[논문]나노섬유 방사노즐 설계를 위한 거미 실크 방적장치의 생체모사 분석

문명진; 김훈; 박종구

doi:10.9729/am.2012.42.2.067

나노섬유 방사노즐 설계를 위한 거미 실크 방적장치의 생체모사 분석
Biomimetic Analysis on the Spider Silk Apparatus for Designing the Nanofiber-spinning Nozzle 원문보기

한국현미경학회지 = Korean journal of microscopy, v.42 no.2, 2012년, pp.67 - 76

문명진 (단국대학교 생명과학과) , 김훈 (단국대학교 생명과학과) , 박종구 (단국대학교 생명과학과)

초록
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고강성 나노섬유 생산이 가능한 전기방사장치 방사노즐의 설계를 위해 자연을 모방하는 공학적 방법론을 도입하여, 무당거미(Nephila clavata L.Koch) 대병상선의 토사관과 그 생체방적 시스템이 지닌 미세구조적 특성을 고해상도의 전자현미경 관찰을 통해 분석하였다. 자연계에서 가장 강도가 높은 드래그라인을 생성, 분비하는 대병상선의 토사관은 bullet type spigot을 통해 전방적돌기 표면에 개구되어 있었으며, 신축성 구조를 지닌 토사관 말단마디의 노즐을 통해 고체상의 실크가 생성되었다. 분비낭과 토사관 사이를 연결한 분비관은 루프를 형성한 후 방적돌기에 수납되었고, 분비관 내강의 직경은 점진적으로 축소되어 노즐을 통해 방사되는 실크의 직경은 펀넬 부위의 1/10 이하인 것으로 관찰되었다. 한편, 실크 중합과정에서 수분을 제거하기 위한 큐티클의 특수구조가 관찰되었는데, 분비낭의 펀넬 부위에서는 해면상 큐티클 구조가 그리고 분비관의 말단부에서는 비후된 subcuticle 구조와 함께 잘 발달된 상피의 미세융모 층이 확인되었다. 또한 분비관의 내강부 큐티클 표면에서 확인된 나선형 강선구조는 실크 전구물질의 신속한 유동을 촉진하는 장치일 것으로 해석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The biomimetic approach on the cuticular spinning nozzles of the major ampullate silk glands in the golden-web spider Nephila calvata has been attempted using various visualizing techniques of light and electron microscopes to improve the design of spinning nozzle for producing synthetic nanofibers spun from electrospinning apparatus. The major ampullate spigot which has the most effective nozzle system to produce nanofibers for dragline silk with high strength and elasticity is connected via the bullet type spigot on anterior spinneret with flexible terminal segment. The excretory duct which transports the liquid silk feedstock from ampulla to spigot is divided into 3 limbs by loops back on itself to form an S-shape morphology that is bundled in connective tissue. Final diameter of the nanofibers at nozzle was dramatically reduced by gradual narrowing of duct cuticle less than 10 times comparing to its original size of funnel region. Moreover, the funnel has a characteristic cuticular organization with porous microstructure which seems to be related to water removal from feedstock of silk precursors. High magnification electron micrographs also reveal the presence of the spiral grooves on the surface of the cuticular intima near the valve which presumed to reduce friction during rapid flow of liquid silk.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2006; Eadie & Ghosh, 2011). 따라서 본 연구는 고강성, 고탄성 나노 섬유 생산이 가능한 효율적인 방사즐을 설계하고 전기방사장치의 노즐구조를 개선하기 위한 자연모사 연구의 일환으로, 거미의 실크 분비관과 토사관, 방적장치 등에 대한 초미세구조 분석을 시도하였다.

