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1 Polymer(Korea), Vol. 40, No. 1, pp (2016) ISSN X(Print) ISSN (Online) 실크피브로인과고탄성폴리우레탄의블렌드나노섬유의합성및그들의생체적합성평가 홍석민 김태성 강민실 이영철 * 공명선 단국대학교천안캠퍼스나노바이오의과학과, * 생산기술연구원그린공정재료연구그룹 (2015 년 6 월 26 일접수, 2015 년 8 월 16 일수정, 2015 년 10 월 6 일채택 ) Synthesis of Nanofiber Using High Elastic Polyurethane-Silk Fibroin Blends and Their Biocompatible Properties Suk-Min Hong, Tae-Sung Kim, Min-Sil Kang, Young Chul Lee*, and Myoung-Seon Gong Department of Nanobiomedical Science, Dankook University Graduate School, Chungnam 31116, Korea *Green Process and Materials R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Cheonan, Chungnam 31056, Korea (Received June 26, 2015; Revised August 16, 2015; Accepted October 6, 2015) 초록 : 생체적합성고분자의물리적및화학적특성을개선하기위하여고탄성폴리우레탄 (PU) 과경직하고생체친화성및무독성을겸비한실크피브로인 (SF) 과 SF/PU=1/3, 2/2 및 3/1 중량비를가진블렌드를제조하였다. 고탄성 PU 는헥사메틸렌디이소시아네이트와디올로서 isosorbide/ 폴리카보네이트디올 (4/1) 을사용하여용융하여벌크중합하여합성하였다. 그리고전기방사법에의하여 SF/PU 블렌드로부터나노섬유페브릭을제조하였다. SF 의함유량을증가시키면파단변형률 (strain at break) 이감소함과동시에인장력 (tensile strength) 도감소했으며, 실크의함유량이가장높은 SF/PU(3/1) 블렌드의경우강성도 (stiffness) 는 150 MPa 을나타내었으며 SF/PU(1/3) 블렌드나노섬유페브릭은 150% 의파단변형률을보여주었다. 생분해도검사는 37 o C 온도의인산완충액 (phosphate buffer solution) 안에서진행하였으며, 4 주후 30% 의질량감량을보여주었다. 나노섬유페브릭표면에 C2C12( 쥐의근원세포 ) 의생체적합성검사에서 2 일뒤에, 상대적으로모든블렌드페브릭들의세포수가최적화된조직배양형성의확산비율보다높은것으로나타났다. 이러한폴리우레탄들은부드럽고, 유연하고, 생체적합한요소들로인하여부드러운조직의증대와재생연구에적합한것으로예상할수있었다. Abstract: As a way to modify both the physical and biological properties of a highly elastic and biodegradable polyurethane (PU), silk fibroin (SF) with rigidity, biocompatibility and non-toxicity was blended with PU having SF/PU=1/ 3, 2/2 and 3/1 weight ratios. Bio-based high elastic PU was prepared from hexamethylene diisocyanate and isosorbide/ polycarbonate diol (4/1) by simple one-shot bulk polymerization and nanofibers were electrospun directly from SF and PU blend. With increasing SF content, the tensile strength decreased as did the strain at break; the stiffness increased to around 150 MPa for the SF/PU (3/1) with highest silk content. On the other hand, SF/PU=1/3 blend nanofiber showed a 150 % strain at break. Degradation tests performed at 37 o C in phosphate buffer solution showed a mass loss of 30% after 4 weeks, which showed an initial rapid weight loss. The in vitro cytocompatibility test results following culture of C2C12 (a mouse myoblast cell line) on the nanofiber film surface showed that relative cell number on all of the blend films after 2 days was higher compared to the proliferation rate on the optimized tissue culture plastic. These polyurethanes offer significant promise due to soft, flexible and biocompatible properties for soft tissue augmentation and regeneration. Keywords: nanofiber, silk fibroin, biocompatible polyurethane, isosorbide, blend. 