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전기방사(Electrospinning)와 이를 이용한 나노 섬유상 구조

박정호 (LG 화학 기술연구원)

분석자 서문 전기방사(Electrospinning)는 전기적으로 하전된 고분자 용액 및 용융물의 젯(jet)을 통해 나노

섬유를 제조할 수 있는 공정이다. 이러한 전기 방사 기술은 용매에 용융 및 혼합이 가능한 모든 고분자 재료에 모두 사용하여 나노 섬유를 쉽게 제조할 수 있으며 나노 섬유의 형상 및 크기의 조절이 용이하므로 의공학 등 다양한 응용 분야에 적용이 가능한 기술이다. 비교적 간단한 구조와 저가의 장비를 이용한다는 장점이 있으나 분자수준의 이해와 공정 및 기술적 인자들을 고려해야 하는 다소 복잡한 기술이다. 본 논문은 전기방사 공정의 세가지 단계, 젯의 발생, 연신 그리고 고상화에 대한 정보에 대해 고찰하고 전기방사로 구현된 구조에서 얻어질 수 있는 몇 가지 주목할만한 기능성에 대해 알아본다. 또 최근 보고된 전기방사 공정의 개선 사례 그리고 의공학 및 조직 공학에서 전기방사법을 이용한 응용에 대해서도 소개하고자 한다.

1. 전기 방사 전기방사 (Electrospinning)는 전기장을 이용하여 - µm ~ - nm 스케일의 직경을 갖는 연속상의 섬유를 구현하는 방법으로 기존에 알려진 자기조립(self assembly), 상분리 (phase separa-tion), 주형합성(template synthesis) 등의 방법들에 비해 간단하고 재료의 선택에 제한이 없을 뿐 아니라 형상에 기인한 높은 비표면적, 공극률 및 구조/크기의 조절의 용이성에 기인하는 여러 가지 다양한 특성을 바탕으로 의공학/산업적 응용에 많은 관심을 받아오고 있다. 전기방사 장치는 그림 1 에서 도시한 것처럼크게 고전압 power supply, 방적돌기(spinneret) 그리고 섬유를 수집하는 집진판(collector)의 3가지로 이루어진다. 펌프를 통해 고분자 용액을 일정한 속도로 유입량을 조절하여 방적돌기 역할을 하는 노즐을 통해 토출시킨다. 이때 한쪽 전극은 power supply와 노즐(nozzle) tip을 연결하여 토출되는 고분자 용액에 전하를 주입하여 하전시키고(charge) 반대 전극은 집진판에 연결(대개 ground접지)한다. 노즐 끝단으로 토출된 고분자 표면 장력에 의해 반구형을 이루는데, 이때 0 ~ 30 kV 의 고전압을 노즐 tip 에 인가하면 다음의 두 가지 (1) 표면 전하 사이의 상호 정전기적 반발력, (2) 외부 전기장에 작용된 쿨롱(Coulombic)력에 의해 액상의 고분자 방울이 원뿔(conical) 형태의

깔대기 형상으로 연신된다. (Taylor cone 형상) 즉, 일단 특정 세기의 전기장이 고분자 용액과 접촉된 노즐 tip 에 인가되면 +, 또는 – 의 한쪽 전하가 고분자 용액에 계속 축적되며 같은 전하의 상호 반발력에 의해 고분자 용액이 가지는 표면 장력을 넘어서면서 노즐 끝 단의 반구형상이 Talyor 콘 형상의 jet 으로 방사-연신되게 되는데, 이때 반대쪽 전하로 하전되거나 접지된 집전판 방향으로 섬유들이 모아지게 된다. 방사 공정 중 액상의 jet 이 집진 스크린에 도달하기 전에 연신 및 용매의 휘발이 함께 수반되면서 집진판 상부에 무작위적으로 배열된 미세 섬유를 얻을 수 있다.