가설 설정

clavata. A: The major ampullate glands (arrows) are composed of duct, ampulla and tail. B, C: Anterior spinneret (As) has the spigots of the major ampullate gland (Am) and pyriform glands.
E, F: The spigot of major ampullate gland is the most prominent on the anterior spinneret and has a thick excretory duct (arrow). G, H: Fractured surface of the terminal excretory duct (arrow) has simple columnar epithelium (Ep) resting on the thick cuticular intima (Cu). Scale bars indicate 200 μm (A), 100 μm (B, C), 50 μm (D, E), 20 μm (F), 10 μm (G) and 5 μm (H), respectively.
E, F: At the junctional region between ampulla and duct (Du), specialized cuticular structure, known as the funnel (Fn) can be seen. G, H: The duct of the major ampullate gland is made up of thick cuticular material, and liquid silk precursors are transferred from ampulla to spinning tube. Scale bars indicate 500 μm (A), 100 μm (B~F), and 50 μm (G, H), respectively.

제안 방법

4)로 완충시킨 1% osmium tetroxide 용액으로 후고정(postfixation)한 후, 동일 완충용액을 사용하여 충분히 세척하였다. 고정이 끝난 시료는 ethanol 농도 상승 순(30%, 50%, 70%, 90%, 95%, 100%)으로 처리하여 탈수하였다.
, Tokyo, Japan) 주사형 전자현미경(FESEM)으로 5~15 kV의 가속전압에서 관찰하였다. 관찰된 시료에 대한 화상(image)은 디지털 파일의 형태로 컴퓨터에 저장한 후, 미세구조 분석 작업에 사용하였다.
이어서 ethanol 농도하강 순으로(100%, 95%, 90%, 80%, 70%) 친수화 처리시킨 후, hematoxylin-eosin (H-E) 용액으로 이중 염색하여, Nikon 80i 광학복합현미경(Nikon, Japan)으로 관찰하고 디지털 파일의 형태로 화상을 저장하였다. 또한 관찰 시료에 대한 정밀한 계측과 구조 해석을 위하여 Motic Image Analysis Program(Motic Instruments Inc., Canada)을 이용한 다각적인 화상분석도 병행 실시하였다.
포매가 끝난 시료는 RM-2135 조직절편제작기(Leica, Germany)로 5 μm 두께의 절편을 만들어 슬라이드에 부착시킨 후, xylene 용액을 사용하여 조직에 침투한 파라핀을 제거하였다. 이어서 ethanol 농도하강 순으로(100%, 95%, 90%, 80%, 70%) 친수화 처리시킨 후, hematoxylin-eosin (H-E) 용액으로 이중 염색하여, Nikon 80i 광학복합현미경(Nikon, Japan)으로 관찰하고 디지털 파일의 형태로 화상을 저장하였다. 또한 관찰 시료에 대한 정밀한 계측과 구조 해석을 위하여 Motic Image Analysis Program(Motic Instruments Inc.
