는 왁스는 식물성 오일, 피마자유, 소나무 오일, 라놀린 또는 어유와 같은 오일이다. 예를 들어, 가지 처리는 생체 재료 또는 가공된 생체 재료를 아세톤 중의 식물성 오일의 에멀젼과 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 천연 가죽의 가공 시, 가죽 표면을 재그리스화하여(re-grease) 부드러움과 유연성을 증가시키기 위해 가지 처리가 사용된다. 가지 처리는 또한 발수성을 부가한다. 해산 콜라겐 조성물로부터 형성된 생체 재료를 가지 처리하면 딱딱하고 부서지기 쉬운 재료가 생성될 수 있다. 그러나, 이 딱딱하고 부서지기 쉬운 가지 처리된 재료는 추가의 가공 단계, 특히 추가 염색, 건조, 알코올 용액으로의 처리 및/또는 재료의 기계적 작업을 거치면 여전히 가죽형 재료로 만들어지는 것이 가능하다.
임의의 적합한 염료 또는 안료가 염색에 사용될 수 있다. 적합한 가죽 염료 및 안료는 당업계에 공지되어 있고, 수계 염료 및 안료, 알코올계 염료 및 안료, 산성 염료, 직접 염료, 매염 염료 또는 염기 염료를 포함할 수 있다. 일 실시양태에서, 염료는 알코올계 염료, 특히 에탄올계 염료이다. 알코올 용액으로의 처리가 염색 단계와 함께, 또는 염색 단계 대신 사용될 수 있다. 일반적으로 알코올 용액은 에탄올 용액이다.
건조 단계는 전형적으로 생체 재료를 적어도 30℃, 또는 적어도 40℃, 또는 적어도 50℃의 온도에서 건조하는 것을 포함한다. 건조는 가지 처리 후 생성되는 딱딱한 생체 재료를 부드럽게 하는 데 도움이 될 수 있다. 건조 단계는 탈수기에서 수행될 수 있다. 전형적으로, 건조된 생체 재료의 수분 함량은 5 내지 25%일 수 있다.
전형적으로, 가공은 또한 생체 재료에 원하는 미관을 부여하기 위한 마무리 및/또는 코팅 단계를 포함한다. 적절한 마무리용 화학물질 및 제제는 당업자에게 공지되어 있으며 발수성 화학물질, 밀랍 또는 합성 중합체를 포함할 수 있다. 수계 마무리용 제제가 사용되는 경우, 마무리된 생체 재료는 수성 용매의 제거를 위해 위의 설명에 따라 건조되어야 한다.
가공은 또한 재수화, 할피, 셰이빙(shaving), 중화, 충전, 경화, 컨디셔닝, 연화 또는 버핑을 포함하여 천연 가죽에 일반적으로 적용되는 임의의 다른 공정을 포함할 수 있다.
물품의 제조
생체 재료 또는 가공된 생체 재료는 생체 재료 또는 가공된 생체 재료를 포함하는 물품의 제조에 사용될 수 있다. 제조는 생체 재료 또는 가공된 생체 재료를 성형 및/또는 절단하는 임의의 단계를 포함할 수 있다. 물품은 액세서리, 신발 및 가구와 같은 가죽형 재료로 유용하게 만들어질 수 있는 모든 물품일 수 있다.
실시예
실시 예 1
아래 방법에 따라 가공된 가죽형 생체 재료를 제조하였다.
(a) 추출
대구피(80 g, 습윤 매스)를 3 cm × 5 cm 조각으로 자르고 탈이온수로 세척하였다. 250 mL의 0.1 M NaOH를 첨가하고 실온에서 2시간 동안 교반하였다. (1시간 후 NaOH를 교체함). 피를 물로 세척하였다.
물(200 mL) 중 10%v/v 이소프로필 알코올을 첨가하고 실온에서 1시간 동안 교반하였다. 피를 물로 세척하였다.
