Microsoft Word - ER Electrospinning doc

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양홍 삼
5 years ago
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1 전기방사 (Electrospinning) 와이를이용한나노섬유상구조 박정호 (LG 화학기술연구원 ) 분석자서문 전기방사 (Electrospinning) 는전기적으로하전된고분자용액및용융물의젯 (jet) 을통해나노섬유를제조할수있는공정이다. 이러한전기방사기술은용매에용융및혼합이가능한모든고분자재료에모두사용하여나노섬유를쉽게제조할수있으며나노섬유의형상및크기의조절이용이하므로의공학등다양한응용분야에적용이가능한기술이다. 비교적간단한구조와저가의장비를이용한다는장점이있으나분자수준의이해와공정및기술적인자들을고려해야하는다소복잡한기술이다. 본논문은전기방사공정의세가지단계, 젯의발생, 연신그리고고상화에대한정보에대해고찰하고전기방사로구현된구조에서얻어질수있는몇가지주목할만한기능성에대해알아본다. 또최근보고된전기방사공정의개선사례그리고의공학및조직공학에서전기방사법을이용한응용에대해서도소개하고자한다. 1. 전기방사 전기방사 (Electrospinning) 는전기장을이용하여 - µm ~ - nm 스케일의직경을갖는연속상의섬유를구현하는방법으로기존에알려진자기조립 (self assembly), 상분리 (phase separa-tion), 주형합성 (template synthesis) 등의방법들에비해간단하고재료의선택에제한이없을뿐아니라형상에기인한높은비표면적, 공극률및구조 / 크기의조절의용이성에기인하는여러가지다양한특성을바탕으로의공학 / 산업적응용에많은관심을받아오고있다. 전기방사장치는그림 1 에서도시한것처럼크게고전압 power supply, 방적돌기 (spinneret) 그리고섬유를수집하는집진판 (collector) 의 3 가지로이루어진다. 펌프를통해고분자용액을일정한속도로유입량을조절하여방적돌기역할을하는노즐을통해토출시킨다. 이때한쪽전극은 power supply 와노즐 (nozzle) tip 을연결하여토출되는고분자용액에전하를주입하여하전시키고 (charge) 반대전극은집진판에연결 ( 대개 ground 접지 ) 한다. 노즐끝단으로토출된고분자표면장력에의해반구형을이루는데, 이때 0 ~ 30 kv 의고전압을노즐 tip 에인가하면다음의두가지 (1) 표면전하사이의상호정전기적반발력, (2) 외부전기장에작용된쿨롱 (Coulombic) 력에의해액상의고분자방울이원뿔 (conical) 형태의 깔대기형상으로연신된다. (Taylor cone 형상 ) 즉, 일단특정세기의전기장이고분자용액과접촉된노즐 tip 에인가되면 +, 또는 의한쪽전하가고분자용액에계속축적되며같은전하의상호반발력에의해고분자용액이가지는표면장력을넘어서면서노즐끝단의반구형상이 Talyor 콘형상의 jet 으로방사-연신되게되는데, 이때반대쪽전하로하전되거나접지된집전판방향으로섬유들이모아지게된다. 방사공정중액상의 jet 이집진스크린에도달하기전에연신및용매의휘발이함께수반되면서집진판상부에무작위적으로배열된미세섬유를얻을수있다. 그림 1. 전기방사셋업의개략도페이지 1/9

2 2. 전기방사의역사적배경 1934년 Anton과 Formhals가정전기력을이용하여고분자필라멘트를제작하는기술에대한일련의특허들을발표하면서전기방사에대한아이디어가제시되었다.[2] 이후 1966년에 Simons가고분자용액의점도에따른섬유의형상을 1969년에 Taylor에의해전기장과고분자용액의방울의표면장력과의균형을이루는깔때기형상의 jet에대한연구를기점으로많은연구자들에의해연구가진행되었다.[3] 3. 