서
론
Carboxylmethylcellulose (CMC)는 glucopyranose mono-mer의 hydroxyl group 중 carboxymethy group 결합을 가 지는 세포성 물질이다 (Sanford and Baird 1983). CMC는 식품 산업에서 점증제와 결합제로 이용되고, 석유 산업 에서 윤활유로, 우주 산업에서 안정제와 결합제로 이용 되는 등 매우 넓은 범위에서 사용되고 있다 (Yang and
Zhu 2007). 또한 CMC는 독성이 없고 생분해성과 생체
적합성을 가지기 때문에 bone graft를 위한 수용체로 CMC gel이 널리 사용되고 있다(Santa-Comba et al. 2001). 이와 같이 여러 산업에서 사용되는 CMC의 가장 큰 이 점은 낮은 농도에서 높은 점성을 가지는 특성이며, 또 차 가운 물과 같은 용매에서 잘 녹으며, 점성도 조절에도 사 용할 수 있다는 것이다 (Yang and Zhu 2007).
CMC는 방사선 조사에 의해 화학적 변화가 일어나는 것으로 알려져 있다 (von Sonntag 2003). 높은 농도의 수 용액 상태의 CMC는 hydrogel 형성을 위한 가교를 형성 하며 (Fei et al. 2000; Liu et al. 2002), 낮은 농도에서의 CMC는 점성을 가지는 수용액을 분해하는 역할을 한다. 전자선 기술의 최근 이점은 감마선 조사에 버금가는 ─ ─ 385 ──
Carboxymethycellulose
의 농도에 따른 방사선 분해 연구
김정수∙성낙윤∙김재훈∙김태운1∙이주운∙최종일* 한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소, 1리온테크놀로지Effect of Concentration of Carboxymethycellulose on
Degradation by Radiation
Jeongsoo Kim, Nak-Yun Sung, Jae-Hun Kim, Tae-woon Kim1, Ju-Woon Lee and Jong-il Choi*
Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea
1315, R&D Center, Jeonbuk Technopark, Jeonbuk 565-902, Korea
Abstract-- In this study, the effect of the concentration of carboxymethylcellulose (CMC) solution
on the degradation by irradiation was investigated. The CMC solutions with different concentra-tions of 3%, 4%, 5%, 6% and 7% were irradiated at the doses of 5, 10, 15, 20, 25 and 30 kGy with gamma ray or electron beam, and the viscosity of CMC solution was measured. The viscosity of the CMC solutions was decreased with an increase in the irradiation dose, but the extent of the degradation by an irradiation was found to be decreased with an increase of the CMC concentration in the solution. The dependency of the irradiation sources showed that an electron beam radiation had degraded the CMC less severely than gamma ray.
Key words : Carboxymethylcellulose (CMC), Gamma ray, Electron beam, Degradation
* Corresponding author: Jong-il Choi, Tel. +82-63-570-3210, Fax. +82-63-570-3207, E-mail. [email protected]
좋은 살균법이라 말할 수 있다 (Abramyan 1999). 전자선 조사는 비교적 짧은 시간, 높은 효과, 낮은 설치비용, 높 은 에너지 이용률을 가지는 장점이 있다. 이전 연구에서는 10%의 높은 농도의 CMC에서의 CMC hydrogel 형성에서의 감마선과 전자선 조사에 따 른 차이를 연구하였다 (Wach et al. 2001). 그러나 대부분 의 식품이나 우주 산업에서 사용되는 CMC는 점성의 변 화를 주기 위해서 10% 이하의 낮은 농도의 CMC를 이 용하고 있다. 그러므로 낮은 농도에서의 CMC 수용액에 대한 적절한 방사선 조사 과정에 대한 연구가 필요함을 알 수 있었다. 그래서 본 연구에서는 감마선과 전자선 조 사에 의한 CMC의 점성 변화와 농도에 따른 점성의 변 화에 대해 연구하였다.
