[논문]이온성 액체를 이용한 바이오폴리머 기반의 소재 개발 및 생명공학 분야로의 응용

이상현; 박태준

이온성 액체를 이용한 바이오폴리머 기반의 소재 개발 및 생명공학 분야로의 응용
Development of Biopolymer-based Materials Using Ionic Liquids and Its Biotechnological Application 원문보기

KSBB Journal, v.25 no.5, 2010년, pp.409 - 420

이상현 (건국대학교 미생물공학과) , 박태준 (연세대학교 화공생명공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Biopolymer-based materials recently have garnered considerable interest as they can decrease dependency on fossil fuel. Biopolymers are naturally obtainable macromolecules including polysaccharides, polyphenols, polyesters, polyamides, and proteins, that play an important role in biomedical applications such as tissue engineering, regenerative medicine, drug-delivery systems, and biosensors, because of their inherent biocompatibility and biodegradability. However, the insolubility of unmodified biopolymers in most organic solvents has limited the applications of biopolymer-based materials and composites. Ionic liquids (ILs) are good solvents for polar organic, nonpolar organic, inorganic and polymeric compounds. Biopolymers such as cellulose, chitin/chitiosan, silk, and DNA can be fabricated from ILs into films, membranes, fibers, spheres, and molded shapes. Various biopolymer/biopolymer and biopolymer/synthetic polymer composites also can be prepared by co-dissolution of polymers into IL mixtures. Heparin/biopolymer composites are especially of interest in preparing materials with enhanced blood compatibility.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

극초단파 조사 (microwave irradiation) 방법을 이용하여 25%가량의 셀룰로오스를 [Bmim][Cl]에 용해시키고, 물, 에탄올, 아세톤 등의 anti-solvent를 이용하여 셀룰로오스를 다시 재구성하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다 [10]. 이러한 결과는 셀룰로오스의 균일한 화학적 변형이나 변형되지 않은 셀룰로오스 기반의 복합소재 개발의 가능성을 열었다. 셀룰로오스 용해과정의 NMR 결과는 [Bmim][Cl]의 Cl 음이온이 hydrogen bond acceptor로 작용하여 셀룰로오스의 hydroxyl 그룹과 interaction을 가지는 것으로 알려졌다 [32-34].

성능/효과

헤파린 또는 glycosaminoglycans (GAGs)은 매우 한정된 용매에서만 용해되기 때문에 이들을 용해시킬 수 있는 특별한 용매에 대한 연구가 많이 이루어졌는데 [28,31], Linhardt 그룹은 헤파린과 다양한 glycosaminoglycans (GAGs)을 이온성 액체에 용해시키는 연구를 수행하였다 [48]. Benzoate를 음이온으로 가지는 [Emim][Ba]가 GAGs를 효과적으로 용해시킬 수 있었고, 특히 imidazolium salt 형태의 GAGs는 10 wt% 까지 용해되는 결과를 보였다. [Emim][Ba]는 혈액 적합성이 우수한 헤파린 기반의 복합소재로 이루어진 막을 개발하거나, 전기방사를 통하여 바이오폴리머 기반의 복합섬유를 제작하는데에 이용되었다 [49,50].
셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 용매로는 N-alkylpyridinium 염이 1934년에 보고되었는데 이 염은 녹는점이 118℃로 높아서 상업적으로 이용하기에는 문제가 있었고 [18,32], 최근 Rogers 그룹이 1-alkyl-3-methylimidazolium 양이온과 halides 음이온을 가지는 이온성 액체를 이용하여 셀룰로오스를 효과적으로 용해시킬 수 있다는 것을 보고하였다. 극초단파 조사 (microwave irradiation) 방법을 이용하여 25%가량의 셀룰로오스를 [Bmim][Cl]에 용해시키고, 물, 에탄올, 아세톤 등의 anti-solvent를 이용하여 셀룰로오스를 다시 재구성하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다 [10]. 이러한 결과는 셀룰로오스의 균일한 화학적 변형이나 변형되지 않은 셀룰로오스 기반의 복합소재 개발의 가능성을 열었다.
셀룰로오스를 이온성 액체에 용해하고 anti-solvent를 이용하여 재구성할 수 있다는 특성은 셀룰로오스 기반의 다양한 복합소재를 개발할 수 있는 잠재력을 보여주었다. 셀룰로오스가 용해되어 있는 이온성 액체에 첨가하고자 하는 다른 소재를 같이 용해시키거나 분산시킨 다음 셀룰로오스를 재구성하면 필름, bead, 섬유, 나노입자 등의 다양한 형태의 복합소재를 개발할 수 있다.
변형된 셀룰로오스, 아가로스, 키토산 등이 이러한 목적에 이용되었지만, 여전히 혈액적합성이 만족스럽지 못한 문제가 있었다 [60]. 이온성 액체를 이용하여 활성탄에 셀룰로오스/ 헤파린으로 코팅한 결과 약물에 대한 흡착도는 크게 변화하지 않는 반면, 단백질에 대한 흡착도가 현저히 떨어지고 혈액 적합성이 매우 높아지는 결과를 보여주었다 (Fig. 6). 그러므로, 셀룰로오스/헤파린 복합소재는 생의학 분야에서 여러 가지 용도로 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다 [50,58,59].