5 μm 두께의 준초박절편(semithin section)을 제작하여 1% borax에 녹인 1% toluidine blue 용액으로 hot plate(60℃) 상에서 염색하고 증류수로 수세하여 광학현미경으로 관찰 부위를 확인하였다. 이어서 초박절편(ultrathin section)을 제작하여 copper grid에 부착시킨 다음, uranyl acetate와 lead citrate로 이중 염색하여 JEM 100CX-II형 투과전자현미경(JEOL Co., Japan)으로 80 kV의 가속전압에서 관찰하고 그 영상을 기록하였다.
Koch) 성체를 실험실로 옮겨 양면이 유리로 된 40×40×10 cm 크기의 목재 사육조에 옮기고 안정화시킨 다음, 매일 물과 갈색거저리 (Tenebrio molitor) 유충을 먹이로 공급하며 실온에서 사육하였다. 조직관찰을 위한 시료제작을 위해 공시재료를 이산화탄소로 마취하여 희생시킨 후, 해부현미경 하에서 해부용 가위를 사용하여 복부마디를 분리하였다. 이때, 해부시 체액의 상태를 유지하기 위하여 거미 생리식염 용액(spider Ringer’s solution: 160 mM NaCl, 7.
주사전자현미경 관찰을 위한 시료는 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4)로 완충시킨 2% paraformaldehyde와 2.5% glutaraldehyde 혼합용액을 제조하여 전고정(prefixation) 처리한 후, 동일 완충용액으로 3회 수세하였다. 수세가 끝난 시료는 0.
탈수가 끝난 시료는 hexamethyldisilazane (HMDS) 용액으로 처리하고, 실온에서 건조 처리하였으며, 일부의 시료는 탈수 처리후 isoamyl acetate에 처리한 후 임계점 건조기(critical point dryer)를 사용하였으며, 날카로운 면도날을 사용하여 동결 파쇄 처리하였다. 준비된 시료는 stub에 부착하고 sputter coater E-1030(Hitachi Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 약 15 nm 두께로 백금 도금한 후 Hitachi S-4300(Hitachi Co., Tokyo, Japan) 주사형 전자현미경(FESEM)으로 5~15 kV의 가속전압에서 관찰하였다. 관찰된 시료에 대한 화상(image)은 디지털 파일의 형태로 컴퓨터에 저장한 후, 미세구조 분석 작업에 사용하였다.
탈수가 끝난 시료는 hexamethyldisilazane (HMDS) 용액으로 처리하고, 실온에서 건조 처리하였으며, 일부의 시료는 탈수 처리후 isoamyl acetate에 처리한 후 임계점 건조기(critical point dryer)를 사용하였으며, 날카로운 면도날을 사용하여 동결 파쇄 처리하였다. 준비된 시료는 stub에 부착하고 sputter coater E-1030(Hitachi Co.
포매가 완료된 시료는 LKB ultramicrotome (LKB, Sweden)으로 0.5 μm 두께의 준초박절편(semithin section)을 제작하여 1% borax에 녹인 1% toluidine blue 용액으로 hot plate(60℃) 상에서 염색하고 증류수로 수세하여 광학현미경으로 관찰 부위를 확인하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 무당거미 견사선은 대병상선(major ampullate gland), 소병상선(minor ampullate gland), 관상선(tubuliform gland), 수상선(aggregate gland), 편상선(flagelliform gland), 이상선(pyriform gland), 포도상선(aciniform gland) 등 7종류로 이루어져 있었다. 한 쌍의 대병상선은 각각 분비관(duct)과 분비낭(sac) 그리고 말단분비부(tail)로 이루어져 있었고 분비낭의 내부에는 황금색의 실크 전구물질이 함유되어 있었다.
충청남도 천안시 안서동 소재 단국대학교 천안캠퍼스 주변에서 채집한 무당거미(Nephila clavata L. Koch) 성체를 실험실로 옮겨 양면이 유리로 된 40×40×10 cm 크기의 목재 사육조에 옮기고 안정화시킨 다음, 매일 물과 갈색거저리 (Tenebrio molitor) 유충을 먹이로 공급하며 실온에서 사육하였다.