전기방사공정의모델링 전기방사공정은 jet 내에서의초고속비선형전기수력학 (electrohydrohynamic) 과유변학, 전하, 물질및열전달등의학문의고도로집결된공정으로크게다음의세가지단계 jet의형성 (initiation), 연신 (elongation), jet에서나노섬유로의고상화 (solidification) 로나뉜다. 3.1 Jet 의형성 (initiation) Talyor는고분자용액방울에외부전기장을인가시키면표면에하전된전하에의해정전기적인반발력이유도되어용액의형상이구형에서원뿔형의깔때기모양으로변형되며특정전기장세기 (V C ) 에서반발력과용액의표면장력이균형을이루어그림 2와같이 49.3 o 의각도를유지함을보였다. 보다센전기장의인가로노즐 tip에서 jet의형성및방사가이루어지는데이때전기장의세기, Vc를다음과같이표현할수있다. 2 2 H 2L V C = 4 ln L R ( 0. πrγ ) 이때, H는 tip과집전판사이의거리, L은노즐튜브의길이, R은노즐튜브의반경 (cm) 을 γ (dyn/cm) 는용액의표면장력을각각나타낸다. 그림 2. 인가된전압에따른노즐끝고분자방울의형상변화 [1] 3.2 Jet 의연신 (thinning) 전기방사에영향을미치는변수로는용액의농도, 유속, 전기장의세기, jet의방사속도및전단유속 (shear rate) 등을들수있다. 단순화된실린더 (cylinder) 모델을고려하여분자량이낮은고분자용액의경우, 용액의유량에따라전기적으로하전된 jet의반경이작아진다. 즉, 유속이느려지면 jet의반경이급속히작아지는반면, 유속이빨라지면 jet의반경감소속도가느려지는관계로부피에따른표면적의비는 jet의반경에반비례하는다음과같은간단한식 A/V =2/R으로표현될수있다. 또한고분자용액의밀도와표면전하밀도가일정하다고가정할때, 질량에따른전하량의비는 jet 반경의증가하면감소하는데 jet의방사공정에따른가속도는질량에대한전하의비에정비례하는다음과같은관계를가진다. a = E q m 이때 a는 jet의방사가속도, E는전기장의세기, q와 m은주어진부피내의전하량과질량을나타낸다 Jet 의불안정성 (instability) 액상의 jet이방사공정을통해집전판으로도달하기전까지여러가지외력에영향을받는다. 방사공정시, 여러가지유체가가지는불안정성으로인해 jet은여러개체로갈라지거나분리되는다소복잡한과정을겪는다. 이는나노섬유로형성되는과정에서연신이나용매의증발로인해 jet의형상및단위면적당전하의변화에의해유발되는현상으로 jet이불안정하게되는단계이다. 페이지 2/9

Jet의표면에국소적으로축적된전하로인해불안정해진 jet은이를해소시키기위해 jet 표면으로부터작은 jet들이방출되어하나의 jet이분리되거나갈라지게된다. (splitting, branching) 이러한현상은주로고농도, 고점도의고분자용액에서주로나타나며드물게높은전기장을인가한방사공정에서관찰된다.

3 Jet의표면에국소적으로축적된전하로인해불안정해진 jet은이를해소시키기위해 jet 표면으로부터작은 jet들이방출되어하나의 jet이분리되거나갈라지게된다. (splitting, branching) 이러한현상은주로고농도, 고점도의고분자용액에서주로나타나며드물게높은전기장을인가한방사공정에서관찰된다. 그러나 jet의불안정성은최종적으로얻어지는섬유의직경을마이크로사이즈에서나노스케일로줄이는데중요한역할을한다. 고분자 jet이매우길고가늘어짐에따라섬유상의고분자 jet 내부의축적된잉여전하를재분배하는데요구되는시간또한길어진다. 이러한잉여전하의분포는연신과정을통해재배치되며전하들사이의정전기적반발력은용매의증발에따라 jet이고형화되기전까지 jet의연신을유도하게된다. 이는놀라울정도로빠른연신및방사속도를부여하며 jet의굽힘, 일련의측방운동을통해나선상의루프를형성하게한다. ( 그림 3) 그림 3. Jet의불안정성의모식도 [4] 3.4. Jet의고형화 (solidification) Jet의고형화는집전판상부에건조된나노섬유가도포되는형태로이루어지는데, 이러한 고형화속도는고분자용액의농도, 인가된전기장의세기와노즐-집전판사이의거리등에의존한다. 4. 전기방사된나노섬유의특성 4.1. 섬유의치수와형태전기방사에의해제조된나노섬유의직경은방사조건에크게좌우되는데, 이중고분자용액의점도가가장결정적인변수가된다. 용액의농도가높으면굵은섬유를얻을수있으며, 일반적으로섬유의직경은고분자용액의농도의제곱에비례한다. 