그림 1. 전기방사 셋업의 개략도

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2. 전기방사의 역사적 배경

1934년 Anton과 Formhals가 정전기력을 이용하여 고분자 필라멘트를 제작하는 기술에 대한 일련의 특허들을 발표하면서 전기방사에 대한 아이디어가 제시되었다.[2] 이후 1966년에 Simons가 고분자 용액의 점도에 따른 섬유의 형상을 1969년에 Taylor에 의해 전기장과 고분자 용액의 방울의 표면 장력과의 균형을 이루는 깔때기 형상의 jet에 대한 연구를 기점으로 많은 연구자들에 의해 연구가 진행되었다.[3]

3. 전기방사 공정의 모델링

전기방사 공정은 jet 내에서의 초고속 비선형 전기수력학(electrohydrohynamic)과 유변학, 전하, 물질 및 열 전달 등의 학문의 고도로 집결된 공정으로 크게 다음의 세가지 단계 jet의 형성(initiation), 연신(elongation), jet에서 나노섬유로의 고상화 (solidification)로 나뉜다.

3.1 Jet 의 형성 (initiation) Talyor는 고분자 용액 방울에 외부 전기장을 인가시키면 표면에 하전된 전하에 의해 정전기적인 반발력이 유도되어 용액의 형상이 구형에서 원뿔형의 깔때기 모양으로 변형되며 특정 전기장 세기 (VC)에서 반발력과 용액의 표면장력이 균형을 이루어 그림 2와 같이 49.3o의 각도를 유지함을 보였다. 보다 센 전기장의 인가로 노즐 tip에서 jet의 형성 및 방사가 이루어지는데 이때 전기장의 세기, Vc를 다음과 같이 표현할 수 있다.

( )γπRRL

LHVC 117.05.12ln4 2

22 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

이때, H는 tip과 집전판 사이의 거리, L은 노즐 튜브의 길이, R은 노즐 튜브의 반경(cm)을 γ (dyn/cm)는 용액의 표면장력을 각각 나타낸다.

그림 2. 인가된 전압에 따른 노즐 끝 고분자 방울의

형상 변화 [1]

3.2 Jet의 연신 (thinning) 전기방사에 영향을 미치는 변수로는 용액의

농도, 유속, 전기장의 세기, jet의 방사 속도 및 전단 유속(shear rate) 등을 들 수 있다. 단순화 된 실린더(cylinder) 모델을 고려하여 분자량이 낮은 고분자 용액의 경우, 용액의 유량에 따라 전기적으로 하전된 jet의 반경이 작아진다. 즉, 유속이 느려지면 jet의 반경이 급속히 작아지는 반면, 유속이 빨라지면 jet의 반경 감소속도가 느려지는 관계로 부피에 따른 표면적의 비는 jet의 반경에 반비례하는 다음과 같은 간단한 식 A/V =2/R으로 표현될 수 있다. 또한 고분자 용액의 밀도와 표면 전하 밀도가 일정하다고 가정할 때, 질량에 따른 전하량의 비는 jet 반경의 증가하면 감소하는데 jet의 방사 공정에 따른 가속도는 질량에 대한 전하의 비에 정비례하는 다음과 같은 관계를 가진다.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

mqEa

이때 a는 jet의 방사 가속도, E는 전기장의 세기, q와 m은 주어진 부피 내의 전하량과 질량을 나타낸다.

3.3. Jet의 불안정성 (instability) 액상의 jet이 방사 공정을 통해 집전판으로 도달하기 전까지 여러 가지 외력에 영향을 받는다. 방사 공정 시, 여러 가지 유체가 가지는 불안정성으로 인해 jet은 여러 개체로 갈라지거나 분리되는 다소 복잡한 과정을 겪는다. 이는 나노 섬유로 형성되는 과정에서 연신이나 용매의 증발로 인해 jet의 형상 및 단위 면적당 전하의 변화에 의해 유발되는 현상으로 jet이 불안정하게 되는 단계이다.

