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문제 정의
- 이 CER3이 일반적으로 액정에 사용되는 물이 아닌, 피부 보습제로서 3개의 수산기(-OH, Hydroxyl group)를 갖는 글리세린 (Glycerin, GLY)으로 팽윤된 DSPC 라멜라 액정구조 내 도입될 때, 액정구조에 미치는 CER3의 영향을 XRDs, DSC, PM 및 Cryo-SEM으로 고찰하였다. 본 연구는 피부장벽을 구성하는 주성분으로서 장벽손상으로 인해 심화되는 아토피증상을 완화하는데 효과적인 CER3이 자체의 높은 결정성과 난용성으로 화장품에 안정적인 배합에 어려움이 있어, 이의 안정적인 배합이 가능하면서 피부와의 구조적 유사성을 갖는 액정모델을 위한 기술개발을 목적으로 하고 있다.
- 본 연구에서는 물 대신 GLY를 용매로 사용하여 DSPC를 팽윤시켜 형성한 라멜라 액정상에서 아토피의 주된 원인 중 하나인 손상된 피부장벽을 효과적으로 복원할 수 있도록 CER3을 본 액정구조 내에 배향시킬 때, CER3 함량에 따른 라멜라 액정의 구조변화, 액정형성도, 액정형성 균일성을 고찰하였다.
- 앞서 SAXD, WAXD 및 DSC 분석을 통해 GLY로 팽윤된 DSPC가형성하는 라멜라 액정구조에 CER3이 배향될 경우 미치는 영향에 대해 상세하게 검토하였다. 본 연구에서는 앞선 분석결과를 편광현미경 (PM)과 동결주사전자현미경(C-SEM)을 이용하여 라멜라 액정구조에 CER3이 배향될 경우 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
제안 방법
- 또한 열적상전이 거동은 질소가스 조건하에서 수행되어졌고, 상전이온도(Phase transition temperature, Tc)와 엔탈피 변화 (Enthalpy change, ΔH)를 관찰하여 액정구조의 형성정도 및 액정형성의 균일성을 확인하였다.
- 시료들은 얇은 벽 유리 모세관(바깥지름 1.0 mm)에 밀봉 시켰으며 ± 0.2 ℃로서 온도변화가 적은 열안정 홀더 위에서 관찰하였다.
- 앞서 SAXD, WAXD 및 DSC 분석을 통해 GLY로 팽윤된 DSPC가형성하는 라멜라 액정구조에 CER3이 배향될 경우 미치는 영향에 대해 상세하게 검토하였다. 본 연구에서는 앞선 분석결과를 편광현미경 (PM)과 동결주사전자현미경(C-SEM)을 이용하여 라멜라 액정구조에 CER3이 배향될 경우 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
- 열적상전이(Thermal transition) 거동은 TA instrument사의 TA4100 모델을 이용하여 20∼120 ℃까지 2 ℃/min의 승온속도로 관찰하였다.
- 이들 세라마이드들 중에서 비교적 가격이 합리적이고, 원료의 대량생산이 가능하면서 각질층 내 피부장벽에서 중요한 역할을 하고 있는 세라마이드로서 세라마이드 3 (CER3)을 선택하였다. 이 CER3이 일반적으로 액정에 사용되는 물이 아닌, 피부 보습제로서 3개의 수산기(-OH, Hydroxyl group)를 갖는 글리세린 (Glycerin, GLY)으로 팽윤된 DSPC 라멜라 액정구조 내 도입될 때, 액정구조에 미치는 CER3의 영향을 XRDs, DSC, PM 및 Cryo-SEM으로 고찰하였다. 본 연구는 피부장벽을 구성하는 주성분으로서 장벽손상으로 인해 심화되는 아토피증상을 완화하는데 효과적인 CER3이 자체의 높은 결정성과 난용성으로 화장품에 안정적인 배합에 어려움이 있어, 이의 안정적인 배합이 가능하면서 피부와의 구조적 유사성을 갖는 액정모델을 위한 기술개발을 목적으로 하고 있다.
