서론
최근 유럽 및 미국을 중심으로 한 화학 산업계에서 는 화석원료가 고갈되어 가고, 환경친화적인 공정의 요구에 부응하기 위하여 White BT를 대안으로 정하 고 있다. 즉 화석원료를 대신할 수 있는 식물 및 동물 로부터 얻어지는 재생가능한 자원(renewable resources)을 원료로 하고 친환경적인 BT공정을 적
용하고자 하는 노력이 활발히 진행 중이다. 아울러 고 분자산업에서도 이와 관련되어 새로운 단량체, 매크 로머 및 고분자의 중합연구 등이 최근 들어 활발히 진 행되고 있다.
현대 산업사회에서 고분자의 사용량은 이미 알루미 늄과 유리의 사용량을 앞지르고 있으며, 고분자 소재 의 환경 영향은 기후변화, 하절기와 동절기의 스모그 발생, 발암성, 산성화와 부영양화, 오존층 파괴, 생태 독성, 토지 이용 등의 측면에서 다른 재료에 비해 상 당히 큰 편이다. 또한 환경친화적 고분자에 대한 소비 자의 요구는 고분자 소재에 대한 재생 및 지속사용 가 능 자원(renewable resources)에 대한 기술 유발 요 인으로 작용하고 있으며, 관련된 연구들이 활발히 진 행되고 있다 [N. M. Belgacem, A. Gandini, Eds., Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources (Elsevier, Amsterdam, 2008)]. 이와 같은 배경에 근거하여 바이오계 고분자 나 윤활유 및 용제와 계면활성제 등과 같은 바이오 계 통의 재료를 생산하는 재생 가능한 원재료 이용의 방 향으로 기술개발에 초점을 맞추는 것은 중요한 과제 일 것이다[그림 1]. 이와 같은 측면에서 주목 받고 있 는 바이오계 고분자(bio-based polymer)에는 크게 다당류(polysaccharides), 폴리에스테르(polyester), 폴리우레탄(polyurethanes), 폴리아미드(polyamides), 이민경, 황선애, 최소영, 이혜승, 이종휘*
중앙대학교 화학신소재공학부, [email protected]
그림 1. 재생 가능한 자원(renewable resources)으로부터
생성되는 바이오계 고분자(bio-based polymer) 기술.
단백질(proteins), 아미노산(amino acids), 천연 섬유 (natural fibers) 등이 있다. 본 고에서는 재생 가능한 고분자 소재, 특히 탄수화물계를 중심으로 이들의 구 조, 특징 및 최근 진행되고 있는 연구들에 대해 간략 히 소개하고, 이를 통하여 향후 개발 방향과 가능성에 대해 살펴보고자 한다.
셀룰로오스 (Cellulose)
150년 전, Payen은 식물에서 셀룰로오스를 발견하 고 분리해 냈으며 그 이후 셀룰로오스에 관한 많은 논 문들이 발표되었다. 여러 해 동안 셀룰로오스에 관한 연구를 계속 해왔음에도 불구하고 구조적 특징을 완벽 하게 규명하지 못하였으며 물질의 물리적 화학적 특성 은 끊임없이 발견되고 있다. 일반적인 특성으로는 1) 자연계에 가장 흔한 유기 화합물로 대부분 식물의 세 포벽에 존재한다. 또한 2) 흰색의 고체로 다당류 물질 중에 분자량이 큰 편에 속하며 천연상태에서는 분자량 이 수십에서 수만까지 매우 다양하며, 3) 친수성 물질 로 물이나 에탄올, 에테르 등에는 용해 되지 않는다.
셀룰로오스의 구조적 분류 (polymorphs of cellulose) 셀룰로오스는 일반적으로 6가지(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ1, Ⅲ11, Ⅳ1,
Ⅳ11)로 분류할 수 있으며 서로 상호 전환이 가능하다 [그림 2] [Mark, R. E. (1967) In Cell wall mechanics of tracheids. New Haven: Yale University Press.
Walton, A. G. and Blackwell, J. (1973) In
Biopolymers Vol 22, New York: Academic Press, p.
468. Marchessault, R. H. and Sundararajan, P. R.
(1983) In Cellulose, in the Polysaccharides. New York:Academic Press, p. 11].
셀룰로오스Ⅰ (또는 native cellulose)은 자연에 존재 하는 구조이며, 나머지 Ⅱ, Ⅲ1, Ⅲ11, Ⅳ1, Ⅳ11는 셀룰로 오스Ⅰ에서 온 파생물이다. 또한 셀룰로오즈Ⅰ는 Ⅰα 와 Ⅰβ의 혼합물이라 볼 수 있는데 이는 NMR, FT-IR 등 여러 분석자료로 확인된 바 있다[Blackwell, J. and Marchessault, R. H. (1971) Infrared spectroscopy of cellulose. In Cellulose and cellulose derivatives (N.
Bikales and L. E. Segal, eds) New York: Wiley- Interscience. Blackwell, J. (1982) The macromolecular organization of cellulose and chitin. In Cellulose and other natural polymer systems (R. M. Brown, Jr., ed.). New York: Plenum Press.]. 일반적인 셀룰로오 스의 구조를 살펴보면β-D-글루코오스의1번탄소와4번 탄소가 연결되어 있는 1-4 글루코시드 결합으로 글루코 스 단위체가 서로 엇갈려 연결되어 있는 구조로 선형사 슬을 가진 동형 다당류(unbranched homopolysaccharide) 라 할 수 있다[그림 3].
