실크피브로인 용해조건에 따른 생체막의 물성 변화 A study of changes on the physical properties of silk fibroin biological membrane according to the dissolving conditions원문보기
실크는 생체적합성이 우수하며, 기계적 강도가 좋고, 낮은 면역 거부반응과 다양한 형태로의 성형이 가능한 장점을 갖는 천연고분자이다. 그러나 실크는 물이나 일반적인 용매에 쉽게 용해되지 않는다. 본 연구에서는 실크 피브로인의 용해조건에 따른 실크 생체막의 특성 변화를 관찰하기위하여, 실크 함유량과 실크 용해시간을 달리하여 실크 피브로인 수용액을 만들고 이를 이용하여 실크 생체막을 제작하였다. 제작된 실크 생체막의 형태, 구조, 기계적강도 등과 같은 특징을 관찰 하였다. 비록 각 실크 생체막에 함유된 피브로인의 함량이 같을 지라도 생체막의 두께와 투명도에는 커다란 차이를 보였다. 하지만 실크 피브로인 용액의 분자량과 생체막의 형태에 있어서의 변화는 거의 없었다. 본 연구는 실크 피브로인의 용해조건에 따라 실크 생체막의 유연성, 강도, 투명도 등의 다양한 특성을 조절할 수 있다는 것을 보여주었으며, 최적의 실크생체막 제작 조건을 확립하였으므로, 향후 실크를 이용한 의료용품 개발에 많은 도움이 될 것으로 생각된다.
실크는 생체적합성이 우수하며, 기계적 강도가 좋고, 낮은 면역 거부반응과 다양한 형태로의 성형이 가능한 장점을 갖는 천연고분자이다. 그러나 실크는 물이나 일반적인 용매에 쉽게 용해되지 않는다. 본 연구에서는 실크 피브로인의 용해조건에 따른 실크 생체막의 특성 변화를 관찰하기위하여, 실크 함유량과 실크 용해시간을 달리하여 실크 피브로인 수용액을 만들고 이를 이용하여 실크 생체막을 제작하였다. 제작된 실크 생체막의 형태, 구조, 기계적강도 등과 같은 특징을 관찰 하였다. 비록 각 실크 생체막에 함유된 피브로인의 함량이 같을 지라도 생체막의 두께와 투명도에는 커다란 차이를 보였다. 하지만 실크 피브로인 용액의 분자량과 생체막의 형태에 있어서의 변화는 거의 없었다. 본 연구는 실크 피브로인의 용해조건에 따라 실크 생체막의 유연성, 강도, 투명도 등의 다양한 특성을 조절할 수 있다는 것을 보여주었으며, 최적의 실크생체막 제작 조건을 확립하였으므로, 향후 실크를 이용한 의료용품 개발에 많은 도움이 될 것으로 생각된다.
Silk is a natural polymer that has the advantages of the biocompatibility, excellent mechanical strength, low immune rejection, and molding facility. But silk does not dissolve easily in water or general solvent. To investigate the characteristics of silk biological membranes according to dissolving...
Silk is a natural polymer that has the advantages of the biocompatibility, excellent mechanical strength, low immune rejection, and molding facility. But silk does not dissolve easily in water or general solvent. To investigate the characteristics of silk biological membranes according to dissolving condition of silk fibroin, we made the silk biological membranes using silk fibroin solutions with different amount and dissolving time of silk. The characterizations of the silk biological membranes such as morphology, structure, and mechanical strength were observed. Although each biological membrane has the same fibroin content, there was a significant difference in the thickness and transparency. But there was no significant change in the molecular weight of the silk fibroin solutions and morphology of silk biological membranes. We were established the manufacturing condition for silk fibroin biological membrane. So we expect that the conditions will help in the development of medical supplies in the future.
Silk is a natural polymer that has the advantages of the biocompatibility, excellent mechanical strength, low immune rejection, and molding facility. But silk does not dissolve easily in water or general solvent. To investigate the characteristics of silk biological membranes according to dissolving condition of silk fibroin, we made the silk biological membranes using silk fibroin solutions with different amount and dissolving time of silk. The characterizations of the silk biological membranes such as morphology, structure, and mechanical strength were observed. Although each biological membrane has the same fibroin content, there was a significant difference in the thickness and transparency. But there was no significant change in the molecular weight of the silk fibroin solutions and morphology of silk biological membranes. We were established the manufacturing condition for silk fibroin biological membrane. So we expect that the conditions will help in the development of medical supplies in the future.
