Biomaterials Research (2008) 12(4) : 161-166 Biomaterials Research C The Korean Society for Biomaterials 칼슘알지네이트부직포의제조및특성분석 Preparation and Characterization of Calcium Alginate Nonwovens 이수복 1 김원근 1 노드레 2 정동준 2 이범훈 1 * Soo Bok Lee 1, Won Keun Kim 1, Deule Roh 2, Dong June Chung 2, and Bum Hoon Lee 1, * 1 텍산메드테크부설연구소, 2 성균관대학교고분자시스템공학과 1 R&D center of Texanmedtech. Co. Ltd., Siheung, Kyunggi-Do, Korea 2 Dept. of Polymer Sci. & Eng., Sungkyunkwan University, Suwon, Korea (Received November 6, 2008/Accepted Novermber 18, 2008) The objective of this study was to develop manufacturing conditions for the production of calcium alginate fiber and nonwoven with different M/G ratio. The tenacity and elongation of calcium alginate fibers were suitable for needle punching process. The absorbency of needle punched calcium alginate nonwovens made from mannuronic acid rich type and guluronic acid rich type were 15.4 g/g, 17.7 g/g, respectively. There were no significant decreases in cell viability compared with commercial calcium alginate wound dressing materials. Key words: Alginate, Calcium alginate fiber, Nonwoven, Wound dressing, Biomaterials 최 서 근, 섬유소재에대한사회적인요구는빠르고다양하게변화되고있으며, 이에맞추어의류용에서산업자재용을비롯한비의류용으로그용도가확대되고있는실정이다. 섬유소재의물성이나기능적특성역시사용목적에맞게고성능, 고기능화로발전하고있다. 1) 이런사회의흐름에맞추어삶의질적향상을위한연구개발은질병을진단하거나치료에사용되는의료용재료에까지이르렀다. 의용재료로서의섬유소재는조성이다양하고, 물리, 화학적으로기능성기를도입할수있기때문에근래에인공장기, 혈관, 피부등생체재료로의응용연구가활발해지고있으며, 인체안정성을고려하여천연유래생분해성섬유소재에대한관심도높아지고있다. 2) 알긴산은해양생물의하나인갈조류의세포막과세포막간물질을구성하는해조다당류의일종으로만루론산 (M) 단위의블록, 글루론산 (G) 단위의블록및그중간의 MG 단위의블록이 1,4-글리코시드로구성된직쇄의공중합체이다. 알긴산의물리화학적특성은 M/G 비율과분자들의배열상태, 분자량의차이에의하여점도, 용해도, 이온교환능등의물성에영향을받는것으로알려져있으며그구조는 Figure 1과같다. 3) 알긴산은분자속에우론산의카르복시기 (-COOH) 가있으므로산의성질을나타내는데, 보통은나트륨염형태로이용되고있으며염화칼슘용액을응고욕으로방사하면쉽게섬유화될수 론 * 책임연락저자 : denys@texanmedtech.com 있는것으로알려져있다. 4) 특히, 인체에무독성이며가공하기가쉽고, 물에용해되어고점성을나타내므로식품, 의약품, 섬유공업에서사용되고있으며, 금속염과가교결합을형성하여겔을유도하게되므로이를이용하여최근에는창상피복재 (Wound dressing) 로서키틴, 키토산등과함께천연고분자물질로관심을받고있다. 