한국방사선산업학회

서

론

최근 교통사고와 산업재해가 증가되고 골종양과 같은 질병이 증가됨에 따라 골 조직 개선을 위한 다양한 골 대체물 개발이 진행되고 있다. 골 이식을 위해서는 자가 이식이 가장 이상적이지만, 공여부가 제한되어 있어, 근 래에는 동종이식 및 이종이식을 시도하고 있다. 이러한 골수복제들에 대한 수요가 점차 증가하고 있으나 대부 분이 수입에 의존하고 있는 실정이며 국내의 경우 2곳 에서 개발 및 시판되고 있다 (박 등 2002). 현재 시판되 고 있는 골수복제는 carboxymethylcellulose (CMC), collagen 등을 carrier (Santa-Comba et al. 2001; Cook et al. 2005)로 사용하는 gel type과 putty type 및 Bone block 등 의 3가지 형태로 나눌 수 있다 (Kwon et al. 2005). ─ ─ 101 ──

방사선 조사에 의한

Carboxymethylcellulose Powder

의

이화학적 변성

이희섭∙최종일∙서석진1_∙강계원1_∙이광원2_{∙김재훈∙이주운∙변명우*} 한국원자력연구원 방사선과학연구소, 1_{한스바이오메드 대덕연구소,} 2_{을지대학병원}

Physicochemical Changes of Carboxymethylcellulose

Powder by Gamma and Electron Beam Irradiation

Hee-Sub Lee, Jong-Il Choi, Suk-Jin Seo1_{, Ke-Won Kang}1_{, Kwang-Won Lee}2_,

Jae-Hun Kim, Ju-Woon Lee and Myung-Woo Byun*

Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea

1_{Hansbiomed Daeduk Institute, Daejeon 305-811, Korea} 2_{Eulji University Hospital, Daejeon 302-120, Korea}

Abstract -- In this study, the effects of an irradiation on the physicochemical characteristics of the carboxymethylcellulose (CMC) powder were investigated. Viscosity and molecular weight of CMC powder were significantly decreased by irradiation. But, there was no distinguished difference in decrease between the irradiation sources of gamma ray and electron beam. The results from Fourier Transform Infrared Spectroscopy showed that the degradation of CMC powder occurred only at the site of glycosidic bond in cellulose backbone. Also, a thermoanalyti-cal technique such as Differential Scanning Calorimetery and Thermogravimetric analysis was conducted to show the temperature shift of the irradiated samples. Upon examination of granule morphology by Scanning Electron Microscope, cracks were observed on the granule in CMC by irradiation.

Key words : Irradiation, Carboxymethylcellulose, Gamma ray, Electron beam, Viscosity

* Corresponding author: Myung-Woo Byun, Tel. +82-42-570-3001 Fax. +82-42-570-3009 E-mail. [email protected]

CMC는 셀룰로오스의 가장 잘 알려진 수용성 유도체 로서 알칼리 셀룰로오스와 모노클로로아세트산과 반응 하여 생성되는 물질로 CMC의 생리작용에 대하여 대한 약전, 식품첨가물공전 (제4품목별 규격 및 기준, 식품의약 품안전청) 및 미국의 식품화학품규정집 (Food Chemical