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제안 방법
적외선 분광광도계 (FT-IR spectrometer spectrum 100, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 적외선 분광분석을 실시하여 실크 피브로인 생체막의 구조적 특성을 관찰하였다. 2000 ~ 600 cm-1의 스펙트럼 범위에서 ATR-FTIR (Attenuated total reflectance - Fourier transform infrared spectra) 을 측정하였다. 만능재료 시험기 (Universal Testing Machine, DaeYeong, Korea)를 이용하여 최대하중, 인장강도, 연신률, Young’s modulus 등의 물리적 특성을 시험하였다.
각 실험은 최소 4회 이상 반복 실험을 수행하였다. 통계분석 (STASTICA)은 mean ± SD로 표시하였고, ANOVA(one-way analysis of variance) 분석을 통하여 신뢰도 95% (p < 0.
누에고치를 정련하여 세리신을 제거한 정련솜을 만든 후, 정련솜 50 g, 70 g, 100 g을 각각 염화칼슘 : 물 : 에탄올 = 1 : 8 : 2 (몰비율)의 용액으로 80℃에서 각각 30분 또는 60분 동안 용해시켰다.
만능재료 시험기 (Universal Testing Machine, DaeYeong, Korea)를 이용하여 최대하중, 인장강도, 연신률, Young’s modulus 등의 물리적 특성을 시험하였다.
생체막의 투명도를 측정하기위하여 장비를 제작하여 생체막 아래 15폰트의 글씨가 보이는 정도로 투명도를 평가하였다. 바닥에 생체막을 대고 글씨가 전혀 보이지 않을 경우 - (opaque), 1 cm 거리를 두고 보일 경우 *로 표시하였으며, 매 1 cm 증가 될 때마다 * 표시를 하나씩 더하여 최장 5 cm까지 측정하였다. 5 cm 거리에서도 생체막 아래의 글씨가 선명히 보이면 ***** (very transparency)로 표시하였다.
그러나 실크는 물이나 일반적인 용매에 쉽게 용해되지 않는다. 본 연구에서는 실크 피브로인의 용해조건에 따른 실크 생체막의 특성 변화를 관찰하기위하여, 실크 함유량과 실크 용해시간을 달리하여 실크 피브로인 수용액을 만들고 이를 이용하여 실크 생체막을 제작하였다. 제작된 실크 생체막의 형태, 구조, 기계적강도 등과 같은 특징을 관찰 하였다.
본 연구에서는 실크단백질 용해 시, 용해조건에 따른 실크 생체막의 특성 변화를 관찰하기위하여, 실크피브로인을 용해하기위해 가장 많이 사용하는 염화칼슘 시스템을 이용하여 실크 피브로인의 양과 용해시간을 달리하여 실크 피브로인 용액을 제조하고 이를 이용하여 실크 생체막을 제작하고 형태적 특성, 구조적 특성, 및 물리적 특성 등을 시험하였다.
본 연구에서는 정련된 누에고치 (정련솜 또는 실크 피브로인로인 이라고도 함)의 사용량과 용해 시간을 조절하여 염화칼슘이 함유된 용해액을 사용하여 실크피브로인 수용액 6종 (50 g/30 min, 50 g/60 min, 70 g/30 min, 70 g/60 min, 100 g/30 min, 100 g/60 min)을 제작하였다. 앞에서 언급한 것처럼 브롬화 리튬과 염화칼슘이 실크피브로인 생체막을 만들기 위해 적합한 용해제일 것이라 생각되지만, 브롬화 리튬을 사용하여 실크를 용해 할 경우, 브롬화 리튬이 매우 고가이므로 향후 의료용 소재로의 산업화 시 생산비의 증가로 이어질 것으로 여겨져 염화칼슘을 사용하여 실크 피브로인을 용해하였다.
생체막의 투명도를 측정하기위하여 장비를 제작하여 생체막 아래 15폰트의 글씨가 보이는 정도로 투명도를 평가하였다. 바닥에 생체막을 대고 글씨가 전혀 보이지 않을 경우 - (opaque), 1 cm 거리를 두고 보일 경우 *로 표시하였으며, 매 1 cm 증가 될 때마다 * 표시를 하나씩 더하여 최장 5 cm까지 측정하였다.
생체막의 투명도와 생체막의 두께간의 상관관계는 전혀 없었다. 생체막의 형태를 관찰하기위하여 각 생체막을 백금/팔라튬 합금으로 코팅 후 표면과 단면 형태를 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 모든 생체막은 비교적 매끈한 표면과 공극이 없이 촘촘하고 균일한 단면 형태를 보였다 (Fig.
위에서 만들어진 실크 피브로인 수용액 6종을 이용하여 각각 같은 양(g)의 실크 피브로인이 함유되도록 트레이 플레이트 (77×111 mm)에 채운 다음 25℃, 습도 50%의 항온항습실에서 일주일 동안 건조하여 실크피브로인 생체막을 제작하였다.