이러한 셀룰로오스의 구조를 이용하여 구조 내에 작용기를 이용한 합성 또한 현재 셀룰로오스 연구의 한 부분이라 할 수 있다. 이는 셀룰로오스가 단순한 구조의 반복으로 이루어져 있으며 선형사슬구조로 합 성과정에서의 구조적 방해 또한 적기 때문이다. 다시 말하면 합성 고분자가 아닌 셀룰로오스를 연구에 적 용하여 같거나 비슷한 특성을 가지는 물질을 합성할 수 있다는 것을 말한다.
그림 2. 셀룰로오스의 다형체의 상호전환 모식도. 그림 3. 셀룰로오스의 사슬구조 (반복구조).
셀룰로오스의 결정형
자연계에 존재하는 셀룰로오스의 결정형은 일반적 으로 대부분 섬유형태로 그 크기는 대부분 나노 크기 로 이 결정형에 관한 자료는 거의 모두 밝혀져 있다 [표 1] [Sarko, A. (1987) Cellulose - How much do we know about its structure. In Wood and Cellulosics: Industrial utilization, biotechnology, structure and properties (J. F. Kennedy, ed.).
Chichester, UK: Ellis Horwood, pp. 55-70].
현재 자연계에 존재하는 나노 크기의 셀룰로오스의 결정형을 만들기 위한 연구가 계속되고 있으며 방법 으로는 전기방사 등을 이용하고 있다. 또한 셀룰로오 스뿐만 아니라 셀룰로오스 아세테이트를 이용한 나노 섬유 제조 연구 또한 꾸준히 진행 중에 있다. 자연계 에 존재하는 셀룰로오스는 이러한 섬유형태의 결정형 을 가진 경우가 대부분이지만 비결정형 셀룰로오스
또한 존재하며 Valonia에는 약 6~7% 정도의 비결정 형 셀룰로오스가 존재한다.
셀룰로오스 원료 물질에 관한 연구는 용해도와 같 은 기본적인 문제들이 아직도 존재하는 것이 사실이 다. 하지만 현재 셀룰로오스에 관한 연구는 꾸준히 진 행 중에 있다. 단순히 셀룰로오스 자체에 관한 연구뿐 만이 아니라 셀룰로오스의 합성과 셀룰로오스의 결정 형에 관한 연구 또한 매우 활발하게 진행되어오고 있 다. 이는 셀룰로오스가 천연고분자로서 자연계에 많 은 양이 존재하고 구조적으로는 비교적 단순한 구조 의 반복으로 이루어져 있으며 합성 가능한 많은 작용 기를 가지고 있는 것 또한 매우 큰 장점이기 때문이 다. 물리적으로는 섬유 내 비공유결합으로 강철과 같 은 강한 인장력을 가지므로 셀룰로오스의 미래 연구 가능성은 매우 크다.
NS 1.03 84 X-ray Meyer and Misch, 1937
NS 1.034 88 X-ray Sponsler and Dore, 1926
NS 1.03 84 X-ray Meyer and Mark, 1928
Valonia 1.03 82 X-ray Fischer and Mann, 1960
Bacteria 98.15 X-ray Wellard, 1954
Valonia 1.033 96.65 X-ray Wellard, 1954
Cladophora 1.034 96.45 X-ray Wellard, 1954
Linen 1.034 97.23 X-ray Wellard, 1954
Cotton 1.034 96.53 X-ray Wellard, 1954
Ramie 1.034 96.38 X-ray Wellard, 1954
Valonia 1.058 82 ED Honjo and Watanbe, 1958
Ramie 1.039 95.90 X-ray Marchessault and Sarko, 1967
Valonia 1.038 96.97 X-ray Nieduszynshi and Atkins, 1970
Valonia 1.038 97.0 X-ray Gardner and Blackwell, 1974
NS 1.034 96.8 X-ray Sarko and Muggli, 1974
Valonia 1.034 97.04 ED Claffey and Blackwell, 1976
NS 1.034 96.38 X-ray French, 1978
NS 1.034 96.5 X-ray Woodcock and Sarko, 1980
Valonia 1.038 96.6 ED Okano and Sarko, 1984
Ramie 1.037 97.6 X-ray Takahashi and Matsunaga, 1991
NS, not specified; ED, electron diffraction
표 1. 셀룰로오스 I의 결정형Specimen C (nm) γ (°) Method Reference
셀룰로오즈 유도체
천연고분자 종류 중에 하나인 셀룰로오즈 (cellulose)의 유도체 형태는 고분자의 역사에서 빼놓 을 수 없는 중요한 위치를 점하고 있다. 이들의 발명 으로 합성 고분자의 발명이 활발히 진행되었고 지금 까지 이어져 오고 있다. 자연계에 가장 많이 존재하는 유기화합물인 셀룰로오즈(cellulose)는 목화 섬유와 목재는 셀룰로오즈의 주된 원료이며, 종이나 방직용 섬유로 대량 사용되고 있고 셀룰로오즈 유도체를 이 용하여 플라스틱, 폭발물, 접착제, 필름, 소포제 등의 용도와 고분자 전해질 및 식품, 약물전달 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다.