Codex)에 등재되어 있으며 FAO 및 WHO에서 일반적으

로 안전한 물질로 인정하고 있다 (이 등 1993; Duo et al. 1998). CMC는 증점, 무독성, 생분해성 및 생체적합성을 가지고 있기 때문에 생물고분자 hydrogel의 원료나 동 종이식의 carrier로서 의학에서 널리 사용되고 있으며 이외에도 식품, 윤활제, 도자기, 제약 및 화장품과 같은 다양한 제품을 제조하기 위한 원료로 이용되고 있 다 (Santa-Comba et al. 2001). 최근에는 CMC가 bone allograft의 binder로서 사용되어질 때 calcium sulfate의 암상학적 성질을 증가시키는 것으로 보고되었다 (Reynolds et al. 2007). 최근 첨단 의료용구들의 개발과 일회용 멸균 의료용 품 수요가 증가됨에 따라 기존에 사용되었던 가스멸균 방법의 경우 인체 보건학적 위해성과 환경적인 문제점 이 심각하게 제기되어 방사선 조사기술의 이용이 증가 되고 있다. 방사선 조사기술은 모든 식품 및 소재의 부 패방지, 제품의 안전성 및 보존성 향상의 효과가 보고되 어 식품뿐만 아니라 제약, 의료 및 화장품과 같은 공중 보건산물에 널리 사용되고 있다 (Byun 1994; Nguyen et al. 2007). 또한 방사선 조사기술은 잔류독성이 전혀 없 고 제품의 품질을 유지하면서 여러 가지 긍정적인 효과 가 보고된 바 있다 (Thayer 1990). 최근에는 방사선 조사 에 의한 CMC hydrogel의 가교와 분해에 관한 연구가 보고되고 있다 (Kamide et al. 1985; Fei et al. 2000; Wach et al. 2001, 2003). 이러한 보고된 문헌에서는 CMC의 농 도와 degree of substitution, 방사선량에 따라 고분자의 가교와 분해 기작이 함께 일어난다고 보고하고 있다. 하 지만, 수용상이 아닌 powder 형태의 CMC에 대한 방사 선 조사의 영향에 관해서는 많은 연구가 이루어져 있지 못하다. 따라서 본 연구에서는 방사선 조사에 의한 CMC powder의 이화학적 특성 변화를 관찰하기 위하여 감마 선 및 전자선 조사가 CMC powder의 분자량, 점성 및 구조적인 변화에 미치는 영향을 알아보았다.

재료 및 방법

재료 및 포장 실험 재료는 Fluka에서 판매하고 있는

Carboxyme-thylcellulose sodium salt를 구입하여 실험에 사용하였다. 방사선 조사를 위해 CMC를 각각 10 g씩 취하여 멸균된 polyethylene bag (20×30 cm; Sunkyung, Seoul, Korea)에 넣은 다음 포장한 후 감마선 및 전자선 조사를 실시하 였다.

감마선 및 전자선 조사

감마선 조사는 한국원자력연구원 (Jeongeup, Korea) 내 선원 480 kCi, 60_{Co 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. Do-simetry 시스템은 국제원자력기구 (IAEA)의 규격에 준용 하여 표준화한 후 사용하였으며, 총 흡수선량의 오차는

2% 이내였다.

전자선 조사는 ELV4-electron accelerator (Energy 10 MeV, beam power 570 kW)를 이용하여 감마선 조사와 동일한 총 흡수선량을 갖도록 하였다. 이때 에너지는 10 MeV beam current 1 mA 였다. 그리고 낮은 투과력 때문 에 CMC powder pack의 두께는 3 mm로 하여 조사하였 다. 감마선 및 전자선 조사된 CMC powder는 실온에 저 장하면서 실험에 사용하였다. 점도 측정 감마선 및 전자선 조사된 CMC powder의 점도를 측정 하기 위하여 각각의 농도를 0.5%로 한 다음 Maxi MixII (Type 37600 Mixer, Barnstead International, Iowa, USA)를 사용하여 혼합하여 Viscometer (DV-II++_{pro, Drookfield}

Engineering Laboratories, MA, USA)로 200 rpm, 6번 spindle을 사용하여 측정하였다.

분자량 측정

감마선 및 전자선 조사된 CMC Powder의 분자량을 Gel Permeation Chromatography (GPC)를 이용하여 측정 하였다. GPC system은 Waters Allience HPLC system (Mo. 2690, MA, USA)에 PL aquagel-OH column (300× 7.5mm, 8µm, Polymer laboratories, 도시, UK)을 사용하 였다. 0.1 M Sodium nitrate를 이동상으로 하여 1 ml∙

min-1_{의 유속으로 40분간 이동시켰다. GPC용 표준물}

질 (Pullulan standard)은 Showa Denko사 (Tokyo, Japan)로 부터 구입하여 실험에 사용하였다.

