Embed Size (px)
Citation preview
Biomaterials Research (2010) 14(2) : 95-102
95
Biomaterials
Research
C The Korean Society for Biomaterials
키토산 나노 섬유 지지체의 제작과 생체공학적 응용
Fabrication of Chitosan Nanofiber Scaffold and Their BiomedicalApplications
박하나·이정복·권일근*
Ha Na Park, Jung Bok Lee, and Il Keun Kwon*
경희대학교 구강악안면생체공학 연구실Department of Maxillofacial Biology and Institute of Oral Biology, School of Dentistry, Kyunghee University, Seoul 130-701, Korea(Received May 10, 2010/Acccepted May 12, 2010)
Functional biomaterial research has been directed toward the development of improved scaffolds for tissue engi-neering. Many biodegradable and biocompatible polymers both synthetic polymers and natural polymers have beenused to make scaffolds. Among the naturally derived polymers, chitosan which is deacetylated derivative of chitin, iswidely used for biomedical applications such as tissue engineering scaffolds, drug delivery, and wound dressing dueto their unique biological properties such as biocompatibility, biodegradability, anti-bacterial, and non-toxicity. In therecent years, electrospinning has been used to be a novel technique to fabricate nano/micro fibers. These nano/microfibers have been applied in biomedical fields as tissue engineering scaffold because of their high surface area andporosity. In this reason, there has been a growing interest in electrospinning using chitosan in order to improve sim-ilarities to natural tissue. This article reviews the recent and relevant reports of the chitosan nanofibers fabricated byelectrospinning and their biomedical applications.
Key words: chitosan, electrospinning, nanofiber scaffold, tissue engineering
서 론
직공학적 기법(Tissue engineering)을 이용하여 질병 혹
은 사고로 인해 손상된 조직의 기능을 재건하기 위해
생체적합성이 뛰어난 고분자를 이용한 지지체(scaffold)에 관한
연구가 활발히 진행되고 있다. 조직 재생의 조직공학적 접근에
있어, 세포, 세포가 성장할 수 있는 지지체, 그리고 조직으로
성장할 수 있는 인자들을 필요로 하게 되며, 그 중에서 생체조
직에 적합한 구조물을 만들기 위해 자연적인 세포외기질의 구
조와 기능을 모방하여 만드는 것이 중요시되고 있다.1) 고분자
지지체는 세포의 부착, 증식, 분화 등과 같은 역할과 기능, 그
리고 영양분과 대사산물들의 확산과 같은 조절을 하며, 지지체
를 제작하는 방법에는 염침출법, 염발포법, 상분리법 등이 있
다.2) 최근에는 전기방사법(electrospinning, ELSP)을 이용하여
나노미터의 직경을 가지는 섬유를 생성하여 조직의 ECM 구조
와 유사한 형상을 가지는 지지체를 제작하고 있다. 전기방사법
은 1882년 Lord Rayleigh가 계산해 낸 액체의 낙하 시 일정
세기 이상의 정전기력이 표면장력을 극복할 수 있다는 것을 토
대로, 1934년 독일의 A. Formhals에 의해 개발된 방법이다. 전
기방사법은 수 마이크로미터에서 수십 나노미터의 직경을 가진
섬유의 제작이 가능하며, 전기방사법으로 제작된 나노 섬유는
섬유간 발생하는 미세공간이 많아 단위 질량당 표면적이 매우
크고 유연하여 외부의 응력에 대한 분산이 큰 특징을 가지고
있으며, 조직공학 분야에서 지지체로써 널리 이용되고 있다.3-5)
전기방사법은 고분자용액을 매우 얇은 노즐을 통해 공급하며,
10~50 kV의 고전압을 노즐에 인가하여 10~25 cm의 거리로
떨어져 있는 집결판으로 섬유들이 방사된다 전압의 영향에 의
해 노즐에서 나오는 용액은 원뿔형태로 방사가 진행되며, 방사
되는 섬유의 직경이나 형태는 인가전압, 노즐과 집결판 사이의
거리, 습도, 방사속도, 집결판의 회전 속도 등의 방사 조건에
따라 영향을 받게 되고, 이러한 요인들을 조절하여 원하는 형
태로의 제작이 가능하다.