최초의 합성 셀룰로오즈 유도체는 셀룰로오즈를 질 산과 화학적으로 반응시켜 얻어낸 질산염 셀룰로오즈 이다 [N.G. McCrum, C. P. Buckley, C. B. Bucknall, Principles of Polymer Engineering (Oxford University Press, Oxford, 2001)]. 질산염 셀룰로오즈는 복합재 료, 안전유리 등을 제조하는 재료로 많이 사용되어왔 다. 셀룰로오즈의 히드록시기를 아세트산기로 치환한 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate)는 대표적 으로 담배필터에 사용되고 있으며, 전세계적으로 셀 룰로오즈 생산 시장을 지배해왔다 [P. Ustemeyer, History of CA and Evolution of the Markets in Cellulose Acetates: Properties and Applications, (Wiley-VCH, Germany, 2004)]. 셀룰로오즈 아세테 이트는 사진필름으로도 사용되며, 최근에는 LCD 평 판 스크린에 사용되는 목적으로도 연구가 진행되고 있다. 그 외에도 하이드록시프로필 셀룰로오즈 (hydroxypropyl cellulose)는 제약분야에서 많이 사용 되고 있으며, 유도체의 형태가 아닌 셀룰로오즈는 주 로 약물 고형 제제의 주요 성분으로 사용되며, 조직공 학용 스캐폴드(scafford)로써 붕대나 상처치료 소재 용으로 연구되고 있다 [W. K. Czaja, D. J. Young, M.
Kaweki, R. M. Brown, Biomacromolecules (2007) 8, 1-12].
전분 고분자 (Starch polymer)
바이오계 고분자로서 가장 먼저 사용된 전분 고분 자(starch polymer)는 천연 전분을 물리화학적으로 처리한 열가소성 물질이다. 전분 고분자는 생물학적 분해성과 연소성을 가지며, 농작물 재배용 등의 뿌리 덮개나 충전재와 같은 용도로 이용된다. 전분 폴리머 는 비교적 가격이 저렴하므로, 석유화학 고분자의 대 체물로 떠오르고 있다. 전분(녹말)은 고등식물의 저 장 탄수화물인 다당류로, 2가지 고분자의 혼합물로 구 성된다. 그 하나는 직선형의 다당류인 아밀로스 (amylase)이고, 다른 하나는 가지 모양의 다당류인 아밀로펙틴(amylopectin)이다. 글루코스(glucose) 모 노머(monomer)가 1,4-C의 위치에서 연결되어 고분 자를 형성하고 있다. 하나의 연결 단위에는 500 내지 2,000개의 글루코스가 관여하고 있으며, 전분의 형태 에 따라 아밀로펙틴이 70% 및 아밀로스가 30%를 차 지하고 있다[그림 4].
전분은 탄수화물 중에서도 본래적으로 미립자로 존 재하는 특이성을 갖고 있다. 이는 짧게 분지된 아밀로 펙틴 연쇄가 나선형의 분자구조를 형성하여 결정화되 기 때문이다. 전분 미립자는 그 표면의 히드록시기로 인해 수소결합을 이루므로 친수성을 가지고 강한 분 자간 회합성을 가진다. 천연 전분의 융점은 열분해 온 도보다 높으므로 열처리성이 약하다. 그러므로 천연
그림 4. 전분 고분자를 구성하고 있는 아밀로스(A)와
아밀로펙틴(B)의 구조.
전분의 특성이 강해지도록 변형시킬 필요가 있다. 지 금까지 상업화된 전분 고분자는 바이오계 고분자 시 장을 지배하고 있다. 전분 고분자의 75%는 포장재료 로 사용되고 있는데, 그 산업용 포장재로서는 공업용 의 용해성 필름류, 가방 및 자루용의 필름류, 충전재 등이다. 또한 제지공정에 사용되는 소재로써 개발되고 있으며 [P. Karvinen, A. Oksman, R. Silvennoinen, H. Mikkonen, Optical Materials. (2007) 29, 1171- 1176], 액상유기반응에 사용되는 촉매제로 사용될 수 있는 화학적으로 개조된 전분에 대한 연구가 발표되 는 등 재생가능한 자원으로써의 전분의 응용분야에 대한 지속적인 연구가 수행 중에 있다 [S. Doi, J. H.
Clark, D. J. Macquarrie, K. Milkowsk, Chem.
Comm. (2002) 2632-2633].
전분 고분자의 원료 농작물은 옥수수, 밀, 감자, 타피 오카 및 벼이다. 오늘날 혼합용이나 착물화용으로 이 용되는 공중합체는 전분 고분자 생산량 전체의 50%에 이르고 있다. 일반적으로 이와 같은 공중합체는 화석 연료로부터 추출하고 있으며, 열가소성 전분과 석유화 학 공중합체의 혼합물의 원료로서 전분 고분자의 함량 을 높이기 위해서는 보다 효과적인 화학적 및 생물학 적 전분 제조공정의 개발이 주목 받고 있다.
카라기난 (Carrageenan)
카라기난은 식물의 공간적인 배열을 위한 구조적 지지를 제공하는 자연에서 얻을 수 있는 탄수화물 중 합체로 음식, 제약, 공업용으로 널리 쓰이고 있다. 화 학적으로 카라기난은 홍조류(Rhodophyceae calss)와 같은 종류의 해조류에서 물을 가하여 추출하였을 때, 얻을 수 있는 황산화 갈락토스의 불균일한 집단이다.
의학적 목적을 위한 해조류 추출의 사용은 지난 600 년 동안 이용되어 왔다. 일찍이 카라기난을 식용으로 사용하는 것은 200년 전 해조류나 아이리쉬 모스 (Irish moss)에서 추출한 것을 푸딩을 농축시키기 위 해서나 젤로 만들기 위해 사용 하는 것에서 시작되었 다. 비록 카라기난을 처음으로 추출한 것은 1837년이
나, 1950년도 중반까지는 그 구조가 밝혀지지 않았었 고, 상업적인 제품생산은 미국에서 1930년대에 시작 하였다.