미세구조 관찰(Scanning electron microscope) 감마선 및 전자선 조사된 CMC powder의 미세구조 는 주사전자현미경으로 관찰하였다. 시료를 carbonyl tape으로 채취한 뒤 sputter coater (Spi supplies, West Ch-ester, USA)를 이용하여 10~30 nm의 두께로 백금을 코 팅하고 주사전자현미경(JEOL, Tokyo, Japan)을 사용하여 가속전압 15~20 kV에서 700배 확대하여 촬영하였다.

Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) 측정

감마선 및 전자선 조사된 CMC powder의 구조변화를 측정하기 위해 Fourier Transform Infrared Spectroscopy Spectrophotometer (Shimazu FTIR 8100A Spectrophotome-ter, Shimazu, Tokyo, Japan)를 사용하였고, software로는 Shimazu DR8030을 사용하였다. 파장은 4,000~500 cm-1 까지 측정하였고 시료는 Potassium Bromide (KBr)을 사 용하여 시료/KBr이 1/100 (w/w)이 되도록 pellet으로 만 들어 실험에 사용하였다.

Differential scanning calorimetry (DSC) 및 thermogravimetric analysis (TGA) 측정 감마선 및 전자선 조사된 CMC powder의 열적 특성 을 알아보기 위해 밀봉된 빈 pan을 balance로 하여 열분 석기기 (SDT Q-600, Thermal Analyzer, Delaware, USA)를

이용하여 측정하였다. CMC powder를 30~600�C까지

10�C∙min-1_{의 속도로 가열하였으며 N2가스는 100 ml∙}

min-1_{의 속도로 주입하여 측정하였다.}

통계 분석

모든 실험은 3회 반복 실시하였으며, 얻어진 결과들은 SPSS software (1970)에서 프로그램된 general linear model procedure을 수행하고 유의적인 차이가 보일 때 평균값 간의 차이를 Duncan의 multiple range test법을 사용하여 평가하였다 (p⁄0.05) (SPSS 1999).

결과 및 고찰

점도 변화 CMC hydrogel을 의약품으로 적용하기 위해 방사선 조사를 적용하도록 규정되어 있으나 방사선 조사를 적 용하게 되면 CMC 농도와 degree of substitution, 선량 등 에 따라 가교나 분해가 일어나게 된다(Kamide et al. 1985; Fei et al. 2000; Wach et al. 2001, 2003). 따라서 본 연구에서는 방사선 조사 전∙후의 CMC powder 점도 변 화를 비교해보았다 (Fig. 1). 연구 결과 비조사군의 점도 는 11,220 cP로 나타났고 감마선 및 전자선 조사 처리군 의 점도는 각각 160 및 120 cP로 나타나 방사선에 의해 점도가 크게 감소한 것을 확인하였다. 이는 이온화 에너 지에 의해 고분자를 형성하고 있는 결합구조가 절단되 어 저분자 입자가 형성되었기 때문이다 (Ershow 1998; Graham et al. 2002; Von Sonntag 2003). 또한 방사선원에 따른 점도 변화는 유의적인 차이가 없는 것으로 확인되 었다. 이는 CMC powder를 방사선 조사하였을 때 방사 선원간의 물리적 효과와 화학반응 간의 차이는 없었다 는 연구결과와 일치하였다 (Fernando et al. 2002). 또한 Vieira and Del Mastro의 연구 (2002)에 따르면 감마선 및 전자선 조사에 의한 gelatin powder의 점도 변화를 측정 한 결과 조사선량이 증가함에 따라 점도가 감소하였으 며 방사선원간의 유의적인 차이는 없다고 보고하였다.