전압은섬유의직경에영향을미치는또다른인자로써높은전압은 jet 내부로더많은양의고분자용액을유입시켜보다큰직경을갖는섬유가얻어지는것이일반적이나이는고분자의기계적성질이나전도도 (conductivity) 에따라다른거동을나타낸다. 가령, 실크 (silk) 와비슷한재질의 bisophenol-a polysulphone는전압의증가에따라섬유의직경이얇아지는경향을보인다. 또고분자용액에소금과같은염 (salt) 을소량첨가하여방사시에토출되는 jet의표면에더높은전하밀도를가지도록제어할경우, 방사된섬유의직경이감소하게된다. 이는높은표면전하밀도는이온의높은이동도 (mobility) 를유도하여 jet 내의높은정전기적반발력을가져와더가는직경의섬유가얻어지도록연신력을크게하기때문이다. 이제는전기장을고정하고고분자용액의유입속도를변화시키는경우를살펴보자. 유입속도가낮으면얇은직경의섬유를, 유입속도를증가시키면굵은직경의섬유를얻는것이일반적이다. 굵은직경의섬유제조에있어용액의유입속도가빠른경우, 노즐의끝분에맺히는방울의크기가커지며방사후집전판에도달했을때도완벽하게용매가증발되지않아최종적으로얻어진섬유층내부에많은구슬 (bead) 형상이나여러가닥의섬유들이서로교차된구조를포함하고있다. 이러한구슬모양의섬유형상은전기방사공정에서여러가지공정변수들에의해영향을받는데, 먼저전기장을증가시키면토출되는 jet의속도가증페이지 3/9

4 가하고고분자용액이노즐끝에서보다재빠르게집전판쪽으로방사되게된다. 이후노즐끝의용액방울의부피가작아져 Taylor cone의그림. 4 poly_d, L-lactic acid의농도에따른전기방사나노섬유의형상 (a) 20 wt%, 구슬형상, (b) 25 wt %, 섬유사이에구슬이끼어있는형상, (c) 30wt % 섬유사이에인장된방추형형상의구슬이끼어있는형상, (d) 35 wt %, 균일한직경의섬유 ) [5] 형상이요동치게되고비대칭적으로변하게되어구슬형상의모양이형성되게된다. 구슬형성에대한고분자용액의농도의영향을알아보면대개높은농도의고분자용액을사용한전기방사의경우, 구슬형상의거의없는균일한섬유를얻을수있다. 이때고분자용액의농도가높아질수록구슬의형상이한쪽방향으로길게늘어진방추형 (spindlelike) 의모양으로변한다. 앞서기술한것처럼용액에소량의염을첨가하여 jet 내부에표면전하의증가를유도하여정전기적인반발력에의한높은연신력을통해구슬형상의섬유상구조를방추형으로변화시킬수도있다 공극률 (porosity) 전기방사에의한섬유는기존의다른기술로는얻을수없는매우가는직경과높은단위부피당비표면적을가질수있는데, 특히다공성의섬유표면은다양한응용분야의적용을가능하게할수있다. 전기방사에의한섬유는두가지종류의공극 (pore), 즉섬유내부혹은표면에공극을가지거나섬유들이 서로얽혀섬유상의막 (membrane) 형상으로섬유들사이의간극에의한공극으로나눌수있다. 분자체 (molecular sieves) 와같은다공성 (mesoporous) 물질과비교해볼때, 전기방사섬유는비표면적은작지만삼차원네트워크구조로상호연결된공극의크기는상대적으로크다. 이러한공극의크기와공극률은막의성능을결정짓는중요한변수로서공극률은막을가로질러흐를수있는정도를나타내는데반해공극의크기는특정물질이막을통해스며들수있는정도를결정짓는다. 높은비표면적으로세포들의침투 (cellular infiltration) 에용이할수있는나노섬유의공극률은의공학분야의응용에많은연구가진행된바있다. 공극의크기또는공극률을증가시키거나조절하는방법으로몇몇의연구그룹들에의해고분자용액에다른용해도를가지는입자나고분자를혼합하여얻은섬유를제조한후선택적으로한가지성분을녹여제거하는형태로공극의크기나공극률을조절할수있다 표면구조 전기 방사를 통해 제조된 섬유의 표면은 일반적으로매우매끈하지만이또한전기방사 공정조건에의해영향을받는다. 낮은점도의 고분자 용액을 사용하여 높은 전기장을 인가하여제조된섬유는섬유상에구슬형태의 입자들이 존재하며, 높은 점도의 고분자 용액에의해제조된직경이균일한섬유의 표면에비해매우거칠어짐을알수있다. 또한전기방사에의한섬유의단면은대부분 원형이나종종납작한리본 (ribbon) 형의섬유가 형성되기도 하는데, 이는 높은 분자량의 고분자, 높은 농도로 용액에서 발견되는 현상이다. 비교적 높은 점도의 고분자 용액에서의 용매의 증발 속도는 느리며 상당량의용매를함유한상태에서집전판으로 도달하기때문에이때의물리적인충격으로 인해 jet 의표면에형성된고분자의최외각 표면이 붕괴되면서 납작한 리본 형태를 가지면서고형화된다. ( 그림 5) 페이지 4/9