카라기난은 D-갈락토스와 3,6-무수화-D-갈락토스 공중합체의 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 황산 암모 늄 에스테르로 이루어져 있는 수성 콜로이드이다. 6탄 당은 중합체에서α-1,3과 α-1,4결합에 의해 대신 연 결될 수 있다. 카라기난의 주된 공중합체는 6탄당 중 추에서 황산의 일부분의 위치와 개수에 따라κ, λ, ι로 분류 된다. 순수한 κ, λ, ι-카라기난은 자연에서 거의 존재하지 않으며, 각각의 카라기난의 단위는 종종 함 께 섞여 있는 경우가 많다, 이와 같은 이질성 때문에 카라기난의 분류는 산업에 의해 발달 되었다. 공중합 체는 황산화 갈락토스 단위가 더 많거나 더 적은 경우 나, 황산화 되었거나 황산화 되지 않은 3,6-무수화 갈 락토스 단위가 있는 경우로 만들어진다. 이들 단위는 중합체에서α-1,3과 α-1,4결합의 위치에서 대신 연결 될 수 있다.
카라기난 고분자의 분자량은 처음 물질의 해조류에 서 추출하는 방법에 따라 바뀐다. 음식에 활용하기 위 해서는 현재 공업에서는 물을 이용한 추출법을 통해 평균 분자량이 200,000~400,000인 식용등급이나 자 연 그대로의 카라기난을 만들고 있다. Food Chemical Codex에서는 카라기난의 상업적으로 식용등급을 구 체적으로 명시하고 있다 [Food Chemicals Codex, 3rd Edition, pp. 74-75, National Academy Press, Washington 1983]. 에스터 황산염의 함유율은 건조 된 무게를 기준으로 18%에서 40%정도를 유지해야 한다. 중금속, 산-불용성 회분, 산-불용물, 건조하는 과정의 모든 회분과 손실에 대해서도 자세히 명시되 어 있다. 비분지(unbranched) 선형 고분자 구조 때문 에 카라기난은 가용성 실험을 하는 온도에서 보다 더 높은 온도에서 쉽게 점성이 있는 솔루션을 형성한다.
모든 카라기난 젤은 열적으로 가역적이다. 많은 정도 의 점도 변화는 녹는 점과 젤이 되는 온도 사이에서 일어난다. 이와 같은 특성은 특히 우유 단백질과 같은
성분이 포함되어 있는 음식에 더해질 때 젤이 되거나 농축되는 특성을 위해 기초를 제공하는 단백질과의 높은 반응성을 따른다.
카라기난은 (GRAS) 미국의 United States Code of Federal Regulations 산하의 FDA에서 안전하다고 인정하고 있으며, 식품 점가물로 인정되었다.
European Economic Community는 카라기난을 유화 제, 안정화제, 농조화제, 증주제라고 승인하고 있다.
World Health Organization(WHO) Joint Expert Committee of Food Additives에서는 카라기난을 음 식을 사용하는데 안전하며, 하루 허용 섭취량을 정할 필요가 없다고 결론 지었다. 이것은 WHO에서 음식 물에 대해 내리는 승인 중에 가장 높은 등급이다.
카라기난의 식용 등급은 종종 최근 폴리기난 (poligeenan)이라고 명명한 분해된 카라기난과 혼동 된다 [Clin. Pharmacol. Therapeutics 44, 246 248, 1988]. 폴리기난은 홍조류를 높은 온도에서 산을 가하 여 추출한다. 이와 같은 추출 방법은 식용 등급의 카 라기난보다 더 낮은 분자량의 고분자를 만들 수 있다.
폴리기난은 평균 분자량이 10,000에서 20,000 정도이 다. 하지만 이러한 낮은 분자량 때문에 폴리기난은 식 용등급의 카라기난이 갖는 점성화 젤이 되는 특성을 가지지 않고, 음식에 활용하는데 적합하지 않거나 승 인되지 않는다.
알긴산 (Alginic acid)
알긴산은 천연 다당류 고분자로 갈조류 (phaeophyceae)를 가용화한 알긴산이 존재하는 상태 의 묽은 알카리 솔루션에 넣어 추출하게 된다. 현재 가장 많이 쓰이는 주된 형태는 알긴산 나트륨 염 형태 로 알긴산은 D-만누론산(D-mannuronic acid)과 L- 글루론산(L-guluronic aicd)의 잔여물이 고분자 사슬 안에 배열되어 있는 선형 중합체이다. 두 산의 잔여물 로만 구성되어 있는 이 균일한 블록은 만누론산이나 글루론산이 교차하는 경우나 무작위로 섞여있는 경우 가 있을 수 있다. 알긴산은 양성자를 촉매로 하는 가
수분해를 겪으며, 이는 시간, pH, 온도에 영향을 받고, 다른 해조류에서 알긴산을 추출하였을 때, 중합체의 블록은 서로 다른 성질을 갖는다고 보고되어 있다. 알 긴산으로 수화작용을 하였을 경우 분자 상이의 결합 때문에 매우 높은 점성을 가진 산성 젤(acid gel)을 형성하게 되고, 이때 물 분자는 물리적으로는 알긴산 매트릭스 안에 갇혀 있지만, 이동하는 데는 제약을 받 지 않는다. 젤의 물을 함유할 수 있는 함량은 모세관 력(capillary force)에 기인하며 이 사실은 알긴산을 많은 곳에 응용하기 위해 (세포의 부동학/피막형성을 위한 알긴산 젤 등) 매우 중요하다.