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Jet의 표면에 국소적으로 축적된 전하로 인해 불안정해진 jet은 이를 해소시키기 위해 jet 표면으로부터 작은 jet들이 방출되어 하나의 jet이 분리되거나 갈라지게 된다. (splitting, branching) 이러한 현상은 주로 고농도, 고점도의 고분자 용액에서 주로 나타나며 드물게 높은 전기장을 인가한 방사 공정에서 관찰된다. 그러나 jet의 불안정성은 최종적으로 얻어지는 섬유의 직경을 마이크로 사이즈에서 나노 스케일로 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 고분자 jet이 매우 길고 가늘어짐에 따라 섬유상의 고분자 jet 내부의 축적된 잉여전하를 재분배하는 데 요구되는 시간 또한 길어진다. 이러한 잉여전하의 분포는 연신 과정을 통해 재배치되며 전하들 사이의 정전기적 반발력은 용매의 증발에 따라 jet이 고형화되기 전까지 jet의 연신을 유도하게 된다. 이는 놀라울 정도로 빠른 연신 및 방사 속도를 부여하며 jet의 굽힘, 일련의 측방운동을 통해 나선상의 루프를 형성하게 한다. (그림 3)

그림 3. Jet의 불안정성의 모식도 [4]

3.4. Jet의 고형화 (solidification)

Jet의 고형화는 집전판 상부에 건조된 나노 섬유가 도포되는 형태로 이루어지는데, 이러한

고형화 속도는 고분자 용액의 농도, 인가된 전기장의 세기와 노즐-집전판 사이의 거리 등에 의존한다.

4. 전기방사된 나노섬유의 특성 4.1. 섬유의 치수와 형태 전기방사에 의해 제조된 나노 섬유의 직경은 방사 조건에 크게 좌우되는데, 이 중 고분자 용액의 점도가 가장 결정적인 변수가 된다. 용액의 농도가 높으면 굵은 섬유를 얻을 수 있으며, 일반적으로 섬유의 직경은 고분자 용액의 농도의 제곱에 비례한다. 전압은 섬유의 직경에 영향을 미치는 또 다

른 인자로써 높은 전압은 jet 내부로 더 많은 양의 고분자 용액을 유입시켜 보다 큰 직경을 갖는 섬유가 얻어지는 것이 일반적이나 이는 고분자의 기계적 성질이나 전도도(conductivity)에 따라 다른 거동을 나타낸다. 가령, 실크(silk)와 비슷한 재질의 bisophenol-A polysulphone는 전압의 증가에 따라 섬유의 직경이 얇아지는 경향을 보인다. 또 고분자 용액에 소금과 같은 염(salt)을 소량 첨가하여 방사 시에 토출되는 jet의 표면에 더 높은 전하 밀도를 가지도록 제어할 경우, 방사된 섬유의 직경이 감소하게 된다. 이는 높은 표면 전하밀도는 이온의 높은 이동도(mobility)를 유도하여 jet 내의 높은 정전기적 반발력을 가져와 더 가는 직경의 섬유가 얻어지도록 연신력을 크게 하기 때문이다. 이제는 전기장을 고정하고 고분자 용액의 유입 속도를 변화시키는 경우를 살펴보자. 유입속도가 낮으면 얇은 직경의 섬유를, 유입 속도를 증가시키면 굵은 직경의 섬유를 얻는 것이 일반적이다. 굵은 직경의 섬유 제조에 있어 용액의 유입속도가 빠른 경우, 노즐의 끝 분에 맺히는 방울의 크기가 커지며 방사 후 집전판에 도달했을 때도 완벽하게 용매가 증발되지 않아 최종적으로 얻어진 섬유 층 내부에 많은 구슬(bead) 형상이나 여러 가닥의 섬유들이 서로 교차된 구조를 포함하고 있다. 이러한 구슬 모양의 섬유 형상은 전기방사 공정에서 여러 가지 공정 변수들에 의해 영향을 받는데, 먼저 전기장을 증가시키면 토출되는 jet의 속도가 증

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가하고 고분자 용액이 노즐 끝에서 보다 재빠르게 집전판 쪽으로 방사되게 된다. 이후 노즐 끝의 용액 방울의 부피가 작아져 Taylor cone의

그림. 4 poly_D, L-lactic acid의 농도에 따른 전기방사

나노 섬유의 형상 (a) 20 wt% , 구슬 형상, (b) 25 wt % ,

섬유 사이에 구슬이 끼어있는 형상, (c) 30wt % 섬유

사이에 인장된 방추형 형상의 구슬이 끼어 있는

형상, (d) 35 wt % , 균일한 직경의 섬유) [5]

