[논문]의료용 소재 활용을 위한 콜라겐/키토산 복합섬유의 제조 및 특성 분석

곽현중; 안현철; 이원준; 여상영

doi:10.5764/tcf.2021.33.3.131

의료용 소재 활용을 위한 콜라겐/키토산 복합섬유의 제조 및 특성 분석
Manufacturing and Material Analysis of Collagen/Chitosan Conjugated Fibers for Medical Application 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.33 no.3, 2021년, pp.131 - 140

곽현중 (한국생산기술연구원) , 안현철 (한국생산기술연구원) , 이원준 (단국대학교 파이버시스템공학과) , 여상영 (한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Collagen and chitosan are used in medical and cosmetic materials as natural polymers. In order to utilize the advantages of the materials, collagen/chitosan conjugated wet-spun fibers were prepared. The analysis of surface, optical, thermal and mechanical properties was carried out on the various composition of collagen and chitosan. As a result of images analysis, it was verified that the collagen/chitosan conjugated fibers were stably spun. In addition, the optical and thermal properties of fibers were observed to be changed by hydrogen bond. As a result, an optimized composition could be found at an appropriate content. Moreover, the optimized fibers have mechanical properties similar to chitosan fibers, while improving the structural and thermal stability by its hydrogen bond. In addition, the wet-spun collagen/chitosan conjugated fibers can be applied to medical and various fields through mechanical properties according to content control.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Schematic representation of wet-spun of collagen/chitosan conjugated fibers.
표 Table 1. Dope composition and spinnability according to the collagen content
그림 Figure 2. SEM images of surface of collagen/chitosan conjugated fibers; (A) CH100, (B) CO12.5CH87.5, (C) CO25CH75, (D) CO37.5CH62.5, (E) CO50CH50.
그림 Figure 3. SEM images of cross-section of collagen/chitosan conjugated fibers; (A) CH100, (B) CO12.5CH87.5, (C) CO25CH75, (D) CO37.5CH62.5, (E) CO50CH50.
표 Table 2. Mechanical properties of collagen/chitosan conjugated fibers
그림 Figure 4. FT-IR spectra of collagen, chitosan and collagen/chitosan conjugated fibers; (a) CH100 and CO100, and (b) collagen/chitosan conjugated fibers.
표 Table 3. FT-IR absorption bands(cm^-1) of collagen/chitosan conjugated fibers
그림 Figure 6. TG analysis curves of collagen/chitosan conjugated fibers; (a) normalized TGA curves and (b) derivative TGA curves.
그림 Figure 5. DSC analysis curves of collagen/chitosan conjugated fibers.
그림 Figure 7. Tensile properties of collagen/chitosan conjugated fibers; (a) maximum of load and (b) tenacity.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 습식방사를 이용하여 콜라겐/키토산 복합섬유를 제조하기 위해 콜라겐과 키토산의 구성 비율을 달리하여 물성 변화를 살펴보고, 키토산의 기계적 물성을 가지면서 콜라겐의 특성을 동시에 발현할 수 있는 최적의 구성 비율을 찾는 연구를 진행하였다(Figure 1).
특히 고함량의 콜라겐을 포함하는 복합섬유를 방사하여 제조 가능성을 살펴보았다. 이를 위해 콜라겐이 변형이 되지 않도록 저온에서 콜라겐/키토산 방사용액을 제조하고, 습식방사 공정을 활용하여 콜라겐과 키토산이 비용매에서 섬유상을 형성하도록 응고욕을 조성하였다.

제안 방법

이를 위해 콜라겐이 변형이 되지 않도록 저온에서 콜라겐/키토산 방사용액을 제조하고, 습식방사 공정을 활용하여 콜라겐과 키토산이 비용매에서 섬유상을 형성하도록 응고욕을 조성하였다. 또한 방사된 콜라겐/키토산 복합섬유를 분석하여, 균일한 방사 가능성을 살펴보고, 그 기계적 물성을 측정하여, 의료용 및 미용섬유로 활용 가능한지를 검토하였다.
특히 고함량의 콜라겐을 포함하는 복합섬유를 방사하여 제조 가능성을 살펴보았다. 이를 위해 콜라겐이 변형이 되지 않도록 저온에서 콜라겐/키토산 방사용액을 제조하고, 습식방사 공정을 활용하여 콜라겐과 키토산이 비용매에서 섬유상을 형성하도록 응고욕을 조성하였다. 또한 방사된 콜라겐/키토산 복합섬유를 분석하여, 균일한 방사 가능성을 살펴보고, 그 기계적 물성을 측정하여, 의료용 및 미용섬유로 활용 가능한지를 검토하였다.
콜라겐/키토산 복합섬유들을 제조하기 위해 콜라겐과 키토산의 구성 비율을 달리하여 습식방사 공정으로 섬유를 제조하였다. 제조된 콜라겐/키토산 복합섬유들의 표면 형태, 분자 결합의 변화, 열적 특성과 기계적 물성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
콜라겐/키토산 복합섬유가 균일하게 방사되었는지 확인하기 위하여 콜라겐/키토산 복합섬유의 단면적과 표면을 이미지 분석을 통하여 확인하였다.
콜라겐/키토산 복합섬유들을 제조하기 위해 콜라겐과 키토산의 구성 비율을 달리하여 습식방사 공정으로 섬유를 제조하였다. 제조된 콜라겐/키토산 복합섬유들의 표면 형태, 분자 결합의 변화, 열적 특성과 기계적 물성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