1가의 금속이온은 알긴산과 결합하였을 때 물에 녹 는 염을 형성하는 것에 비하여 2가나 다원자가의 양 이온은 (Mg2+제외) 알긴산과 결합하였을 때 젤이나 침전물을 형성하게 된다. 또한 다양한 양이온을 사용 하였을 때 알긴산에 대한 서로 다른 친화성을 보이며 선택적인 이온 결합은 이온성 하이드로젤을 형성하기 위한 알긴산의 기본적인 성질이다. 글루론산(G)을 많 이 함유하고 있는 알긴산은 만누론산(M)이 많이 들 어있는 알긴산과 비교하였을 때 상대적으로 더 강도 가 큰 젤이 만들어 진다. G 잔여물과 M 잔여물을 비 교하였을 때 2가가 더 강한 친화도를 나타내기 때문 이다 [Draget, K.I.; Skja。k-Bræk, G.; Smidsrød, O., Carbohydr. Polym. 1994, 25, 31-38. Wang, X.;
Spencer, H.G. Polymer 1998, 13, 2759-2764].
알긴산 젤의 막 투과도, 팽창(swelling), 점탄성은 M/G의 비율에 큰 영향을 받는다 [Draget, K.I.;
Skja。k-Bræk, G.; Christiansen, B.E.; Ga。srød, O.;
Smidsrød, O. Carbohydr. Polym. 1996, 29, 209-215.
Inukai, M.; Yonese, M. Chem. Pharm. Bull. 1999, 47, 1059-1063]. 알긴산 칼슘 젤은 가장 널리 연구되 어 왔다. 중합체 시스템의 물리화학적 성질과 약물의 방출을 활성화 시키는 팽창과정은 젤의 형태에 따라 달라진다.
알긴산과 염 형태, 그리고 알긴산 칼슘 염은 보통 독성이 없고 생체에 매우 적합하다. 이것들은 상업적
으로도 사용이 가능하며 200가지가 넘는 알긴산의 등 급이 있고 알긴산과 관련된 수많은 염이 생산되고 있 다. 알긴산은 널리 약물, 화장품 그리고 음식 산업에서 사용되고 있지만 알긴 산이 천연물에서만 얻을 수 있 기 때문에 중금속, 단백질, 내독소 등의 다양한 불순물 이 포함되어 있을 수 있다. 약학에서의 활용에서, 특히 비경구 투여를 위해서 이러한 불순물들은 반드시 제 거되어야 한다.
첨가물로 쓰이는 성분들은 종종 한가지의 용도로만 사용되기 보다는 다양한 곳에서 사용이 되며 이것은 알긴산이나 알긴산염에서도 마찬가지이다. 이들의 이 용은 보통 두께, 젤의 형성, 안정적인 특성에 의해서 달라진다. 예를 들어, 알긴산 나트륨의 경우 타블렛에 서의 결합제, 붕해제나 물에 잘 녹는 젤, 로션, 크림에 서의 서스펜션화제나 농화제로, 또한 에멀젼에서의 안정화제로 사용될 수 있다.
폴리덱스트로스 (Polydextrose)
폴리덱스트로스는 음식에 슈크로즈의 부피와 질감 을 제공하지만 칼로리는 오직 1/4밖에 없는 물에 잘 녹는 글루코스 고분자로, 소르비톨과 구연산이나 인 산을 촉매로 진공 용융 응축하였을 때 불규칙적으로 연결된 고분자의 형태로 얻을 수 있다. 이때 여러 형 태의 고분자를 얻을 수 있게 되는데 가장 일반적으로 언급되는 폴리덱스트로스(PD-A 또는 산형)는 무정 형이고, 약간은 산성과 가용성의 파우더이다. 폴리덱 스트로스-N(PD-N 또는 중성형)은 사실상 중성이고, 밝은 노란색을 띄며 KOH나 K2CO3를 PD-A 솔루션 에 넣었을 때 얻어지는 70% 수용액이다. 또한 미량의 5-하이드로실메틸 푸르푸랄(5-hydroxymethyl furfural)과 레보글루코산(1,6-무수글루코스 1,6- anhydroglucose)이 발견된다. 또 다른 형태는 상업명 Litessen으로 주로 폴리덱스트로스를 이온 교환 후처 리하여 더욱 순수한 형태로 만든 것이다.
폴리덱스트로스는 불규칙적으로 연결되어 있고 (1,6-글리코시드 결합이 우세함), 높은 분자량의 고분
자이며(99%가 분자량이 15,000이하이고, 90%가 분 자량 5,000이하이다) 포유류의 신진대사와 미생물 저 하에 대한 저항을 가지고 있다. 이와 같은 특징들은 폴리덱스트로스를 우월한 기술적 특성(즉 기능적으로 슈크로스와 비슷한 팽화제 같은)과 우식원이 아닌 슈 크로스의 25%의 칼로리만을 가진, 칼로리가 적은 식 품과 같은 특징을 나타낸다.
폴리덱스트로스는 US Food and Drug Admini- stration에 의해 영양공급, 질감을 입히거나, 안정화, 걸죽하게 만들거나 습윤제로 사용되기 위한 직접적인 음식 첨가물로 승인되었다. FDA는 일인당 폴리덱스 트로스의 섭취량으로 14.3 g/day또는 0.24 g/몸무게 /day로 MRCA의 1982~87년 동안의 인구 조사결과 와 1987~88년의 USDA의 부분조사를 바탕으로 하 여 정하였다. 폴리덱스트로스는 또한 FAO/WHO Expert Committee in Food Additives(JECFA)에 서 일일 섭취 허용량을 별도로 정해놓지 않은 (ADI not specified) 물질로 승인되었다. 이는 전 세계의 50개 국에서 승인된 내용이다 [NAS (1996) Polydextrose.
