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문제 정의
- 매우 적합한 특성을 가지고 있다. 그리하여 본 논문에서는 알긴산을 기반2로 하는 나노섬유를 제조하고자 하였다. 알긴산은 점도와 전도도가 매우 높아 전기방사하기에 어렵기 때문에 대표적인 친수성 고분자인 PEO, PVA와 혼합하여 전기방사를 수행하였다.
- WT5 또한, 높은 점도를 가진 알긴산나트륨은 농도가 높아질수록 전기방사시 균일한 균일한 나노섬유를 얻기 어렵다 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 나노섬유의 비드를 제거할 수 있는 계면활성제인 Triton X-100만을 소량 사용하였다. 따라서 본 논문에서는 천연 재료인 알긴산에 각각 생체적합성이 뛰어난 수용성 고분자인 PEO 와 PVA를 혼합하여 제조한 용액을 전기방사를 통하여 나노섬유로 제조하여 그들의 특성을 분석해보고자 하였다.
- 또한 알긴산나트륨과 혼합됨으로 인해 용액의 점도가 매우 높아져 전기방사 시 섬유가 형성되는데 어려움(1) 있기 때문에 위 용액들 중최적 조건이라 여겨지는 용액들에 계면활성제로서 Triton X-100을 소량 첨가하여 방사특성을 개선하고자 하였다. 기존의 연구들에서는 비드형 섬유(beaded fiber)가 나타나는 현상을 개선하기 위해 증류수와 DMSO의 혼합용매(co-solvent) 를 사용하였으나 본 연구에서는 바이오소재로의 활용에 대한 안전성을 높이기 위해 용매로서 증류수만을 사용하였고 알긴산나트륨을 이용해 PEO와 PVA 각각의 혼합용액을 제조하였다.
- 그러나 이렇게 제조된 나노섬유들의 평균직경이 세포외기질의 구조적 특징과 매우 유/사함을 평균직경 분석을 통하여 확인하였다. 본 연구에서는 조직공학 분야에 응용하기 위한 알긴산 기반 나노섬유 웹의 제조를 성공적으로 수행하였다.
제안 방법
- 용액의 점도와 전도도는 주위 온도나 습도의 영향을 많이 받으므로 각 시료는 일정한 조건에서 점도 측정을 실행하였다. SEM 분석을 통해 전기방사로 얻어진 나노섬유의 형태학적 특성을 분석하였고, 제조된 부직포의 평균 섬유직경은 이미지 분석 프로그램 (Scope Eye Ⅱ, TDI) 에 의해 측정하였다. 또한 XRD 분석을 통하여 혼합 시 그들의 결정구조 변화를 확인하여 보았다.
- 알긴산나트륨/PEO, 알긴산나트륨/PVA 나노섬유의 특성분석. 각 용액에 대한 점도는 점도계 (LVDVE 230, Brookfield viscometer) 를 사용하여 측정하였으며, 전도도는 전도계(Orion 4 Star Benchtop pH/Conductivity meter, Thermo Scientific) 를 사용하여 즉정하였다. 용액의 점도와 전도도는 주위 온도나 습도의 영향을 많이 받으므로 각 시료는 일정한 조건에서 점도 측정을 실행하였다.
- 알긴산나트륨/PVA 나노섬유의 특성분석. 각 조성별로 준비된 용액들은 방사거리 25 cm, 방사전압 17-20 kV, 방사속도 0.2-1.0 mL/h의 조건 하에서 24G 바늘을 사용하여 전기방사하였다. 가장 안정적으로 섬유를 형성하는 용액 조건을 확인하기 위하여 이렇게 준비된 시료의 SEM 촬영 사진을 Figures 3, 4에 나타내었다.
- 46 그리고, 알긴산나트륨은 고분자 전해질로서 매우 높은 전도도와 점도를 갖기 때문에 단독으로 전기방사하기 어렵다. 그래서 알긴산나트륨에 각각 전기방사가 용이한 수용성 고분자인 poly (ethylene oxide) (PEO) 와 poly (viny[ alcohol) (PVA) 를 혼합하여 방사하였다. PEO는 대표적인 수용성 고분자로서 무독성 및 높은 생체친화성으로 인해 여러 생의학 분야에서 많이 연구되고 있는 물질이며, 9 PVA 역시 수용성 고분자로 높은 생체친화성, 무독성 및 유기용매에 대한 높은 안정성을 가지며, 열저항성이 높다.
