정보의 장┃생체의료용 신 박테리아 셀룰로오스 / 알지네이트 혼합 바이오 섬유

생체의료용 신 박테리아 셀룰로오스 / 알지네이트 혼합 바이오 섬유

••••정보의 장

LiOH/요소/티오우레아 수성 시스템은 혼합 섬유

를 제조하는데 있어 박테리아 셀룰로오스(bacterial

cellulose: BC, 세균성 섬유소)와 알지네이트

(alginate: AL, 알긴산염) 분해에 성공적으로 적용

되어 왔다. 주사 전자 현미경법 (SEM: scanning

electron microscopy), 푸리에 변환 적외분광법

(FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy)

및 인장시험으로 혼합 섬유의 형태, 융화성 및 기계적

성질을 조사하였다. 분석에 따르면 분자간 수소 결합

의 강한 상호 작용으로 인해 알지네이트와 박테리아

셀룰로오스 사이에 혼화성은 상당히 양호하다. 박테리

아 셀룰로오스를 도입한 이후 BC/AL 혼합 섬유의 기

계적 특성이 크게 향상되었다.

슈아이 장

재료과학 공과 대학, 중국/상하이

파-슈 리, 지안-용 유

둥화대학, 중국/상하이

그동안 바이오 폴리머 (biopolymer: 생물 고분자 물

질)는 풍부함, 재생 가능성, 낮은 원가 및 탁월한 생분

해성으로 인해 비 생분해성 석유 기반 폴리머의 대안

으로 여겨져 왔다. 셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍

부한 천연 생체고분자로 식물, 조류뿐만 아니라 몇몇

세균 종에 의해 합성된다. 식물로부터 얻어지는 셀룰

로오스와 달리, 박테리아 셀룰로오스 (BC)는 화학적으

로 순수하며 리그닌 (목질소)와 헤미셀룰로오스가 없

다. BC의 결정도는 높으며 중합 수준 역시 높다. 식

물성 셀룰로오스와 BC의 화학적 조성은 갖지만 구조

와 물리적 특성은 다르다. BC 네트워크 구조는 직경

3-8nm의 셀룰로오스 나노피브릴로 구성되며 결정 영

역은 일반 셀룰로오스 I이다. 나노메트릭 구조, 높은

순도와 결합된 독특한 물리적, 기계적 성질과 같은 특

정 속성으로 인해 수많은 상품이 양산되었다 [1-3].

알지네이트 (AL)는 1,4 링크 α-L-글루론산과 β

-D-만누론산을 포함하는 이진 선형 이종 다당류로

증기 침투 막 분리 기술과 이온 교환 및 방출조절 분야

에서 널리 사용되어 왔다 [4]. 알지네이트는 가장 널리

사용되는 수용성 물질로 변형될 수 있다.

LiOH/요소/티오우레아 수용액의 셀룰로오스의 용

해도가 실험실에서 연구되었으며 성공적으로 무명 린

터에서 재생 셀룰로오스 섬유를 제조해내었다 [5]. 본

연구는 수성 LiOH/요소/티오우레아를 보조용매로 사

용하여 박테리아 셀룰로오스와 알지네이트로부터 혼

합 섬유를 만들어내고자 했다.

실험

재료

실험에 사용된 박테리아 셀룰로오스는 주식회사 하

이난 이다 푸드 인더스트리 (중국)에서 구매했으며 알

긴산 나트륨은 주식회사 상하이 케미컬 리에이전트의

분공장 (중국)에서 구매했다.

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새로운 셀룰로오스 섬유 제조

BC를 작은 조각으로 절단하고 (0.2 X 0.2 cm²) 수성

용매에 섞은 후 (LiOH: 요소: 티오우레아: H₂O = 4.6

10 . 4.5 80.1, 중량 비율) BC 슬러리를 얻기 위해 실

온에서 5분간 저었다. 그런 다음 슬러리를 냉장고에서

–20℃까지 냉각시켰으며 딱딱하게 응고된 덩어리가

될 때까지 12시간 동안 –20℃의 온도에서 보관했다.