200 mL의 1 M AcOH를 첨가하고 4℃에서 밤새 보관하였다. 그런 다음 추출물을 분리하였다. 또 다른 200 mL의 1 M AcOH를 어피에 첨가하고 다시 4℃에서 밤새 보관하였다.
두 추출물을 결합하고 동결건조하여 백색의 무정형 고체를 얻었다. 수율: 100 g/kg(건조 매스 어피).
(b) 형성
단계 (a)로부터의 어피 추출물 100 mg을 실온에서 2 mL의 물에 용해시켰다. 30% w/w 글리세롤 및 2% w/w 글루타르알데히드를 첨가하고 잘 혼합하였다. 용액을 몰드로 옮기고 겔 형성을 위해 4℃에서 2일 동안 정치시켰다.
겔을 1시간 동안 냉동고에 넣고 몰드에서 제거하였다. 해동 후, 겔을 탈수를 위해 50 mL의 아세톤에 넣었다(진탕기 테이블에서 40 rpm으로 48시간 동안, 24시간 후 신선한 아세톤으로 교체).
탈수 후 재료는 반-유연성이고 구부려질 수 있었다.
c) 가공
재료를 가지 처리하였다: 샘플을 아세톤 중 20% v/v 식물성 오일 용액에 담그고 8시간 동안 40 rpm으로 진탕기 테이블에 두었다. 샘플을 용액에서 제거하고 여분의 오일 용액을 닦아냈다. 가지 처리 후 재료가 매우 딱딱해졌다.
그런 다음 가지 처리 재료를 에탄올계 검은색 가죽 염료에 1시간 동안 담가서 염색하였다. 염색 후 여분의 염료를 닦아냈다.
염색된 재료를 탈수기에서 40℃에서 5시간 동안 건조시켰다.
샘플은 여러 번 구부린 후에 가죽형으로 되었다.
실시예 2
단계 (b)의 출발 물질로 어피 추출물 대신 100% 어류 젤라틴을 사용하고 추출 단계 (a)를 생략한 것을 제외하고 실시예 1의 방법에 따라 생체 재료를 제조하였다.
가공 단계 (c)의 완료 후, 생성된 재료는 실시예 1에서 제조된 재료보다 더 부드럽고 더 탄력적이었다.
실시예 3
가공 단계 (c)에서 염색 공정을 생략한 것을 제외하고 실시예 1의 방법에 따라 생체 재료를 제조하였다. 가지 처리 후 생성된 딱딱한 생체 재료는 건조 후 덜 딱딱해진 것으로 관찰되었다.
실시예 4
가공 단계 (c)의 염색 공정을 형성 단계 (b)와 조합한 것을 제외하고 실시예 1의 방법에 따라 생체 재료를 제조하였다. 본 실시예에서는 겔 형성 전에 수계 염료를 콜라겐 용액과 혼합하였다. 생성된 생체 재료는 생체 재료의 두께에 걸쳐 고르게 염색된 것으로 관찰되었다.
실시예 5
다음 실시예는 부분 가수분해된 콜라겐 및 선택적으로, 완전 가수분해된 콜라겐을 사용하지만 콜라겐이 없는 생체 재료를 제조하는 방법을 설명한다.
부분 가수분해된 콜라겐과 완전 가수분해 콜라겐은 Louis Francois와 InnerVita에서 구입하였다.
겔 형성
단백질 혼합물(2.5 g)을 약 50-60℃의 온도에서 50 mL의 타입 II 탈기수에 용해시켰다. 완전히 용해된 후, 단백질 혼합물을 30초 동안 초음파 처리하고 실온(20-25℃)으로 냉각하였다. 0.75 g의 글리세린(Intralabs)을 단백질 혼합물에 첨가하고, 완전히 용해될 때까지 1-2분 동안 교반하였다. 0.2 ml의 글루타르알데히드(Alfa Aesar, 2% w/w의 단백질)를 실온에서 용액에 첨가하고, 용액을 1-2분 동안 혼합한 후 12 cm × 12 cm 또는 25 cm × 25 cm 몰드에 부었다. 실온에서 30분 후 하이드로겔이 형성되었다.