서 론 우리몸이노화하거나사고로생체조직이나기관들이손상 To whom correspondence should be addressed The Polymer Society of Korea. All rights reserved. 되었을때재생의학 (regenerative medicine) 이나조직공학 (tissue engineering) 기술의발달로생체친화성이좋은재료에조직세포를배양하여손상된조직이나장기를대체할수있게되었다. 1 천연고분자는매우우수한생체친화성이좋고독성이없는고유한특성을가지고있다. 따라서천연고분자로제작된지지체는생체에이식후염증반응이적을 17

2 18 홍석민 김태성 강민실 이영철 공명선 뿐만아니라, 뛰어난생체기능성과생분해성등을제공할수있어이상적인조직공학용지지체의재료로평가받고있다. 그러나천연고분자재료자체로서는실제응용에물리적및기계적특성이부합되지않기때문에기능의향상을위하여화학적개질을통하여물성을보완하여사용하고있다. 2-8 천연고분자의제한점을극복하기위해서최근생체친화성 / 생분해성합성고분자의도입이매우활발하다. 이들은분자량등의고분자특성을쉽게조절가능하며, 기계적물성이우수한장점이있으며 7 특히일시성재료로서유전자전달, 약물전달, 이식, 세포부착, 분화및증식을가능하게하는재질로서의잠재성때문에특별히조직공학이나생체의학적응용이활발하게이루어지고있다. 8,9 따라서천연고분자와합성고분자의장점을모두내포한두재료들을블렌드하여여러가지단점을보완하고우수한재료로응용하고있다. 10 폴리우레탄은 in vitro 와 in vivo 에서낮은독성을가지기때문에조직공학의스캐폴드로서널리사용되고있는생분해성고분자이다. 그러나대부분의널리사용되는생체적합성 polyurethane(pu) 은반영구적인용도로설계되었다. 11 즉일정기간동안안정성이요구되기때문에 PU 를구성하는화학구조를고려하는것이매우중요하다. 또한그들의분해산물의무독성그리고대사및배설가능하거나또는독성이생체내에서감소하여야한다. 12,13 PU 는조직공학기술의발달로인공피부, 인공심장, 인공혈관및인공무릎관절등의재료로실용화되고있다. 14 최근에 1000% 이상의파단변형률 (strain at break) 을가지는생체친화성 PU 에대한연구가진행되었으며 polycaprolactone diol, isosorbide 및 hexamethylene diisocyanate 가사용되었다. 이 PU 의구조단위의분해생성물은 hexamethylenediamine, 6-hydroxyhexanoic acid 및 isosorbide 로무독성을보여주어줄기세포전달의 cardiac heart patch 로서응용할수있음을보여주었다. 15,16 실크는생체친화성이좋은천연고분자이며우수한기계적성질을가지고있다. 또한회복력이빠르고염증발생률도적어인공장기나피부에많이활용되고있다. 17,18 또한 PU 와같이 in vivo 로서서히분해되며조직이나세포에서부가적인독성을피할수있으며 RGD sequence 를가지고있어표면이활성화되어세포부착이용이하고 PU 용액과서로혼합되어균일한 SF/PU 블렌드재료를형성할수있다. 19 실크는예로부터외과수술용봉합사로널리사용되어져왔으며상대적으로 PU 고분자에비하여매우뻣뻣한 (stiff) 편이다. 정제된 silk fibroin(sf) 은매우우수한바이오재료이며조직공학에서연골, 뼈, 근육, 인대및힘줄조직으로응용되어왔다 나노섬유는단위질량당표면적이매우넓고유연하며나노섬유사이에미세공간과단위면적당존재하는섬유의수가많아서타소재와의혼화가가능하며외부의응력에대한분산성이크다. 23 비록기계적특성이상응하는캐스팅필름 보다낮지만조직공학분야에서는인체조직을보완하고대체할목적으로사용하기때문에유연성, 생체적합성, 멸균성및생분해성등의물성이보다엄격히요구된다. 나노섬유의구조가세포의부착성과증식력을촉진하는데이것은나노섬유의구조가콜라겐나노섬유의 3 차원적세포외기질 (extracellular matrix) 과구조적으로매우유사하기때문이다. 24 본연구에서는 Bombix mori SF 와 PU 를전기방사하여얻은나노섬유페브릭 (nanofiber fabrics) 의화학적및기계적성질을분석하고, 근육모세포를지지할수있는가능성을평가하고자하였다. SF/PU 블렌드나노섬유페브릭의화학구조분석, 열적성질및모폴로지등을적외선분광분석, 열시차, 열중량분석및주사전자현미경으로조사하였다. 표면성질및생분해도측정과 C2C12 cell line 을사용한세포증식실험을진행하여근육세포재생의응용가능성을조사하였다. 실 시약및기기. B. mori 누에는보은토종누에농장 ( 충청북도보은군 ) 에서구입하였으며세리신을제거하기위해서 CaCl 2 와 Na 2 CO 3 ( 덕산순수약품공업 ) 를사용하였다. 