셀룰로오스나노파이버의 바이오메디컬분야에의 응용
2020-11-03
org.kosen.entty.User@18e3e6f8
권오경(ok55)
셀룰로오스나노파이버의 바이오메디컬분야에의 응용
권오경, cwrnd@hanmail.net
(주)비에스지, 기술연구소
Key words
Cellulose nano fiber, Biomedical, Wound dressings, Electro spinning , Nanocomposite
셀룰로오스나노파이버, 바이오메디컬, 창상피복재, 전기방사법, 나노컴포지트
1. 개요
최근, 바이오메디컬 용도에 있어서의 고분자 나노파이버 기술에 대한 관심이 높아지고 있다[1]. 예를 들어 고분자 나노파이버 부직포를 세포 지지체재료에 응용하는 것이 적극적으로 검토되고 있다. 세포의 증식이나 분화·유도에 적합한 재료표면의 미세구조는 기존 기술로 대응할 수 없으며, 또 세포의 분화에 필요한 성장인자의 약물전달시스템(Drug Delivery System, DDS) 기능을 기존의 지지체 재료에 탑재하는 기술도 한정되기 때문이다.
셀룰로오스는 폴리머쇄 간에 강고한 수소결합이 있기 때문에 높은 결정성과 기계적 강도를 가지는 반면, 용해성, 가공성에 과제가 있다. 나노셀룰로오스 재료는 마이크로 피브릴화 셀룰로오스(MFC), 나노크리스탈 셀룰로오스(NCC), 박테리아 나노셀룰로오스(BNC)로 크게 나눌 수 있다[2]. 본고에서는 이들 나노셀룰로오스의 재생의료를 중심으로 하는 바이오메디컬 분야에서의 응용[2,3], 및 셀룰로오스 다공질체의 제작과 응용을 소개한다.
2. 나노셀룰로오스의 제법
최근 10년 사이에 생물소재에서 유래한 셀룰로오스나노파이버(나노셀룰로오스)제조를 위한 다양한 기술개발이 수행되어 왔다. 대표적인 3가지의 수법을 간략히 알아보고자 한다.
우선, 화학적 수법으로서, TEMPO(2,2,6,6-tetramethyl piperidin-1-oxyl radical)산화법이 있다. 이것은 TEMPO촉매에 의한 산화를 천연셀룰로오스에 적용시키면, 결정성 셀룰로오스 마이크로 피브릴 표면에만 고밀도로 카르복시기, 알데히드기가 도입된다는 것이다. TEMPO촉매산화에 의해 카르복시기를 다수 도입시킨 천연셀룰로오스를 물 속에서 믹서와 같은 간단한 기계처리를 하면, 폭 약 4nm의 싱글나노파이버로 된 고점도로 투명한 분산액을 얻을 수 있다. 이 외에, 효소분해에 의한 조제법과 볼 밀로써 분쇄한다는 메카노케미컬처리 등이 제안되고 있다.
한편, 케미컬프리로 셀룰로오스 표면을 화학개질시키지 않는 프로세스가 있다. 전술한 맷돌식 마쇄로써 마이크로피브릴화 나노파이버를 조제하는 그라인더법이 하나의 수법이다. 그리고 또 하나는, 물리화학적 수법으로서의 ACC법(Aqueous Counter Collision))이 있다. 이 방법은 고압수류의 충돌에너지를 이용하여 셀룰로오스 소재뿐만 아니라, 기타 바이오매스를 나노 미세화시키는 수법이다. 이는 물현탁 시료를 고속으로 충돌시킴으로써 발생하는 에너지를 이용하여, 화학결합에 영향을 주지 않고 약한 분자간 상호작용을 우선적으로 분리시키는 물리화학적 수법이다. 또한, 충돌압과 충돌횟수를 제어함으로써 Van der Waals힘이나 수소결합 등 약한 분자간 상호작용의 선택적 개열 혹은 개열의 정도를 제어할 수 있게 된다. 이 수법을 생물소재에 적용했을 경우, 셀룰로오스 나노파이버뿐만 아니라, 생물소재 중에 존재하는 나노파이버 간의 상호 작용이 개열되고 10~15nm(생물종에 따라 다름) 바이오 나노파이버가 물 속에 고분산 한다. ACC법의 처리조건을 조절하면, 같은 생물소재에서 여러 가지 형태를 가진 바이오 나노파이버를 제조할 수 있다.