탈수
콜라겐 하이드로겔을 탈수기에서 35℃에서 10시간 동안 탈수한 후 몰드에서 벗겨냈다.
실시예 6
다음 실시예는 콜라겐과 함께 부분 가수분해된 콜라겐 및 선택적으로, 완전 가수분해된 콜라겐을 사용하여 생체 재료를 제조하는 방법을 설명한다.
돼지 스킨과 소 힘줄에서 분리한 동결 건조된 타입 I 콜라겐 시트를 Wuxi BIOT Bio-technology Co. Ltd.에서 구입하였다. 해산 콜라겐을 확립된 절차에 따라 대구피에서 추출하였다. 부분 가수분해된 콜라겐과 완전 가수분해된 콜라겐은 Louis Francois와 InnerVita에서 구입하였다. XIAMETER AFE-1530 소포제(실리콘계 에멀젼)는 The Dow Chemical Company에서 구입하였다.
겔 형성
0.25-0.5 g의 콜라겐 시트를 작은 조각으로 자르고 무게를 재 사용 준비를 마쳤다. 부분 가수분해된 콜라겐 및/또는 부분 가수분해된 콜라겐/완전 가수분해된 콜라겐 혼합물(2-2.25 g)을 50-60℃에서 25 mL의 타입 II 탈기수에 용해시켰다. 단백질 용액을 실온(20-25℃)으로 냉각하였다. 준비된 콜라겐 조각을 25 mL의 0.01 M HCl 수용액에 첨가하였다. 콜라겐이 충분히 용해된 후, 0.75 g의 글리세린을 용액에 첨가하였다. 용액을 소포하기 위해, 0.2-0.4% (w/w) 소포제 에멀젼을 첨가하고 거품이 완전히 제거될 때까지 적어도 30분 동안 용액을 추가로 교반하였다. 단백질 용액을 조합한 다음 5 M NaOH 수용액 분취물을 첨가하여 중화하였다. 0.2 ml의 글루타르알데히드(2% w/w)를 적가하고 용액을 1-2분 동안 교반한 후 12 cm × 12 cm 또는 25 cm × 25 cm 몰드에 부었다. 실온에서 30분 후 하이드로겔이 형성되었다.
탈수
콜라겐 하이드로겔을 탈수기에서 35℃에서 10시간 동안 탈수한 후 몰드에서 벗겨냈다.
실시예 7
다양한 콜라겐 함유 성분을 이용한 생체 재료를 실시예 5 및 6의 방법에 따라 제조하였다. 조성물이 콜라겐을 함유하지 않은 경우에는 실시예 5의 방법을 사용하였고, 조성물이 콜라겐을 함유하는 경우에는 실시예 6의 방법을 사용하였다. 생체 재료의 인장 강도를 표준 방법 ISO 3376:2020에 따라 인장 강도 시험기 Instron Model 34SC-05를 사용하여 시험하였다.
생체 재료의 조성 및 인장 강도는 표 1에 설명되어 있다.