에탄올, N,N'-dimethylformamide(DMF) 와 isopropanol( 덕산순수약품공업 ) 은시약용을정제하지않고그대로사용하였다. 투석막은 dialysis tubing cellulose membrane(flat width 76 mm, Sigma-Aldrich Chem. Co. USA) 을사용하였다. 우레탄제조에사용되는디올은 polycarbonate diol(pcd, Asahi Kasei Chemica, 분자량 2000) 을사용하였으며 isosorbide(98%) 와 hexamethylene diisocyanate(hdi, 98%) 는 Aldrich사제품을정제없이그대로사용하였다. PCD는사용하기전에 2시간동안 70 o C에서진공상태로감압하여잔여수분을제거하여사용하였다. SF와 PU 블렌드나노섬유를뽑기위해서 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol(99%, HFIP, Aldrich Chem. Co., USA) 를사용하였다. SF/PU 비율별로제조한블렌드나노섬유의 FTIR 스펙트럼은 FTIR(Varian 640-IR, Resolution: 3 cm -1, 16 scans) 분광기를사용하여상온에서 800~4000 cm -1 범위에서측정하였다. 열중량분석 (thermogravimetric analysis) 은 Shimadzu TGA 50을사용하였으며 10 o C/min의승온속도로 10~600 o C 의질소분위기에서측정하였다. 열주사분석 (differential scanning calorimetry) 은 Shimadzu DSC 60을사용하여 10 o C/ min의승온속도로 -70~200 o C에서측정하였다. SF/PU 나노섬유의기계적성질은 instron universal testing machine (Model 3344, Instron Engineering Corp, Canton, USA) 을사용하여측정하였다. 기계적성질은상온에서표준시료를제작하고시료의두께, 넓이및길이를측정하고 4회반복실험한후에표준편차를계산하여나타내었다. SF/PU 블렌드나노섬유페브릭의접촉각은 contact angle equipment(phx 험 폴리머, 제 40 권제 1 호, 2016 년

3 실크피브로인과고탄성폴리우레탄의블렌드나노섬유의합성및그들의생체적합성평가 , S.E.O., Seoul) 로측정하였으며샘플을고정시킨후에물을마이크로주사기 (5000 μl/5 ml) 를통해조절하여한방울떨어트린후에렌즈로순간을이미지로데이터화하여접촉각을측정하였다. 한가지시료당 3 회측정하여평균으로나타내었다. 전기방사된 SF/PU 블렌드나노섬유페브릭의표면을관찰하기위하여 SEM(sanning electron microscope, SM- 5410LV, JEOL, Tokyo, Japan) 을이용하였다. 분석전에백금증착코팅을하였으며시료는 500 에서 3000 배의배율로관찰하였고두께를확인하였다. 폴리우레탄합성. 열가소성폴리우레탄은문헌의방법으로 PCD/isosorbide=1/4 로촉매없이벌크중합으로진행하였다 구둥근바닥플라스크 (500 ml) 에 mechanical stirrer, 온도계, 냉각기및질소주입기를설치하고 PCD(47.56 g, mmol), isosorbide(13.90 g, mmol) 및 HDI(20 g, mmol) 를투입한후질소를통과시키면서서서히교반하였다. 온도를서서히증가시켜 80 o C 를유지하고, 1 시간동안고형성분을용해하여균일한용액이되도록유지하였다. 그후테프론비이커에부어 120 o C 의오븐에서 12 시간반응하여중합을진행하였다. 이렇게합성된폴리우레탄을 DMF 에용해한후에 isopropanol 에재침전하고세척한후에여과하였다. 합성된폴리우레탄을 50 o C 에서 24 시간진공건조한후시료로사용하였다. 실크피브로인 (SF) 제조. 누에고치를구성하는성분에서세리신을제거하기위하여, 고치를잘게절단한후에 10 wt% 의 Na 2 CO 3 수용액 (190 g) 에용해하여 80 o C 에서 4 시간동안, 가열처리하여세리신을제거하였다. 잔존하는세리신을완전하게제거하기위해서 3 차증류수로여러번세척한후에진공건조하였다. CaCl 2 (57.5 g, 0.52 mmol) 를에탄올 (47.6 g, 1.04 mmol) 과증류수 (74 g, 4.15 mol) 의혼합용액을제조하고, 이용액에세리신이제거된실크피브로인 (20 g) 을넣고 80 o C 에서 2 시간동안가열하여용해하였다. 그후에 dialysis tubing cellulose membrane 을이용하여 3 차증류수에서 7 일동안투석하여염과에탄올을제거하였다. 최종투석이된실크피브로인용액을 300 μm 기공을가진 glass filter 를사용하여여과하여불순물들을완전제거하고 -10 o C 에서 2 주간동결건조하여실크피브로인을제조하였다. SF/PU 블렌드의전기방사. SF/PU=4/0, 3/1, 2/2, 1/3 및 0/ 4( 중량비 ) 의블렌드를 HFIP 에 10 wt% 로용해하여 5 시간동안상온에서교반하여완전히용해하였다. SF/PU 블렌드용액을주사기 (10 ml; 바늘 : stainless steel, gauge 24) 에넣고상온에서고전압 (15 kv) 으로인가하였다. Syringe pump 로주사기의유량 (1.5 ml/h) 을제어하였으며, 방사하는주사바늘과드럼의간격을 15 cm 로유지하였다. 