5 전기방사공정을이용해나노섬유의기능및특성을증대시킨몇가지괄목할만한연구결과들을소개하고이러한방법을통해형성된나노섬유를지지체 (scaffold) 로사용하여바람직한물리적, 생물학적특성을도출할수있는예를알아보고자한다. 5.1 동축전기방사 그림 5. hemoglobin in 2,2,2-Trifluoroethanol, 농도에따른전기방사섬유의형상 ( 리본형상 ) (a) 150 m,(b) 175, (c) 200, (d) 225 mg/ml [6] 4.4 나노섬유의고분자체인배열및결정화도 고전압으로하전된 jet 에의해빠른속도로연신됨과동시에빠른용매의증발에의해형성된나노섬유내부의고분자의체인들은공정의특성상섬유형성과정에서매우강한전단응력 (shear force) 을겪는데, 이는 ~10 4 s 정도의높은인장속도 (strain rate) 에해당한다고알려져있다. 방사공정에서고분자의연신흐름 (elongation flow) 은연신방향으로고분자체인들의배향 (orientation) 을유도하는데, 빠른연신및고상화는고분자체인들이가장안정한평형상의배열 (equilibrium conformations) 로되돌아가는형태로이완 (relax) 되는것을방해한다. 이에따라전기방사에의한나노섬유는고도로정렬된분자배향을갖는데, 이는광학현미경이나원자힘현미경 (Atomic forced microscopy) 을사용하여전기방사섬유의표면층의분석을통해고분자체인의정렬정도를확인할수있다. 또한전기방사공정의빠른연신과고상화로인해고분자의결정화도에영향을미칠수있는데, 연신된고분자체인들이결정화를이룰수있는충분한시간이주어지지않아결정화도가떨어지게된다. 동축전기방사 (coaxial electrospinning) 공정은그림 6 에서나타낸것과같이두가지고분자용액을내부에삽입된노즐과외부노즐을통해독립적으로토출시키면서전기방사를수행하는방법으로두고분자용액이서로섞이지않으면서전기장에의해 jet 이형성및연신되어코어-쉘형태의나노섬유를얻을수있다. 이경우두개의고분자용액은서로섞이지않도록적절한용매및고분자를선택하는데, 예를들어내부노즐을통해코어에해당하는물질로써미네랄오일을주입하고외부노즐을통해에탄올용매에수용성고분자 polyvinylpyrrolidone (PVP) 와티타늄산화물, TiO x 유도체인 Ti(OiPr)4 의혼합물을주입하여전기방사를수행한다. 이두가지용액은서로섞이지않으며쉘에해당하는물질은에탄올의증발과함께티타늄산화물유도체가공기중의수분에의한수화반응 (hydrolysis) 과축합반응 (condensation) 을통해티타늄산화물의형성으로고상화가이루어진다. 추후에소결공정을통해속이빈중공티타늄산화물나노섬유을제작할수있다.[7] 이러한동축전기방사에의한코어- 쉘나노섬유는코어와쉘의물질이가지는기능을모두발현할수있는응용을이끌어낼수있는데, 특히약물전달, 생체활성조직공학및생화학센서등의응용에사용될수있다. 5. 전기방사의기술적혁신및 개선 페이지 5/9

2 Multilayer and mixed 전기방사 혼합 (Mixed) 전기방사는그림 7에서나타낸것과같이두가지이상의다른고분자용액의유량을독립적으로조절하면서하나의노즐을통해방사하는방법이며다층- 혼합 (multilayer and mixed) 전기방사의경우, Kidoaki에의해서세개의다른고분자, 분절된폴리우레탄, 스타이렌치환된젤라틴, 인공혈관으로사용될 Type1