5) 칼슘알지네이트섬유는 1850년대중반이후유럽을중심으로개발되었고 1980년대칼슘알지네이트부직포가개발되면서부터창상피복재용소재로의적용이시도되었으나, 취약한기계적강도에기인하는물성저하로인하여임상적적용으로의확대가활발하게전개되지못하였다. 따라서본연구에서는칼슘알지네이트의겔화특성조절을통한기계적물성보강을통하여상처치유속도및감염율감소를추구하기위한기능성칼슘알지네이트부직포를개발하기위해, 만루론산과글루론산의함량이다른알긴산나트륨을사용하여 2종의겔화칼슘알지네이트단섬유를제조하였으며니들펀칭방법으로칼슘알지네이트부직포를제조한다음, 이들부직포들의흡수성, 강신도, 세포독성등의물성을비교분석하여, 창상피복제로의적용가능성을검토하고자한다. 재료및방법 재료및시약알긴산나트륨 (Alginic acid, sodium salt) 은국내외 10 여종의시약을구매하여사용하였으며이중점도, 분자량분포, 161
162 이수복 김원근 노드레 정동준 이범훈 Figure 1. Chemical Structures of Sodium alginate (a), and Calcium alginate (b). 반복단위의구성비등을고려하여방사성이우수하고글루론산과만루론산의함량이다른 2 종의대표적원료를선정하여실험에사용하였다. 응고욕에사용된염화칼슘 (CaCl 2 2H 2 O, SAMCHUN) 및기타시약은시약급을그대로사용하였다. 또한대조군으로 Smith & Nephew 사의 Algisite M TM 과 ConvaTec 사의 Kaltostat TM 를구매하여제조된부직포의물성과비교하였다. 칼슘알지네이트섬유및부직포제조 4% 알긴산나트륨용액을제조하여중성을유지하며기포를제거하고 Dope 조에넣고직경 0.1 mm 인 6,000 Hole 노즐을이용하여 3.5 데니어의섬도가되도록기어펌프로토출량을조절하여습식방사를실시하였다. 이때의연신비는 1.1 로고정시켰으며권취속도는 10 m/min 으로하였다. 응고욕은 1M 염화칼슘용액을사용하였다. 이후수세를통하여미반응염을제거하고, 상온에서 24 시간건조하여만루론산의함량이많은 TM-MF, 글루론산의함량이많은 TM-GF 인두종류의칼슘알지네이트섬유를얻었다. 방사조건은다음식에의하여설정하였다. c = ------------ d 100 9000 100 --------------------- + W V ---------------- 100 t 100 --------- 100 sk d : denier c : 토출량 (g/min) W: 공정수분율 V: 방사속도 (m/min) t: 사수축률 + 슬립율 s: 비중 K: 방사원액농도 습식방사로제조된칼슘알지네이트섬유를인치당 10~12 개의크림프가들어가도록한후평균길이 51 mm 로커팅하여단섬유를제조하였다. 커팅된칼슘알지네이트섬유를사용하여오프닝, 카딩, 래핑, 니들링공정을거쳐최종적으로단위면적당중량이 140 g 이되도록조절하여 TM-MF 로제조된 TM-MN 과 TM-GF 로제조된 TM-GN 인두종류의칼슘알지네이트부직포를제조하였다. 칼슘알지네이트섬유의물성 JSM-5550(JEOL) 주사형전자현미경을사용하여제조된칼슘알지네이트섬유의표면과단면을관찰하였고, INCA(OXFORD) 및적외선분광분석 Illuminat IR(Sensir Technologies) 을사용하여칼슘알지네이트섬유를확인하였다. 제조된섬유의물성은칼슘알지네이트섬유를표준상태에 24 시간방치후, 각시료당 10 개의시편을제작하여 Automatic Fibre Test System FAVIMAT-ROBOT(TEXTECHNO) 를사용하여로드셀 210 cn, 파지거리 15 mm, test speed 15 mm/min 로강신도를측정하였다. 칼슘알지네이트부직포의물성 UTM(OTT-011, ORIENTAL) 을사용하여로드셀 100 cn, 파지거리 200 mm, test speed 100 mm/min 로제조된부직포와시판칼슘알지네이트섬유드레싱제품의물성을각시료당 10 개의시편을제작하여기계방향 (MD) 과수직방향 (CD) 으로각각측정하였으며, 흡수성은 BS EN 13726-1( Test methods for primary wound dressings ) 의방법으로실시하여비교분석하였다. 칼슘알지네이트부직포의세포독성제조된칼슘알지네이트부직포의세포독성을평가하기위 Biomaterials Research 2008