CMC gel의 경우 감마선과 전자선에 따른 점도의 변화

는 선종간에 차이가 없는 것으로 보고되었으나 (Fei et al. 2000; Wach et al. 2001, 2003), 이 경우 서로 다른 degree of substitution (DS)의 CMC를 사용하여 같은 DS 를 갖는 CMC의 직접적인 비교가 필요하다. hydrogel의 경우 방사선 조사에 의한 가교가 진행되어 점도가 증가 된 결과들이 보고되었으나, 이는 방사선 조사로 인해 형 성되는 free radical로 인한 CMC의 macroradical이 형성 되어 macroradical들의 반응에 의한 결과이다. 하지만, powder자체는 생성된 CMC의 macroradical들이 서로 반 응할 수 있는 경우가 적어져도 상대적으로 free radical 에 의한 CMC의 분해가 일어남으로써 점도가 감소되는 것으로 사료된다 (Wash et al. 2005).

Irradiation dose (kGy) Intact γ-ray 30 E-beam 30

cP 0.00 100.00 200.00 300.00 11200.00 11400.00

Fig. 1. The changes of viscosity of gamma and electron beam irradiated CMC powder.

분자량 측정 방사선 조사에 의한 CMC powder의 점도 감소를 통 하여 고분자에서 저분자로 유도되었다는 것이 예상되어 이에 대한 분자량 변화를 확인하기 위해 Gel Permeation Chromatography를 이용하여 분자량을 측정하였다 (Fig. 2). 실험 결과 비조사군의 경우에는 1,000 kDa으로 측정 되었고, 전자선 및 감마선 처리군은 각각 207 및 192 kDa으로 나타나 전자선 및 감마선 조사군이 비조사군 보다 분자량이 약 80%정도 감소한 것을 확인하였다. 또 한 방사선원에 따른 유의적인 차이는 없는 것으로 확인 하였다. 이를 통해 이온화 에너지에 의해 고분자에서 저 분자로 유도되었음을 확인할 수 있었다. Sokhey and Hanna의 연구결과 (1993)에 따르면 이온화 에너지에 의 해 당류의 결합형태인 glycosidic bond가 절단되어 분자 내의 functional group의 변화가 나타나 낮은 분자량을 가지고 있는 새로운 당을 형성하였다고 보고하였다. 따 라서 CMC를 구성하는 glycosidic bond가 이온화 에너지 에 의해 결합이 깨지면서 분자량 및 점도가 감소한 것 이라 판단된다. FT-IR 분석 결과 감마선 및 전자선 조사한 CMC powder의 구조변화를 확인하기 위해 FT-IR Spectroscopy를 이용하여 분석하였 다 (Fig. 3). 3,400 cm-1_{는 -OH 그룹, 2,901 cm}-1_{는 C-H,} 1,668 cm-1_{은 COO- 그룹을 나타낸다. 1,400과 1,350 cm}-1 은 -CH2scissoring과 -OH를 나타낸다. 다른 부분은 줄어 들지 않았지만 1,668 cm-1_{부분이 줄어드는 것이 확인 되} 었다. 이로 보아 CMC powder가 저분자화 된다는 것을 알 수가 있었다. 즉 이온화 에너지에 의해 저분자화 되 는 것은 CMC powder의 다른 작용기의 damage에 의한 것이 아니고 glycosidic bond의 끊어짐으로 인한 것이라 는 것을 확인할 수가 있었다. DSC 및 TGA 분석 결과 감마선 및 전자선 조사 후 CMC powder의 열적 특성 1000 207 192 0 200 400 600 800 1000 1200 O γ-ray 30 E-beam 30

Irradiation dose (kGy)

MW

(kDa)

Fig. 2. The changes of molecular weight of gamma and electron beam irradiated CMC powder.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 3996 3859 3723 3586 3449 3312 3175 3038 2901 2764 2627 2490 2353 2216 2079 1942 1805 1668 1531 1395 1258 1121 984 847 710 573 436 0 E-beam 30 γ-ray 30

Fig. 3. FT-IR spectra of gamma and electron beam irradiated CMC powder.