- 첨가하여 방사특성을 개선하고자 하였다. 기존의 연구들에서는 비드형 섬유(beaded fiber)가 나타나는 현상을 개선하기 위해 증류수와 DMSO의 혼합용매(co-solvent) 를 사용하였으나 본 연구에서는 바이오소재로의 활용에 대한 안전성을 높이기 위해 용매로서 증류수만을 사용하였고 알긴산나트륨을 이용해 PEO와 PVA 각각의 혼합용액을 제조하였다.
- 적합성 평가. 나노섬유의 생체적합성을 평가하기 위해 5 wt% (w/v) 염화칼슘 수용액에서 불용화시킨 S2P2 나노섬유를 사용하였다 우선 S2P2 나노섬유를 물에 불용화 시키기 위하여 3시간 동안 염화칼슘 수용액에 침지하였다 그 후 반응 잔여물을 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 건조하였다. 세포 실험에는 인간섬유아세포(human dennal fibroblast) 를 사용하였으며, 접종 농도는 시편 당 6.
- 또한 XRD 분석을 통하여 혼합 시 그들의 결정구조 변화를 확인하여 보았다. 단, 알긴산나트륨은 단독으로 방사되지 않기 때문에 필름 형태로 제조하여 XRD 분석을 수행하였다.
- SEM 분석을 통해 전기방사로 얻어진 나노섬유의 형태학적 특성을 분석하였고, 제조된 부직포의 평균 섬유직경은 이미지 분석 프로그램 (Scope Eye Ⅱ, TDI) 에 의해 측정하였다. 또한 XRD 분석을 통하여 혼합 시 그들의 결정구조 변화를 확인하여 보았다. 단, 알긴산나트륨은 단독으로 방사되지 않기 때문에 필름 형태로 제조하여 XRD 분석을 수행하였다.
- 4 x 104 cells을 접종하였다. 세포부착을 관찰하기 위해 4%(v/v) 글루타르알데히드 용액을 고정하여, 각각 3일과 5일 동안 배양한 결과를 SEM 을 통하여 관찰하였다.
- 알긴산나트륨과 고분자 혼합용액의 최적 농도 조건을 찾기 위하여 다음과 같은 방법으로 그들의 혼합용액을 제조하였다. 알긴산나트륨과 PEO 혼합용액은 알긴산나트륨 1, 2, 3 wt%(w/w) 과 PEO 1, 2 wt%를 각각 잘 섞어서 용해하였으며, 알긴산나트륨과 PVA 혼합용액은 PVA 6, 7, 8 wt% 용액을 먼저 제조한 후 알긴산나트륨 1, 2, 3 wt%를 첨가하여 용해하였다. 혼합 비율 표기는 알긴산나트륨 1 wt% 와 PEO 1 wt%를 혼합한 경우 S1P1 으로, 동량의 알긴산나트륨과 PVA 6 wt%를 혼합한 경우는 SlPv6으로 나타내었다.
- 그리하여 본 논문에서는 알긴산을 기반2로 하는 나노섬유를 제조하고자 하였다. 알긴산은 점도와 전도도가 매우 높아 전기방사하기에 어렵기 때문에 대표적인 친수성 고분자인 PEO, PVA와 혼합하여 전기방사를 수행하였다. 그 결과 알긴산나트륨 2 wt% 와 PEO 2 wt%를 혼합한 S2P2, 알긴산나트륨 2 wt%와 PVA 7 wt%를 혼합한 S2Pv7 에서 가장 우수한 나노섬유를 얻었으나, 그들의 웹 표면은 고르지 못하였다.
- 각 용액에 대한 점도는 점도계 (LVDVE 230, Brookfield viscometer) 를 사용하여 측정하였으며, 전도도는 전도계(Orion 4 Star Benchtop pH/Conductivity meter, Thermo Scientific) 를 사용하여 즉정하였다. 용액의 점도와 전도도는 주위 온도나 습도의 영향을 많이 받으므로 각 시료는 일정한 조건에서 점도 측정을 실행하였다. SEM 분석을 통해 전기방사로 얻어진 나노섬유의 형태학적 특성을 분석하였고, 제조된 부직포의 평균 섬유직경은 이미지 분석 프로그램 (Scope Eye Ⅱ, TDI) 에 의해 측정하였다.