6 산 (hyaluronic acid, HA, 생체적합성및안정성이우수한필러 ) 의전기방사에사용되는방법으로고분자 jet이형성되는노즐의동심원상으로공기의흐름이집진판으로향할수있도록전기방사장치에송풍기를설치해주는비교적간단한방법이다. 송풍기에히터를부가적으로도입하여뜨거운공기를흘려주어히알루론산의점도를낮춰주는효과와함께용매의증발을향상시킬수있는데공기의송풍량과온도의조절을통해방사되는섬유의치수를제어할수있다. 그림 6. 코어-셀나노섬유를제조하기위한동축전기방사실험셋업 [8] 5.2 Multilayer and mixed 전기방사 혼합 (Mixed) 전기방사는그림 7에서나타낸것과같이두가지이상의다른고분자용액의유량을독립적으로조절하면서하나의노즐을통해방사하는방법이며다층- 혼합 (multilayer and mixed) 전기방사의경우, Kidoaki에의해서세개의다른고분자, 분절된폴리우레탄, 스타이렌치환된젤라틴, 인공혈관으로사용될 Type1 콜라겐이함유된 scaffold를제조하는데최초로시도되었다. 결과적으로집진판에순차적으로방사된세층의고분자로이루어진섬유상의망사조직을얻을수있다.[9] 이러한다층-혼합방사기법에서는다양한생체고분자 PCL, PLA, PDO, poly_glycolide-co-trimethylene carbonate, gelatin, elastin 등을사용하여생체기능성을확보하고자하는노력들이계속되고있다. 그림 7. 3 개의물질을이용한혼합전기방사의모식도 [10] 그림 8. Forced air assisted 전기방사의실험모식도 [11] 5.4 Air gap 전기방사 Huang이처음으로방사된나노섬유의정렬을위해서 jet의하부에사각형프레임을사용한이후, 일정한간격을가지는집적판을사용하여고도로정렬된나노섬유를얻기위한방법들이연구되어왔다. 그림 9에서나타낸것과같이고분자 jet이형성되는노즐과같은거리에한쌍의전도성집전체를일정한거리를두도록위치시키면전기장에의해 jet이이들집전체사이를가로지르며방사및연신과정이일어나게되며두집전체사이에정렬된나노섬유들이형성되게된다. 이때각각의섬유들은방사시에상호간의반발력에의해어느정도균등한간격으로배열된다는특징이있다. 이방법을이용하면나노섬유형방사물이평행한집전극의구조에따라비슷한크기와형상을가진다. 5.3 Forced air 전기방사 이기술은희박농도에서도높은용액점도와표면장력으로인해기존의방법으로는전기방사를할수없었던수용액상히알루론 페이지 6/9

7 그림 9. Air-gap 전기방사셋업의모식도 [12] 6. 조직 / 재생의공학적응용 6.1 조직공학용고분자 scaffolds 전기방사에의한나노섬유가가장신속히접목된응용분야중하나는재생의학분야이다. 일반적인조직공학적접근법은전기방사섬유의망상구조를세포가기대어자랄수있는지지체 ( 스캐폴드, scaffold) 로세포외기질대용 (ECM, extracellular matrix analogs) 으로사용하는것이다. 전기방사로구현된스캐폴드는세포의고착 (anchorage), 이동 (migration), 증식 (proliferation) 에용이하여 3차원형상으로조직의복제및재생이가능하게할수있다. 섬유상의스캐폴드는서브마이크로스케일의섬유직경, 높은비표면적및공극률, 다양한공극크기의분포와형상등의조절이용이하여생체모방적 (biomimetic) 특성의구현이가능하다. 또한원하는특성과기능성을만족할수있도록스캐폴드의조성과형상을조절할수있다는장점을바탕으로조직공학적응용에많은관심들이조명되어왔다. 이에세포와전기방사나노섬유매트릭스간상호작용에대한여러연구들이진행되어왔다. 우선섬유의구조에관련하여살펴보면나노섬유의직경이작아질수록생체적합성이향상된다는연구들을들수있는데, 전기방사에의해얻어진 80 ~ 500 nm 정도의직경을갖는나노섬유가세포외기질의구조적특성에적합하다는내용이다. 세포증식에영향을미치는또다른중요한인자로써섬유상스캐폴드의공극도및기공의평균치수를들수있는데, 세포의종류에따라최적의공극 크기는 20~100 μm 정도로, 이는세포들이섬유 상스캐폴드의깊이방향으로약 100 μm 정도 범위내에서만쉽게이동할수있기때문이다. 나노섬유의배향에따른세포의거동에 대한연구들도상당부분진행된바있는데, 세포들이나노섬유의배향방향을따라서 증식한다는것이다. 또한배향된나노섬유의 경우, 무작위로 배열된 나노 섬유 스캐폴드에서보다세포외기질 (ECM) 의성장 또한증대된다는연구들도발표된바있다. 