Absorbance

을 알아보기 위하여 30~600�C 범위에서 DSC와 TGA 를 이용하여 열분석곡선을 나타내었다 (Fig. 4). DSC에 대한 실험 결과를 먼저 살펴보면, 비조사구는 75�C에서 해중합반응을 일으키고 전자선의 경우 66�C, 감마선은 62�C에서 해중합반응이 나타났다. Biswal 등 (2004)은 glycosidic linkage가 절단되어 해중합 반응을 일으키는 온도가 감소하였다고 보고하였다. 이를 비추어 볼 때 방 사선 조사에 의해 CMC를 이루고 있는 glycosidic bond 가 절단되었음을 유추할 수 있다. TGA는 온도에 따른 시료의 무게에 따른 차이를 보여 주는 것으로 이는 시료의 열에 대한 안정성을 보여줄 수 있는 자료가 된다. TGA의 온도에 따른 무게가 낮은 온도에서 떨어질수록 열에 대한 안전성은 낮아지는데 방사선을 조사하였을 때 약간의 무게감소의 온도가 낮 아지긴 했지만 유의차는 없는 것으로 보였다. 이 결과가 보여주는 것은 CMC의 구조가 변화하지 않았다는 것이 다. 그 물질의 구조가 바뀌게 되면 그에 따른 열에 대한 안정성도 바뀌게 되는데 열에 대한 안정성이 변화하지 않았다는 말은 구조가 변하지 않았다는 것이다. DSC와 TGA로 확인하였을 때 CMC 자체의 구조는 변하지 않

Fig. 4. (a) TGA and (b) DSC curves of gamma and electron beam irradiated CMC powder.

Fig. 5. Scanning electron microscopy (SEM) images of CMC powder irradiated at gamma-ray and electron beam; (a) Control (0 kGy), (b) electron beam 30 kGy, (c) gamma-ray beam 30 kGy Wt corrected heat f low (W g -1) Weight (%)

Temperature (�C) Universal V4.2E

0 kGy E-beam 30 kGy γ-ray 30 kGy 0 kGy E-beam 30 kGy γ-ray 30 kGy 4 2 0 -2 100 80 60 40 20 (a) (b) 0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600

Exo Up Temperature (�C) Universal V4.2E

(a)

(b)

고 CMC의 결합인 glycosidic bond만이 절단되었음을 확 인하였다. SEM 측정 감마선 및 전자선 조사한 CMC powder의 미세구조를 제시하였다 (Fig. 5). 실험 결과를 보면 감마선 및 전자선 조사 처리 시 균열이 일어났음을 볼 수 있다. Sokhey and Chinnaswamy (1993)는 저선량 방사선 조사 처리 시 당류의 입자 구조에 영향을 주지 않았으나 고선량으로 방사선 조사처리를 할 경우에는 당류 입자 구조가 파괴 되었다고 보고하였다. 따라서 방사선 조사에 의한 CMC 입자 구조의 파괴는 이온화 에너지에 의해 입자를 구성 하는 성분의 변화를 야기시켜 상기에서 언급한 점도 및 분자량 감소와 같은 이화학적 특성에 영향을 주는 것으 로 생각된다.

요

약

CMC powder에 감마선 및 전자선 조사 (30 kGy)를 적 용하여 이에 따른 이화학적 변화를 알아보았다. 실험 결 과 방사선 조사에 의해 CMC powder의 점도 및 분자량 이 감소한 것을 확인할 수 있었고, 방사선 조사에 의한 CMC powder의 구조적인 특성을 FT-IR. DSC 및 TGA를 이용하여 측정한 결과 방사선 조사에 의한 구조적인 변 화는 없는 것으로 나타났다. 주사전자현미경을 통해 방 사선 조사에 의해 CMC powder의 입자가 균열이 일어 났음을 확인할 수 있었다. 따라서 방사선 조사에 의하여 CMC 자체의 구조는 변화하지 않고 sugar unit을 연결하 는 glycosidic bond가 절단되어 저 분자화 된 것을 예측 할 수 있었다.

사

사

본 연구는 2007년도 과학기술부 특구연구개발사업의 지원에 의해 수행되었으며 지원에 감사드립니다.

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Manuscript Received: August 1, 2007 Revision Accepted: September 5, 2007