형상이 요동치게 되고 비대칭적으로 변하게 되어 구슬 형상의 모양이 형성되게 된다. 구슬 형성에 대한 고분자 용액의 농도의 영향을 알아보면 대개 높은 농도의 고분자 용액을 사용한 전기방사의 경우, 구슬 형상의 거의 없는 균일한 섬유를 얻을 수 있다. 이때 고분자 용액의 농도가 높아질수록 구슬의 형상이 한쪽 방향으로 길게 늘어진 방추형 (spindlelike)의 모양으로 변한다. 앞서 기술한 것처럼 용액에 소량의 염을 첨가하여 jet 내부에 표면 전하의 증가를 유도하여 정전기적인 반발력에 의한 높은 연신력을 통해 구슬 형상의 섬유상 구조를 방추형으로 변화시킬 수도 있다.

4.2. 공극률 (porosity) 전기방사에 의한 섬유는 기존의 다른 기술로는 얻을 수 없는 매우 가는 직경과 높은 단위 부피당 비표면적을 가질 수 있는데, 특히 다공성의 섬유 표면은 다양한 응용분야의 적용을 가능하게 할 수 있다. 전기 방사에 의한 섬유는 두 가지 종류의 공극(pore), 즉 섬유 내부 혹은 표면에 공극을 가지거나 섬유들이

서로 얽혀 섬유 상의 막(membrane) 형상으로 섬유들 사이의 간극에 의한 공극으로 나눌 수 있다. 분자체(molecular sieves)와 같은 다공성(mesoporous) 물질과 비교해 볼 때, 전기 방사 섬유는 비 표면적은 작지만 삼차원 네트워크 구조로 상호 연결된 공극의 크기는 상대적으로 크다. 이러한 공극의 크기와 공극률은 막의 성능을 결정짓는 중요한 변수로서 공극률은 막을 가로질러 흐를 수 있는 정도를 나타내는 데 반해 공극의 크기는 특정 물질이 막을 통해 스며들 수 있는 정도를 결정짓는다. 높은 비표면적으로 세포들의 침투(cellular infiltration)에 용이할 수 있는 나노 섬유의 공극률은 의공학 분야의 응용에 많은 연구가 진행된 바 있다. 공극의 크기 또는 공극률을 증가시키거나 조절하는 방법으로 몇몇의 연구 그룹들에 의해 고분자 용액에 다른 용해도를 가지는 입자나 고분자를 혼합하여 얻은 섬유를 제조한 후 선택적으로 한가지 성분을 녹여 제거하는 형태로 공극의 크기나 공극률을 조절할 수 있다.

4.3. 표면 구조 전기 방사를 통해 제조된 섬유의 표면은 일반적으로 매우 매끈하지만 이 또한 전기방사 공정 조건에 의해 영향을 받는다. 낮은 점도의 고분자 용액을 사용하여 높은 전기장을 인가하여 제조된 섬유는 섬유상에 구슬 형태의 입자들이 존재하며, 높은 점도의 고분자 용액에 의해 제조된 직경이 균일한 섬유의 표면에 비해 매우 거칠어짐을 알 수 있다. 또한 전기방사에 의한 섬유의 단면은 대부분 원형이나 종종 납작한 리본(ribbon)형의 섬유가 형성되기도 하는데, 이는 높은 분자량의 고분자, 높은 농도로 용액에서 발견되는 현상이다. 비교적 높은 점도의 고분자 용액에서의 용매의 증발 속도는 느리며 상당량의 용매를 함유한 상태에서 집전판으로 도달하기 때문에 이때의 물리적인 충격으로 인해 jet 의 표면에 형성된 고분자의 최외각 표면이 붕괴되면서 납작한 리본 형태를 가지면서 고형화된다. (그림 5)

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그림 5. hemoglobin in 2,2,2-Trifluoroethanol, 농도에

따른 전기방사 섬유의 형상 (리본형상) (a) 150 m,(b)

175, (c) 200, (d) 225 mg/mL [6]