재료 및 방법
1. Carboxymethylcellulose의 제조 및 점도 측정 본 실험에 사용된 carboxymethylcellulose (CMC)는 (주)세안 (SEAN)에서 기증 받아 사용하였다. 감마선 및 전자선 조사에 의한 점도 변화 관찰을 위하여 CMC의 농도를 3%, 4%, 5%, 6%, 7%를 설정하여 Viscometer (DV-II++pro, Drookfield Engineering Laboratories, MA, USA) 로 200 rpm, 6번 spindle을 사용하여 측정하였다.2. 감마선 조사
감마선 조사는 한국원자력연구원 (Jeongeup, Korea) 내
선원 480 kCi, 60Co 감마선 조사시설 (point source AECL, IR-79, MDS Nordion International Co. Ltd., Ottawa, ON, Canada)을 이용하여 실온 (14±1�C)에서 시간당 10 kGy 의 선량율로 각각 0 및 30 kGy의 총 흡수선량을 얻도록 하였다. 흡수선량 확인은 alanine dosimeter (5 mm, Bruker Instruments, Rheinstetten, Germany)를 사용하였다.
Dosi-metry 시스템은 국제원자력기구 (IAEA)의 규격에 준용하
여 표준화한 후 사용하였으며, 총 흡수선량의 오차는 2% 이내였다.
3. 전자선 조사
전자선 조사는 ELV4-electron accelerator (Energy 10 MeV, beam power 570 kW)를 이용하여 감마선 조사와 동 일한 총 흡수선량을 갖도록 하였다. 이때 에너지는 10 MeV beam current 1 mA 였다. 그리고 낮은 투과력 때문에
0 50 100 0 5 10 15 20 25 30 % Dose (kGy) 3% 4% 5% 6% 7%
Fig. 1. The relative viscosities (%) of CMC solutions irradiated by
gamma ray.
Fig. 2. The changes of viscosities of gamma irradiated CMC solutions with 3%, 4%, 5%, 6% and 7% CMC concentrations(A: 5 kGy, B: 15 kGy,
C: 25 kGy, D: 30 kGy). 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 CMC concentration (%) CMC concentration (%) 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 CMC concentration (%) CMC concentration (%) 60000 40000 20000 0 3000 2000 1000 0 30000 20000 10000 0 3000 2000 1000 0 cP (e3) cP (e3) cP (e3) cP (e3) (A) (B) (C) (D) 704 1793 3020 12867 36410 108 388 880 1613 2533 80 291 621 1167 1980 267 881 1640 3033 11623
CMC powder pack의 두께는 3 mm로 하여 조사하였다. 감마선 및 전자선 조사된 CMC powder는 실온에 저장하 면서 실험에 사용하였다.
결과 및 논의
1. 감마선 조사와CMC의 농도에 따른 점도 변화 Carboxymethylcellulose (CMC)의 농도에 따른 감마선 선량에 따른 점도의 변화를 관찰하여 Fig. 1에 나타내었 다. 그 결과 감마선 선량의 증가에 따라 모든 농도의 CMC의 점도가 감소함을 보였다. 하지만 CMC의 농도 에 따른 차이는 Fig. 2에서와 같이 선량이 증가함에 따라 점도가 감소함을 보이나 CMC 농도가 7%일 때 분해되 지 않고 점도를 유지하는 힘이 높게 나타나지만 선량에 따라 점도의 감소를 볼 수 있었다. 3 4 5 3 4 5 CMC concentration (%) CMC concentration (%) 3 4 5 3 4 5 CMC concentration (%) CMC concentration (%) 3 4 5 3 4 5 CMC concentration (%) CMC concentration (%) 3 4 5 CMC concentration (%) 6000 4000 2000 0 6000 4000 2000 0 6000 4000 2000 0 3000 2000 1000 0 6000 4000 2000 0 6000 4000 2000 0 3000 2000 1000 0 cP (e3) cP (e3) cP (e3) cP (e3) cP (e3) cP (e3) cP (e3) (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) 1043 2380 4020 657 450 305 1073 1990 1640 2577 332 1147 2210 1770 3297 499 1733 2767 796 2140 3747 Fig. 3. The relative viscosities of CMC solutions irradiated byelec-tron beam irradiated.
