Biomaterials Research (2008) 12(3) : 109-113

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Biomaterials

Research

C The Korean Society for Biomaterials

조직공학용 전분 나노섬유 매트릭스의 제조

Preparation of Starch Nanofiber Matrix for Tissue Engineering

박미정1·김영진

2·강인규

1*

Mi-Jung Park1, Young-Jin Kim2, and Inn-Kyu Kang1*

1경북대학교, 고분자공학과, 2

대구가톨릭대학교 의공학과1Dept. of Polymer Science, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea2Dept. of Biomed. Eng., Catholic University of Daegu, Daegu 702-701, Korea(Received July 23, 2008/Accepted August 14, 2008)

Starch was dissolved in trifluoroacetic acid with various concentration and the solution was stirred for three days atroom temperature. The polymer solution was placed into a 10 ml glass syringe fitted with a needle having an innerdiameter of 0.4 mm. The polymer solutions were electrospun with a fixed mass flow rate of 0.2~0.5 ml/h and a volt-age between 15 and 25 kV. The electrospun starch nanofibrous matrix was cross-linked by treatment with glu-taraldehyde vapor, saturated with glutaraldehyde aqueous solution for various time periods, followed by treatment withglycine aqueous solution to block unreacted aldehyde groups. Morphologies of the electrospun nanofiber wereobserved by using a field emission scanning electron microscope. As the results, the starch nanofibers having a diam-eter in the range from 500 nm~2 µm were successfully prepared via an electrospinning technique. The starch nanofi-ber matrix surface-crosslinked with glutaraldehyde was stable in aqueous solution, suggesting the potential to be usedas scaffolds for tissue engineering.

Key words: Starch, Electrospiining, Crosslinking, Glutaraldehyde

서 론

직 공학은 의학, 공학, 약학 분야에서 크게 주목되고 있

으며 재생 의학의 목적은 손상, 생체조직과 장기치료를

위한 세포를 이용하여 생체를 재생 혹은 재구축하는 기술을 확

립하는 데에 있다. 그 중 골 조직공학(Bone Tissue Engineer-

ing)은 뼈의 치료와 재생을 위해 새롭고 장래성 있는 방법을

제공하기 때문에 이에 대한 연구가 급속하게 진행되고 있다.

골 조직공학은 이상적인 지지체를 설계하고 제조하여 세포를

증식, 분화시키어 생체활성을 유도하는 것이나 실제로는 매우

까다로워 완전하게 연구되어 실용화되기까지는 힘들다.1) 이상

적인 지지체란 생체적합성과 생분해성을 가진 다공성 형태에

세포와 영양분이 스며들 수 있는 투과성의 구조이며 세포의 접

착, 증식을 위한 표면구조와 화학적 성질을 가지고 있어야 한

다. 이러한 지지체를 만드는 방법으로는 solvent casting, gas

foaming, fiber bonding, melt molding, electrospinning 등

이 있다.2) 특히 전기방사(electrospinning)는 방법이 간단하고

초미세한 고분자 섬유제조가 가능하며 높은 비표면적과 aspect

ratio를 가지므로 최근 활발히 연구되고 있다.3-5) 친환경적 고분

자재료는 생분해성 합성고분자(polycaprolactone, polylactide,

polyvinyl alcohol, polyesteramide)와 재생 가능한 천연고분자

(chitin, chitosan, pectin, starch, cellulose)로 나눌 수 있다.

이들 중 starch는 양이 풍부하며 가격이 저렴하므로 식품, 섬

유, 종이산업 등에 넓게 이용되고 있다.6) Starch는 아밀로펙틴

(branched polymer, ~70%, 4000 glucose units)과 아밀로오

스(linear polymer, ~30%, 1000 glucose units)의 혼합물이

며, 이들은 1,4-산소원자를 통해 서로 연결된 α-glucisidic unit

으로 이루어져 있다. Starch를 기본으로 하는 물질은 생의학적

응용에 적용되는 특성을 가지게 되는데 완벽한 생분해성뿐만

아니라 합성고분자로부터 만들어진 물질과 유사한 물리적·기

계적 특성을 나타낸다. 다른 합성고분자와 starch를 블랜드 함

으로써 골 지지체나 약물방출 등에 이용하고자 하는 연구가 이

루어져 왔다.7-8) 또한 Starch를 기본으로 이루어진 3차원 다공

성 지지체는 생체적합성과 뛰어난 in vivo 적합성을 나타내는

것으로 보고되었다.8-9)