- 그리고 이 챔버에서 Sandwich형태로 만든 샘플의 한 쪽을 떼어내는 Freeze-Fracture과정을 거치고, -100∼-110 ℃에서 5 min간 Etching시킨 후, Pt (백금)으로 코팅시킨다. 이 후, Cryo-SEM에 샘플을 투입하여 관찰하였다.
대상 데이터
- SAXD데이터는 350 mm의 카메라 길이를 갖는 a position sensitive proportional counter (multichannel analyzer, etc. SCINTAG INC., USA) 를 이용하여 기록되었다. 이로부터 얻어진 회절패턴은 Q의 함수로 도식화되었는데, 이 때 Q는 scattering vector로서 Q = (4π/λ)sinθ로계산할 수 있다.
- WAXD 패턴은 high-sensitive X-ray film (Fuji Medical X-ray Film) 이 들어있는 flat-plate film cassette에 66.0 mm 카메라 렌즈를 이용하여 기록되었다. 시료들은 얇은 벽 유리 모세관(바깥지름 1.
- 본 연구의 주요 지질인 Distearoylphosphatidylcholin (DSPC, 95.0% 이상)은 독일 Lipoid사로부터, SC지질 중 피부장벽에 중요한 역할을 하는 Ceramide 3 (CER3, 95.0% 이상)은 대한민국 두산바이오텍에서, 용매인 Glycerin (GLY)은 독일 Merck사로부터 cosmetic grade를 구입 하여, 전처리 없이 사용하였다.
- Figure 1은 피부 각질층 내 존재하는 다양한 세라마이드의 명명과 분자구조를 보여주고 있다. 이들 세라마이드들 중에서 비교적 가격이 합리적이고, 원료의 대량생산이 가능하면서 각질층 내 피부장벽에서 중요한 역할을 하고 있는 세라마이드로서 세라마이드 3 (CER3)을 선택하였다. 이 CER3이 일반적으로 액정에 사용되는 물이 아닌, 피부 보습제로서 3개의 수산기(-OH, Hydroxyl group)를 갖는 글리세린 (Glycerin, GLY)으로 팽윤된 DSPC 라멜라 액정구조 내 도입될 때, 액정구조에 미치는 CER3의 영향을 XRDs, DSC, PM 및 Cryo-SEM으로 고찰하였다.
이론/모형
- PM 연구는 Tc 아래의 실온에서 편광 현미경(Olympus BX-51)을 이용해 수행되어졌다. 보다 자세한 액정구조는 Cryo-SEM (HITACHI S-4700 모델)을 이용하여 관찰하였다. 먼저 Specimen Carrier (4.
성능/효과
- 1.0∼7.0% CER3 영역 내에서는 q = 0.042, 0.085 Å-1에서 LPP를 의미하는 2개의 피크(Peak)가 나타났고, 이때의 LPP 거리는 대략 148.63 Å으로 계산되어 DSPC-CER3이 용매인 GLY로 팽윤되어 균일한 라멜라 구조를 형성하여 CER3자체 보다 더 길게 나타났다.
- CER3 분자는 인간 피부의 SC와 유사하게 LPP와 SPP 패턴을 동시에 형성하면서, DSPC에 비해 결정성은 높지만 분자구조상 DSPC와 매우 흡사한 구조를 가지고 있어서 액정을 더 조밀하게 형성시키며, 또한 형성강도와 면적도 크게 향상시키는 결과를 얻었다.
- CER3의 함량이 1.0%에서 7.0%로 증가할수록 q = 0.07, 0.141 Å-1에서 형성된 LPP 피크들의 강도는 커지고 상대적으로 q = 0.121, 0.243, 0.362 Å-1에서 SPP 피크들의 강도는 약해지는 결과를 보였다. 또한 이 영역에서 Figure 3에서 보인 CER3의 특성 피크들이 보이지 않은 것은 CER3이 액정구조 내에서 탈리되어 또 다른 결정상을 형성 하지 않았음을 의미한다.