생체 재료의 조성
항목 콜라겐
% 		부분 가수분해된 콜라겐 % 완전
가수분해된
콜라겐 % 		글리세린 w/w% 글루타르
알데히드
w/w% 		소포제 w/w% 인장 강도
/MPa*
1 100%
수산		 - - 30 2 - E
2 100% 소 - - 30 2 0.12 E
3 50% 소 50% 수산 - 30 2 0.12 D
4 50% 돼지 50% 수산 - 30 2 0.03 A
5 20% 돼지 80% 수산 - 30 2 0.12 B
6 10% 소 90% 수산 - 30 2 0.12 D
7 10% 돼지 90% 수산 - 30 2 0.12 B
8 10% 돼지 90% 수산 - 30 2 0.6 B
9 - 100% 수산 - 30 2 - A
10 - 100% 돼지 - 30 2 - A
11 - 100% 수산 - 30 2 0.3 A
12 - 50% 수산 50% 돼지 - 30 2 0.001 A
13 - 90% 수산 10% 수산 30 2 - A
14 - 80% 수산 20% 수산 30 2 - B
15 10% 소 80% 수산 10% 수산 30 2 0.12 D
16 10% 돼지 80% 수산 10% 수산 30 2 0.12 A
*A: > 20 MPa; B: 16-20 MPa; C: 11-16 MPa; D: 6-11 MPa; E: < 6 MPa
결론
표 1의 결과는 부분 가수분해된 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물로부터 형성된 생체 재료(항목 3 내지 16)가 콜라겐을 유일한 콜라겐 함유 성분으로 함유하는 콜라겐 조성물로부터 형성된 생체 재료(항목 1 및 2)에 비해 개선된 인장 강도를 나타냄을 입증한다.
결과는 또한 저농도의 소포제 첨가가 겔 형성 과정에서 거품 형성을 성공적으로 방지하여 생체 재료의 기계적 강도를 증가시켰음을 보여준다.
해산 콜라겐이 특히 유리한 콜라겐 공급원이다. 예를 들어, 100% 해산 콜라겐으로 제조된 생체 재료(항목 1; 5.4 MPa)가 100% 소 콜라겐으로 제조된 생체 재료(항목 2; 4.1 MPa)보다 개선된 인장 강도를 보여주었다.
실시예 8
다양한 콜라겐 함유 성분을 이용한 생체 재료를 실시예 5 및 6의 방법에 따라 제조하였다. 겔 형성 동안 콜라겐 조성물에 지방액 에멀젼(40% w/w의 단백질)을 첨가하였다. 결과를 표 2에 정리하였다.
지방액 에멀젼을 포함하는 콜라겐 조성물로부터 제조된 생체 재료의 인장 강도
항목 단백질 인장 강도, MPa
1 40% 지방액 에멀젼(Trupon LP2, Trumpler제)이 첨가된 100% 부분 가수분해된 해산 콜라겐 A
2 40% 지방액 에멀젼(Trupon LP2, Trumpler제), 20% 글리세린이 첨가된 100% 부분 가수분해된 해산 콜라겐 A
실시예 9
가교제로 글루타르알데히드 대신 트랜스글루타미나제(단백질-글루타민 γ-글루타밀트랜스퍼라제, EC 2.3.2.13, Stabizym TGL-100에서 공급)를 사용한 것을 제외하고 실시예 5 및 6의 방법에 따라 다양한 콜라겐 함유 성분을 사용하여 생체 재료를 제조하였다.
가교제로서 트랜스글루타미나제를 함유하는 생체 재료의 조성
항목 콜라겐 % 부분 가수분해된 콜라겐 % 완전
가수분해된 콜라겐 % 		글리세린 w/w% 트랜스
글루타미나제 U/g 		소포제 w/w% 인장 강도
/MPa
1 - 100% 수산 - 30 2 - A
2 - 100% 수산 - 30 2 0.001 A
3 - 100% 수산 - 30 4 - A
4 - 100% 수산 - 30 4 0.001 A
5 - 90% 수산 10% 수산 30 4 0.001 B
6 - 80% 수산 20% 수산 30 4 0.001 C
검토
소포제의 첨가가 생체 재료의 인장 강도를 증가시켰다. 예를 들어, 항목 2(0.001 w/w% 소포제; 31.5 MPa)의 조성물로부터 제조된 생체 재료는 항목 1(소포제 없음; 25.6 MPa)에 비해 개선된 인장 강도를 나타냈다.
