KR101406114B1 - 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법 - Google Patents

생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동물의 털(hair)로 부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 이용하여 생체적합성이 우수한 하이드로 겔을 제조하는 방법에 관한 것으로서, (ⅰ) 사람을 포함하는 동물의 털로부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 물에 용해하여 케라틴을 포함하는 추출물 수용액을 제조하는 공정; (ⅱ) 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올과 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가, 용해하여 혼합물 수용액을 제조하는 공정; 및 (ⅲ) 상기 혼합물 수용액에 방사선을 조사하는 공정;들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 친환경적이고 생체적합성이 우수하여 상처치료나 피부재생 등에 유용한 하이드로 겔을 낮은 선량의 방사선과 최소한의 화학약품 만을 사용하여 제조할 수 있고, 이로 인해, 환경오염과 에너지 소모량을 최소화 한다.
또한 본 발명은 방사선 조사에 의해 하이드로 겔의 제조와 함께 멸균처리가 되어 독성물질 처리를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있다.

Description

생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법{Method of manufacturing hydrogels with excellent suitable to organism}
본 발명은 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 사람의 머리카락이나 동물의 털로 부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 최소한의 화학약품 및 무해한 용제로 처리하여 친환경적이고 생체적합성이 우수한 하이드로 겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 사람의 머리카락이나 양모 등과 같은 동물의 털을 "사람을 포함하는 동물의 털"이라고 통칭한다.
하이드로 겔은 3차원의 망상구조를 가져야 하며 카르복실기(-COOH), 아미드기(-CONH2), 아마이드기(-CONH), 술폰산기(-SO3H)등의 친수성 관능기를 포함하여 물을 흡수하면서도 물에 용해되지 않아야 한다. 더 나아가 하이드로 겔에 사용될 수 있는 고분자는 구조의 특성상 모세관 및 삼투압 현상에 의해 물을 흡수하여 수분을 함유하게 되고, 정전기적, 친유적 상호 작용 뿐만 아니라 대개는 고분자 쇄 사이에 물리적·화학적 가교결합 구조 때문에 물에 용해되지 않는 특징을 가져야 한다.
일반적으로 하이드로 겔에 사용되는 고분자는 합성 고분자, 천연 고분자 또는 그들의 혼합으로 제조되며, 합성 고분자는 폴리비닐피롤리돈[poly(vinyl pyrrolidone)], 폴리에틸렌옥사이드[poly(ethylene oxide)], 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트[poly(hydroxyethyl metacrylate)] 및 폴리비닐알코올[poly(vinyl alcohol)] 등으로 구성되는 친수성 합성 고분자 그룹에서 선택되고, 천연 고분자는 아가(agar), 알긴산염(alginate), 젤라틴(gelatin), 콜라겐(collagen), 및 키토산 그룹 등에서 선택된다.
하이드로 겔은 화학적인 방법 및 방사선을 이용하는 방법으로 제조된다.
화학 가교제 또는 개시제를 첨가하여 제조하는 화학적인 방법은 미반응의 가교제나 개시제를 제거해야 하는 문제가 있고 고분자상에 잔류하는 독성문제 또한 심각하여 화학 가교제나 개시제를 제거할 필요가 없는 방사선 이용법이 최근 각광을 받고 있다. 방사선 이용법은 잔류하는 독성문제가 없고, 가교와 동시에 멸균을 겸할 수 있는 장점이 있으며 가교과정에서 열을 가하지 않아도 되고, 냉각상태에서도 가교가 가능하며, 조성물을 변화 시킬 필요 없이 방사선 조사량 조절만으로 물리적 특성을 자유롭게 조절 할 수 있다.
산업혁명 이후로 인간들은 유용한 많은 것을 개발 하였고, 그로인해 인간의 수명 또한 배로 늘어나 더욱 더 풍족하고 여유로운 생활을 영위하고 있지만, 조상들이 남겨주신 유산들을 우리의 후손에게 고스란히 남겨줄 수 없는 안타까움이 부작용으로 남아 요즈음 우리는 자연과 환경에 대한 많은 연구들을 하고 있다. 우리의 조상들은 자연에서 얻은 재료로 집을 지었고 또 자연에서 얻은 재료로 옷을 만들고 생활에 필요한 물건들을 거의 다 자연에서 얻어서 생활했다. 그래서 자연을 손상 하지 않고 자연과 더불어 살았다.