In Food Chemicals Codex, 4th edn, pp. 297-300.
National Academy Press. Washington, DC.
JECFA (1995) Polydextroses. In Compendium of Food Additive Specifications-Addendum 3, pp.
137-144].
키토산과 키틴 (Chitosan and Chitin) 키틴(chitin)은 천연의 뮤코다당체(mucopoly- saccharide)로 갑각류나 곤충으로부터 얻을 수 있는 풍부한 자원으로써 β(1-4) linkage된 2-acetamido- 2-deoxy-β-D-glucose이다. 키틴은 chitinase에 의해 분해될 수 있으며, 질소가 존재함에도 예외적으로 매 우 낮은 면역원성(immunogenicity)을 가지고 있는 물질이다. 키틴은 구조적으로 셀룰로오스의 C2 위치 의 hydroxyl group이 acetamido group으로 치환된 것이라 생각할 수 있으며 이는 셀룰로오스와 매우 유 사하게 용해도와 화학적 반응성이 매우 낮은 특징을
가지고 있다. 키토산은 키틴의 구조에서 탈아세틸화 (deacetylation)하여 만든 물질로서 키토산과 키틴 사 이의 정확한 명명법은 정의되지 않았다. 키틴과 키토 산은 높은 질소 비율을 가지고 있어 이를 이용하여 화 장품계에서는 chelating agent(금속이온봉쇄제)로 사 용되고 있다. 천연고분자인 셀룰로오스와 키토산, 키 틴은 합성 고분자 물질들에 비해 생체적합성 (biocompatibility)과 생분해성(biodegradability), 무 독성(non-toxicity), 흡착성(absorption properties) 등이 매우 높은 장점을 가지고 있으나, 이들의 반응성
이나 가공성 등이 합성 고분자들에 비해 떨어지는 특 징을 보인다. 키틴과 키토산은 잠재적인 다당류 천연 자원으로 각광받아 왔으나, 유기용매에 대한 용해도 가 매우 낮아 기능적인 파생물질을 만드는데 어려움 이 있어왔다. 이후 화학적 처리를 통해 유기용매에 대 한 용해도를 높인 키틴과 키토산이 보고되고 있다.
위에서 언급하였듯이 키틴은 게, 새우껍데기, 곰팡 이 균사체 등을 통해 쉽게 얻어질 수 있다. 키틴의 생 산은 새우 통조림제조 같은 식품산업과 연관되어 있 으며, chitosan-glucan 혼합물의 생산은 발효의 과정과
그림 5. Cellulose, chitin, chitosan의 구조식.
그림 6. 키틴의 탈아세틸화를 통한 키토산의 제조.
연관되어 있다. 이는Aspergillus niger, Mucorrouxii, Streptomyces로부터 구연산을 생산하는 과정 중 이 들이 포함하고 있는 알칼리 처리과정이 chitosan- glucan 혼합물을 얻는 과정과 유사하기 때문이다. 알 칼리는 단백질을 제거하는 동시에 키틴을 탈아세틸화 시킨다. 알칼리의 농도에 따라 수용성 glycan은 제거 되며, 120℃에서 40%의 sodium hydroxide에 1~3시 간 정도 탈아세틸화를 통해 갑각류 껍데기에 존재하 는 높은 농도의 calcium carbonate의 용해와 단백질 의 제거가 가능하다. 이 처리를 통해 70%의 탈아세틸 화된 키토산을 얻을 수 있게 된다. 무독성, 생체적합 성, 생분해성 등과 같은 생체학적 특징을 갖는 키틴과 키토산은 제약과 생물의학분야에 적절하게 사용되고 있다. 생물의학적으로 키토산은 hypocholesterolemic (과콜레스테롤) 억제기능, wound-healing(상처치유) 기능, antacid(제산제)와 antiulcer(위궤양) 활동성 등과 같은 약리학적 특징을 가지고 있다. 또한 양이온 다중성은 몇몇의 동물세포와의 강한 결합을 가능하게 하며, 지혈과 살정자 용도로도 사용 가능하다. 키토산 이 가지고 있는 양이온성 성질은 방출 조절 기술 분야 에서 이용의 특별한 가능성을 나타내어 준다. 키토산 은 약리학적으로 다양한 적용이 가능하다. 다음에서 여러 가지 경로를 통한 약물의 전달에 있어 키토산을 기초로 한 약물전달체에 대해서 설명하고자 한다.
구강경로를 통한 약물의 전달
환자의 관점에서 구강경로를 통한 약물투여는 가장 보편적이며 실용적인 방법이다. 그러나 위점막에 손 상을 일으킬 수 있는 비스테로이드성 소염제 같은 약 물이나, 펩티드 같은 흡수가 느린약물, 초기효과가 광 범위한 약물에는 적절하지 못한 약물투여 방법이라고 할 수 있다. 또한 경구를 통한 약물투여 후 약물의 전 달을 조절하는 것은 복용한 약물의 위장관에서의 체 류시간에 의존하므로 매우 제한적이게 된다. 약물의 전달은 위장을 비우는 속도에 따르게 되는데 이는 개 인마다 다양한 영향을 받는 생리학적 변수에 의해 다
르게 나타난다. 이러한 이유에 의해 연구자들은 약물 의 경구투여 후 약물전달의 조절이 가능한 운반체계 를 만들기 위해 노력해왔으며, 수년 동안 키토산은 경 구를 통한 약물전달을 위한 잠재적인 운반수단으로서 평가되어왔다.