3. 셀룰로오스 나노파이버의 제법과 화학적 특징의 관계
대표적인 3가지의 셀룰로오스나노파이버 제조법을 전술하였는데, 얻어지는 셀룰로오스 나노파이버는 제조법에 따라 다른 특징을 나타낸다. TEMPO산화법, 그라인더법으로 얻을 수 있는 나노파이버 표면은 종래의 천연셀룰로오스 섬유와 같이 친수성을 나타낸다. 한편, ACC(Aqueous Counter Collision)법으로 얻을 수 있는 셀룰로오스 나노파이버 표면은, TEMPO산화법, 그라인더법에 의한 것에 비해 보다 소수성이며, 결과적으로 양친매성을 나타낸다.
천연셀룰로오스 섬유의 계층구조를 횡단면에서 보면, 셀룰로오스 분자쇄 간에 강하게 수소결합한 글루칸시트가, Van der Waals힘으로써 시트 간에서 상호작용하여 집적함에 의해 고차구조로 발전한 것이다. 따라서, 주로 수산화기가 외측을 덮으므로 강한 친수성을 나타낸다. TEMPO산화법으로는, 얻어질 폭 3~4nm의 최소 나노파이버 표면의 연결된 글루코스에서, 유닛 하나 걸려 6위 수산화기가 선택적으로 산화되어 카르복시기가 도입되고, 글루크론산 유닛으로 화학변환된다. 그렇기 때문에 더욱 강한 친수성을 나타내며, 또 카르복시기로 쌍이온 교환이 가능하게 된다.
한편, ACC법에 있어서, 통상의 ACC분출압 200MPa로는 글루칸시트 중의 수소결합을 개열시키는 에너지에는 이르지 못하며, 집적시트 간의 Van der Waals힘만을 개열시킬 수 있다고 추정된다. 그 결과, 새롭게 글루칸시트의 소수성 부위가 나노파이버 표면에 노출되게 된다. 즉, ACC법은 셀룰로오스 나노파이버에 소수성을 부여할 수 있는 나노미세화법이 된다.
4. 나노셀룰로오스의 안전성
인간은 셀룰라아제를 가지지 않기 때문에 셀룰로오스는 생체 내 흡수성을 갖지 않으나, 일반적으로 생체적합성에는 뛰어나다. 한편 플러렌, 카본나노튜브를 비롯한 나노재료가 폭넓게 이용됨에 따라, 그것들의 생체에 대한 안전성이 우려되어 많은 검증이 이루어져 왔다. 나노셀룰로오스에 대해서도 마찬가지로, 안전성이 많이 연구되고 있다.
셀룰로오스의 산가수분해로 얻어지는 NCC의 안전성에 관한 보고에서는, 생태독성 위험은 낮고 동물이나 인간의 많은 세포에 대한 독성은 별로 나타나지 않으며, 상술한 카본계 나노재료보다 세포독성이나 염증도는 낮다. 그러나 고농도에서는 세포독성이 나타날 경우가 있다. NCC 농도가 250μg/mL까지는 세포독성을 나타내지 않으나, 2,000μg/mL나 5,000μg/mL와 같은 고농도에서는 세포의 생존율이 저하되어, 스트레스나 아포토시스의 마커 발현이 나타난다. 최근의 연구에서는 NCC의 형태가 다르면 농도 의존적인 산화스트레스, 조직손상, 염증반응이 보이며, 크로시드라이트 석면에 보다 현저히 나타난다는 보고도 있다. 이와 같이, 나노셀룰로오스 재료의 독성에 대해서는 불분명한 점도 많아, 앞으로 모폴로지(Morphology)나 제작법의 영향을 연구할 필요가 있을 것이다.
5. 나노크리스털셀룰로오스(NCC)의 응용
NCC는 직경 2~50nm, 길이 100~2,000nm로 축비가 MFC와 BNC보다 작다. 그러므로 BNC겔과 같은 벌크재료로서 이용하는 것이 아니라 다른 형태로 이용할 수 있다[4]. 예를 들어 스핀코트법으로 평평한 유리표면에 파종함으로써 NCC를 방사상으로 배향시킨 층이 제작된다. 이 표면상에서 근아세포는 NCC를 따라 배향하며, 고도로 배향한 다핵근관을 얻을 수 있다.
초산프로피온산 셀룰로오스(CAP) 매트릭스 중에 NCC를 분산시킨 강직한 3D침투계가 소직경 인공혈관으로 설계, 개발되었다. NCC를 소량첨가함으로써 기계적 강도가 대폭 향상된다. 미소외부 자기환경 하에서 CAP매트릭스 중의 NCC는 배향하여, 기계적 강도와 내열성이 더욱 높아진다. 피부 재생에의 응용을 목적으로 NCC를 첨가한 콜라겐필름이 개발됐다. 안정성과 기계적 강도뿐만 아니라, 팽윤도도 향상되어 재생의료용 매트릭스로서 우수하다. 섬유아세포 배양에 있어서 현저한 독성은 나타나지 않으며 세포접착이 촉진됐다.