데이터처리

제조된 콜라겐/키토산 복합섬유들의 단면과 표면의 형태를 관찰하기 위하여 Scanning electron microscope(SEM, SU8000, Hitachi, Japan)을 사용하여 이미지를 분석하였다. 방사된 섬유의 형태 및 균일성을 확인하고 이미지 분석을 통해 섬유 직경을 측정하였다.

이론/모형

인장실험은 각 시료마다 20회 이상 실시하였고, 그 중 10개의 데이터를 선택하여 평균을 내어 인장특성을 결정하였다. 각 시료들의 섬도는 ASTM D1577 규격을 따르는 FAVIMAT을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

1, 2). 대표적인 의료소재용 고분자는 콜라겐, 키토산, 알지네이트 등의 천연 고분자와 Poly(ρ-dioxanone), Polyamide 등 합성 고분자 재료가 사용되고 있다^3-5).
2). 대표적인 의료소재용 고분자는 콜라겐, 키토산, 알지네이트 등의 천연 고분자와 Poly(ρ-dioxanone), Polyamide 등 합성 고분자 재료가 사용되고 있다^3-5).
3-5).
콜라겐 분자는 α-chain으로 이루어진 삼중 나선 구조로 되어 있으며, 각 체인은 Gly-X-Y 구조의 아미노산 배열로 이루어져 있다. X와 Y 위치에 주로 프롤린(Proline)과 4-하이드록시플로린(4-Hyd roxyproline)으로 구성된다¹¹⁾. 이와 같은 콜라겐은 직물, 스펀지, 필름이나 전기방사를 이용한 나노 웹 등 다양한 형태의 의료용 소재로 개발되고 있다^12-14).
결론적으로 본 연구의 방사 공정을 통해 콜라겐/키토산 복합섬유의 구성 비율에 따른 물성 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 특히 25 % 이하의 콜라겐 함량에서는 키토산과 유사한 기계적 강도를 가지면서 구조의 안정성과 열적 특성이 개선되어 각 소재의 장점을 모두 나타내는 최적화된 콜라겐/키토산 복합섬유를 제조할 수 있었다.
콜라겐/키토산 복합섬유들은 콜라겐과 키토산의 중요한 작용기에서 동일한 IR 흡수 파장을 나타냈다. 또한 수소결합에 관여하는 작용기의 흡수 영역은 이동이 나타나면서 흡수영역이 약해지는 것을 확인하였으며, 수소결합이 형성되면서 균일한 복합섬유가 제조된 것으로 보인다.
1. 복합섬유는 균일하게 방사되었으며, CH100섬유와 콜라겐/ 키토산 복합섬유 모두 섬유가 안정적으로 형성된 것을 확인하였다.
2. 콜라겐/키토산 복합섬유들은 콜라겐과 키토산의 중요한 작용기에서 동일한 IR 흡수 파장을 나타냈다. 또한 수소결합에 관여하는 작용기의 흡수 영역은 이동이 나타나면서 흡수영역이 약해지는 것을 확인하였으며, 수소결합이 형성되면서 균일한 복합섬유가 제조된 것으로 보인다.
3. 콜라겐/키토산 복합섬유들은 콜라겐의 함량이 증가하면서 열적 안정성이 증가하였으며, 콜라겐/키토산 복합섬유의 열적 안정성은 수소결합의 영향이 지배적이라고 판단된다.
4. 콜라겐의 함량이 증가하면서 콜라겐/키토산의 기계적 강도가 감소하고 특정 범위에서 일정한 강도를 가지는 것을 확인하였으며, 이는 콜라겐/키토산의 기본 물성뿐만 아니라콜라겐의 함량에 따른 수소결합의 변화 때문인 것으로 사료된다.
결론적으로 본 연구의 방사 공정을 통해 콜라겐/키토산 복합섬유의 구성 비율에 따른 물성 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 특히 25 % 이하의 콜라겐 함량에서는 키토산과 유사한 기계적 강도를 가지면서 구조의 안정성과 열적 특성이 개선되어 각 소재의 장점을 모두 나타내는 최적화된 콜라겐/키토산 복합섬유를 제조할 수 있었다. 이는 봉합사나 지혈제와 같은 기계적 물성을 필요로 하는 의료 및 미용 제품에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

특히 25 % 이하의 콜라겐 함량에서는 키토산과 유사한 기계적 강도를 가지면서 구조의 안정성과 열적 특성이 개선되어 각 소재의 장점을 모두 나타내는 최적화된 콜라겐/키토산 복합섬유를 제조할 수 있었다. 이는 봉합사나 지혈제와 같은 기계적 물성을 필요로 하는 의료 및 미용 제품에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

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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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