자연에서 버려지는 사람의 머리카락, 양모 등과 같이 사람을 포함하는 동물의 털은 천연의 3차원적인 망상구조를 가져 하이드로 겔에 가장 적합한 구조를 가졌을 뿐만 아니라 이들을 구성하고 있는 케라틴(keratin)이라고 하는 단백질은 시스테인, 로이신, 아르기닌, 티로신, 알라닌, 프로린 등 많은 아미노산이 쇠사슬 모양으로 길게 줄지어서 이루어진 쇄상고분자로서 각각의 단백질 분자쇄에 짜 넣어져 있는 시스테인이 SH(thiol)기에 의해서 서로 이웃하고 있던 분자쇄 사이에 S-S 결합을 만들어 단백질 분자쇄의 교량역할을 하고 있어 이 분자 구조 때문에 사람을 포함하는 동물의 털은 탄성이 아주 풍부한 재료로써 상처치료나 피부 재생 그리고 셀 배양(cell culture)에 완벽한 고분자이다.
한국 특허 공개번호 제2003-0060458호에서는 상처 치료용 수화겔의 제조방법을 게재하고 있다.
구체적으로 우레탄 막을 함유한 상처 치료용 수화겔을 제조하는 방법에 관한 것으로 생체적합성 고분자의 수용액을 막상에 도포하고 이를 동결 및 해동을 반복하여 예비수화겔을 만들고 이어서 막상에 형성된 수화겔을 포장재료를 사용하여 포장하고 이를 방사선을 조사하여 상처 치료용 수화겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
미국 특허 제5106876호에서는 비수용성 하이드로 겔과 그의 제조방법을 게재하고 있다.
구체적으로 폴리비닐알코올이나 폴리비닐피롤리돈 고분자를 방사선 조사에 의해서 가교결합을 시키고 가교결합된 것을 동결-해동을 반복적으로 실시하여 하이드로겔을 제조하는 것에 관한 것이다.
미국 특허 제5480717호에서는 하이드로 겔을 기재(subtrate)에 부착할 경우에 이격되는 정도를 현저하게 낮추는 방법에 관한 것으로, 기재에 고분자 접착제를 코팅하고 코팅된 상부에 친수성 고분자를 위치시키고 여기에 방사선을 조사하여 친수성 고분자는 가교결합을 통하여 하이드로 겔로 되고 접착제와 하이드로 겔이 공중합체를 형성하게 된다.
또한 폴리비닐알콜은 친수성 고분자로서 생체 재료로 적합하고, 기계적 및 열적 강도가 우수하여 다양한 하이드로 겔의 제조 및 멤브레인의 제조에 주로 사용되어 왔다.
이에, 본 발명자들은 상처치료 용도 및 피부 재생에 효과적으로 이용될 수 있는 하이드로겔을 만들기 위해 노력한 결과 종래에 존재하는 독성물질에 대한 불안한 문제점들을 개선하여 인간을 포함한 동물의 털에서 케라틴유도체를 추출한 후 생체 적합성 고분자인 폴리비닐알콜을 섞어서 하이드로 겔을 제조 하였다. 이 모든 공정에 용제로는 물을 사용하였으며 또한 DNA전달체로 많이 이용되고 있는 양이온성 고분자인 폴리에틸렌이민[Poly(ethylene imine):PEI]을 소량 첨가하여 고분자간의 가교를 촉진시킨 후 낮은 선량의 방사선을 조사하여 친환경적이고 무해한 하이드로 겔을 만들어 하이드로겔 제조시에 동반되는 화학약품, 시간, 에너지 등을 최소화 시키면서 이에 동반되는 생산 단가 및 수질, 환경오염을 최소화 시키고자 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 상처치료나 피부 재생에 유용한 하이드로 겔 제조시 가교제나 개시제를 첨가하는 여러 작업, 반복되어지는 가교반응, 또는 높은 선량의 방사선을 이용하는 공정 대신에, 최소한의 화학제품과 용제로써 유해한 화학약품 대신에 물을 사용하고 낮은 선량의 방사선을 이용하여 생체에 적합한 천연 단백질 고분자 하이드로 겔을 제조하여 시간, 에너지, 환경 오염을 최소화 하고자 하였다.
이와 같은 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에서는 사람을 포함하는 동물의 털로부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 물에 용해하여 케라틴을 포함하는 추출물 수용액을 제조한 후, 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올과 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가, 용해하여 혼합물 수용액을 제조하고, 계속해서 상기 혼합물 수용액에 낮은 선량의 방사선을 조사하여 친환경적이고 생체적합성이 우수한 하이드로 겔을 제조한다.