칼슘알지네이트부직포의제조및특성분석 163 하여 L-929 cell 을하루동안배양한후 MTT assay 로 cell viability 를조사하여, 대조군칼슘알지네이트섬유드레싱제품과비교분석하였다. 이때용출액은각부직포샘플들 ( 각시료당 5 개 ) 을 0.5 g 씩 weighing 하여하루동안 UV 멸균시키고 PBS 30 ml 를첨가하여얻었으며 control 로는 medium 에시편용출액대신동량의 PBS 를첨가한것을사용하였다. 결과및고찰 칼슘알지네이트섬유의물성알긴산나트륨의농도가증가함에따라대부분급격한점도의증가를보이고있으며높은점도로인하여 8% 이상의고농도로제조하는것이불가능하였다. 비교적높은점성을보이는시료용액의경우적은농도로높은점도를요구하는경우에는유용하게사용할수있으나, 원료가저농도로용해되어있기때문에토출량을일정정도이상높이기힘든단점이있으므로섬유를제조하기위한원료로서는바람직하지않다. 한편저점도의시료용액의경우에는원료를고농도로용해할수있는장점이있으나대부분분자량이낮은원료가많으므로섬유를형성하기힘든경우가많다. 따라서, 섬유를형성하기에적당한점도와분자량을동시에갖춘원료가사용되어야한다. 따라서본연구에서는알긴산나트륨을대상으로점도, 분 Table 1. Properties of sodium alginate powders M type G type %M %G 70 55 30 45 Molecular weight Mn 130,300 174,250 Mw 521,100 552,400 PDI 4.0 3.2 자량분포및단량체의구성비등을분석하고시험방사를통하여방사성 (spinnability) 이우수한원료를선정하였으며그특성을 Table 1 에나타내었다. 칼슘알지네이트섬유의 FT-IR spectrum 을확인한결과 1586 cm -1 에서특성기인카르복실기피크를확인할수있었으며다당류특성으로 3000 cm -1 이상에서넓은수산기피크를확인할수있었다. 또한 Figure 2 에나타낸바와같이 EDAX 측정결과알긴산나트륨원료에서나타나는나트륨이온의피크가칼슘이온으로치환되었음을확인할수있었으며 ICP method 로섬유내부에잔류하는칼슘이온과나트륨이온의함량을확인한결과 TM-MF 의경우 98%, TM-GF 의경우 99.8% 로확인되었다. 따라서대부분의나트륨이온이칼슘이온으로치환되었음을확인할수있었으며글루론산의단량체가많은경우에칼슘이온의함량이높은것은분자구조상배위결합을용이하게하는구조를가지고있기때문인것으로판단된다. 7) 한편 Algisite M TM 과 Kaltostat TM 은각각 96.3%, 86% 를나타내었다. Figure 3 는제조된칼슘알지네이트섬유의전자현미경사진이다. 단량체를구성하고있는만루론산과글루론산의구성비에따라미세한차이를보이고있으나매끈한표면을가지고라운드형태의단면을갖는전형적인습식방사형태의섬유형상을가지고있음을확인할수있었다. TM-GF 의강신도는각각 1.8 g/d, 10.6%, TM-MF 의강신도는 2.0 g/d, 12.4% 으로비교적우수하여부직포를제조하기위한충분한강신도를가짐을확인할수있었다 (Table 2). 글루론산단량체가많은경우칼슘이온의강한결합으로인하여만루론산단량체가많은섬유에비하여분자간가교의정도가높으므로, 좀더경직된형태를보이며이에따라신도가떨어 Figure 2. EDX curves of sodium alginate powder (a) and calcium alginate fiber (b). Peak heights of C, O, Na and Ca are 542, 637, 487 and 120 cts respectively. Vol. 12, No. 4
164 이수복 김원근 노드레 정동준 이범훈 Figure 3. SEM micrographs ( 1,000) of TM-GF surface (a), cross section (b), TM-MF surface(c), cross section (d). Table 2. Physical properties of calcium alginate fibers Linear Density (Denier) Tenacity (g/d) Elongation (%) TM-GF 3.5 ± 0.23 1.8 ± 0.02 10.6 ± 2.31 TM-MF 3.4 ± 0.47 2.0 ± 0.15 12.4 ± 1.88 지고 강도가 낮게 나타나는 것으로 판단된다. 