본 연구에서는 starch만을 이용한 전기방사를 통해 starch 나

노섬유를 제조하였다. 콜라겐10), 키토산11), 키틴12), 실크 피브

로인13)과 같은 천연고분자화합물의 전기방사에 대해선 많은 연

구가 이루어졌으나. Starch에 대한 단독 전기방사 연구는 거의

이루어지지 않고 있다. 전기방사를 통해 제조된 starch 나노섬

유는 물에 쉽게 용해되어 풀어지므로 물과의 상호작용을 억제

하기 위해 표면가교반응을 하였다. 표면가교반응을 통해 압력*책임연락저자: ikkang@knu.ac.kr

조

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Biomaterials Research 2008

이나 수분에 노출되어 있는 동안 본래의 형태를 유지할 수가

있도록 하였다.

재료 및 방법

재료 및 시약

Starch (from potato)는 Sigma-Aldrich Co.에서 구입하였다.

용매로 사용한 trifluoroacetic acid (TFA)는 TCI (tokyo Kasei),

25% glutaraldehyde는 Acros Organics에서 구입하였다.

Starch용액 제조

수분이 많은 starch를 24시간동안 진공 건조하여 수분을 제

거하였다. 건조된 starch는 용매 trifluoroacetic acid에 15~25

wt%의 농도를 가지도록 상온에서 72시간동안 충분히 교반하

여 방사용액을 제조한다.

전기방사(electrospinning)

Starch 나노섬유를 제조할 때 용액의 농도와 전압이 섬유의

형태에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 전기방사는 Figure

1에서와 같은 장치로 구성이 되며 본 실험에서는 0.2~0.5 ml/

h의 속도로 유체를 주입하였고 전압은 15~25 kV 범위 내에서

사용하였으며 syringe pump와 주사기와 collector의 거리는

10~15 cm로 하였다. 전기 방사는 챔버 안에서 20% 이하의

습도를 유지하여 사용하였고 중력의 영향을 배제하기 위하여

중력의 수직방향으로 방사하였다. 제조된 나노섬유의 구조와 형

태를 조사하기 위하여 field emission scanning electron

microscope (FE-SEM, S-4300 HITACHI)으로 관찰하였다.

가교반응(crosslinking)

Starch 나노섬유는 물에 쉽게 녹기 때문에 가교반응이 반드

시 필요하다. 잘 알려진 가교반응 시약으로는 glutaraldehyde,

formaldehyde, water-soluble carbodiimide가 있다. 그 중 가

장 많이 사용되는 glutaraldehyde를 본 실험에 사용하였다. 만

들어진 starch 나노섬유 부직포는 일정한 크기로 잘라 상온에

서 25% glutaraldehyde 증기를 이용하여 가교반응을 시켰다.

24시간까지 정해진 시간마다 부직포의 표면반응을 중지하기 위

하여 0.1 M glycine으로 3~4회 세척하였다. 건조한 부직포는

무게를 잰 후 scanning electron microscope로 관찰하였다.

Figure 1. Schematic illustration describing electrospinning appartus.

Figure 2. SEM micrographs of starch fibers electrospun at different concentration: (a) 7 wt%, (b) 13 wt%, (c) 19 wt%, (d) 23 wt%.

조직공학용 전분 나노섬유 매트릭스의 제조 111

Vol. 12, No. 3

결과 및 고찰

가교반응을 하기 전에 starch의 전기방사 가능성을 확인하고

최적 조건을 구하였다. 전기방사는 고분자 용액에 가해주는 전

압의 세기, 고분자 용액의 flow rate, 주사기와 collector간 거

리 등 공정 인자들(processing parameters)에 우선해서 고분자

Figure 3. SEM micrographs of starch fibers electrospun at different concentration: (a) 15 wt%, (b) 19 wt%, (c) 25 wt%.

Figure 4. SEM micrographs of starch fibers electrospun at different electrical potential: (a) 12 kV, (b) 15 kV, (c) 18 kV. The fibers were electrospunfrom a 19 wt% solution of starch in trifluoroacetic acid.