후속연구

한편, 이온성 액체는 높은 이온 전도도와 넓은 electrochemical window를 지니고 있어서 전기화학 분야에서 많이 이용되고 있으며, microperoxidase, 헤로글로빈, horseradish peroxidase (HRP), glucose oxidase 등의 직접적인 전자 전달을 가능하게 해준다는 것이 보고되었다 [45,47,79-81]. 그러므로, 바이오폴리머/이온성 액체 복합소재 시스템은 direct electrochemistry의 새로운 가능성을 보여줄 것이다.
6). 그러므로, 셀룰로오스/헤파린 복합소재는 생의학 분야에서 여러 가지 용도로 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다 [50,58,59].
또한, β-키틴을 이온성 액체에 용해시키고 재구성한 결과 더욱 안정적인 α-키틴으로의 전이가 일어났으며, 재구성된 키틴은 원래의 구조보다 더 안정하다는 결과가 보고되었다. 이러한 결과는 키틴 기반의 다양한 복합소재를 개발 할 수 있는 가능성을 열어준 계기가 되었으며, 키틴 기반의 투석막, 다공성 담체, 상처 드레싱 등의 개발이 가능할 것이다. 특히, 화학적으로 변형되지 않은 키틴은 항균성과 생체 적합성, 생분해성과 같은 특성이 뛰어나기 때문에 생의학 분야에서 셀룰로오스 보다 더 훌륭한 소재가 될 수 있을 것으로 기대된다.
Synthetic wood 소재는 순수한 셀룰로오스 필름과 비교하여 매끄러운 표면, 높은 인장강도, 방수 특성을 지니고 있었으며, PEG, 카본나노튜브, 키토산등을 첨가하여 다양한 복합소재의 개발 또한 가능하였다. 이러한 소재는 바이오매스 기반으로 만들어졌다는 점에서 친환경성, 생체적합성, 생분해성 등의 특성을 지닐 것이며, 이는 다양한 생명공학 분야에 응용이 가능한 소재가 될 수 있다.
최근, 셀룰로오스, 키틴/키토산, 실크, 젤라틴 등의 바이오폴리머가 이온성 액체에 효과적으로 용해될 수 있고, anti-solvent를 이용한 coagulation 과정을 통하여 필름, 막, 섬유, bead, 원하는 모양으로의 성형등이 가능하다는 것이 보고되고 있다. 이온성 액체를 통해서 제작된 다양한 바이오폴리머 기반의 소재들은 고유의 특성인 생체적합성, 생분해성 등의 특징으로 인하여 tissue engineering scaffold, 상처 드레싱, 약물운송체, 이식 가능 장비, 바이오센서, 생물연료전지 등의 생의학 분야에서 다양한 목적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 이온성 액체를 이용하여 개발된 헤파린과 바이오폴리머의 복합소재는 우수한 혈액적합성으로 인하여 이식 가능 장비와 신장 투석막 등에 효과적으로 이용될 수 있을 것이다.
최근에는, acetate, formate, methylphosphate, dicyanamide 등의 음이온을 가지는 imidazolium계 이온성 액체가 셀룰로오스를 잘 용해시킬 수 있다는 것이 보고되었다 [37-41]. 특히, [Emim][Ac]는 점도가 상대적으로 매우 낮고, 독성이 거의 없으며, 25% 이상의 셀룰로오스를 용해시킬 수 있어서 셀룰로오스 기반 복합소재를 개발하기 위해서 앞으로 많이 이용될 것이다. Table 1에는 다양한 이온성 액체에서 셀룰로오스의 용해도를 나타내었다.