4.4 나노 섬유의 고분자 체인 배열 및 결정화도 고전압으로 하전된 jet 에 의해 빠른 속도로

연신됨과 동시에 빠른 용매의 증발에 의해 형성된 나노 섬유 내부의 고분자의 체인들은 공정의 특성상 섬유 형성 과정에서 매우 강한 전단 응력(shear force)을 겪는데, 이는 ~104 s 정도의 높은 인장 속도(strain rate)에 해당한다고 알려져 있다. 방사 공정에서 고분자의 연신 흐름(elongation

flow)은 연신 방향으로 고분자 체인들의 배향(orientation)을 유도하는데, 빠른 연신 및 고상화는 고분자 체인들이 가장 안정한 평형상의 배열(equilibrium conformations)로 되돌아 가는 형태로 이완(relax)되는 것을 방해한다. 이에 따라 전기 방사에 의한 나노 섬유는 고도로 정렬된 분자 배향을 갖는데, 이는 광학 현미경이나 원자힘 현미경(Atomic forced microscopy)을 사용하여 전기 방사 섬유의 표면 층의 분석을 통해 고분자 체인의 정렬 정도를 확인할 수 있다. 또한 전기방사 공정의 빠른 연신과 고상화로 인해 고분자의 결정화도에 영향을 미칠 수 있는데, 연신된 고분자 체인들이 결정화를 이룰 수 있는 충분한 시간이 주어지지 않아 결정화도가 떨어지게 된다.

5. 전기 방사의 기술적 혁신 및 개선

전기방사 공정을 이용해 나노 섬유의 기능 및 특성을 증대시킨 몇 가지 괄목할 만한 연구 결과들을 소개하고 이러한 방법을 통해 형성된 나노 섬유를 지지체(scaffold)로 사용하여 바람직한 물리적, 생물학적 특성을 도출할 수 있는 예를 알아보고자 한다. 5.1 동축 전기 방사

동축 전기 방사(coaxial electrospinning) 공정은 그림 6 에서 나타낸 것과 같이 두 가지 고분자 용액을 내부에 삽입된 노즐과 외부 노즐을 통해 독립적으로 토출시키면서 전기 방사를 수행하는 방법으로 두 고분자 용액이 서로 섞이지 않으면서 전기장에 의해 jet 이 형성 및 연신되어 코어-쉘 형태의 나노 섬유를 얻을 수 있다. 이 경우 두 개의 고분자 용액은 서로 섞이지 않도록 적절한 용매 및 고분자를 선택하는데, 예를 들어 내부 노즐을 통해 코어에 해당하는 물질로써 미네랄 오일을 주입하고 외부 노즐을 통해 에탄올 용매에 수용성 고분자 polyvinylpyrrolidone (PVP)와 티타늄산화물, TiOx 유도체인 Ti(OiPr)4 의 혼합물을 주입하여 전기 방사를 수행한다. 이 두 가지 용액은 서로 섞이지 않으며 쉘에 해당하는 물질은 에탄올의 증발과 함께 티타늄산화물 유도체가 공기중의 수분에 의한 수화반응(hydrolysis)과 축합반응(condensation)을 통해 티타늄 산화물의 형성으로 고상화가 이루어진다. 추후에 소결 공정을 통해 속이 빈 중공 티타늄 산화물 나노 섬유을 제작할 수 있다.[7] 이러한 동축 전기 방사에 의한 코어-쉘 나노 섬유는 코어와 쉘의 물질이 가지는 기능을 모두 발현할 수 있는 응용을 이끌어 낼 수 있는데, 특히 약물 전달, 생체활성 조직 공학 및 생화학 센서 등의 응용에 사용될 수 있다.

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그림 6. 코어-셀 나노 섬유를 제조하기 위한 동축

전기방사 실험 셋업 [8]

5.2 Multilayer and mixed 전기방사 혼합(Mixed) 전기방사는 그림 7에서

나타낸 것과 같이 두 가지 이상의 다른 고분자 용액의 유량을 독립적으로 조절하면서 하나의 노즐을 통해 방사하는 방법이며 다층-혼합(multilayer and mixed) 전기 방사의 경우, Kidoaki에 의해서 세 개의 다른 고분자, 분절된 폴리우레탄, 스타이렌 치환된 젤라틴, 인공 혈관으로 사용될 Type1 콜라겐이 함유된 scaffold를 제조하는 데 최초로 시도되었다. 결과적으로 집진판에 순차적으로 방사된 세 층의 고분자로 이루어진 섬유상의 망사 조직을 얻을 수 있다.[9] 이러한 다층-혼합 방사 기법에서는 다양한 생체 고분자 PCL, PLA, PDO, poly_glycolide-co-trimethylene carbonate, gelatin, elastin 등을 사용하여 생체 기능성을 확보하고자 하는 노력들이 계속되고 있다.