NCC와 폴리비닐알코올(PVA)의 브랜드계에 유산·글리콜산 공중합체(PLGA) 나노입자를 첨가한 복합재료가 개발됐다. NCC와 PVA의 혼합에 의해 생체적합성과 기계적 강도가 향상되며, 나노입자에는 PLGA의 생체내 흡수성을 이용한 약물서방 기능이 부여된다. 골수간엽 줄기세포에 대해 독성은 나타나지 않아 재생의료에서의 약물서방 재료로서의 잠재성이 밝혀졌다. 또 PLGA 나노입자 대신에 은나노입자의 첨가도 검토되며 항균성기능을 탑재한 재료가 창제됐다.
교호적층법(LBL)은 서로 상호작용하는 고분자용액(분산액)에 기판을 교대로 침지함으로써, 기판상에 나노수준의 박막을 조제하는 수법이다. 콜라겐과 NCC의 다층필름이 LBL법으로 개발됐다. 이 계에서는 양쪽 폴리머의 정전적 상호작용보다 수소결합이 더 중요하다. NCC와 키토산의 박막도 같은 방법으로 제작되며, 재생의료, DDS, 창상치유 등에의 응용이 기대된다.
NCC함유의 미세파이버 부직포 제작에 전기방사법이 이용된다. 고분자용액 또는 융액에 고전압을 인가함으로써 전기적으로 섬유를 방사하는 방법이다. 진공장치나 가열장치가 필요 없고, 상온, 대기압 하에서 용이하게 나노~마이크로미터 오더의 섬유나 부직포를 얻을 수 있고 범용성이 높아 주목받고 있는 제작법이다.
NCC를 첨가한 초산셀룰로오스 용액의 전계방사를 통해 얻어진 나노컴포지트는 우수한 항혈액 응고작용을 나타냈다. 매트릭스폴리머 중의 NCC가 세포외 매트릭스의 계층적 배향을 모방한다고 생각된다. NCC를 포함한 모든 셀룰로오스 나노컴포지트 나노파이버도 개발되며 인간 치소낭 세포의 지지체재료로 응용됐다. 또, 전기 방사법을 이용함으로써, NCC와 실크피브로인이나 폴리유산과의 나노컴포지트로도 제작됐다.
6. 박테리아 나노셀룰로오스(BNC)의 응용
지구상의 대부분의 셀룰로오스는 식물이 원료인데, 초산균(Glconacetobacter xylinum)도 셀룰로오스를 산출하고, 박테리아 나노셀룰로오스(BNC)로 불리운다[5]. BNC는 나타데코코(Nata de coco)로서 유명하고, 동남아에서는 코코넛워터(Voconut water)를 원료로 저렴하게 제조된다. BNC는 하이드로겔로서 얻어지며 그 중량의 99% 이상이 물이다. BNC는 식물유래의 셀룰로오스와는 달리 헤미셀룰로오스나 리그닌을 포함하지 않는 고순도의 결정성 나노파이버이다. BNC겔은 박테리아의 체내에서 배출된 셀룰로오스가 피브릴화 되어, 50~100nm 폭의 리본형태의 BNC 나노파이버가 3차원 네트워크구조를 형성한 것이다. 일반적으로 BNC는 액체배지 중에서의 배양을 통해 합성되고, BNC겔은 배양액/공기계면에서 배양액 내로 성장하기 때문에, BNC겔은 면방향에서는 균일한 나노사이즈의 네트워크구조를 가지나, 두께방향으로는 미크론사이즈의 층상구조를 가진다는 이방성이 있는 것으로 알려져 있다(그림1). 또, BNC는 일반 시트형상으로 얻을 수 있으며, 배양법의 응용에 의해 튜브상이나 구상 BNC도 개발가능할 것이다.
그림 1. BNC의 SEM사진
바이오메디컬 분야에서 BNC의 대표적인 응용은 창상피복재이다. 그 이외에 인공피부, 신경수술용 피복재, 경막인공기관, 동맥 스텐트코팅에도 적용되고 있다[3]. 삼출액의 유지, 상처의 통증완화, 재상피 형성의 촉진 및 치유시간의 단축, 상처부위의 감염억제 등의 점에서 기존제품보다 우수하다.