성능/효과

거미 실크의 물리적 특성을 비교한 결과에 의하면, 대병상선에서 생성되는 dragline 실크의 강도(strength)는 4×109 Nm-2으로 합성 섬유중 가장 강도가 높은 케블라(Kevlar) 섬유와 유사하지만, 신축율이 7배 이상 높기 때문에 섬유를 파쇄하는 데 필요한 에너지(break energy)는 케블라 섬유보다 열배 이상 높은 것으로 측정되었다.
대병상선의 분비관은 전체적으로 두 부분에서 굴곡되어 3개의 limb을 형성한 매우 긴 분비관을 가지고 있었는데, 이는 분비낭에서 토사관에 도달하기 위해 필요한 전체 분비관 길이에 비해 최소 3배 이상 신장된 구조인 것으로 측정되었다. 이처럼 긴 분비관을 방적돌기 속에 제한된 공간에 효율적으로 수납하기 위한 수단으로 여분의 길이에 해당되는 분비관을 루프 형태로 회전시킨 후, 압착시켜 한 겹의 결합조직 속에 위치시키는 방법이 사용된 것으로 해석되었다.
3F). 동결 파쇄하여 관찰한 분비관의 큐티클층에서는 줄무늬가 형성된 내강부의 exocuticle층과 명대와 암대가 교대로 배열된 endocuticle층, 그리고 상피와 접한 부드러운 subcuticle 층이 확연히 구분되었다(Fig. 3G). 특히 endocuticle층은 분비관 내강을 중심으로 동심원상으로 배열된 격벽구조를 형성하고 있었으며, 격벽의 사이에는 많은 공간이 형성된 소성결합조직(loose connective tissue)의 특성을 지니고 있음이 관찰되었다(Fig.
발포성 구조를 지닌 이 큐티클층은 직경 약 10 μm의 구형 공간들을 지닌 해면(spongy) 구조를 가지고 있음이 확인되었다(Fig. 3B).
1B). 방적돌기를 투명화시켜 광학현미경으로 관찰한 이미지 분석결과 대병상선의 분비관이 전방적돌기의 토사 관과 연결된 구조(Fig. 1C) 및 소병상선 및 포도상선의 분비관과 연결된 중방적돌기의 토사관들이 명확히 관찰되었다(Fig. 1D).
, 1984), 분비관의 원위부 큐티클층에 수분의 흡수와 관련된 구조인 subcuticle 구조가 매우 발달되어 있고, 또한 이 부위의 상피세포가 미세융모를 지닌 전형적인 흡수세포의 특징을 가지고 있다는 점 등으로 미루어 주된 변형과정은 분비관의 원위부에서 일어날 것으로 추정된 바 있다(Moon & Tillinghast, 2004). 본 연구에서도 토사관과 연결되는 원위 분비관에서만 subcuticle층이 비후되어 관찰되고, 근위 분비관의 영역에서는 이 구조가 소실된 미세구조적 특징으로 미루어, 실크 물질의 최종적 변형과정이 분비관의 원위부에서 일어난다는 사실을 확인할 수 있었다.
분비낭과 분비관이 연결되는 부위에서는 깔때기 구조를 가진 특징적인 펀넬(funnel) 부위가 나타나는데(Fig. 1E), 투명화시킨 시료를 통해 관찰한 결과, 비후된 과립상의 큐티클층에 의해 표면이 피복된 구조가 확인되었다(Fig. 1F). 분비관의 내부에서는 토사관을 향해 이동중인 실크 전구물질이 관찰되는데 구형 과립상의 물질과 기질물질과 혼합된 형태를 하고 있었으며(Fig.
한편, 이와는 별도로, 분비낭의 말단부로부터 분비관이 시작되는 부위에서도 수분의 흡수를 포함한 실크 전구물질의 일차적 변형을 유발하는 효과적이고도 특징적인 미세구조가 본 연구를 통해 확인되었다. 즉, 대병상선의 분비낭과 분비관이 연결되어 실크 전구물질의 이동이 시작되는 부위 (funnel)에 깔때기 모양으로 형성된 해면상의 특수 큐티클 구조가 관찰되었다. 이러한 구조는 팽대된 분비낭속에 간직된 다량의 분비물이 좁은 분비관을 통해 일시에 방출되는 과정에서 발생하는 내부의 압력을 견디어내기 위한 보편적인 구조로 생각되지만(Work & Morosoff, 1982; Work, 1984), 발포성 공간을 지닌 이 해면성 큐티클층의 미세구조로 미루어, 분비낭 속의 실크 전구물질로부터 여분의 수분을 제거하기 위한(Tillinghast et al.
한편, 이와는 별도로, 분비낭의 말단부로부터 분비관이 시작되는 부위에서도 수분의 흡수를 포함한 실크 전구물질의 일차적 변형을 유발하는 효과적이고도 특징적인 미세구조가 본 연구를 통해 확인되었다. 즉, 대병상선의 분비낭과 분비관이 연결되어 실크 전구물질의 이동이 시작되는 부위 (funnel)에 깔때기 모양으로 형성된 해면상의 특수 큐티클 구조가 관찰되었다.
2E). 할단된 분비관의 단면에서는 수송된 실크 전구물질이 고체상의 실크로 변형되는 과정이 진행되는 관상 분비관의 내부 표면구조와 큐티클층의 미세구조, 그리고 상피층의 구조적 요소가 잘 관찰되었다(Fig. 2F). 노즐부위의 분비관은 내부 직경이 약 15μm에 달하였고 외부직경은 약 35 μm, 그리고 큐티클층과 상피층의 두께는 각각 2.