본 론
키토산(chitosan)
현재 나노섬유를 바탕으로 하는 지지체의 제작에 사용되는 고
분자는 매우 광범위하며, 그 중 가장 많이 사용되고 있는 생체
적합성 고분자는 poly (L-lactic acid) (PLLA), poly (LA-co-GA)
(PLGA), poly (ε-caprolactone) (PCL), 그리고 poly (L-lactic-co-
ε-caprolactone) (PLCL)과 같은 합성 고분자와 콜라겐, 젤라틴,
그리고 키토산과 같은 천연 고분자 등이 있다. 그 중에서 키토*책임연락저자: [email protected]
조
96 박하나·이정복·권일근
Biomaterials Research 2010
산(Poly-(1→4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose)은 아세틸글루코사
민으로 이루어진 키틴 (갑각류의 외골격, 곤충의 표피, 대부분
의 균류의 세포벽에 존재)을 탈아세틸화(deacetylation, DA)하
여 얻어지는 생체 고분자로서, 글루코사민과 아세틸글루코사민
으로 이루어진 불균일 고분자이다(Figure 1).
키토산은 아세틸화 정도에 따라 글루코사민과 아세틸글루코
사민의 상대적 비율이 달라지며, 이에 따라 산-염기 특성, 용
해도 등과 같은 키토산의 많은 특성이 조절된다. 키토산 고유
의 산 해리 상수(Acid dissociation constant)인 pKa는 탈아세
틸화의 정도, 이온화 강도 및 아민기의 전하 중화에 의해 결정
되며, 아세틸화의 정도가 50%를 초과하지 않을 때, 완전히 중
화된 아민 작용기에 대한 고유 pKa 는 6.3-6.7의 범위를 갖
는다. 아민기의 양성자 첨가 반응은 산성 용액에서 고분자를
용해시킨다. 아민기의 양성자 첨가 반응은 산성 용액에서 양성
자와 금속 양이온이 서로 경쟁적으로 아민기와 상호 작용함으
로써 금속 양이온의 흡착 또는 흡수에 의한 물질의 결합 현상
을 감소시킨다. 키토산의 또 다른 중요한 특성은 분자량에 따
라 용액에 대한 고분자 용해도와 점도가 달라지는 점이다. 사
슬 강성도, 반복 단위의 길이, 사슬 코일링 등과 같은 키토산
의 유동학적 성질들은 그것이 활성 영역에 대한 접근성과 적
용성에 영향을 주기 때문에 콜로이드 위에서의 촉매 반응 시
큰 효과를 나타낼 수 있다.6)
이러한 특성을 지닌 키토산은 생물학적인 재생능력, 생분해
성, 비항원성, 생체 적합성이 우수하여7) 수술용 봉합사, 항균성
섬유 제조 등 섬유산업에의 응용을 비롯하여 인공피부, 충치
예방제, 식품 첨가제,8) 창상 치료9,10)와 약물 전달 체계11) 등
다양한 조직 공학적 응용이 시도되고 있다.12-15)
키토산 나노섬유
키토산 나노섬유
키토산의 우수한 생체적합성이 밝혀짐에 따라 이를 이용한
조직공학적 응용이 시도되고 있으며, 전기방사법을 통한 나노
섬유 제작 또한 여러 과학자들에 의해 시도되고 있다.16-19)
키토산은 위에서 언급한 바와 같이 글루코사민 unit 당 두
개 의 수산기와 하나의 아민기로 이루어져있으며 분자 간, 분자
내의 수소 결합이 무작위로 배열을 이루고 있다. 대부분의 유기
용매에 녹지 않는 키틴에 반해, 키토산은 그들이 가진 pKa 6.3
의 primary amine groups로 인해 강 염기로 생각할 수 있기
때문에 pH 6.0 이하의 희석된 산 용액에 쉽게 녹는다.20)
2004년 Min 그룹은 키틴을 감마선에 노출시켜 해중합
(depolymerization)하고, 용해도가 높아진 키틴을 1,1,1,2,2,2-
hexafluoro-2-propanol (HFIP)에 녹여 전기방사법으로 시트를
제작하였다. 제작된 키틴 시트는 40% aq NaOH 용액을 이
용하여 60oC 또는 100oC 에서 탈아세틸화하여 방사한 키틴
시트를 키토산으로 치환한 뒤, FT-IR과 WAXD를 통해 구조적
인 변화를 확인함으로써 성공적으로 키토산 시트가 제작되었음
을 확인하였다.21)
Geng 그룹은 키토산의 탈아세틸화 정도와 분자량, 그리고 용
매로 사용한 아세트산의 농도에 따른 용액의 표면 장력과 점도
를 측정하고, SEM을 통해 키토산 섬유의 형태를 확인하였다.