BNC는 상피세포의 지지페재료로 검토되고 있으며 세포를 파종한 BNC 피부대체는 상피손상의 자기이식으로 바뀌는 것으로 유망하다. 인간세포를 파종한 BNC튜브에 대해서도 현저한 성과가 얻어졌으며, 요로도관에의 응용이 검토되고 있다. 뼈의 재생의료에의 응용에서는 BNC는 콜라겐의 대체재료로 이용된다. BNC 지지체의 공극률이나 모폴로지, 히드록시아파타이트의 결정사이즈라는 파라미터가 골아세포의 접착, 증식 및 분화에 크게 영향을 미친다.
BNC는 인공심장의 변에의 응용도 검토되고 있다. 폴리비닐알코올과의 복합재료는 생체의 심장판첨과 비슷한 기계적 강도를 가진다. 현재 사용되는 돼지심장유래 밸브나 기계밸브에는 수명과 항 응혈성에 과제가 있기 때문에 BNC를 기반으로 한 복합재료에 대한 기대감은 크다. 또한 연골의 대체재료로 BNC와 폴리(디메틸아크릴아미드)의 더블 네트워크겔이 사용되며, 알긴산을 능가하는 성과를 얻었다. BNC와 콜라겐의 복합재료는 특정 단백질분해효소나 인터류킨을 감소시켜 항산화능이 향상된다.
이러한 BNC의 생체 내에서의 응용에 대해, 앞으로 중요한 과제가 되는 것이 생체내 흡수성의 부여이다. 산화셀룰로오스의 가수분해 내성이 낮은 것을 이용함으로써, 산화를 통해 셀룰로오스의 생분해성이 향상된다. BNC에 대해서는 과옥소산에 의한 산화로 생분해성이 높아지는 것이 보고되어 있다.
BNC의 층상구조에 주목하여, 그 층간에 고흡수성재료인 가교 폴리아크릴산 나트륨염(PAANa)을 복합화함으로써, 1차원적으로 팽윤-수축하는 나노컴포지트 시트가 개발됐다(그림2)[6]. 이 복합 젤은 건조에 의해 BNC층의 수직인 방향으로 크게 수축된다. 그것으로 얻어진 시트는 물에 침지됨으로써 수직방향으로 크게 팽윤된다. 이 사이클은 반복이 가능하며 거의 같은 팽윤도(~700%)와 형상변화를 나타냈다. 이러한 1차원적인 팽윤-수축은 BNC의 층상구조에 근거한 것이며, BNC의 바이오머티리얼 용도의 새로운 이용법으로서 향후의 용도전개가 기대된다.
그림 2. BNC/PAA 복합재료의 1차원팽윤 - 수축거동
7. 다공질 셀룰로오스의 합성과 응용
나노·미크론사이즈의 골격으로 되는 다공질 재료에는 흡착·분리용도를 중심으로 다양한 용도가 전개된다. 다공재료로서는 3차원 네트워크의 골격과 그 공극(관통공)이 일체가 된 모노리스(Monolith)가 차세대형 다공재료로서 주목받아, 고기능재료로 응용되고 있다.
망목상 연속구조를 가진 일체형 모노리스에서는 골격과 유로가 되는 공극(구멍)의 사이즈를 독립적으로 제어할 수 있으며, 이들의 사이즈를 균일하게 제작할 수 있다. 또한, 재료의 골격부분도 유로와 마찬가지로 연속된 네트워크구조를 형성하고 있어 높은 강도를 나타내는 특징이 알려져 있다.
현재, 보고된 유기고분자 모노리스는 희석제 존재 하의 비닐기를 여러 개 갖는 가교제모노머의 중합 혹은 가교제모노머와 비닐모노머의 공중합으로 만들어진다. 정밀한 다공구조를 가진 모노리스 제작에는 고도의 고분자 합성기술과 상분리 과정의 속도를 자유롭게 제어할 수 있는 기술의 융합이 필요하다. 그 때문에, 지금까지 개발되어 온 고분자 모노리스는 내부구조가 불균일적인 입자 응집형태가 많다. 또 이 수법은 천연고분자에는 적용할 수 없다.
열유기 혹은 빈용매 유기상분리법에 의한 고분자 모노리스의 제작과 응용을 계통적으로 연구한 사례가 있다[7]. 폴리메타크릴산메틸(PMMA)은 알코올에도 물에도 불용하나, 알코올과 물의 혼합액에는 가열함으로써 용해됐다. 그리고 흥미롭게도 이 아크릴수지 용액을 실온까지 식히면 백색 구조체가 얻어지며, 그 내부는 나노 다공구조이었다. PMMA라는 수지를 용매에 넣고 데워 녹이고, 그것을 식힌다는 매우 간단한 조작으로 모노리스를 만들 수 있는 점에서 실용성이 높은 수법이다. 지금까지 폴리아크릴로니트릴, PVA, 에틸렌비닐알코올공중합체(EVOH), 폴리유산, 실크, 폴리카보네이트, 등 범용 플라스틱에서 바이오고분자까지 다양한 고분자 모노리스가 생산됐다. 모노리스의 칼럼재료에의 응용에서는 기존의 분리·정제 시스템과 달리 일체형의 다공구조에 근거해 플로우가 균일해지는 특징이 있다(그림3).