누에고치를 정련하여 세리신을 제거한 정련솜을 만든 후, 정련솜 50 g, 70 g, 100 g을 각각 염화칼슘 : 물 : 에탄올 = 1 : 8 : 2 (몰비율)의 용액으로 80℃에서 각각 30분 또는 60분 동안 용해시켰다. 이 용액을 부직포와 탈지면으로 거른 뒤 3일 동안 투석하여 염을 제거하여 실크 피브로인 수용액을 만들었다.
적외선 분광광도계 (FT-IR spectrometer spectrum 100, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 적외선 분광분석을 실시하여 실크 피브로인 생체막의 구조적 특성을 관찰하였다. 2000 ~ 600 cm-1의 스펙트럼 범위에서 ATR-FTIR (Attenuated total reflectance - Fourier transform infrared spectra) 을 측정하였다.
위에서 만들어진 실크 피브로인 수용액 6종을 이용하여 각각 같은 양(g)의 실크 피브로인이 함유되도록 트레이 플레이트 (77×111 mm)에 채운 다음 25℃, 습도 50%의 항온항습실에서 일주일 동안 건조하여 실크피브로인 생체막을 제작하였다. 제작된 실크 생체막의 두께는 디지털 두께 측정기 (Mutitoyo Digimatic Caliper, Japan)을 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 실크 피브로인의 용해조건에 따른 실크 생체막의 특성 변화를 관찰하기위하여, 실크 함유량과 실크 용해시간을 달리하여 실크 피브로인 수용액을 만들고 이를 이용하여 실크 생체막을 제작하였다. 제작된 실크 생체막의 형태, 구조, 기계적강도 등과 같은 특징을 관찰 하였다. 비록 각 실크 생체막에 함유된 피브로인의 함량이 같을 지라도 생체막의 두께와 투명도에는 커다란 차이를 보였다.
5 cm 거리에서도 생체막 아래의 글씨가 선명히 보이면 ***** (very transparency)로 표시하였다. 제작된 실크 피브로인 생체막의 표면과 단면의 형태를 주사전자현미경으로 관찰하였다. 시료는 백금/팔라튬 합금으로 120초 동안 코팅하였다.
제조된 실크 수용액의 농도는 수분분석기 (MA100C, Sartorius, Germany)를 이용하여 105℃에서 측정하였다. 제조된 실크 피브로인 수용액의 분자량 분포를 관찰하기위하여 NuPAGE Bis-Tris Mini gel (novex, USA)을 이용하여 제조사에서 제공한 매뉴얼에 따라 전기영동을 실시하였다. 전기영동이 완료된 젤은 Coomassie Blue R-250으로 염색하였다.
데이터처리
통계분석 (STASTICA)은 mean ± SD로 표시하였고, ANOVA(one-way analysis of variance) 분석을 통하여 신뢰도 95% (p < 0.05)로 분석하였다.
성능/효과
Table 2에서 보여지는 것처럼 70 g/60분 용해액으로 제조한 실크 피브로인 생체막의 인장강도와 Young’s modulus 등의 수치가 가장 높았다.
또한 1,250 cm-1의 아마이드 IV 피크는 6종류의 생체막 모두에서 1,265 cm-1의 shoulder를 보이며 β-sheet구조로 안정화 된 것을 관찰할 수 있었다.
생체막의 형태를 관찰하기위하여 각 생체막을 백금/팔라튬 합금으로 코팅 후 표면과 단면 형태를 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 모든 생체막은 비교적 매끈한 표면과 공극이 없이 촘촘하고 균일한 단면 형태를 보였다 (Fig. 3). 적외선 분광광도 분석(ATR-FTIR) 결과 1,640 cm-1에서 보이는 아마이드 I의 피크가 70 g/60분 용해액으로 제조한 실크 피브로인 생체막에서는 1,620 cm-1으로 이동하였으며 (Fig.
본 연구를 통하여 우리는 실크 피브로인을 이용하여 생체막을 만들 경우, 사용하는 실크의 양과 용해시간 등의 조건에 따라 투명도, 구조, 인장강도, 연신률 등 생체막의 물성이 매우 달라짐을 확인할 수 있었으며, 용도에 따라 투명도와 인장강도 등을 조절할 수 있게 되었다. 또한 본 실험을 통해 최적의 생체막 제작 조건을 확립할 수 있었다.
제작된 실크 생체막의 형태, 구조, 기계적강도 등과 같은 특징을 관찰 하였다. 비록 각 실크 생체막에 함유된 피브로인의 함량이 같을 지라도 생체막의 두께와 투명도에는 커다란 차이를 보였다. 하지만 실크 피브로인 용액의 분자량과 생체막의 형태에 있어서의 변화는 거의 없었다.