드럼에는알루미늄호일을감고 380 rpm 으로회전시켰으며상기전압의조건에서초극세섬유가생성되었으며, SF/PU 의비율에따른모든블렌드의전기방사를한나노섬유페브릭의제조는동일한조건 에서진행하였다. 생분해테스트. SF와 PU의비율에따른블렌드의나노섬유페브릭을충분히건조시킨뒤에동일한크기 (Φ=10 mm) 로일정하게재단하여무게를측정하고 phosphate buffer solution(pbs, 2 ml, ph 7.3) 이포함된원뿔형튜브에넣어 37.5 o C의수조 (Daihan Scientific, Korea) 에서분해도를측정하였다. 일정한시간이지난후에제거한시료는증류수로세척 / 건조시킨후에각각의무게변화를확인하며 4주동안분해도측정실험을진행하였다. C2C12 세포를이용한배양실험. Fetal bovine serum (10%, Gibco, Australia), penicillin/streptomycin(1%, Gibco, USA) 이함유된 α-minimal essential medium(mem, Hyclone, USA) 을이용하여 C2C12세포를배양하였다. C2C12세포를 PBS로세척후 /well의세포농도로재부유하여 SF와 PU의비율별로블렌드한나노섬유페브릭위에살포한후, 세포의부착을돕기위해 3시간동안배양하였다. 재료의특성을확인하기위해서 37 o C에서 24 및 48시간동안 5% CO 2 농도에서배양하였다. 배양한세포들의 DNA 양을분석하기위해 0.2% triton solution을이용하여전처리하였으며얻어진각실험군의샘플을 DNA분석 kit를사용하여세포의확산의정도를측정하였다. 결과및토론 열가소성폴리우레탄의제조. 열가소성폴리우레탄은무촉매로 PCD 와 isosorbide 를디올로 HDI 와중부가반응으로 Scheme 1 에나타난바와같이합성하였다. 고탄성률을고려하여 PCD/isosorbide 의비는 1/4 로진행하였다 친수성이큰 isosorbide 단량체는고결정성으로상온에서 PCD 와 HDI 에용해하지않으므로 3 가지단량체를서서히가열하여 80 o C 로 1 시간가열하여부분반응을진행하여균일한용액을형성하였다. 이혼합용액을 120 o C 에서 12 시간가열하여중합을진행하였다. 최종재침전하여정제된 PU 는 chloroform, DMF, N-methylpyrrolidone 그리고 dimethyl sulfoxide 에잘용해되었으며 THF 에는부분적으로용해되었고, toluene 과 ethanol Scheme 1. Schematic structure of polyurethane synthesized from polycarbonate diol (M w 2000), isosorbide and HDI. Polymer(Korea), Vol. 40, No. 1, 2016

4 20 홍석민 김태성 강민실 이영철 공명선 Figure 1. 1H NMR spectrum of PU with PCD/isosorbide=1/4. 에는 용해되지 않았다. 얻어진 열가소성 PU의 중량 평균분 자량(Mw)은 , Mn은 그리고 다분산도(polydispersity)는 1.55이었다. FTIR 흡수밴드에서, 우레탄의 N-H 신축 및 굽힘진동이 3324과 1531 cm-1에서 각각 나타났다. 1736와 1690 cm-1에서 흡수밴드는 카르보닐의 비대칭 및 대칭 신축진동에 의하여 나타나고 있다. Figure 1에서 특징적인 우레탄 -NH-의 수소는 7.6 ppm 부 근에 나타남을 확인할 수 있으며 PCD 및 HDI에서 유래되는 메틸렌 수소는 1.55, 1.65 및 4.10 ppm 그리고 1.40, 1.65 및 3.28 ppm에서 각각 확인할 수 있었다. 또한 3.50와 5.01 ppm 에서 isosorbide의 bicyclic 메틸렌 수소를 확인할 수 있었다. 폴리우레탄/실크 블렌드 나노섬유 제조. PU의 경우 PCD/ isosorbide=1/4인 경우 신장률이 600% 이상으로 나노섬유가 잘 방사되어 선택하였다. 실크와 폴리우레탄 블렌드의 비율 은 SF/PU=3/1, 2/2 및 1/3으로 진행하였으며, 전기방사의 용 이성을 고려하여 용매는 HFIP를 사용하였다. SF와 PU의 비 율별로 합성한 전기방사 섬유의 직경과 균일성을 확인하기 위해 SEM을 측정하였다. Figure 7은 SF/PU=4:0, 3:1, 2:2, 1:3, 및 0:4을 전압 15 kv, 방사속도 1.5 ml/h 그리고 380 rpm 의 동일한 조건 하에 전기방사를 하였다. 