즉, 입자형 충전제에서는 칼럼 중에 입자가 없는 부분이 있기 때문에 플로우가 불균일하게 되어 분리성능에 지장이 생길 경우가 있다. 한편, 모노리스에서는 균일한 구조에 근거해 분리용량과 분해능을 높일 수 있다. 불균일 구조에 근거한 전단력이 발생하지 않기 때문에 변형되기 쉬운 바이오분자(바이러스, 백신, 플라스미드 DNA, 거대 단백질 등)의 분리·정제에 적합하다고 생각된다. 이러한 바이오 용도에서는 타겟물질에 대한 선택성을 높이기 위해 비특이흡착의 억제도 중요한 기술과제이며, 친수성고분자로 된 모노리스 개발이 필수적이다.
| 그림 3. 모노리스의 분리담체로서의 특징 |
이러한 이유로 셀룰로오스 모노리스에 대한 기대감은 크지만, 셀룰로오스는 용해성이 부족하기 때문에 범용성이 높은 방법으로 셀룰로오스로부터 직접 모노리스를 제작하는 것은 쉽지 않다. 따라서 연구자들은 용해성이 뛰어난 초산셀룰로오스에 주목하고, DMF와 1-헥사놀의 혼합용매를 사용하는 빈용매 유기상분리법으로써 모노리스를 제작했다(그림4). 이것을 함수 가소프로판올 속에서 알칼리 가수분해함으로써 셀룰로오스
모노리스로 변환했다. 이 셀룰로오스 모노리스는 메소포어를 가진 나노재료이다. 적절한 용매의 혼합비와 초산셀룰로오스의 농도를 설정함으로써 내부 모폴로지가 비교적 균일한 모노리스를 얻을 수 있었다. 셀룰로오스는 쉽게 유도화 할 수 있으며, 에폭시기, 1급 아미노기, 알데히드기와 같은 대표적인 반응성기를 도입한 모노리스를 개발했다. 또, 스크리닝키트 등의 응용에 적합한 다공질 셀룰로오스필름도 같은 방법으로 개발했다. 현재, 셀룰로오스나 친수성고분자(EVOH)인 모노리스에 Protein A, 글루타티온, 니켈이온 등을 고정시켜, 어피니티 크로마토칼럼으로서의 성능을 평가하고 있다.
그림 4. 셀룰로오스 모노리스의 제작
8. 결론
나노셀룰로오스 재료와 셀룰로오스 다공질체의 메디컬분야에 있어서의 응용을 고찰했다. BNC겔은 창상피복재를 비롯한 다양한 응용이 진행되고 있으며, NCC는 생체적합성 고분자와의 나노컴포지트화에 의한 용도개발이 검토되고 있다. 앞으로 셀룰로오스 유래의 성질과 나노구조에 기반한 특징을 융합함으로써, 나노셀룰로오스 재료의 바이오메디컬 분야에서의 용도개발이 더욱 활발해질 것이다.
또, 미세한 구조를 가진 셀룰로오스 다공질체에는, 셀룰로오스 특유의 바이오 분자에 대한 비특이흡착성 등을 활용함으로써, 항체의약의 고효율 및 고속 정제기술이나 신약개발에 도움이 되는 스크리닝 키트의 개발 등, 의학분야에서의 신규 응용연구가 기대된다.
References
1. 宇山浩;細胞 の 3次元 組織化 - その 最先端 の技術 と 材料 技術、田 畑 泰 彦 編 ;メディカル トウ 、138-142 （2014 ）
2. D.Klemm, F.Kramer, S.Moritz, T. Lindstr, M.Ankerfors, D.Gray and A.Dorris; Angew.chem.Int.Ed., 50,5438(2011)
3. N.Petersen and P.Gatenholm; Appl.Microbiol.Biotechnol.,91,1277(2011)
4. R.M.A.Domingues, M.E.Gomes and R.L.Reis.,Biomacromol., 15,2327(2014)
5. N.Shasa, M.Ul-Islama,W.A.Khattaka and J.K.Park;Carbohydrate Polym., 98,1585(2013)
6. 宇山浩; 化學,71(10)(2016)
7. 宇山浩;高分子論文集, 67, 489(2010)