그림 7. 3개의 물질을 이용한 혼합전기 방사의

모식도 [10]

5.3 Forced air 전기 방사 이 기술은 희박 농도에서도 높은 용액 점도와 표면 장력으로 인해 기존의 방법으로는 전기 방사를 할 수 없었던 수용액상 히알루론

산(hyaluronic acid, HA, 생체적합성 및 안정성이 우수한 필러)의 전기 방사에 사용되는 방법으로 고분자 jet이 형성되는 노즐의 동심원 상으로 공기의 흐름이 집진판으로 향할 수 있도록 전기방사 장치에 송풍기를 설치해주는 비교적 간단한 방법이다. 송풍기에 히터를 부가적으로 도입하여 뜨거운 공기를 흘려주어 히알루론산의 점도를 낮춰주는 효과와 함께 용매의 증발을 향상시킬 수 있는데 공기의 송풍량과 온도의 조절을 통해 방사되는 섬유의 치수를 제어할 수 있다.

그림 8. Forced air assisted 전기방사의 실험 모식도

[11]

5.4 Air gap 전기방사 Huang이 처음으로 방사된 나노 섬유의

정렬을 위해서 jet의 하부에 사각형 프레임을 사용한 이후, 일정한 간격을 가지는 집적판을 사용하여 고도로 정렬된 나노 섬유를 얻기 위한 방법들이 연구되어 왔다. 그림 9에서 나타낸 것과 같이 고분자 jet이 형성되는 노즐과 같은 거리에 한쌍의 전도성 집전체를 일정한 거리를 두도록 위치시키면 전기장에 의해 jet이 이들 집전체 사이를 가로지르며 방사 및 연신 과정이 일어나게 되며 두 집전체 사이에 정렬된 나노 섬유들이 형성되게 된다. 이때 각각의 섬유들은 방사 시에 상호 간의 반발력에 의해 어느 정도 균등한 간격으로 배열된다는 특징이 있다. 이 방법을 이용하면 나노 섬유형 방사물이 평행한 집전극의 구조에 따라 비슷한 크기와 형상을 가진다.

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그림 9. Air-gap 전기 방사 셋업의 모식도 [12]

6. 조직/재생 의공학적 응용

6.1 조직공학용 고분자 scaffolds 전기 방사에 의한 나노 섬유가 가장 신속히 접목된 응용 분야 중 하나는 재생 의학분야 이다. 일반적인 조직 공학적 접근법은 전기 방사 섬유의 망상 구조를 세포가 기대어 자랄 수 있는 지지체(스캐폴드, scaffold)로 세포외 기질 대용 (ECM, extracellular matrix analogs) 으로 사용하는 것이다. 전기 방사로 구현된 스캐폴드는 세포의 고착 (anchorage), 이동 (migration), 증식 (proliferation)에 용이하여 3차원 형상으로 조직의 복제 및 재생이 가능하게 할 수 있다. 섬유상의 스캐폴드는 서브마이크로 스케일의 섬유 직경, 높은 비표면적 및 공극률, 다양한 공극 크기의 분포와 형상 등의 조절이 용이하여 생체모방적 (biomimetic) 특성의 구현이 가능하다. 또한 원하는 특성과 기능성을 만족할 수 있도록 스캐폴드의 조성과 형상을 조절할 수 있다는 장점을 바탕으로 조직 공학적 응용에 많은 관심들이 조명되어 왔다. 이에 세포와 전기 방사 나노 섬유 매트릭스 간 상호 작용에 대한 여러 연구들이 진행되어 왔다. 우선 섬유의 구조에 관련하여 살펴보면 나노 섬유의 직경이 작아질수록 생체 적합성이 향상된다는 연구들을 들 수 있는데, 전기 방사에 의해 얻어진 80 ~ 500 nm 정도의 직경을 갖는 나노 섬유가 세포외 기질의 구조적 특성에 적합하다는 내용이다. 세포 증식에 영향을 미치는 또 다른 중요한 인자로써 섬유 상 스캐폴드의 공극도 및 기공의 평균 치수를 들 수 있는데, 세포의 종류에 따라 최적의 공극