드럼 상에 수집된 SF/PU 블렌드의 전기방사 나노섬유는 구슬 형상이 없는 균 일한 형상을 얻을 수 있었다. SF/PU(3/1)은 0.869~0.877 µm 의 직경을 보여 주었으며 다른 섬유와 서로 융착되어 붙어있 지 않은 양질의 섬유상을 보여주었다. Figure 2(a), (b)와 (c) 는 각각 x500, x1000 및 x2000 확대한 형상을 나타내주고 있 다. Figure 2(d), (e) 및 (f)는 SF/PU(2/2)이며 직경은 0.485~ µm으로 측정되었다. Figure 2(g), (h) 및 (i)는 SF/PU(1/ 3)이며 두께는 약 0.508~0.533 µm으로 측정되었다. SF/PU(2/ 폴리머, 제40권 제1호, 2016년 Figure 2. SEM of electrospun fibers from SF/PU(3/1) (a, b and c), SF/PU(2/2) (d, e and f) and SF/PU(1/3) (g, h and i) prepared at 15 kv, spinning rate 1.5 ml/h and 380 rpm. 2)의 평균 두께가 가장 작고 SF의 함량이 많아지면 직경이 약간 커지는 현상을 알 수 있었다.29 SF와 PU의 블렌드의 경 우 모두 나노섬유로서 특성을 보여주었다. 적외선 분광 분석. Figure 3에 실크와 PU의 혼합 비율에 따라서 제조한 나노섬유의 적외선 흡수 스펙트라가 나타나 있다. PU의 함량이 많아질수록 1740(urethane C=O), 1700 (carbonate C=O) cm-1 부근에서 우레탄의 카보닐(C=O)과 카 보네이트의 C=O 피크가 증가하며 2850과 2933 cm-1에서 강 한 C-H 신축 밴드를 관찰할 수 있다. 또한 우레탄의 N-H 스 트레칭 밴드의 폭이 더 넓으며 3340 cm-1인 단파장 영역에서 나타나고 있다. 반대로 실크 함유량이 많아질수록 SF의 1640 Figure 3. Fourier transform-infrared (FTIR) spectra of SF, biobased PU and SF/PU blend nanofiber films.

5 실크피브로인과고탄성폴리우레탄의블렌드나노섬유의합성및그들의생체적합성평가 21 (amide I), 1520(amide II) 및 1230 cm -1 (amide III) 의 random coil 에의한강한흡수밴드를관찰할수있다. 30 이것은 B. mori SF 의 2 차구조가 random coils(silk I) 과 β-sheet(silk II) 로구성되어있으며 β-sheet 에의한 1527 cm -1 (amide II) 와 1265 cm -1 (amide III) 는아주작은흔적만관찰할수있었다. 실크피브로인은아마이드 (N-H) 결합의스트레칭밴드와 bending 도 3280 와 1640 cm -1 에나타남을 FTIR 을통해관찰할수있다. 31 열적성질분석. 생체의학재료로서열적거동을이해하는것은매우중요하다. 왜냐하면재료의열적성질이응용성이나가공특성을결정하는중요한성질이기때문이다. 실크와폴리우레탄블렌드나노섬유의열적성질의분석을위하여 DSC 와 TGA 를사용하였으며, 그결과가 Figure 4 와 Figure 5 에나타나있다. Figure 4 는 SF/PU 블렌드의열분해안정성 Figure 4. Thermogravimetric analysis (TGA) curves of SF and SF/ PU blend nanofiber films. Figure 5. DSC thermograms of SF, biobased PU and SF/PU blend nanofiber films. 을알아보기위하여실크와폴리우레탄의비율별로제조한나노섬유의 TGA 측정결과이다. 실크와폴리우레탄의첫번째의열분해는 10 과 250 o C 범위에서나타나는데남아있는용매나나노섬유에의하여흡수된수분이이탈한것으로볼수있다. 상온에서 600 o C 까지온도를증가시켜질량의변화를확인한결과, SF/PU=4/0, 3/1, 2/2, 1/3 및 0/4 는각각 250, 263, 271, 274 및 256 o C 에서각각분해가시작되었으며 10% 의질량감소를나타내는온도는 335, 328, 320, 310 및 300 o C 로각각측정되었다. 600 o C 에서도 PU 를제외한나머지 SF/ PU 블렌드는 500 o C 이상에서도 10% 이상의잔사량을보여주었다. 실크단독으로는 40% 이상의잔사량을보여주었으며, 32 실크피브로인은폴리우레탄보다열적안정성이있어서실크피브로인함유량이많을수록높은온도에서중량손실이적고 PU 의함유량이많을수록손실이크게나타나는것을확인할수있었다. 33 순수한실크피브로인은 100 에서 150 o C 부근까지흡착된수분이탈리되는폭넓은흡열피크를관찰할수있으며 200 o C 까지다른현상은나타나지않았다. 순수한폴리우레탄의 DSC 분석에서 o C 의유리전이온도를확인할수있으며 170 o C 부근에서발열피크를나타났는데이것은결정화에의하여나타나는현상으로낮은유리전이온도를갖는 soft segment 를가지는반면에 hard segment 를이루는 isosorbide 와우레탄결합의내부결합력으로인한전이에의한발열구간이나타난것으로생각된다. SF 와 PU 의비율별로블렌드하여제조한나노섬유들은 25 o C 부근에약한흡열피크를보여주었다. 블렌드된 SF/ PU(3/1), SF/PU(2/2) 및 SF/PU(1/3) 의유리전이온도는 -30 o C 부근에폴리우레탄의부분에해당되는유리전이가나타남을확인할수있었다. 기계적특성분석. Soft tissue engineering 에서 34 체온부근에서생체적합성고분자의탄성은여러가지기능을부여할수있어매우중요하다. 