% 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 Dose(kGy) 3% 4% 5% 6%
Fig. 4. The changes of viscosities of electron beam irradiated CMC solution with 3%, 4%, 5% CMC concentrations (A: 0 kGy, B: 5 kGy, C:
2. 전자선 조사와 CMC의 농도에 따른 점도 변화 Fig. 3에서는 carboxymethylcellulose (CMC)의 농도에 따른 전자선 선량에 따른 점도의 변화를 관찰하여 나타 내었다. 그 결과 전자선 선량이 증가함에 따라 CMC의 점도가 감소함을 보였고, CMC의 농도 3, 4, 5%에서 비 교한 Fig. 4는 5% CMC에서 점도의 분해정도가 낮게 나 타났으며, 선량이 증가함에 따라 전체적으로 점도가 감 소하는 경향을 나타내었다. 3. 방사선 조사에 의한 CMC의 점도 변화 방사선 조사에 의한 polysacchride들의 저분화는 널리 보고되어 있다 (Ershov 1998). 따라서 방사선 조사에 의하 여 carboxymethylcellulose (CMC)의 저분자화가 야기되 고 이로 인한 기계적 물성의 저하가 예측된다. 고분자의 분자량은 고분자 용액의 점도와 비례하며, carboxyme-thylcellulose의 중요한 물성들 중에 하나가 점도이기 때 문에, 최적 멸균 선량의 설정을 위해서 선량에 따른 car-boxymethylcellulose의 점도를 측정하였다 (Fig. 5). 선량 이 증가함에 따라 carboxymethylcellulose의 점도가 감소 함을 알 수 있었으며, 같은 선량에서 전자선을 사용할 경 우 상대적으로 점도의 감소가 적게 나타는 것을 확인할 수 있었다.
결
론
이상의 실험 결과로부터 CMC는 방사선 조사에 의해 분해가 일어남을 확인하였다. 또한 조사선량이 높아질 때 CMC의 농도와 관련하여 농도가 높을수록 CMC의 점도가 크게 떨어지지 않는 것으로 보아 방사선 조사에 의한 분해가 적게 일어남을 알 수 있었다. 그리고 감마 선 조사와 전자선 조사를 실시하였을 때 전자선 조사 시 감마선 조사에 비해 CMC의 분해되는 정도가 낮게 나 타남이 관찰되었다. 이는 전자선이 같은 선량에서의 감 마선 조사에 비하여 멸균을 위한 방사선 조사에 의하여 CMC의 점도 감소를 적게 야기한다는 것으로 확인되어 졌다(Fig. 5). 또한 CMC의 농도가 높을수록 방사선에 의 한 점도 감소가 줄어든다는 것이 확인되어졌다 (Fig. 5). 하지만 전자선의 경우 감마선에 비하여 투과력이 떨어지 기 때문에 멸균화를 위한 방사선 조사를 위한 형태가 제 한된다는 단점을 가지고 있어 추후 보완 연구가 필요할 것으로 사료되어 진다.사
사
본 연구는 교육과학기술부 원자력연구개발사업 및 한 국원자력연구원 기본사업을 통해 수행되었으며, 그 지원 에 감사드립니다.참 고 문 헌
Abramyan EA. 1999. Industrial electron accelerators and appli-cations. Springer-Verlag, Berlin 26(6):1825-1828. Ershov BG. 1998. Radiationechemical degradation of cellulose
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Fei B, Wach RA, Mitomo H, Yoshii F and Kume T. 2000. Hydrogel of biodegradable cellulose derivatives. I.
Radia-Fig. 5. The changes of viscosities of the gamma ray and the electron beam irradiated CMC solutions (CMC concentration: A-3%, B-4%, C-5%). 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
Dose (kGy) Dose (kGy)
0 5 10 15 20 25 30 Dose (kGy) 1500 1000 500 0 6000 4000 2000 0 3000 2000 1000 0 cP (e3) cP (e3) cP (e3) (A) (B) (C) Gamma ray E-beam
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Manuscript Received: November 30, 2010 Revision Accepted: December 3, 2010