이후 냉동 고체를 해동시키고 투명한 BC 용액을 얻기

위해 실온에서 휘저었다 (I).

알지네이트 용액을 얻기 위해 실온에서 일정한 양의

알긴산 나트륨을 LiOH/티오우레아/요소 수용액에 용

해시켰다 (Ⅱ). 용액 내 고체 생체 고분자의 총 농도는

6 wt%로 조절되었다. 중량 비율이 80:20인 I, Ⅱ의 혼

합물을 실온에서 10분간 저었으며 필터를 이용하여 여

과하고 10℃에서 원심분리기로 분리하여 가스를 제거

하였다. 알지네이트와 BC의 상대적 중량 성분에서 섬

유의 최종 구성은 20:80이었다.

그림 1에 도식으로 나타나 있는 것처럼, 혼합 섬유

를 만들기 위해 실험실 규모의 습식 방사 장치가 사용

되었다. 실온에서 방사 원액 I, Ⅱ와 혼합 용액이 각

각 실린더로 주입되었다. 오리피스가 12개인 방사노

즐을 사용하는 응고통으로 방사원액을 밀어 넣기 위

해 0.1 MPa의 압력이 적용되었고 오리피스의 직경(d)

은 0.1 mm였다. 10wt% H₂SO₄ 수용액이 응고통으로

선정되었다. 응고통의 온도는 사전에 20℃로 설정되었

다. 표면상의 제트 스트레치 비율(방사속도 대 원액 방

출의 비율)은 90%였고 그런 다음 섬유는 끓는 물에 세

척되고 추가로 방사된 한편 이후 드로우잉 비는 120%

로 조절되었다. 섬유를 방적하고 깨끗이 씻어낸 후 가

열 롤러(표면 온도 65℃-80℃) 를 이용하여 재생 박테

리아 셀룰로오스 섬유 (RBC : regenerated bacterial

cellulose), 재생 알지네이트 섬유 (RAL : regenerated

alginate) 혼합 섬유 (BC/AL)를 서서히 건조시킨 다음

스툴에 감았다.

특성해석

4 cm-¹의 해상도와 128 스캔 / 샘플을 가진 니콜레

410 분광계를 이용하여 혼합 섬유의 FTIR 스펙트럼

(4000-400cm-¹)을 기록하였다. 섬유를 액체 질소에

서 냉동한 후 즉시 건져 내 진공 건조했다. 10kV의 가

속전압과 15mm의 작동거리에서 조엘 JSM-5600LV

현미경으로 SEM 특성 해석을 실시하였다. 일반적인

인장 시험 장치를 사용하여 (XQ-1, 둥화대학) 응력-

변형 실험을 실시하였다. ASTM D2256-80에 따르

면, 섬유의 건조한 기계적 성질을 테스트하기 전에 섬

유 샘플을 표준 대기에서 24시간 동안 어떤 조건하에

두어야 한다. 그러나, 20℃에서 3분간 섬유를 증류수

에 담근 후 섬유의 습식 기계적 특성을 테스트하였다.

표점 거리는 20mm이었고 인장 속도는 5mm/min이

었으며 건조 섬유와 습식 섬유의 사전 인장력은 선형

밀도에 따라 각각 0.08 cN/dtex과 0.04 cN/dtex로 확

인되었다. 시험기는 자동적으로 응력, 변형, 인장 곡선

및 60개의 관찰 값에 대한 평균을 제공했다.

섬유와 해당 섬유의 상태

섬유 상태인장강도(cN/dtex)

파단 시 연신율 (%)

BC/AL 혼합 섬유 마른 상태 1.57 ± 0.24 10.8 ± 1.1

젖은 상태 0.91 ± 0.37 14.4 ± 2.1

RBC 섬유 마른 상태 1.83 ± 0.13 11.0 ± 1.6

젖은 상태 1.04 ± 0.27 15.4 ± 2.3

모든 실험은 20℃의 대기 조건과 60%의 상대 습도

에서 이루어졌다.