몇 가지 천연, 합성 고분자를 이용한 전기방사로 경질, 연질 조직의 제조에 사용되어 왔으며 천연 고분자는 대개 수화 (hydration) 에 의한 충분한 강도를 얻지 못하는데반해합성고분자의경우, 가교나 혼합을통해기계적안정성을개선시킬수 있다. 인체에서가장풍부한단백질은콜라겐이다. 섬유상의 콜라겐은 흥미 있는 생물학적 구조학적특성을가지는데, 이는힘의전달, 에너지의 분산 및 기계적 충격의 감소를 가져옴과 동시에 물과 높은 친화력, 낮은 항원성 (antigenicity), 탁월한 세포 적합성을 보인다. 여러연구그룹에서콜라겐타입 I, II, III, IV 를기반으로여러조성의천연, 합성 고분자와의 혼합물을 전기방사법을 이용한 나노섬유를구현하고혈관, 피부, 연골, 뼈, 인대및신경조직으로의응용에대한연구를 진행한바있다.[1] 이외에도탄성, 복원력을 갖는 세포외 기질의 가교 조직인 엘라스틴 (Elastin) 을이용한연구도혈관조직을 위한스캐폴드로써활발히진행되고있다.[13] 6.2 약물방출용나노섬유 약물방출 (drug release) 시스템은몇가지 기능을 수행할 수 있어야 하는데, 약물의 분해를막고타깃조직에원하는기간동안 일정한방출속도를가지고약물을방출할수 있도록제어가가능해야한다. Kenawy 는 poly_ethylene-co-vinyl acetate(peva), Polylactic acid (PLA) 의 1:1 혼합물의전기방사매트를 이용해 tetracycline hydrochloride 의방출실험을 수행하여 PLA 또는 PEVA 와의혼합조성에 비해 PEVA 를이용한섬유매트에서약물 방출이가장빠름을관찰하였다. 두고분자의 페이지 7/9

8 조성을통해방출속도가조절될수있음을 보임으로써 전기방사에 사용되는 고분자의 선택에따라약물방출기작 (kinetics) 을 제어할수있다는연구결과를발표하였다.[14] 고분자의종류및조성이외에도약물 방출에있어크게영향을미치는인자로써 섬유의형태 (morphology) 와약물과의상호작용 그리고섬유내에서의약물의농도등을들수 있는데, 약물의농도가높을수록보다많은 양의약물이나노섬유의표면에존재함으로써 섬유 표면의 파열에 따른 약물의 방출을 유도할수있다. 전기방사를 이용한 약물 방출 실험의 사례들을 몇 가지 살펴보면 다음과 같다. paclitaxe 이라는 비 수용성 항암제와 rifampin 이라는결핵예방제를 PLA 와함께 전기 방사를 이용해 제작된 나노섬유는 proteinase K 의존재하에서약물의방출이 시간에 따라 선형적으로 진행된다. 이는 proteinas 에의해 PLA 고분자가분해됨에따라 약물의방출이일어나는형태이다.[15] 친수성의항암약물인 doxorubicin 은전기 방사에의한나노섬유매트상에서급작스런 약물방출이일어나는데이는나노섬유에 사용된 PLA-co-PGA copolymer 고분자에비해 상대적으로친수성인 doxorubicin 이방사공정 및 고형화 단계에서 상분리되어 표면으로 몰리기때문이다. 이러한문제는물과기름의 혼합물인에멀전을이용하여해결할수있는데, 약물은 수용액 상에, 고분자는 기름 상에 존재하게 된다. 이 에멀전을 이용한 나노 섬유에서의 약물 방출의 거동은 초기에 섬유에서의확산작용에의한급작스런방출 이후 proteinase K 에의한고분자의분해로 시간에따라선형적인방출을보이게된다.[16] 앞서기술했던동축전기방사기법도약물 전달시스템에응용될수있는데이러한경우, 코어부분에약물이내재되고쉘, 즉껍질이 섬유외부로의약물의확산을조절하게된다. 동축전기방사를이용한약물전달시스템의 응용에대한몇가지사례를소개하면다음과 같다. Huang 은 PCL(polycaprolactone) 을껍질로 사용하고 Resveratrol 과 Gentamycin Sulfate 를 코어물질로사용하여동축전기방사를통해 섬유 매트를 구현했는데, 초기에 급작스런 코어부의약물방출없이방출속도가제어됨을보였다. [17] 이외에도외부환경 ph 나온도에민감하게반응하는고분자약물전달시스템에대한연구도진행된바있는데, Chunder 는두가지고분자전해질, polyacrylic acid(paa) 와 poly allylamine hydrochloride(pah) 를사용하여나노섬유화된매트를구현하여 ph 에따른 methylene blue 의방출정도를관찰하였다. 