2000). 실크를 의료용 소재로 이용하기위해서는 고분자량의 실크 피브로인으로 구성된 실크 수용액을 얻어야하므로, 이때 사용할 수 있는 용해제로 브롬화 리튬, 염화칼슘 등 중성염을 이용하는 것이 가장 적합하다고 생각하였다. 중성염을 이용하여 실크를 용해할 경우 분자간 수소결합이 절단되어 용해되며, 이때 분자 간 결합은 무작위로 끊어지게 된다.
앞에서 언급한 것처럼 브롬화 리튬과 염화칼슘이 실크피브로인 생체막을 만들기 위해 적합한 용해제일 것이라 생각되지만, 브롬화 리튬을 사용하여 실크를 용해 할 경우, 브롬화 리튬이 매우 고가이므로 향후 의료용 소재로의 산업화 시 생산비의 증가로 이어질 것으로 여겨져 염화칼슘을 사용하여 실크 피브로인을 용해하였다. 용해된 실크피브로인 수용액의 농도는 각각 2.69%, 2,65%, 3.72%, 3.8%, 4.6%, 4.58%로 용해에 사용된 실크 양에 유의적으로 실크 피브로인 수용액의 농도가 증가하였다. 하지만 각 수용액을 NuPAGE gel(novex, USA)를 이용하여 전기영동한 결과 Fig.
2에서 보는 바와 같이 같은 양의 실크 피브로인이 함유되도록 실크 피브로인 생체막을 제작하였지만 생체막의 두께는 약 60~140 μm로 서로 다른 두께의 생체막이 제작되었다. 이들 생체막의 투명도를 조사한 결과 (Table 1) 70 g의 실크피브로인을 60분 동안 용해한 실크수용액으로 제작한 생체막이 가장 투명하였으며, 100 g/30분, 70 g/30분, 50 g/60분 순서로 투명도가 현저하게 떨어졌다. 50 g/30분과 100 g/60분 실크수용액은 완전히 불투명한 실크 생체막이 만들어졌다.
적외선 분광광도 분석(ATR-FTIR) 결과 1,640 cm-1에서 보이는 아마이드 I의 피크가 70 g/60분 용해액으로 제조한 실크 피브로인 생체막에서는 1,620 cm-1으로 이동하였으며 (Fig. 4) 이는 실크생체막의 구조가 β-sheet로 안정화되어서 생긴 것으로 70 g/60분 용해액으로 제조한 실크 피브로인 생체막의 투명도가 뛰어난 것과도 관련이 있다고 생각된다.
후속연구
하지만 실크 피브로인 용액의 분자량과 생체막의 형태에 있어서의 변화는 거의 없었다. 본 연구는 실크 피브로인의 용해조건에 따라 실크 생체막의 유연성, 강도, 투명도 등의 다양한 특성을 조절할 수 있다는 것을 보여주었으며, 최적의 실크생체막 제작 조건을 확립하였으므로, 향후 실크를 이용한 의료용품 개발에 많은 도움이 될 것으로 생각된다.
또한 본 실험을 통해 최적의 생체막 제작 조건을 확립할 수 있었다. 향후 실크 생체막의 다양한 용도를 찾기 위한 연구에 큰 도움이 될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실크 단백질의 특징은 무엇인가?
실크를 의료용 소재로 가공하기 위해서는 실크단백질을 녹여야하는데, 실크 단백질은 강력한 수소결합과 결정성 구조를 갖는 섬유상 단백질로 쉽게 물이나 용매에 용해 되지 않기 때문에, 단백질의 결합을 끊을 수 있는 유/무기 염, 플르오르화 용매, 이온화 용액, 강산 등을 이용하여 실크단백질을 용해시켜야한다 (John et al. 2008).
실크의 장점은 무엇인가?
실크는 생체적합성이 우수하며, 기계적 강도가 좋고, 낮은 면역 거부반응과 다양한 형태로의 성형이 가능한 장점을 갖는 천연고분자이다. 그러나 실크는 물이나 일반적인 용매에 쉽게 용해되지 않는다.
현재 의료용 소재로 사용되고 있는 물질에는 무엇이 있는가?
현대사회가 점차 고령화되어감에 따라 많은 의료용품들이 필요하게 되었으며, 의료용품의 재료로 천연물을 이용하고자하는 요구들이 끊임없이 제기되어왔다. 현재 의료용 재료로 사용되고 있는 천연물은 콜라겐이 대부분을 차지하고 있으며, 그 밖에 히알론산, 키토산, 젤라틴 등이 있지만 산업화되어 사용되는 경우는 극히 미미하다. 실크는 2000년 이후 의료용 소재로서의 가능성이 제기된 뒤(Sugihara et al.
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