- 이는 섬유 형성에 있어 PEO 와 PVA가 중요한 역할을 하고 있음을 시사한다. 이러한 결과를 토대로 전기방사 시 방사 거동의 안정성과 형성되는 섬유상의 완전성을 고려하여 S2P2[Figure 3(e)]와 S2Pv7 [Figure 4(e)]을 다음 실험을 진행하기 위한 최적의 조건으로 선정하였다.
- 따라서 바늘 끝에 모인 용액이 jet을 형성하여 빠른 시간 안에 소비되지 못하고 방울의 형태로 바늘 끝에 모여 있게 되며, 이렇게 바늘 끝에 모인 용액 방울에 집적되는 양전하의 양이 많아짐에 따라 고전도도인 알긴산나트륨의 영향을 받아 집적판까지 이동할 수 있는 상태가 되기 때문이라 여겨진다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전반적으로 용액의 표면장력을 줄여줄 필요성이 있다고 판단하여 계면활성제인 Triton X-100을 용액 내에 첨가하였다.
- 전기방사 장치는 전압 범위가 0-40 kV, 집적판으로는 알루미늄 호일을 사용하였다 용액의 유출량을 일정하게 하기 위해 실린지 펌프 (model 100, KD Scientific) 를 사용하였으며 24G의 바늘을 사용하여 전기방사 하였다. 방사 후 얻어진 나노섬유들은 차후의 분석실험을 위해 데시케이터에 보관하였다.
대상 데이터
- 사에서 구입하여 사용하였다. Triton X-100은 Sigma 사에서 구입하였다.
- PEO는 대표적인 수용성 고분자로서 무독성 및 높은 생체친화성으로 인해 여러 생의학 분야에서 많이 연구되고 있는 물질이며, 9 PVA 역시 수용성 고분자로 높은 생체친화성, 무독성 및 유기용매에 대한 높은 안정성을 가지며, 열저항성이 높다.WT5 또한, 높은 점도를 가진 알긴산나트륨은 농도가 높아질수록 전기방사시 균일한 균일한 나노섬유를 얻기 어렵다 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 나노섬유의 비드를 제거할 수 있는 계면활성제인 Triton X-100만을 소량 사용하였다. 따라서 본 논문에서는 천연 재료인 알긴산에 각각 생체적합성이 뛰어난 수용성 고분자인 PEO 와 PVA를 혼합하여 제조한 용액을 전기방사를 통하여 나노섬유로 제조하여 그들의 특성을 분석해보고자 하였다.
- 분자량이 9000000인 PEO는 Sigma—Aldirich사에서 구입하였다. PVA는 가수화도가 높을수록 상온에서 물에 쉽게 용해되지 않는 특성을 지닌다.
- 13,14 따라서 온도의 상승 없이 PVA를 용해시키기 위하여 가수화 정도가 88 mole%이며 분자량이 78000인 PVA를 Polysciences Inc. 사에서 구입하여 사용하였다. Triton X-100은 Sigma 사에서 구입하였다.
- 나노섬유의 생체적합성을 평가하기 위해 5 wt% (w/v) 염화칼슘 수용액에서 불용화시킨 S2P2 나노섬유를 사용하였다 우선 S2P2 나노섬유를 물에 불용화 시키기 위하여 3시간 동안 염화칼슘 수용액에 침지하였다 그 후 반응 잔여물을 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 건조하였다. 세포 실험에는 인간섬유아세포(human dennal fibroblast) 를 사용하였으며, 접종 농도는 시편 당 6.4 x 104 cells을 접종하였다. 세포부착을 관찰하기 위해 4%(v/v) 글루타르알데히드 용액을 고정하여, 각각 3일과 5일 동안 배양한 결과를 SEM 을 통하여 관찰하였다.
- 시약 및 재료 알긴산나트륨은 Sigma사의 제품을 사용하였다. 분자량이 9000000인 PEO는 Sigma—Aldirich사에서 구입하였다.