이러한 현상은 면섬유제품을 가교처리하는 수지 가공의 경우에도 셀룰로오스 분자간의 가교에 의한 강도의 저하 현상과 유사한 경향을 나 타내는 것으로 보인다.8) 칼슘 알지네이트 부직포의 물성 매끄러운 표면을 가지는 섬유는 부직포 제조공정에서 섬유간 의 미끄러짐으로 인하여 웹을 형성시키기 힘들기 때문에 일반 적으로 크림프를 주어 섬유간의 미끄러짐을 방지하고 엉김을 일으킬 수 있는 형상으로 변화시키는 것으로 알려져 있다. 따 라서 본 연구에서 제조한 칼슘 알지네이트 섬유를 인치당 10~12개의 크림프가 들어가도록 조절한 후 평균 길이 51 mm로 커팅하여 크림프를 가진 단섬유를 제조하였다. 제조 된 칼슘 알지네이트 단섬유를 사용하여 오프닝, 카딩, 래핑, 니 들링 공정을 거쳐 최종 단위면적당 중량이 140 g이 되도록 조 절하여 TM-GF로 제조된 TM-GN과 TM-MF로 제조된 TMMN인 두 종류의 칼슘 알지네이트 부직포를 제조하였다. 웹 형 성시 일반 섬유에 비하여 경직성이 높은 칼슘 알지네이트 섬 유의 특성상 니들링은 비교적 마일드한 조건으로 실시하였다. Table 3은 제조된 부직포의 물성을 나타낸 것이다. 흡수성은 KaltostatTM, TM-MN, TM-GN, Algisite MTM이 각각 19.9, 17.7, 15.4, 15.1의 순으로 부직포의 중량 대비 15배 이상 흡수하여 비교적 우수하게 나타났다. 일반적으로 칼슘 알지네 이트 드레싱의 흡수성은 섬유를 구성하고 있는 단량체의 종류 및 칼슘과 나트륨이온의 비에 따라 차이가 있는데 만루론산 단 량체의 함량이 많을수록, 칼슘 이온에 대한 나트륨 이온의 비 가 높을수록 흡수성이 높은 것으로 알려져 있다.6) 따라서 TMNM이 TM-GM에 비하여 높게 나타나는 것으로 생각되며 KaltostatTM의 경우에는 섬유 내부에 존재하는 나트륨 이온의 비가 타 부직포에 비하여 월등히 높기 때문에 흡수성이 가장 Table 3. Physical properties of calcium alginate nonwovens Kaltostat Algisite M TM-GN TM-MN Strength (N) MD 2.00 ± 0.14 3.41 ± 0.33 8.63 ± 1.18 5.57 ± 1.54 CD 0.74 ± 0.23 5.37 ± 1.57 6.87 ± 1.23 4.32 ± 0.98 Elongation (%) MD 24.0 ± 2.11 101.6 ± 5.21 77.2 ± 6.31 80.3 ± 4.87 CD 38.0 ± 2.54 45.6 ± 2.22 65.0 ± 4.02 48.5 ± 4.55 19.9 ± 0.87 15.1 ± 0.54 15.4 ± 1.33 17.7 ± 2.54 Absorbency (g/g)* Biomaterials Research 2008
칼슘 알지네이트 부직포의 제조 및 특성 분석 165 Figure 4. Micrographs ( 150) of calcium alginate nonwoven surface; KaltostatTM (a), Algisite MTM (b), TM-GN (c), TM-MN (d). 멸균후 30 ml의 PBS 용액에 첨가하여 용출액을 얻은 다음 섬 유아세포(L-929)를 하루 동안 배양한 후 적정 농도에서 cell viability를 MTT assay로 측정한 결과 KaltostatTM, TM-MN, TM-GN, Algisite MTM의 순서로 시판 제품에 대비하여 세포 의 생존률이 비교적 우수한 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서 제조된 칼슘 알지네이트 부직포는 세포 독성이 미 약한 것으로 판명되어 창상피복재로 적용할 수 있을 것으로 기대된다. Figure 5. Cell (L-929) viability of calcium alginate nonwovens; MTT assay after culture for 1day. 높게 나온 것으로 판단된다. 