본 발명은 친환경적이고 생체적합성이 우수하여 상처치료나 피부재생 등에 유용한 하이드로 겔을 낮은 선량의 방사선과 최소한의 화학약품 만을 사용하여 제조할 수 있고, 이로 인해, 환경오염과 에너지 소모량을 최소화 한다.
또한 본 발명은 방사선 조사에 의해 하이드로 겔의 제조와 함께 멸균처리가 되어 독성물질 처리를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법은, (ⅰ) 사람을 포함하는 동물의 털로부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 물에 용해하여 케라틴을 포함하는 추출물 수용액을 제조하는 공정; (ⅱ) 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올과 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가, 용해하여 혼합물 수용액을 제조하는 공정; 및 (ⅲ) 상기 혼합물 수용액에 방사선을 조사하는 공정;들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 사람을 포함하는 동물의 털의 일례로는 사람의 머리카락, 양모 등과 같은 동물의 털, 동물의 머리카락 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올을 바로 첨가하는 대신에 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올이 물에 용해되어 있는 폴리비닐알코올 수용액과 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가하여 혼합물 수용액을 제조할 수도 있다.
이 경우 케라틴을 포함하는 추출물 수용액 : 폴리비닐알코올 수용액 중량비율이 9:95 ~ 95:9가 되도록 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가하는 것이 바람직하며, 케라틴을 포함하는 추출물 수용액과 폴리비닐알코올 수용액의 총량 100중량부 대비 0.01 ~ 5중량부의 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 방사선 조사에 의해 하이드로 겔의 제조와 함께 멸균처리가 되어 독성물질 처리를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있다.
상기 방사선으로 감마선, 전자선, 이온빔, 중성자빔 또는 자외선 등을 사용할 수 있고, 방사선의 조사량은 1kGy ~ 500kGy인 것이 바람직하다.
머리카락 또는 양모로부터 케라틴을 포함하는 추출물을 추출하는 방법 일례로는 머리카락 또는 양모의 불용성 성분을 제거하고자 머리카락 또는 양모를 아세톤 및 에틸알코올에 각각 12시간 담구어 불순을 추출한 후, 수세 및 바람으로 건조한 후, 오스도넬(O'Donnel)의 방법에 준해서 환원제로 2-머르캡토에탄올(2-mercaptoethanol)을 사용, 8M 요소, 5중량%의 소디움 도데실 설페이트(Sodium dodecyl sulfate) 수용액 중에서 머리카락 또는 양모 케라틴을 환원 한 후 S-카르복시 메틸(S-carboxy methyl) 반응법을 이용하여 케라틴을 포함하는 추출물을 추출한다.
그러나, 본 발명에서는 머리카락 또는 양모로 부터 케라틴을 포함하는 추출물을 추출하는 방법을 특별하게 한정하는 것은 아니다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.
그러나, 본 발명의 보호범위는 후술하는 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
사람의 머리카락으로 부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 물에 용해하여 케라틴을 포함하는 추출물 함량이 5중량%인 케라틴을 포함하는 추출물 수용액을 제조하였다.
다음으로, 폴리비닐알코올을 물에 용해하여 폴리비닐알코올 함량이 5중량%인 폴리비닐알코올 수용액을 제조하였다.
다음으로, 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액 : :폴리비닐알코올 수용액의 중량비가 50:50이 되도록 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가한 다음, 계속해서 케라틴을 포함하는 추출물 수용액과 폴리비닐알코올 수용액의 총량 100중량부 대비 0.1중량부의 폴리에틸렌이민을 첨가하여 80℃ 이하의 온도에서 교반하여 혼합물 수용액을 제조하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 혼합물 수용액에 전자선 가속기(1.14 MeV)를 사용하여 10kGy의 전자선을 조사하여 하이드로 겔을 제조하였다.
제조된 하이드로 겔의 겔 강도, 겔 분율 및 겔 팽윤도를 측정한 결과는 표 3과 같았다.
실시예 2 내지 실시예 5
전자선의 조사량을 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하이드로 겔을 제조하였다.
제조된 하이드로 겔의 겔 강도, 겔 분율 및 겔 팽윤도를 측정한 결과는 표 3과 같았다.
제조조건
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
전자선
조사량
(kGy)
10 20 30 40 60
실시예 6
양모로 부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 물에 용해하여 케라틴을 포함하는 추출물 함량이 5중량%인 케라틴을 포함하는 추출물 수용액을 제조하였다.