결과와 토론

수소 결합의 강도와 수소 결합 그룹의 일부를 스펙

트럼에서 직접 조사할 수 있기 때문에 IR 분광법은 수

소 결합과 혼화성을 연구함에 있어 대단히 유용하다.

혼합 섬유의 IR 스펙트럼이 그림 2에 나타나 있다.

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RBC, BC/AL 및 AL 수산기의 신축 진동은 3000-

3600cm-¹에서 나타난다. 혼합 섬유의 –OH 신축 진

동 밴드는 확장되었고 RC 및 AL에 비해 더 낮은 파수

로 이동했으며 이는 RC와 AL 사이에서 더욱 강한 수

소 결합이 발생했음을 나타낸다. 1622cm-¹에서 AL의

강한 밴드가 카르복시 기로 할당 된 반면 BC/AL에 대

한 카르복시 기 밴드는 1622-1608cm-¹에서 이동했

으며 이는 BC의 –OH와 AL의 C=O사이에 지정된 분

자 간 수소 결합이 형성되었음을 나타낸다. AL의 경

우 1735cm-¹에서 밴드는 AL의 C = O에 속하지만 혼

합 섬유에서 사라졌다. 이와 같은 차이는 셀룰로오스

의 수산기와 AL의 카르복시기 간의 지정된 상호 작용

에서 파생 될 수도 있다. 면 셀룰로오스/AL 블렌드 막

을 준비하는 과정에서 앞서 유사한 관찰 값에 대해 살

펴보았다 [6].

섬유, 특히 혼합 섬유의 기계적 특성이 주로 그 형태

에 의해 좌우되며 따라서, 폴리머 블랜드 형태를 조절

하는 것이 최종 제품 특성을 조정하는데 있어 특히 중

요하다는 사실은 잘 알려져 있다. 혼합 섬유의 SEM 현

미경 사진이 그림 3에 나타나있다.

(그림 1)

다섬유 방적 기계 스케치

1. 냉각 재킷을 갖고 있는 스테인리스 실린더를 장

착한 압력 압출기;

2. 측정 장치; 3 응고통 (10 wt% H2SO4 수용액,

20℃); 4 넬슨 타입 롤러; 5 수분 문무 장치; 6 세

정조 (뜨거운 물, 50 ℃); 7 포스트 드로우잉 롤

러; 8 후처리 장치 (마감 오일통); 9 가열 롤러;

10 방사 장치

(그림 2)

재생 박테리아 셀룰로오스 (RBC), 알지네이트 (AL) 및

BC/AL 혼합 섬유의 FTIR 스펙트럼

(그림 3)

BC/AL 혼합 바이오 섬유의 (a) 평면 과 (b)단면도

BC/AL 혼합 바이오 섬유는 섬유 축을 따라 매우 일

반적인 크기의 모양을 보여준다. 그러나 혼합 섬유의

단면에서 미세 구멍을 볼 수 있는데 이는 부분적인 상

분리의 증거로 간주할 수 있다. 블렌드 용액에서, 알지

네이트는 AL의 카르복시 기 사이의 훨씬 더 강한 상호

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작용에 의해 용매 및 BC 체인 사이의 상호작용을 부분

적으로 파괴했으며 그런 다음 BC의 노출된 수산기는

순수한 셀룰로오스 자체의 구멍보다 더 큰 구멍 크기

로 새로운 물리적 교차 결합 네트워크의 형성을 촉진

했다.

박테리아 BC/AL 혼합 섬유와 순수 RBC

섬유의 기계적 성질

셀룰로오스-알지네이트 복합물에서 알지네이트의

존재는 블렌드에서 셀룰로오스의 분자 운동을 강화시

키고 순수 셀룰로오스의 강한 수소 결합을 교란시켜

기계적 강도를 감소시킨다. 표에서 볼 수 있듯이, 마

른 상태이든 젖은 상태이든 BC/AL 혼합 섬유는 재생

셀롤로우스 섬유보다 약간 더 약했다. 알지네이트 소

재는 기계적으로 약하고 젖은 상태에서는 훨씬 더 약

하다고 알려져 있기 때문에 박테리아 셀룰로오스를 가

진 알지네이트 혼합 섬유의 기계적 성질은 분명히 알

지네이트 소재보다 강하고 이는 혼합 섬유의 두 고분

자 사이에 강한 분자간 수소 결합의 또 다른 지표이다.