기계적 물성은 시판 제품인 Algisite MTM과 KaltostatTM에 비하여 비교적 높은 강력과 신장률을 나타내었으며, 이러한 물 성의 차이는 부직포의 형태를 확인한 현미경 사진을 통해서도 확인할 수 있는데 본 연구에서 제조한 부직포에서는 섬유간의 엉김이 비교적 많이 관찰되었으나 장력이 제일 낮았던 KaltostatTM는 섬유간의 엉김이 비교적 없는 것으로 나타났다 (Figure 4). 또한 기계방향 및 수직방향의 편차도 비교적 적게 나타났는데 이는 웹을 제조할 때 카딩 되어 나오는 섬유를 서 로 수직방향으로 교차하여 적층하는 크로스래핑 방식으로 부직 포를 제조하여 섬유의 배향이 서로 기계방향에 수직으로 적층 되어 있기 때문으로 판단된다. 제조된 칼슘 알지네이트 부직포의 세포 독성을 평가하기 위 하여 MTT assay를 이용하였다. 각각의 부직포 0.5 g을 UV 결 론 만루론산과 글루론산의 비율이 다른 천연고분자 알긴산 나트 륨을 원료로 사용하여 습식방사를 통하여 강도 1.8 g/d, 신도 10.6% 이상인 칼슘 알지네이트 섬유를 제조하였으며 니들펀칭 공법을 사용하여 칼슘 알지네이트 부직포를 얻을 수 있었다. 글루론산의 비율이 높은 부직포에 비하여 만루론산의 비율이 높은 칼슘 알지네이트 섬유로 구성된 부직포의 흡수성이 우수 하였으며 세포 독성을 간접적으로 평가한 결과 시판 칼슘 알 지네이트 드레싱 제품과 큰 차이를 보이지 않는 것으로 확인 되었다. 감사의 글 본 연구는 2007년도 지식경제부 중기거점기술개발사업( 습윤 성 창상피복재의 소재 및 제품개발 ; 10030020)의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다. Vol. 12, No. 4
166 이수복 김원근 노드레 정동준 이범훈 참고문헌 1. X. Tao (Eds.), Smart fibres, fabrics and clothing, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, England, 2000. 2. D. Y. Lim and E. l. K. Choe, Recent development trend on medical devices based on 3-Dimensional textile structure, J. Biomed. Mater. Res., 12(2), 64-70 (2008). 3. R. A. A. Muzzarelli, Natural chelating polymers, Pergamon press, Oxford, England, 1973. 4. W. S. Jonh and C. Woodings, Fibres related to cellulose, in Regenerated cellulose fibres, C. Woodings(ed.), Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, England, 2000, pp. 168-171. 5. Y. Qin, The Characterization of Alginate Wound Dressings with Different Fiber and Textile Structures, J. Appl. Polymer Sci., 100, pp.2516-2520(2006). 6. Y. Qin, The gel swelling properties of alginate fibers and their applications in wound management, Polym. Adv. Technol., 19, 6-14 (2008). 7. A. Haug and O. Smidsrod, Effect of divalent ions on solution property, Acta Chem. Scand., 19, 341-351 (1965). 8. K. C. Gupta and P.C. Metha, Highly Active Catalysts for Wrinkle-Resistance Finishing of Cellulosic Textiles, Text. Res. J, 41, 75-76 (1971). Biomaterials Research 2008