다음으로, 폴리비닐알코올을 물에 용해하여 폴리비닐알코올 함량이 5중량%인 폴리비닐알코올 수용액을 제조하였다.
다음으로, 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액 : :폴리비닐알코올 수용액의 중량비가 50:50이 되도록 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가한 다음, 계속해서 케라틴을 포함하는 추출물 수용액과 폴리비닐알코올 수용액의 총량 100중량부 대비 0.1중량부의 폴리에틸렌이민을 첨가하여 80℃ 이하의 온도에서 교반하여 혼합물 수용액을 제조하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 혼합물 수용액에 전자선 가속기(1.14 MeV)를 사용하여 10kGy의 전자선을 조사하여 하이드로 겔을 제조하였다.
제조된 하이드로 겔의 겔 강도, 겔 분율 및 겔 팽윤도를 측정한 결과는 표 3과 같았다.
실시예 7 내지 실시예 10
전자선의 조사량을 표 2와 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하이드로 겔을 제조하였다.
제조된 하이드로 겔의 겔 강도, 겔 분율 및 겔 팽윤도를 측정한 결과는 표 3과 같았다.
제조조건
구분 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9 실시예 10
전자선
조사량
(kGy)
10 20 30 40 60
비교실시예 1
폴리비닐알코올을 물에 용해하여 폴리비닐알코올의 함량이 10중량%인 폴리비닐알코올 수용액을 제조하였다.
다음으로, 상기 폴리비닐알코올 수용액 100중량부 대비 0.1중량부의 폴리에틸렌이민을 첨가하여 80℃ 이하의 온도에서 교반하여 혼합물 수용액을 제조하였다.
다음으로 상기와 같이 제조된 혼합물 수용액에 전자선 가속기(1.14 MeV)를 사용하여 30kGy의 전자선을 조사하여 하이드로 겔을 제조하였다.
제조된 하이드로 겔의 겔 강도, 겔 분율 및 겔 팽윤도를 측정한 결과는 표 3과 같았다.
비교실시예 2
전자선의 조사량을 60kGy로 변경한 것을 제외하고는 비교실시예 1과 동일한 방법으로 하이드로 겔을 제조하였다.
제조된 하이드로 겔의 겔 강도, 겔 분율 및 겔 팽윤도를 측정한 결과는 표 3과 같았다.
물성평가결과
구분 겔 강도(g·㎝) 겔 분율(%) 팽윤도(%)
실시예 1 390 75 1,400
실시예 2 450 82 1,600
실시예 3 500 80 1,650
실시예 4 480 83 1,750
실시예 5 475 95 1,750
실시예 6 480 70 1,200
실시예 7 630 75 1,300
실시예 8 570 76 1,400
실시예 9 580 76 1,400
실시예 10 575 74 1,300
비교실시예 1 320 63 1,100
비교실시예 2 545 65 820
상기 표 1의 물성들은 아래와 같은 식에 의해 구해진다.
겔 강도(g·㎝) = 하이드로 겔이 파괴될때 가중된 힘
× 하이드로 겔이 파괴될때 늘어난 길이
Figure 112012060564840-pat00001
Figure 112012060564840-pat00002

Claims (6)

  1. (ⅰ) 사람을 포함하는 동물의 털로부터 추출한 케라틴을 포함하는 추출물을 물에 용해하여 케라틴을 포함하는 추출물 수용액을 제조하는 공정;
    (ⅱ) 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올과 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가, 용해하여 혼합물 수용액을 제조하는 공정; 및
    (ⅲ) 상기 혼합물 수용액에 방사선을 조사하는 공정;들을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올이 물에 용해되어 있는 폴리비닐알코올 수용액과 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가하여 혼합물 수용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 케라틴을 포함하는 추출물 수용액 : 폴리비닐알코올 수용액 중량비율이 9:95 ~ 95:9가 되도록 케라틴을 포함하는 추출물 수용액에 폴리비닐알코올 수용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 케라틴을 포함하는 추출물 수용액과 폴리비닐알코올 수용액의 총량 100중량부 대비 0.01 ~ 5중량부의 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine)을 첨가하는 것을 특징으로 하는 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 방사선은 감마선, 전자선, 이온빔, 중성자빔 및 자외선 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 방사선 조사량은 1kGy ~ 500kGy인 것을 특징으로 하는 생체적합성이 우수한 하이드로 겔의 제조방법.
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