성능/효과
- Figure 3(a)-(c:ePEO 함량이 1 wt% 일 때 알긴산나트륨의 함량에 따른 전기방사 결과를 나타내었다. 그림에서 보여 지는 바와 같이 용액 내의 알긴산나트륨 함량이 증가함에 따라 비드형 섬유 (beaded fiber) 상에서 점차 섬유상으로 변하는 것을 확인할 수 있었다 이는 Figure 3 (a) 와 (b) 의 경우 용액 내에 총 고분자 함량이 섬유를 형성할 만큼 충분하지 않기 때문이다.
- 이것은 Figure 2의 알긴산나트륨과 PVA의 조성에 따른 점도와 전도도 그래프에서도 확인할 수 있었다. PVA 역시 용액 내에서 함랑이 증가할수록 점도는 증가하지만, 알긴산나트륨에 비해 상대적으로 점도가 낮기 때문에 PVA의 전도도가 용액 내에서 더 큰 영향을 미치게 되어 PVA 함량이 증가할수록 용액의 전도도는 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 알긴산나트륨의 함량이 용액 내에서 증가할수록 용액의 점도와 전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- PVA와 혼합된 경우 별다른 특이 사항을 찾을 수 없었으나, PEO와 혼합된 경우에는 결정 피크 하나가 사라지는 것을 확인하였다. 이는 큰 점도 차로 인하여 알긴산나트륨과 PEO 간의 상용성이 좋지 않을 것이라는 예상과 달리, 알긴산나트륨과의 혼합이 PEO에 영향을 미치게 되며 PEO와 알긴산나트륨이 많은 점도 차이를 보임에도 불구하고 서로 잘 혼합되어 있음을 나타내었다.
- Fieire 3(d) - (f) 는 PEO 의 함랑이 2 wt% 일 때 알긴산나트륨의 함량^ 따른 결과를 나타내었다. SEM 사진으로부터 PEO의 함량이 증가함에 따라 알긴산나트륨의 함량에 관계없이 모두 완전한 섬유상을 형성한 것을볼 수 있었다.
- 그러나 Triton X- 100의 함량이 너무 많게 되면 충분한 양의 용액이 모이기 전에 적은 양의 양전하로도 용액의 표면장력을 이겨내고 용액이 집적판까지 이동하게 되에Figures 5(d), 6(d)], 생산된 나노섬유 웹의 표면이 고르지 못하게 된다. Triton X-100을 소량 첨가하여 전기방사한 시료의 SEM 촬영 결과, S2P2의 경우 0.3 wt%, S2Pv7의 경우 0.5 wt%의 Triton X-100이 함유된 용액으로부터 가장 이상적인 형태의 나노섬유 웹을 얻을 수 있었다
- 7 wt%(w/w) 첨가시켜 제조한 용액을 전기방사한후 SEM으로 관찰한 결과를 나타내었다. Triton X-100을 첨가한시료의 경우 Triton X-100을 첨가하지 않은 시료에 비하여 비드의양이 확연하게 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 그러나 Triton X- 100의 함량이 너무 많게 되면 충분한 양의 용액이 모이기 전에 적은 양의 양전하로도 용액의 표면장력을 이겨내고 용액이 집적판까지 이동하게 되에Figures 5(d), 6(d)], 생산된 나노섬유 웹의 표면이 고르지 못하게 된다.
- 알긴산은 점도와 전도도가 매우 높아 전기방사하기에 어렵기 때문에 대표적인 친수성 고분자인 PEO, PVA와 혼합하여 전기방사를 수행하였다. 그 결과 알긴산나트륨 2 wt% 와 PEO 2 wt%를 혼합한 S2P2, 알긴산나트륨 2 wt%와 PVA 7 wt%를 혼합한 S2Pv7 에서 가장 우수한 나노섬유를 얻었으나, 그들의 웹 표면은 고르지 못하였다. 이를 해결하기 위하여 계면활성제인 Triton X-LOO을 용액 내에 소량 첨가하였으며, 이렇게 얻어진 나노섬유의 결정구조를 분석하기 위해 XRD 분석을 수행한 결과, PEO의 결정피크가 변함에 따라 그들의 강도가 혼합 전보다 약해질 것이라고 예상할 수 있었다.
- Figure 1에 의하면 알긴산나트륨의 함량이 증가할수록 점도와 전도도 모두 증가하는 경향을 보였다. 그러나 PEO의 함량이 증가할수록 점도는 증가하는 경향을 보이나 전도도는 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 일반적으로 점도가 낮은 용액일수록 전도도 측정 시 더 큰 영향을 미치는 경향이 있기 때문에 알긴산나트륨의 점도에 비해 상대적로 점도가 매우 낮은 PEO 함량이용액 내에 증가하였다 하더라도 그 변화가 뚜렷하게 나타난 것이라 보여진다.