합성된열가소성폴리우레탄과실크의블렌드비율에따라제조한나노섬유의인장강도 (ultimate tensile strength), 영률 (Young's modulus), 인장응력 (tensile stress) 및파괴변형률 (strain at break) 등의기계적특성을측정하였다 (Figure 6(a)-(d)). 폴리우레탄의함량이큰 SF/PU(1/ 3) 의인장강도는 3.06±0.29 MPa, 영률은 27.92±11.36 MPa 그리고파괴변형률은 165% 를나타내었다. 반면에, 우레탄의함량이작은 SF/PU(3/1) 의인장강도는 4.94±0.05 MPa, 영률은 ±12.34 MPa 및 27% 의파괴변형률을보여주었다. 순수한폴리우레탄은최대인장강도가 4.99±0.49 MPa 로측정되었는데, 폴리우레탄함량이증가할수록증가하는경향을보여주었다. 또한순수한우레탄의영률은 7.53±5.95 MPa 로실크의함량이증가할수록크게증가하였다. 파괴변형률 (strain at breaking) 은나노섬유의파단이일어나는부분에서 Polymer(Korea), Vol. 40, No. 1, 2016

6 22 홍석민 김태성 강민실 이영철 공명선 Figure 6. Strain at break (a); ultimate tensile strength (b); Young s modulus (c); tensile stress (d) of blended Silk/PU, Silk and PU. 인장신율을나타내며 SF/PU(3/1) 에서순수한우레탄의경우 27 에서 518% 까지큰값의영역에서변화함을알수있었다. 인장응력 (tensile stress) 은하중을가하게되면내부에생기게되는응력과의변형관계를나타내는곡선으로 SF 는강도가세고폴리우레탄은인장력이좋기때문에각특성을보완할수있고또한이것을블렌드화할경우각비율에따라기계적특성을향상시킬수있다. 이러한결과로실크에폴리우레탄을블렌드할경우인장강도가증가하고이것은대동맥의인장강도값 (50-100%) 과비교할수있으며파단력은크게증가함을보여주었다. 블렌드나노섬유의기계적강도는 hard segment 와 soft segment 의성질과비율에따라달라진다. 35 본연구에서강성 (stiffness) 은실크의함량이증가하면증가하는현상을보여주었다. 바이오재료나약품에응용되는생분해성및적합성고분자로 polycaprolacton, polyglycolic acid, poly(l-lactic acid) 및이들의유도체들이널리응용되고있는데, 이들은비록섬유나직조상태일지라도매우뻣뻣하여 soft tissue engineering 의용도에적합하지않다. 따라서좀더부드럽고유연한생분해성및적합성고분자들은연조직 (soft tissue) 과재생 (regeneration) 분야에서그응용성이확대될것이다. 접촉각. 생체친화성고분자물질의표면구조와성질은매 우중요한데, 이것은표면을구성하는관능기가생체분자와세포사이에서상호작용에커다란역할을하기때문이다. 36,37 시료표면의친수또는소수특성을확인하기위하여접촉각을측정하였다. 증류수를표면에떨어뜨려접촉각을확인한결과 SF/PU(4/0), SF/PU(3/1), SF/PU(2/2), SF/PU(1/3) 및 SF/PU(0/4) 의접촉각은각각 10.8±4.4 o, 73.6±3.9 o, 79.2±4.7 o, 85.8±4.5 o 그리고 100.8±2.3 o 으로측정되었다. 일반적으로친수성표면은접촉각이 1-30 의영역에있으며소수성표면은 >90 o 의값을보여준다. 순수한실크는친수성이매우큰물질이기때문에 o 의값을보여주었으며, 실크의함유량이많을수록접촉각이작은값을보여주어친수성임을확인할수있었다. PU 는상대적으로소수성의성질을가지고있어서, PU 의함유량이많을수록접촉각이증가함을확인할수있었다. 38 따라서블렌드나노섬유페브릭은소수 / 친수중간으로생체적합성재료로서적합한특성을보여주었다. In Vitro 분해시험. SF/PU 의블렌드의비율에따른전기방사한나노섬유페브릭의생분해실험은 phosphate buffer solution(pbs) 에서 37 o C 를유지하면서 in vitro 로진행하였다. Figure 8 에나타난바와같이 1 주가지나면서순수한 SF/PU(4/ 0) 는즉시 PBS 내에서팽윤이일어나며서서히형상이파괴되었으며, 잔류중량은 SF/PU(3/1), SF/PU(2/2), SF/PU(1/3) 폴리머, 제 40 권제 1 호, 2016 년

7 실크피브로인과 고탄성 폴리우레탄의 블렌드 나노섬유의 합성 및 그들의 생체적합성 평가 Figure 7. Contact angles of (a) SF/PU(4/0); (b) SF/PU(3/1); (c) SF/ PU(2/2); (d) SF/PU(1/3); (e) SF/PU(0/4). Figure 8. Residual weights of SF, PU and SF/PU blend nanofiber films after in vitro degradation test in phosphate buffer solution. 및 SF/PU(0/4)의 순으로 각각 67, 82, 91% 및 97%임을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 4 주차에는 각각 33, 45, 70% 및 79%가 잔류하는 것을 알 수 있었다. 