첫째로, 정제(tablet)형태는 낮은 제조비용과 높은 안정성의 이유로 인해 약물복용형태로서 계속적으로 고려되고 있다. 일찍이 키토산은 약물정제화의 첨가 제로써 연구되어 왔다. 키토산은 아스피린 같은 궤양 유발약물을 투여하는 것이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 낮은 pH에서의 다당류의 젤 형성 특징은 이들 의 antiacid와 antiulcer 특징과 함께 이 고분자를 몇 몇의 활성 화합물에 의해 유발된 위장에서의 염증발 생을 예방하기 위한 물질로 만든다. 키토산은 아스피 린의 지속적인 방출을 가능하도록 한다. 키토산과 sodium alginate를 이용한 mucoadhesive 정제와 같 은 bioadhesive 시스템으로도 이용이 가능하다.
둘째로, 지난 수 십 년간 목표 지점으로 활성물질을 운반할 수 있는 시스템의 개발을 위한 수많은 노력들 이 있어왔으며, microspheres와 microcapsules가 약물 전달체의 이 범주에 속한다. 마이크로 입자는 지속적 인 약물의 양을 제공하고 고체의 경구용 약물의 투여 빈도를 줄일 수 있는 좋은 경구전달체로 여겨진다. 수 많은 합성고분자와 키토산과 같은 천연고분자물질이 마이크로 입자 제조에 제안되어왔다. 다당류의 amino group은 pH 의존적 용해성의 원인이 되는데 이는 경 구 전달에서의 잠재적인 문제점으로 나타날 수 있다.
실제로 polyion과 그 반대이온 사이의 정전기적 상호 작용에 의해 형성된 키토산 microspheres 형태는 위 액 내에서 불안정한 성질을 나타낸다. 또한 고분자 전 해질(polyelectrolyte) 키토산은 calcium chloride의 존재 하에 sodium alginate와 함께 microcapsule을 형 성하는 반응을 한다. 이 방법은 분무건조, 계면 고분자 중합, 침전 등과 같은 경구용 microcapsule의 제조과 정에 비해 더욱 일반적으로 사용되는 방법이다.
Bovine serum albumin(BSA)의 encapsulation을 다
양한 변수의 변화를 통한 실험을 통해 키토산의 분자 량과 alginate의 농도가 BSA의 release에 영향을 주 는 것이 발견되었으며, 위에서 분해로부터 단백질을 보호하기 위해 chitosan-alginate microcapsule 안에 위와 같은 단백질을 포함하는 실험을 통해 microcapsule 결과물은 단백질을 24시간이 넘게 60%까지 함유할 수 있음이 나타나졌다. 이러한 이유로 이는 치료용 단 백질의 경구 투약방법에 사용될 수 있음을 알 수 있다 [W. Hou, S. Miyazaki, M. Takada, and T. Komai, Chem. Pharm. Bull., 33, 3986 (1985), A. 0. Okhamafe, B. Amsden, W. Chu, and M. F. A. Goosen, J.
Microencapsulation, 13, 497 (1996)].
셋째로, 다당류에 기초한 기질은 약물 표적화에 널 리 사용되어왔다. 낮은 pH에서 젤을 형성하는 성질 때 문에 키토산은 지속적인 방출을 제공하기 위한 적절한 물질로써 여겨져 왔다. 그러므로 키토산은 granules와 비드 형태로 bioerodible (생체흡습성) 기질을 만들기 위해 사용되었다. 비드 형태의 약물 방출의 메커니즘 은 확산으로 이루어지나 granules에서는 기질의 분해 를 통해 주로 이루어진다. 개와 토끼를 이용한 in vivo 실험의 몇몇 문헌을 통해 서로 다른 동물 종을 선택하 고, 다른 약물을 이용하였음에도 불구하고 그 결과는 유사하게 나타났음을 확인할 수 있다 [Y. Machida, T.
Nagai, K. Inouye, and T. Sannan, in Chitin and Chitosan: Sources, Chemistry, Biochemistry, Phvsical Properties and Appf~catjon(sG . Skjak- Braek, T. Anthonsen, and P. Sandford, eds.), Elsevier Applied Science, London, 1984, p. 693. S.
Miyazaki, H. Yamaguchi, C. Yokouchi. M. Takada, and W. Hou, Chem. Pharm. Bull., 36, 4033 (1988)].
전통적인 고체 경구 투약형태와 비교하여 키토산 granule형태의 약물을 투약시키면, 약물의 속도지연, 지속성, 높은 plasma level 등의 결과를 얻을 수 있다.
다양한 in vitro, in vivo 실험을 통해 키토산 granules 는 경구투약용으로써 지속된 약물의 방출을 나타내는 데 적절함을 보여준다.
넷째, 인지질과 콜레스테롤 등으로 만든 미세한 구 형 이중막으로 막사이에 약물을 봉입함으로써 체내에 약물이 오래 머무르게 하여 약물의 효과를 지속시켜, 치료하고자 하는 질환 부위에 약물이 선택적으로 모 이도록 하거나 급성, 독성을 낮추고 과민현상을 막아 부작용을 줄이는 것이 가능하다. 사용되는 리포좀과 키토산과의 상호작용은 리포좀의 안정화와 mucoadhesive한 성질에 의해 나타나는 표적화의 가 능성의 두 가지 긍정적인 결과를 나타낸다. 키토산으 로 코팅된 리포좀은 mucoadhesiveness에 의해 흡수 력이 약한 약물의 투여에 있어서 지속적인 약물의 흡 수 효과를 나타낼 수 있다.