BC/AL 혼합섬유의 기계적 성질에 대한 알지네이트 함

유의 효과는 앞서 관찰된 NaOH/요소에서 알지네이

트 혼합 및 BC 혼합 막[7], 알지네이트가 함유된 셀룰

로오스 쿠오삼(Cuoxam)[8], NaOH/요소 수용액의 면

셀룰로오스 및 알지네이트 혼합[9] 에서 나타나는 효

과와 유사했다.

결론

최초로 10 wt% H2SO4 수용액을 이용하여 응고시킴

으로서 LiOH/요소/티오우레아 수성 용매에서 박테리

아 셀룰로오스/알지네이트의 신 혼합 바이오 섬유를

제조하였다. 20wt% AL과 80wt% BC의 혼합 섬유는

특정 수준의 혼합 혼화성을 갖춘 균일한 구조를 보여

주었다. FTIR 스펙트럼은 BC의 수산기와 AL의 카르

복시기 사이에 지정된 상호 작용을 보여주었다. 순수

AL 소재와 비교해 보면, 혼합 섬유의 기계적 성질은

분명히 향상되었다. 이것을 위해, BC/AL 혼합 섬유는

순수 재생 셀룰로오스 섬유에 필적하는 구조적, 물리

적-기계적 성질을 갖춘 신재생 생분해성 섬유로써 거

대한 잠재력을 갖고 있다. 앞으로 BC/AL을 생물의학,

특히 조직 공학 지지체에 적용하게 될 것이다.

참고문헌

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멤브레인 사이언스 저널 124 (1997) 195-201

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오스와 알지네이트로부터 조제된 혼합 막의 구

조 및 성질, 고분자 과학 저널: 파트 B : 고분자

물리학 39 (2001) 451-458

출처 : chemical fiber international 12/2012

제공 : 정 찬 도

읽어둡시다 생활속 지혜 ②

1. 손때가 묻어 지저분해진 벽면은 식빵으로 문지르면 감쪽같이 말끔해져요.

또 스위치 주변의 더러워진 벽지는 고무지우개를 이용하세요.

2. 쌀을 오래 두면 쌀벌레가 생기죠? 이런 경우에는 쌀통에 마늘 한두 쪽을 넣어

두세요. 이 쌀로 밥을 지을 때는 식초를 한두 방울 넣으면 윤기도 생기고 맛도

좋아요.

3. 솔이 들어가지 않는 긴 물병을 씻을 때는 어떻게 하세요? 저는 굵은 소금과

물을 약간 넣어서 마구 흔들어줘요. 한번 더 헹궈내면 아주 깨끗하답니다.

4. 보리차 끓였던 티백으로 양념 묻은 냄비나 기름기가 묻은 그릇 등을 닦으면

설거지하기도 훨씬 편하고 티백도 한번 더 이용하니까 일석이조입니다.

5. 녹화를 너무 많이 해서 화질이 나빠진 비디오 테이프를 새 것처럼 쓰려면 비닐

봉지에 꽁꽁 묶어 냉동실에 15분 정도 넣어 두세요. 다시 녹화를 해도 몰라보게

깨끗한 화질에 놀라실 겁니다.

6. 트윈케익이나 파우더의 퍼프를 빨 때 대부분 주방세제나 빨래비누로 빠는데,

그건 피부에 나쁘겠죠? 클렌징 워터나 폼 클렌징 제품으로 빨아보세요. 피부가

좋아해요.

7. 스타킹도 오래 신으면 발냄새가 밴다. 물에 식초 몇 방울을 타서 스타킹을 빨면

말끔히 발냄새가 없어진다.

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