- 0%까지 배합될 때 SAXD, WAXD 결과에서는 CER3이 액정구조 내에서 탈리되어 발생하는 특성 피크들은 발현되지 않았고, SAXD에서는 SPP 패턴이 감소하고 LPP 패턴이 증가하였고, WAXD에서는 각각의 특성피크가 중첩되어 나타나는 DSPC-CER3의 복합피크 증가가 나타나서 DSPC를 주로하는 라멜라액정 내에 CER3이 잘 배향하고 있음을 증명하였다. DSC 결과에서도 단융점 거동을 보이며, 전이온도(Tc)상에는 큰 변화가 없이 열용량(△H)은 CER3 함량 의존적으로 증가하여 위의 결과와 잘 부합되었다. 반면, CER3이 7.
- 가해준 CER3의 함량변화에 따라 SAXD, WAXD, DSC 및 현미경으로 고찰한 결과, 고함량인 7.0%까지 GLY로 팽윤된 조건에서 안정하게 배합 가능함을 알 수 있었다. 또한 CER3 함량이 7.
- CER3은 높은 자체의 결정성을 가지고 있지만 DSPC와 아주 유사한 분자구조를 가지고 있다. 따라서 이 분자구조상의 유사성으로 GLY로 팽윤된 DSPC가 형성하는 라멜라 액정구조 내로 CER3이 배향될 경우 Figure 4에서 보는 바와 같이 액정구조 내 비교적 잘 배향할 것이며, 또한 높은 결정성으로 인해 배향된 CER3은 액정의 조밀도와 형성강도를 증가시킬 것을 예상할 수 있다.
- 본 DSC 연구결과, CER3은 높은 결정성을 가지고 있지만, DSPC와유사한 화학적 구조를 가지고 있어 비교적 높은 함량까지 DSPC와 균일한 액정을 형성할 수 있고, 분자 내 3개의 수산기를 가지고 있어 GLY의 극성기들과 상호작용에 의하여 라멜라 구조를 더욱 견고히 한다는 것을 보여주었다. 또한 CER3 분자가 갖는 높은 결정성에 의하여 DSPC 자체만으로 GLY에 팽윤되어 형성된 라멜라 액정보다 더 두껍고, 견고한 구조를 형성한다는 것을 알 수 있었다.
- 0%까지 GLY로 팽윤된 조건에서 안정하게 배합 가능함을 알 수 있었다. 또한 CER3 함량이 7.0%까지 배합될 때 SAXD, WAXD 결과에서는 CER3이 액정구조 내에서 탈리되어 발생하는 특성 피크들은 발현되지 않았고, SAXD에서는 SPP 패턴이 감소하고 LPP 패턴이 증가하였고, WAXD에서는 각각의 특성피크가 중첩되어 나타나는 DSPC-CER3의 복합피크 증가가 나타나서 DSPC를 주로하는 라멜라액정 내에 CER3이 잘 배향하고 있음을 증명하였다. DSC 결과에서도 단융점 거동을 보이며, 전이온도(Tc)상에는 큰 변화가 없이 열용량(△H)은 CER3 함량 의존적으로 증가하여 위의 결과와 잘 부합되었다.
- 본 DSC 연구결과, CER3은 높은 결정성을 가지고 있지만, DSPC와유사한 화학적 구조를 가지고 있어 비교적 높은 함량까지 DSPC와 균일한 액정을 형성할 수 있고, 분자 내 3개의 수산기를 가지고 있어 GLY의 극성기들과 상호작용에 의하여 라멜라 구조를 더욱 견고히 한다는 것을 보여주었다. 또한 CER3 분자가 갖는 높은 결정성에 의하여 DSPC 자체만으로 GLY에 팽윤되어 형성된 라멜라 액정보다 더 두껍고, 견고한 구조를 형성한다는 것을 알 수 있었다.