크기는 20~100 μm 정도로, 이는 세포들이 섬유 상 스캐폴드의 깊이 방향으로 약 100 μm 정도 범위 내에서만 쉽게 이동할 수 있기 때문이다. 나노 섬유의 배향에 따른 세포의 거동에 대한 연구들도 상당부분 진행된 바 있는데, 세포들이 나노 섬유의 배향 방향을 따라서 증식한다는 것이다. 또한 배향된 나노 섬유의 경우, 무작위로 배열된 나노 섬유 스캐폴드에서보다 세포외 기질(ECM)의 성장 또한 증대된다는 연구들도 발표된 바 있다. 몇 가지 천연, 합성 고분자를 이용한 전기방사로 경질, 연질 조직의 제조에 사용되어 왔으며 천연 고분자는 대개 수화(hydration)에 의한 충분한 강도를 얻지 못하는 데 반해 합성 고분자의 경우, 가교나 혼합을 통해 기계적 안정성을 개선시킬 수 있다. 인체에서 가장 풍부한 단백질은 콜라겐이다. 섬유상의 콜라겐은 흥미 있는 생물학적 구조학적 특성을 가지는데, 이는 힘의 전달, 에너지의 분산 및 기계적 충격의 감소를 가져옴과 동시에 물과 높은 친화력, 낮은 항원성(antigenicity), 탁월한 세포 적합성을 보인다. 여러 연구 그룹에서 콜라겐 타입 I, II, III, IV 를 기반으로 여러 조성의 천연, 합성 고분자와의 혼합물을 전기방사법을 이용한 나노섬유를 구현하고 혈관, 피부, 연골, 뼈, 인대 및 신경 조직으로의 응용에 대한 연구를 진행한 바 있다.[1] 이외에도 탄성, 복원력을 갖는 세포외 기질의 가교 조직인 엘라스틴(Elastin)을 이용한 연구도 혈관 조직을 위한 스캐폴드로써 활발히 진행되고 있다.[13]

6.2 약물방출용 나노섬유 약물 방출 (drug release) 시스템은 몇 가지

기능을 수행할 수 있어야 하는데, 약물의 분해를 막고 타깃 조직에 원하는 기간 동안 일정한 방출 속도를 가지고 약물을 방출할 수 있도록 제어가 가능해야 한다. Kenawy 는 poly_ethylene-co-vinyl acetate(PEVA), Polylactic acid (PLA)의 1:1 혼합물의 전기방사 매트를 이용해 tetracycline hydrochloride 의 방출 실험을 수행하여 PLA 또는 PEVA 와의 혼합조성에 비해 PEVA 를 이용한 섬유 매트에서 약물 방출이 가장 빠름을 관찰하였다. 두 고분자의

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조성을 통해 방출 속도가 조절될 수 있음을 보임으로써 전기방사에 사용되는 고분자의 선택에 따라 약물 방출 기작 (kinetics) 을 제어할 수 있다는 연구결과를 발표하였다.[14] 고분자의 종류 및 조성 이외에도 약물

방출에 있어 크게 영향을 미치는 인자로써 섬유의 형태(morphology)와 약물과의 상호작용 그리고 섬유 내에서의 약물의 농도 등을 들 수 있는데, 약물의 농도가 높을수록 보다 많은 양의 약물이 나노 섬유의 표면에 존재함으로써 섬유 표면의 파열에 따른 약물의 방출을 유도할 수 있다. 전기방사를 이용한 약물 방출 실험의