이것으로 SF가 친수성 이 크기 때문에 SF의 함유량이 많을수록 분해가 더 잘 일어 나는 것을 알 수 있으며 PU의 함유량이 클수록 분해가 느리 게 일어나서 잔유량이 크게 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 수용액에서 폴리우레탄의 분해 속도는 우레탄과 카보네이 트기의 가수분해에 크게 영향을 받는다.39 특히 가수분해에 있어서 soft segment를 이루는 디올의 탄소 수가 특히 영향 23 Figure 9. In vitro disassemble test of SF/PU(3/1)-(a,b and c); SF/ PU(2/2)-(d,e and f); SF/PU(1/3)-(g,h and i). 이 크지만 같은 탄소 수에 대하여 분해 속도는 ester > urethane > carbonate > ether의 순으로 알려져 있다.40 그러나 hard segment를 이루는 isosorbide도 매우 큰 친수 성을 가지고 있어서 PCD의 hexamethylene 단위보다 좀 더 쉽게 가수분해가 진행된다. 특히 나노섬유로 이루어진 페브 릭의 경우 원래의 PBS 용액과의 접촉 면적이 크고 표면 활 성이 크기 때문에 블렌드로부터 직접 제조한 필름보다 약 2.5 배 정도 더 큰 분해도를 보여주었다. 생분해 후의 SF/PU(3/1), SF/PU(2/2) 및 SF/PU(1/3)의 나 노섬유 페브릭의 표면의 변화를 SEM 사진으로 확인한 결과 가 Figure 9에 나타나 있다. 모든 표면이 1주(Figure 9(a, d, g))로부터 4주(Figure 9(c, f, i)에 이르기까지 점진적으로 거 칠어지고 여러 가지 표면 결함이나 분해 흔적이 나타남을 알 수 있었다. 셀 테스트. Figure 10은 여러 가지 비율의 SF/PU 블렌드를 전기방사한 나노섬유 페브릭에 C2C12 cell의 세포 증식 실험 결과를 나타내주고 있다. SF/PU(4/0)은 물에 대한 팽윤성 및 용해성이 크기 때문에 배양을 진행하기 불가능하였다. SF/PU (3/1)는 하루가 지난 후에 컨트롤과 동일한 값을 보여주었지 만 2일째에는 약간 낮은 값을 보여주었다. 세포 배양 후에 표 면에 용해 또는 분해가 일어나면서 생성된 부산물들이 세포 성장을 방해시켜 배양능력이 저하된 것으로 보여진다. 그러 나 PU의 비율이 증가한 SF/PU(2/2)와 SF/PU(1/3)의 경우 배 양 특성이 크게 증가하였으며, 높은 DNA의 양을 가지고 있 어 생체적합성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 순수한 PU의 경우 컨트롤과 매우 유사한 수치로 나타나 무독성을 보 Polymer(Korea), Vol. 40, No. 1, 2016

8 24 홍석민 김태성 강민실 이영철 공명선 Figure 10. Cell proliferation on SF/PU films at 1, 2 and 3 days. At 3 days, the samples with high SF concentration (SF/PU= 3/1 and 2/ 2) showed significantly increased cell proliferation rate. 여주어연조직을위한블렌드재료로응용가능성을보여주었다. 41 결 Isosorbide/ 폴리카보네이트디올 (4/1) 과 HDI 의무촉매부가축합중합으로고탄성폴리우레탄 (PU) 을합성하였다. 생체적합성및기계적성질을향상시키기위하여실크피브로인 (SF) 과여러가지비율의 SF/PU 블렌드를제조하였다. 전기방사법을이용하여 SF/PU 나노섬유페브릭을제조하였으며바이오재료로서적합하고우수한기계적성질을보여주었다. 특별히 SF/PU(2/2) 페브릭은초기 2 주동안에 38% 의분해속도를보여주었으며, 4 주후에는 55% 의분해속도를보여주었다. PU 의함량이증가할수록소수성이증가하였으며분해도가낮아짐을확인할수있었다. In vitro 에서쥐의근원세포 (myogenic C2C12 cell) 배양에서컨트롤에비하여우수한배양능력을보여주었다. 기계적성질, 생체친화성, 세포부착성으로부터 SF/PU 블렌드나노섬유페브릭은근육이나인대 (ligament) 와같은연조직 (soft tissues) 재료로서응용할수있는가능성을보여주었다. 감사의글 : 본연구는 2014 년도교육부대학특성화사업 (CK-II) 사업비중일부지원받아수행되었음. 론 참고문헌 1. R. E. Unger, M. Wolf, K. Peters, A. Motta, C. Migliaresi, and C. J. Kirkpatrick, Biomaterials, 25, 1069 (2004). 2. Y. Qu, Y. Yang, J. Li, Z. Chen, J. Li, K. Tang, and Y. Man, J. Biomater. Appl., 14, 21 (2010). 3. K. Zhang, H. Wang, C. Huang, Y. Su, X. Mo, and Y. Ikada, J. Biomed. Mater. Res. Part A, 93, 984 (2010). 