이들은 다양한 분자량의 키토산을 이용하여 전기방사를 통해
나노섬유를 제작하였다. 낮은 분자량의 키토산을 녹여9.5-
10.5 wt.%의 농도에서는 크기가 큰 비드(bead)를 형성할 뿐
아니라 섬유의 끊김이 발생하는 것을 확인하였으며, 높은 분자
량의 키토산의 2.5-3 wt.% 용액은 울퉁불퉁하고 매우 가는 섬
유와 적은 수의 비드가 발생한다는 것을 확인하였다. 이들의
연구 결과, 대략 106,000 g/mol 의 분자량을 가지는 키토산을
이용하여 7-7.5 wt.%의 농도에서만 끊김이 없는 균일한 섬유를
형성하는 것을 발견하였으며, 높은 분자량의 키토산에서 균일
한 직경의 섬유를 형성하지 못하는 이유는 키토산 분자가 가
지는 높은 아민기로 인한 높은 전하 밀도 때문일 것으로 분석
하였다.17)
Ohkawa 그룹은 순수한 키토산만을 녹인 용액을 이용하여 전
기방사를 수행하기 위해 methanol, ethanol, 1,4-dioxane, di-
chloromethane (DCM)과 같은 휘발성 유기 용매나, N,N-
dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxie (DMSO)와 같은
비양자성 용매 (aprotic solvent), 그리고 Acetic acid, HCl 등
의 용매와 그들의 혼합 용매를 이용하였으며, 여러 용매들 중
Trifluoroacetic acid (TFA)를 이용하였을 경우에만 키토산이 집
결판에 모여 섬유를 형성한다고 보고하였다.22) 이들은 키토산/
TFA용액을 전기방사한 결과, 키토산의 농도가 6 wt.% 또는 그
이하일 경우 나노섬유와 함께 많은 비드가 형성되고(Figure
2(a), (b)), chitosan의 농도가 7 wt.% 일 때, 비드보다 나노섬유
가 우세하게 형성됨을 확인하였다(Figure 2(c), (d)). 또한 대부분
균일한 형태를 지닌 키토산 나노섬유는 8 wt.% 의 농도에서 형
성되는 것을 확인하였다(Figure 2(e), (f)).
Figure 1. (a) 키틴과 (b) 키토산의 화학 구조.
키토산 나노 섬유 지지체의 제작과 생체공학적 응용 97
Vol. 14, No. 2
Ohkawa 그룹은 TFA를 용매로 사용하였을 경우, 성공적으로
키토산의 전기방사가 이루어진 것은, 첫째, 키토산의 아민기와
TFA가 염을 형성하고, 이것에 의해 키토산 분자간의 강한 결
합을 파괴시켜 전기방사가 가능하게 해주며, 둘째, TFA의 강한
휘발성이 키토산/TFA 용액의 전기방사 시 이점으로 작용하여
빠르게 응결을 이루게 된다고 밝혔다.22)
키토산을 전기방사하여 나노섬유를 제작하기 위해 TFA와
DCM을 사용한 또 다른 연구가 있다. Sangsanoh 그룹은TFA/
DCM(70:30)을 용매로 하여 제작한 키토산 나노섬유 시트
(Figure 3(a))를 실제로 사용하려면 중화 과정이 필요함을 인지
Figure 2. TFA를 용매로 이용한 키토산 전기방사. 키토산의 농도에 따라 전기방사된 키토산 나노섬유의 SEM 이미지: a) 5 wt.%,b) 6 wt.%, c) 7 wt.%, d) 7 wt.% e) 8 wt.% f) 8 wt.%.
Figure 3. TFA와 DCM의 혼합 유기용매를 이용하여 전기방사법을 통해 제작한 키토산 나노섬유의 SEM 이미지. 키토산을 7 wt.%로 TFA/DCM (70/30 v/v%) 혼합 유기용매에 녹임. a) 중화처리를 하기전의 키토산 나노섬유, b) 5 M NaOH를 이용하여 중화처리한 후의 키토산 나노섬유, c) 5 M Na2CO3 를 이용하여 중화처리한 후의 키토산 나노섬유.
98 박하나·이정복·권일근
Biomaterials Research 2010
하였고, NaOH과 Na2CO3 용액을 이용해 3시간 동안 중화 처
리하였다.19) 5 M NaOH 용액을 처리한 키토산 나노섬유 시트
는 초기의 섬유구조를 유지하지 못했으며(Figure 3(b)), Na2CO3
용액을 처리한 경우, 초기의 fiber 구조를 그대로 유지하는 것
을 외관상으로 확인한 후 추가적인 실험을 통해 구조적 손상
없이 중화가 이루어짐을 입증하였다. NaOH와 Na2CO3에 의
한 키토산의 중화 과정은 (Figure 4)에 나타내었다.