이는각각수용액상에서약한음전하와양전하를가지는고분자로써 ph 에따라고분자내의정전기적인력의변화를유발시켜고분자체인의풀어짐정도를변화시킬수있다. 고분자체인의공극의변화를통해고분자내부에내재된약물의방출을유도할수있는방법에대한가능성을보인결과이다.[18] 이외에도열에반응하여고분자의공극의변화를유도할수있는물질을나노섬유표면에도입한연구결과도발표된바있다. 7. 결론 나노미터스케일의물질및그의특성에대한관심이증대함에따라최근몇년간전기방사에관련한연구들이급격히증가하고있다. 간단한방사기술및집전판의개선을통해여러다른조성및복잡한형상을갖는구조나이에기인한개선된특성들을얻을수있다. 전기방사에의한고분자나노구조는의약, 섬유, 광전소자, 센서기술, 촉매및여과분야에잠재적인응용가능성을가지지만, 아직은이러한실제적인응용에있어여러가지제약들이남아있는데, 100nm 이하의균일한직경을갖는나노섬유의구현이어렵다는점, 전기광학적특성을가지는공액계 (conjugated) 고분자반도체물질의경우낮은분자량이나낮은용해도에의해전기방사가용이하지않은점등전기방사나노섬유의형태나크기의정교한조절을위해서는많은연구가진행되어야한다. 이밖에조직공학적응용에있어서도 2 차원망상구조에서 3 차원구조물의구현을위해기술적인진보가있어야할것이다. 또한나노섬유의생산에있어실험실스케일에서벗어나상업화를염두에둔대량생산에있어서도아직많은개선의여지가남아있다. 페이지 8/9

9 Reference 1. Grag, G. L. Bowling, E. Biomicrofluidics,. 2011, 5, F. Anton, U.S. Patent No , F. Anton, U.S. Patent No , F. Anton, U.S. Patent No G. Taylor, Proc. R. Soc. London, Ser. A 1969, 313, D. H. Reneker and H. Fong, Polymeric Nanofibers American Chemical Society, Washington DC, Zong et al., Polymer, 2002, 43, Barnes et al., Journal of Engineered Fibers and Fabrics 2006, 1, D. Li and Y. Xia, Nano Lett. 2004, 4, Zhang et al., Chem. Mater. 2004, 16, S. Kidoaki, I. K. Kwon, and T. Matsuda, Biomaterials 2005, 26, M. J. McClure, S. A. Sell, D. G. Simpson, B. H. Walpoth, and G. L. Bowlin, Acta Biomater. 2010, 6, Um et al., Biomacromolecules 2004, 5, Jha et al., Acta Biomaterialia, 2010, 7, 203,. 13. E. D. Boland et al. Encyclopedia of Biomaterials and Biomedical Engineering, 2004, p E.-R. Kenawy et al., J. Controlled Release 2002, 81, J. Zeng et al. J. Controlled Release 2003, 92, 227, Zeng et al. J. Controlled Release 2005, 105, X. Xu et al., J. Controlled Release 2005, 108, Z.-M. Huang et al. J. Biomed. Mater. Res. Part A 2006, 77A, A. Chunder et al. Colloids Surf., B 2007, 58, 172 페이지 9/9

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