- 이를 해결하기 위하여 계면활성제인 Triton X-LOO을 용액 내에 소량 첨가하였으며, 이렇게 얻어진 나노섬유의 결정구조를 분석하기 위해 XRD 분석을 수행한 결과, PEO의 결정피크가 변함에 따라 그들의 강도가 혼합 전보다 약해질 것이라고 예상할 수 있었다. 그러나 이렇게 제조된 나노섬유들의 평균직경이 세포외기질의 구조적 특징과 매우 유/사함을 평균직경 분석을 통하여 확인하였다. 본 연구에서는 조직공학 분야에 응용하기 위한 알긴산 기반 나노섬유 웹의 제조를 성공적으로 수행하였다.
- 또한 Figures 3, 4의 결과로부터 특정 점도 영역에서 가장 원활한 방사가 수행된다는 것을 또한 확인할 수 있었다 최적조건으로 선정된 S2P2 및 S2Pv7 용액의 점도는 Figure 1(a), 2 (a) 의 화살표 점선에서 보여 지는 바와 같이 모두 7000 cP 부근으로 알긴산나트륨과 고분자 혼합용액의 경우 위의 점도 영역에서 가장 효과적으로 나노섬유를 생산해 낼 수 있음을 확인하였다. Figures 3, 4의 30000 배율의 이미지로부터 완전한 섬유상을 형성하게 되는 최적의 조건을 찾았지만, 1000 배율의 이미지에서는 함유된 알긴산나트륨과 고분자의 함량에 관계없이 많은 용액 방울들이 웹 상에 존재하는 것을 발견할수 있었다.
- 5 wt% 함유된 S2P2, S2Pv7 나노섬유 웹에 대한 직경분포와 평균직경을 나타낸 그래프이며, 그림에서 보여 지는 바와 같이 제조된 나노섬유의 평균직경은 각각 190, 150 nm로 S2Pv7 웹에서 약간 더 작은 사이즈의 섬유가 생성되는 것을 확인하였다. 이렇듯 알긴산나트륨과 PEO, PVA와의 혼합 용액界부터 얻어진 나노섬유의 평균직경은 세포외기질 구조의크기인 50-300 nm의 범위2 안에 드는 것으로 전기방사를 통하여 제조된 알긴산나트륨과 고분자 혼합 나노섬유들로부터 세포외기 질의 구조적 재현을 성공적으로 수행하였다는 것을 확인하였다. 이는 추후 생의학 분야에 응용하기에 적합할 것이라 판단되어진다.
- 그 결과 알긴산나트륨 2 wt% 와 PEO 2 wt%를 혼합한 S2P2, 알긴산나트륨 2 wt%와 PVA 7 wt%를 혼합한 S2Pv7 에서 가장 우수한 나노섬유를 얻었으나, 그들의 웹 표면은 고르지 못하였다. 이를 해결하기 위하여 계면활성제인 Triton X-LOO을 용액 내에 소량 첨가하였으며, 이렇게 얻어진 나노섬유의 결정구조를 분석하기 위해 XRD 분석을 수행한 결과, PEO의 결정피크가 변함에 따라 그들의 강도가 혼합 전보다 약해질 것이라고 예상할 수 있었다. 그러나 이렇게 제조된 나노섬유들의 평균직경이 세포외기질의 구조적 특징과 매우 유/사함을 평균직경 분석을 통하여 확인하였다.
후속연구
- 가능할 것이라 기대된다. 이 나노섬유 웹의 조직공학적 응용을 위하여 추후에 여러 물리적, 기계적 특성에 대한 실험 역시 실행할 예정에 있다.
- 이렇게 제조된 알긴산을 기반으로 하는 나노섬유 웹은 알긴산 고유의 생체친화적, 생분해적 특성으로 인해 여러 조직공학 분이에 널리응용 가능할 것이라 기대된다. 이 나노섬유 웹의 조직공학적 응용을 위하여 추후에 여러 물리적, 기계적 특성에 대한 실험 역시 실행할 예정에 있다.
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