사례들을 몇 가지 살펴보면 다음과 같다. paclitaxe 이라는 비 수용성 항암제와 rifampin 이라는 결핵 예방제를 PLA 와 함께 전기 방사를 이용해 제작된 나노섬유는 proteinase K 의 존재 하에서 약물의 방출이 시간에 따라 선형적으로 진행된다. 이는 proteinas 에 의해 PLA 고분자가 분해됨에 따라 약물의 방출이 일어나는 형태이다.[15] 친수성의 항암 약물인 doxorubicin 은 전기 방사에 의한 나노섬유 매트상에서 급작스런 약물 방출이 일어나는데 이는 나노 섬유에 사용된 PLA-co-PGA copolymer 고분자에 비해 상대적으로 친수성인 doxorubicin 이 방사 공정 및 고형화 단계에서 상분리되어 표면으로 몰리기 때문이다. 이러한 문제는 물과 기름의 혼합물인 에멀전을 이용하여 해결할 수 있는데, 약물은 수용액 상에, 고분자는 기름 상에 존재하게 된다. 이 에멀전을 이용한 나노 섬유에서의 약물 방출의 거동은 초기에 섬유에서의 확산작용에 의한 급작스런 방출 이후 proteinase K 에 의한 고분자의 분해로 시간에 따라 선형적인 방출을 보이게 된다.[16] 앞서 기술했던 동축 전기방사 기법도 약물 전달 시스템에 응용될 수 있는데 이러한 경우, 코어 부분에 약물이 내재되고 쉘, 즉 껍질이 섬유 외부로의 약물의 확산을 조절하게 된다. 동축 전기방사를 이용한 약물 전달 시스템의 응용에 대한 몇 가지 사례를 소개하면 다음과 같다.

Huang 은 PCL(polycaprolactone)을 껍질로 사용하고 Resveratrol 과 Gentamycin Sulfate 를 코어 물질로 사용하여 동축 전기 방사를 통해 섬유 매트를 구현했는데, 초기에 급작스런

코어부의 약물 방출 없이 방출 속도가 제어됨을 보였다. [17] 이외에도 외부 환경 pH 나 온도에 민감하게 반응하는 고분자 약물 전달 시스템에 대한 연구도 진행된 바 있는데, Chunder 는 두 가지 고분자 전해질, polyacrylic acid(PAA)와 poly allylamine hydrochloride(PAH)를 사용하여 나노 섬유화된 매트를 구현하여 pH 에 따른 methylene blue 의 방출 정도를 관찰하였다. 이는 각각 수용액상에서 약한 음 전하와 양전하를 가지는 고분자로써 pH 에 따라 고분자 내의 정전기적 인력의 변화를 유발시켜 고분자 체인의 풀어짐 정도를 변화시킬 수 있다. 고분자 체인의 공극의 변화를 통해 고분자

내부에 내재된 약물의 방출을 유도할 수 있는 방법에 대한 가능성을 보인 결과이다.[18] 이외에도 열에 반응하여 고분자의 공극의 변화를 유도할 수 있는 물질을 나노 섬유 표면에 도입한 연구결과도 발표된 바 있다.

7. 결론

나노미터 스케일의 물질 및 그의 특성에 대한 관심이 증대함에 따라 최근 몇 년간 전기 방사에 관련한 연구들이 급격히 증가하고 있다. 간단한 방사 기술 및 집전판의 개선을 통해 여러 다른 조성 및 복잡한 형상을 갖는 구조나 이에 기인한 개선된 특성들을 얻을 수 있다. 전기 방사에 의한 고분자 나노구조는 의약, 섬유, 광전소자, 센서 기술, 촉매 및 여과 분야에 잠재적인 응용 가능성을 가지지만, 아직은 이러한 실제적인 응용에 있어 여러 가지 제약들이 남아 있는데, 100nm 이하의 균일한 직경을 갖는 나노 섬유의 구현이 어렵다는 점, 전기 광학적 특성을 가지는 공액계 (conjugated) 고분자 반도체 물질의 경우 낮은 분자량이나 낮은 용해도에 의해 전기 방사가 용이하지 않은 점 등 전기 방사 나노 섬유의 형태나 크기의 정교한 조절을 위해서는 많은 연구가 진행되어야 한다. 이밖에 조직공학적 응용에 있어서도 2 차원

망상구조에서 3 차원 구조물의 구현을 위해 기술적인 진보가 있어야 할 것이다. 또한 나노 섬유의 생산에 있어 실험실 스케일에서 벗어나 상업화를 염두에 둔 대량생산에 있어서도 아직 많은 개선의 여지가 남아 있다.

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