- 앞선 SAXD 결과와 유사하게 CER3 함량이 7.0% 내에서는 2θ = 6.94, 11.56, 16.94, 19.88, 20.46°에서 어떠한 CER3의 특성 피크들이 발견되지 않았고, 단지 주 피크인 2θ = 21.24°와 왼쪽편에 GLY용매의 팽윤거동과 마찬가지로 2θ = 19.5° ± 0.4 부근에서 약간 diffused 또는 broad된 피크들이 나타나고 미미하기는 하지만 점차적으로 그 산란강도가 증가하였다.
- 4 부근에서 약간 diffused 또는 broad된 피크들이 나타나고 미미하기는 하지만 점차적으로 그 산란강도가 증가하였다. 이 결과는 7.0%까지 가해준 CER3은 GLY로 팽윤된 DSPC 라멜라 액정상 내로 잘 배향되어 균일한 라멜라 구조를 형성하고, 이는 비결정성 영역을 채우고 있는 용매인 GLY와 상호작용하고 있음을 의미한다. 또한 Figure 8(B)에서 보는 바와 같이 CER3의 2θ = 5.
- 또한 이 영역에서 Figure 3에서 보인 CER3의 특성 피크들이 보이지 않은 것은 CER3이 액정구조 내에서 탈리되어 또 다른 결정상을 형성 하지 않았음을 의미한다. 이 결과들은 앞서 언급한 대로 CER3과 DSPC가 갖는 구조적인 유사성으로 인해 CER3의 높은 결정성에도 불구하고 GLY로 잘 팽윤된 균일한 액정구조를 형성하였음을 암시한다.
- 6 J/g)보다 더 높게 나타났다. 이 결과로 CER3이 DSPC보다 더 높은 결정성(Crystallinity)이 있음을 보여준다.
- 이 영역에서도 CER3의 2θ = 5.84°에서의 피크와 DSPC의 2θ = 5.72°에서의 피크가 중첩되어 형성되는 복합피크는 약간씩 증가하여 일부 CER3들이 액정 내 배향하는 것을 볼 수 있지만, SAXD 결과와 마찬가지로 CER3이 액정구조 내로 배향하지 못하고 탈리되어 CER3만의 또 다른 상을 형성하였음을 확인할 수 있었다.
- 0%를 초과하면 라멜라 액정구조 내에서 탈리되어 또 다른 결정상을 형성하였다. 이는 SAXD와 WAXD 결과에서 CER3의 특성피크 발현과 그 강도증가로서 확인되었고, DSC 결과에서도 주 전이온도(Tc1)보다 높은 온도에서 또 다른 전이가 발생하는 공융점 거동으로 확인되었다.
- 72°에서의 피크가 중첩되어 형성되는 복합피크는 약간씩 증가하여 일부 CER3들이 액정 내 배향하는 것을 볼 수 있지만, SAXD 결과와 마찬가지로 CER3이 액정구조 내로 배향하지 못하고 탈리되어 CER3만의 또 다른 상을 형성하였음을 확인할 수 있었다. 이로서 앞서 언급된 SAXD 결과와 WAXD 결과를 종합해 볼 때, 본 액정시스템 내에 배향되어 GLY 용매조건에서 DSPC와 균일한 라멜라 액정을 형성할 수 있는 CER3의 최대함량은 7.0%로 확인되었다.
후속연구
- 본 연구는 외용제로서 아토피를 치료할 수 있는 효과적인 방법으로서, 피부장벽의 주성분으로 외부오염원으로부터 피부보호 및 피부 내부로부터의 수분손실방지 효과를 주는 CER3을 자체의 높은 결정성과 난용성을 극복하고 화장품에 안정적인 배합이 가능할 뿐만 아니라, 피부와의 유사성으로 손상된 피부장벽복원 효과까지 배가시킬 수 있는 액정모델에 대한 연구이며, 향후 아토피 증상완화에 효과적인 화장품 개발에 응용될 것이다.
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