후속연구

, 2009). 또한 거미 분비관의 내강부에 형성된 큐티클층의 층상구조와 발포성 공극을 지닌 해면성 구조의 특성을 반영하여 사출관의 노즐 부위를 이중 벽면으로 구성하고, 층간에 일정 간격의 공기층을 두는 설계 방안도 거미의 생체 방사장치에서 자연모사를 통해 구현할 수 있는 방안의 하나로, 고강성 나노섬유 생성에 개선된 효과를 발휘할 것으로 기대된다.
현재 사용되고 있는 전기방사장치의 노즐부위는 용매와 희석된 원기물질이 분사되는 단순 도관의 형태로 제작되고 있는 경우가 일반적이므로(Huang et al., 2003; Yoon et al., 2009), 거미 토사관의 생체 방적시스템을 자연모사한 결과를 통해 도출된 결과를 도입하여, 전기방사 노즐의 사출관을 보다 길게 제작하고, 사출관 내부에 원활한 액체 유동을 증대시키기 위한 나선형의 강선구조를 추가하여 설치할 경우, 보다 개선된 성능의 전기방사장치를 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 거미의 분비관에서 측정된 나선형 강선의 간격은 약 1 μm로 측정되었으나, 전기방사 노즐의 경우에는 사용된 용매의 종류와 점도, 원기물질의 분자량 등을 고려하여 사용목적에 따라 약간의 조정이 필요할 것으로 추정된다(Reneker & Chun, 1996; Lee et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대병상선에서 생성되는 dragline 실크의 특징은?	거미 실크의 물리적 특성을 비교한 결과에 의하면, 대병상선에서 생성되는 dragline 실크의 강도(strength)는 4×109 Nm-2으로 합성 섬유중 가장 강도가 높은 케블라(Kevlar) 섬유와 유사하지만, 신축율이 7배 이상 높기 때문에 섬유를 파쇄하는 데 필요한 에너지(break energy)는 케블라 섬유보다 열배 이상 높은 것으로 측정되었다. 반면, 소병상선의 강도는 대병상선의 1/4 정도이지만 신축율이나 파쇄 에너지는 케블라 섬유와 거의 동일한 것으로 보고되고 있다(Gosline et al.
	나노 섬유란?	나노 섬유(nanofiber)란 일반적으로 직경이 20 nm~1μm 정도인 섬유로 정의되며, 통상적으로 낮은 점도 상태의 폴리머를 순간적으로 섬유형태로 방사는 전기방사법(electrospinning)을 이용하여 제조된다(Reneker & Chun, 1996; Deitzel et al., 2002; Li & Xia, 2004).
	거미의 실크의 가장 독특한 특징은 무엇인가?	거미의 실크는 몇 가지 점에서 매우 특이한 성질을 가지고 있음이 확인된다. 가장 현저한 특징은 누에나방을 위시한 대부분의 곤충류가 단 한 가지 종류만의 실크를 만들어 내는 데 비해, 거미는 기능에 따라 섬유의 분자적 조성이 다른 여러 종류의 실크를 생성한다는 점이다(Foelix, 2011). 특히 대형의 둥근그물(orb-web)을 치는 왕거미과의 거미들은 7가지 이상의 서로 다른 종류의 실크를 생성하며, 각각의 용도도 구분되어 사용되고 있음이 잘 알려져 있다(Tillinghast & Townley, 1987; Moon, 1998).

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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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