실시예 10
실시예 9의 방법에 따라 다양한 콜라겐 함유 성분을 사용하여 생체 재료를 제조하였다. 겔 형성 도중 수계 염료(Metropolitan Leather)를 용액에 첨가하였다. 결과를 표 4에 정리하였다.
수계 염료를 포함하는 콜라겐 조성물로부터 제조된 생체 재료의 인장 강도
항목 단백질 인장 강도, MPa
1 100% 부분 가수분해된 해산 콜라겐,
2 U/g 트랜스글루타미나제, 0.001% 소포제,
0.1 mL/L 수계 염료		 A

Claims (20)

  1. 탈수 콜라겐 겔(dehydrated collagen gel)을 포함하는 생체 재료(biomaterial)로서, 상기 콜라겐 겔은 (i) 부분 가수분해된 콜라겐, 및 (ii) 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐을 함유하는 콜라겐 조성물을 포함하고,
    상기 콜라겐 조성물은 적어도 30 중량%의 부분 가수분해된 콜라겐을 포함하는,
    생체 재료.
  2. 제1항에 있어서, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 적어도 5 중량% 포함하는, 생체 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 콜라겐 조성물은 부분 가수분해된 콜라겐을 50 내지 95 중량% 포함하는, 생체 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 콜라겐 조성물은 부분 가수분해된 콜라겐을 70 중량% 내지 95 중량% 포함하는, 생체 재료.
  5. 제4항에 있어서, 콜라겐 조성물은 부분 가수분해된 콜라겐을 80 내지 95 중량% 포함하는, 생체 재료.
  6. 제4항에 있어서, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 5 중량% 내지 30 중량% 포함하는, 생체 재료.
  7. 제5항에 있어서, 콜라겐 조성물은 콜라겐 및/또는 완전 가수분해된 콜라겐 중 하나 또는 이들의 혼합물을 5 중량% 내지 20 중량% 포함하는, 생체 재료.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 콜라겐 조성물은 완전 가수분해된 콜라겐을 5 중량% 내지 30 중량% 포함하고, 바람직하게는 콜라겐 조성물은 완전 가수분해된 콜라겐을 5 중량% 내지 20 중량% 포함하는, 생체 재료.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 부분 가수분해된 콜라겐, 콜라겐 및 완전 가수분해된 콜라겐 중 적어도 하나는 수산물(marine product)로부터 추출되는, 생체 재료.
  10. 제9항에 있어서, 수산물은 민물고기 산물, 바닷물고기 산물, 무척추동물 산물 또는 절지동물 산물인, 생체 재료.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 부분 가수분해된 콜라겐은 부분 가수분해된 해산 콜라겐(marine collagen)인, 생체 재료.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 콜라겐 겔은 추출된 콜라겐 조성물을 포함하고, 추출된 콜라겐 조성물은 콜라겐을 포함하는, 생체 재료.
  13. 제12항에 있어서, 추출된 콜라겐 조성물은 수산물로부터 추출되는, 생체 재료.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 콜라겐 조성물은 소포제(antifoam agent)를 추가로 포함하는, 생체 재료.
  15. 제14항에 있어서, 소포제는 0.001% 내지 5% w/w의 양으로 존재하는, 생체 재료.
  16. 제15항에 있어서, 소포제는 0.1% 내지 2% w/w의 양으로 존재하는, 생체 재료.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 생체 재료를 생산하기 위한 방법으로서,
    a) 콜라겐 조성물을 콜라겐 겔로 형성하는 단계; 및
    b) 콜라겐 겔을 탈수하여 생체 재료를 형성하는 단계를 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서, 형성하는 단계는 가지 처리(fat-liquoring) 성분 및/또는 염료 또는 안료(pigment)를 콜라겐 조성물에 첨가하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 생체 재료를 가공하여 가공된 생체 재료를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  20. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 생체 재료를 포함하는 가죽형(leather-like) 가공 생체 재료.
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