4. N. Vachiraroja, J. Ratanavaraporna, S. Damrongsakkula, R. Pichyangkurab, T. Banaprasertc, and S. Kanokpanont, Int. J. Biol. Macromol., 45, 470 (2009). 5. R. Elia1, D. R. Newhide, P. D. Pedevillano, G. R. Reiss, M. A. Firpo, E. W. Hsu, D. L. Kaplan, G. D. Prestwich, and R. A. Peattie, J. Biomater. Appl., 27, 749 (2013). 6. J. Kundu, L. A. Poole-Warren, P. Martens, and S. C. Kundu, Acta Biomater., 8, 1720 (2012). 7. J. O. Hollinger and G. C. Battistone, Clin. Orthop. Relat. Res., 207, 290 (1986). 8. B. D. Ratner, A. Hoffman, F. J. Schoen, and J. E. Lemons, J. Clin. Eng., 22, 26 (1997). 9. S. Yang, K. F. Leong, Z. Du, and C. K. Chua, Tissue Eng., 7, 679 (2001). 10. J. O. Hollinger and G. C. Battistone, Clin. Orthop. Relat. Res., 207, 290 (1986). 11. M. D. Lelah, S. L. Cooper, and T. G. Grasel, Macromol. Chem. Phys., 34, 199 (1986). 12. M. Borkenhagen, R. C. Stoll, P. Neuenschwander, U. W. Suter, and P. Aebischer, Biomaterials, 19, 2155 (1998). 13. X. J. Loh, K. K. Tan, X. Li, and J. Li, Biomaterials, 27, 1841 (2006). 14. T. LaShanda, K. James, P. D. Brian, L. T. Edwin, and P. T. Hammonda, Polymer, 47, 3073 (2006). 15. H. S. Park, M. S. Gong, and J. C. Knowles, J. Biomater. Appl., 27, 99 (2012). 16. G. H. Altman, R. L. Horan, H. H. Lu, J. Moreau, I. Martin, J. C. Richmond, and D. L. Kaplan, Biomaterials, 23, 4131 (2002). 17. C. Veparia and D. L, Kaplan, Prog. Polym. Sci., 32, 991 (2007). 18. L. K. David, H. J. Jin, and G. Rutledge, US Patent B2 (2011). 19. S. Sofia, M. B. McCarthy, G. Gronowicz, and D. L. Kaplan, J. Biomed. Mater. Res., 54, 139 (2001). 20. M. Takahashi, K. Tsujimoto, H. Yamada, H. Takagi, and S. Nakamori, Biotechnol. Lett., 25, 1805 (2003). 21. A. Kurioka, M. Yamazaki, and H. Hirano, Eur. J. Biochem./ FEBS, 259, 120 (1999). 22. J. Lee, S. Lee, S. Kim, K. Kim, Y. Kim, J. Song, D. Lee, and G. Khang, Polym. Korea, 37, 127 (2013). 23. G. Panthi, M. Park, H.-Y. Kim, and S.-J. Park, J. Ind. Eng. Chem., 24, 1 (2015). 24. W. K. Son, W. H. Park, and Y. S. Nam, Polymer Science and Technology, 14, 274 (2003). 25. H. J. Kim, M. S. Kang, J. C. Knowles, and M. S. Gong, J. Biomater. Appl., 29, 454 (2014). 26. D. I. Lim, H. S. Park, J. H. Park, M. S. Gong, and J. C. Knowles, J. Bioact. Compat. Polym., 28, 274 (2013). 27. H. S. Park, M. S. Gong, and J. C. Knowles, J. Mater. Sci. Mater. Med., 24, 281 (2013). 28. H. S. Park, M. S. Gong, J. H. Park, S. I. Moon, I. B. Wall, H. W. Kim, J. H. Lee, and J. C. Konwles, Acta Biomater., 9, 8962 (2013). 폴리머, 제 40 권제 1 호, 2016 년

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