주입식 경로를 통한 약물의 전달
비 경구 약물의 투여과정은 경구를 통한 약물투여 보다 많은 이점을 제공한다. 주로 주입식 과정은 위장 에서 흡수나 활성이 되지 않는 약물이나, 입을 통해 강한 자극을 나타내는 약물의 사용시 사용하게 된다.
Microspheres는 약물의 표적화에 사용되는 잘 알려진 약물전달체이다. 그로 인해 생분해성 고분자 microspheres는 암의 화학요법에 이용된다. 이는 항암 제의 짧은 생물학적 반감기와 낮은 안정성, 높은 독성 으로 인해 원하는 위치에 효과적인 전달이 이루어져 야 하기 때문이다. 다당류 자체로도 항암의 성질을 지 니는 것이 보고되었으며, 키토산 microspheres는 항암 치료제와 함께 암 치료에 있어서 유망한 약물전달체 로 알려지고 있다. 자성 키토산 microspheres는 생화 학적이고 물리학적인 방법으로 약물의 위치를 나타낼 수 있다. 자성입자는 외부의 자기장에 의해 모세혈관 아래의 표적위치 안에 유지될 수 있게 되는데, 키토산 과 같은 양이온 고분자는 양이온 입자와 음이온 glycosamino glycan 수용기 사이에서 강력한 상호작 용을 발생한다. 이러한 방법으로 microspheres는 모세 혈관에서 유지될 수 있게 된다.
키토산은 스스로가 가지는 특별한 물리화학적인 특 징과 생물체 내에서의 생분해성과, 생체적합성, 항균
성 등으로 인해 약물의 투여방법과 약물 전달에 있어 서 다양한 방면으로 오랜 기간 널리 연구되어왔다. 위 에서 언급하였듯이 키토산은 다양한 비 경구/경구 약 물전달에의 많은 이점을 가지고 있으며, 경구를 통한 약물 전달에 있어서 지속적인 약물의 전달, 펩티드와 같은 낮은 흡수성을 가진 물질의 생물학적 이용가능 성의 증대 등을 나타내는 특징을 가지고 있어 다방면 으로 약물전달에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
재생가능한 자원들에 대한 다양한 응용분야 재생가능한 자원들에 대한 재료의 재생성과 재료의 특이성에 대해서 응용에 적합한 다양한 기술분야에 대한 선행 연구들이 보고되어 왔다. 서로 다른 두 종류 이상의 고분자 사슬이 화학결합을 통해 강제로 연결 되어있는 독특한 형태의 블록 공중합체(block copolymer)는 고분자복합체 제작을 위한 원료 등으로 이용되거나, 이들이 형성하는 다양한 자기조립형태들 을 이용하여 광범위한 응용분야에 적용하는 연구들이 진행되고 있다 [K. Chang, M. L. Robertson, M. A.
Hillmyer, Appl. Mater. Interfaces (2009) 10, 2390- 2399]. 이는 플라스틱, 신발의 고무창과 컴퓨터의 메 모리 스틱 등에도 응용되고 있으며, 이와 같은 공중합 체를 적용한 기술들은 빠른 속도로 성장하고 있다. 블 록 공중합체의 다양한 응용은 산업적으로 점점 일반 화 되어가고 있는 추세이므로, 재생가능한 자원에 근 거한 블록 공중합체의 개발은 앞으로 더 중요한 연구 분야가 될 것이다. 셀룰로오즈를 복합체 소재에 이용 한 연구도 활발히 진행 중이다 [M. Henriksson, L. A.
Berglund, P. Isaksson, T. Lindström, T. Nishino, Biomacromolecules (2008) 9, 1579-1585]. 셀룰로오
즈 섬유는 비표면적이 크기 때문에 촉매나 흡착제로서 뛰어난 효과를 발휘하고, 분자가 갖추어져 배열하고 있어 강도와 탄성이 뛰어난 등의 성질을 가지고 있어 새로운 기능을 가지는 소재로서 기대되고 있다. 특히 나노레벨의 셀룰로오즈 섬유는 목재로 만들 수 있어 생산과 폐기에 대해 환경 부하가 작기 때문에 그 제조 방법의 연구 및 용도 개발이 국내외에서 활발히 진행 되고 있다. 또한 천연자원의 생체모방(biomimetics) 및 생체형틀(biotemplating)에 대한 연구도 다루어지 고 있다 [P. Oskar, B. Ingo, F. Peter, MRS bulletin (35) 219-225].
맺음말
기존의 석유화학 기반 화합물을 대체하기 위한 재 생 및 지속사용 가능한 자원으로부터 유래된 고분자 화합물들의 구조, 특징 및 최근 진행되고 있는 연구들 에 대해 간략히 살펴보았다. 이들 탄수화물계 고분자 는 그 분자구조의 유사성에도 매우 다양한 물성을 나 타내고 있어, 향후 분자 구조 조절을 통해 다양한 소 재로서 개발이 가능할 것으로 판단되며, 이들의 재생 가능한 성질은 향후 그 중요성을 증폭시키는 중요한 요소가 될 것이다. 재생가능한 바이오계 고분자는 포 장, 전기전자, 농업, 종이와 펄프 등 다양한 분야의 원 재료가 되므로, 이의 개발은 석유화학 의존도와 석유 화학계 고분자의 의존도를 줄인다는 측면에서 매우 중요하다. 또한 환경친화적 고분자에 대한 소비자의 요구도 고분자 소재에 대한 재생 및 지속사용 가능 자 원(renewable resources)에 대한 기술 유발 요인으로 작용하고 있으며, 이러한 기술 방향은 앞으로도 지속 적으로 주목해야 할 분야일 것이다.