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Biomaterials Research 2008

용액 자체의 농도 조절이 성공적인 나노섬유 제조를 위해 매

우 중요하다. 고분자 jet이 형성되기 위해서는 전기장 하에서

고분자 droplet이 연신되면서 Taylor cone 형태로 전환되어야

한다. 이때, 고분자 용액의 농도가 특정 농도 이하가 되어 점

도가 너무 낮으면 고분자 방울이 연신되지 못하고 그대로

collector에 떨어져 Figure 2(a)에 나타나듯이 섬유형태가 아닌

알갱이(granules)형태의 구조체가 얻어진다. 하지만 고분자 용액

의 농도를 점차 증가시키면 beaded string 구조(b, c)를 거쳐

최종적으로 나노섬유들만의 구조체가 얻어진다. Figure 3은 전

압 18 kV일 때 용액의 농도에 따른 나노섬유 형태를 나타낸

사진으로 15 wt%에서는 섬유의 굵기가 일정치 않은 것을 볼

수 있다. 25 wt%의 농도에서는 섬유들이 서로 이어져 있는

형태를 확인 할 수 있었고 19 wt%에서 가장 좋은 나노섬유

형태를 얻을 수 있었다. Figure 4는 농도 19 wt% 용액을 여

러 가지 전압에서 전기 방사한 섬유의 사진이다. 모든 전압에

서 대체로 전기방사가 잘 되었지만 15 kV 이하의 전압에서는

섬유의 굵기가 일정치 않다는 것을 알 수 있다. 따라서 starch

Figure 5. Crosslinking of starch macromolecules with glutaralde-hyde.14)

Figure 6. Weight loss of the starch nanofiber matrix as the function ofcross-linking time.

Figure 7. SEM micrographs of starch nanofiber matrix cross-linked with glutaraldehyde for various time: (a) 0.5 h, (b) 4 h, (c) 12 h, and (d) 24 h.

조직공학용 전분 나노섬유 매트릭스의 제조 113

Vol. 12, No. 3

용액의 농도 19 wt%, 18 kV의 전압을 유지하여 방사할 때

가장 좋은 섬유를 얻을 수 있었다. 제조된 starch 나노섬유에

표면가교반응을 하였다. Polysaccharide의 가교반응은 분자와

분자사이를 이어줌으로 인해 다당의 용해성을 낮추어 주는 가

장 일반적인 방법이다.

Glutaraldehyde를 이용한 starch의 가교반응은 Figure 5와

같이 hemi-acetal 결합을 형성하는 친핵체 첨가를 통해 이루어

진다. Figure 6은 시간에 따른 starch 나노섬유의 weight loss

를 나타낸 것이다. 가교시간이 4시간까지는 weight loss가 급

격하게 감소하는 것을 볼 수 있으나 시간이 길어질수록 일정

해지는 것을 볼 수 있었다. 가교반응 후 starch 나노섬유의 표

면형태를 알아보기 위해 scanning electron microscope로 관

찰하였다(Figure 7). 30분경과 후 가교반응이 제대로 이루어 지

지 않았음을 알 수 있고(a) 4시간부터는 가교반응이 완전히 일

어났음을 알 수 있었다. 12시간 이상 가교반응을 하였을 경우

는 porous하지 않은 부직포(d)가 얻어짐을 알 수 있었다.

결 론

재생 가능한 천연고분자인 starch는 양이 풍부하며 가격이

저렴하므로 식품, 섬유, 종이산업 등에 넓게 이용되고 있다.

Starch를 기본으로 하는 물질은 생의학적 응용에 적용되는 특

성을 가지게 되는데, 완벽한 생분해성뿐만 아니라 합성고분

자로부터 만들어진 물질과 유사한 물리적·기계적 특성을 나

타낸다. 이러한 starch를 기본으로 이루어진 3차원 다공성

지지체를 만들기 위해 전기방사를 이용하여 19 wt%, 18 kV

에서 최적의 나노섬유를 얻을 수 있었고, glutaraldehyde를

이용한 가교반응을 한 결과 지지체로 사용되기에 충분하다고

판단된다. 더 나아가 세포의 접착, 이동, 분화, 증식에 대한

실험을 통해 생체적합성에 대한 결과를 얻을 수 있을 것으로

사료된다.

감사의 글

This research was financially supported by the Ministry

of Education Science Technology (MEST) and Korea Indus-

trial Technology Foundation (KOTEF) through the Human

Resource Training Project for Regional Innovation.

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