이온성 액체를 통해서 제작된 다양한 바이오폴리머 기반의 소재들은 고유의 특성인 생체적합성, 생분해성 등의 특징으로 인하여 tissue engineering scaffold, 상처 드레싱, 약물운송체, 이식 가능 장비, 바이오센서, 생물연료전지 등의 생의학 분야에서 다양한 목적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 이온성 액체를 이용하여 개발된 헤파린과 바이오폴리머의 복합소재는 우수한 혈액적합성으로 인하여 이식 가능 장비와 신장 투석막 등에 효과적으로 이용될 수 있을 것이다.
이러한 결과는 키틴 기반의 다양한 복합소재를 개발 할 수 있는 가능성을 열어준 계기가 되었으며, 키틴 기반의 투석막, 다공성 담체, 상처 드레싱 등의 개발이 가능할 것이다. 특히, 화학적으로 변형되지 않은 키틴은 항균성과 생체 적합성, 생분해성과 같은 특성이 뛰어나기 때문에 생의학 분야에서 셀룰로오스 보다 더 훌륭한 소재가 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	셀룰로오스가 생의학 분야에서 응용 전망이 높은 소재인 이유는?	셀룰로오스는 포도당이 β-(1→4) 글리코시드결합 (glycosidic bond)으로 연결된 선형 고분자로 세상에서 가장 풍부하게 존재하는 바이오폴리머이다. 특히, 변형되지 않은 셀룰로오스는 높은 열적 안정성과 물리적 강도, 생체적합성과 생분해성으로 생의학 분야에서의 응용에 매우 전망이 높은 소재이다 [4]. 예를 들어, 직조된 셀룰로오스 패드는 멸균이 가능하고, 생체적합성이 우수하고, 다공성이면서, 탄력이 뛰어나서 상처 드레싱에 쓸 수 있다 [5].
	비휘발성 이온성 액체를 이용한 dry-jet wet 전기방사 방법에서, 더 얇은 섬유를 만드는 방법으로 최근 제시된것은?	이러한 과정을 통해서 100-500 nm 정도의 셀룰로오스 나노섬유의 생산이 가능하였고, Zhang 등은 용액의 전도도를 증가시키면 전기방사된 섬유의 지름을 줄일 수 있다고 보고하였다 [72]. 최근의 결과에 따르면, dimethylsulfoxide나 dimethylformamide 등의 cosolvent를 이용해서 이온성 액체 용액의 점도, 표면장력, 전도도를 변화시킬 수 있고, 전기방사 효율을 증대시킴으로써 더 얇은 섬유가 만들어 질 수 있었다 [73,74]. 셀룰로오스의 coagulation 방법에 있어서도 80% 정도의 습도 조건하에서 coagulation bath가 없더라도 셀룰로오스 섬유를 만들 수 있다는 것이 알려졌다 [74].
	바이오폴리머는 어떤 분야에 이용되는가?	바이오폴리머는 석유 자원에 대한 의존도를 낮출 수 있고, 재생 가능한 (renewable) 자원으로써 환경 친화적으로 얻을 수 있다는 점에서 최근 들어 다시 많은 관심을 받기 시작하였다. 자연에서 얻어지는 다양한 다당류, 폴리페놀류, 폴리에스터류, 폴리아마이드류, 단백질 등의 바이오폴리머는 조직공학 (tissue engineering), 재생의학 (regenerative medicine), 약물전달 (drug-delivery), 바이오센서 (biosensor) 등의 다양한 분야에서 이용되고 있다. 특히, 바이오폴리머가 지니는 생체적합성 (biocompatibility), 생분해성 (biodegradability), 항균성 (antibacterial activity) 등의 특성은 생의학 (biomedical) 분야에서의 응용에 있어서 매우 중요한 역할을 하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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