이러한 키토산을 전기방사법을 이용하여 나노섬유를 만드는
데 있어서 가장 큰 문제는 정전기력에 의해 섬유가 만들어 지
는 것을 막는 키토산의 높은 점도이며, 전기방사를 통해 키토
산 나노섬유를 제작하기 위해서 키토산 용액의 점도를 조절하
는 것이 필요하다.24) 이는 알칼리 처리를 통해 해결이 가능하
다. 키토산에 알칼리 처리를 하게 되면 키토산 분자 체인이 가
수분해에 의해 끊어지게 되며 분자량이 감소하게 되며, 전기방
사를 하기에 적절한 점도를 가지는 키토산 용액을 만들기가 용
이하다.
키토산 복합체 나노섬유
chitosan은 acetic acid와 같은 희석된 산 용액에 쉽게 용해
되는 특성으로 나노섬유를 형성할 수 있다. 하지만 높은 제조
가격과 키토산 자체로는 제작하기에 많은 제약이 따르며, 이를
해결하기 위해 PEO, PVA, PLA, silk fibroin, collagen과 같
은 다른 합성 혹은 천연고분자와의 혼합을 이용하여 보다 손
쉽게 나노섬유를 제작할 수 있다.25) 키토산 나노섬유를 제작하
기 위한 전기방사 조건 및 혼합물을 정리하여(Table 1)에 나타
내었다.
키토산 나노섬유를 제작하기 위해 가장 많이 사용되고 있는
PVA는 bone implant, 인공 장기 등의 의학적으로 다양하게
응용되고 있다. Xu 그룹은 enzyme immobilization을 위한 안
정한 chitosan 나노섬유를 PVA와의 혼합을 이용하여 제작하였
다.26) 이들은 chitosan과 PVA의 혼합용액으로부터 나노섬유를
만들어내고 NaOH 처리를 통해 나노섬유에 있는 PVA를 제거
하여 안정한 구조를 지닌 chitosan 나노섬유막을 형성하였다.
나노섬유의 표면에는PVA의 제거로 생긴 작은 구멍을 TEM을
통해 확인하였다(Figure 5(b)). PVA의 제거로 인해 발생한 키토
산 나노섬유의 작은 구멍들은 enzyme loading, immobilized
lipase의 저장 등 enzyme immobilization을 위한 안정한 구조
를 제공할 수 있음을 보고하였다.
키토산과 PVA를 혼합한 또 다른 연구에서는 antibacterial
activity를 가진 키토산 나노섬유 시트를 wound healing에 적
용하였다.27) 이들은 quaternized 키토산(QCS)과 PVA를 혼합한
용액으로 전기방사하여 Staphylococcus aureus와 Escherichia
coli에 대한 저항성을 가진 매트를 제작하였다. polyampholyte
(N-carboxyethyl chitosan)에 물에 녹아 이온화되지 않는 고분
자 폴리아크릴아마이드(poly acrylamide)를 혼합하여 용액을 제
작하였고, 물이나 수증기에 의해 용해되는 키토산 나노섬유를
제작하였다.28)
키토산 나노섬유를 제작하기 위한 또 다른 방법으로 키토산
(4-6 wt.%)과 PEO를 2:1 또는 1:1의 비율로 혼합하여 매우
가는 나노섬유를 제작하였다.29,30)
PEO는 생체적합성이 좋으며,31) 창상피복제,32) 연골 조직 재
생33)과 같은 용도로 많이 사용되고 있다.
Kriegel 그룹은 키토산과 PEO를 3:1의 비율로 혼합하여 비
드의 발생이 없는 매우 가는 나노섬유를 제작하였다.34) 고분자
Figure 4. a) NaOH와 b) Na2CO3에 의한 키토산의 중화 과정.
키토산 나노 섬유 지지체의 제작과 생체공학적 응용 99
Vol. 14, No. 2
혼합용액에 nonionic, ionic, cationic surfactant를 첨가할 경
우, 다양한 크기의 매끄러운 나노섬유를 얻을 수 있다. 전기방
사 과정에서 고분자-용매, 고분자-고분자 간의 점도, 전도도, 표
면 장력과 같은 용액의 특성은 가장 중요한 요인으로 작용하
며, 계면활성제는 수소결합과 정전기적 소수성 상호작용을 조
정하는 역할을 한다.
PEO를 이용한 키토산 나노섬유를 제작할 경우 키토산의 비
율이 증가할수록 섬유의 직경은 감소한다.29,35) Bhattarai 그룹
은 키토산/PEO를 9/1의 비율로 하여 물 안에서도 구조상태를
잘 유지하고 연골세포(chondrocyte) 와 골아세포 (osteoblast)의
점착이 잘되는 섬유지지체를 제작하여 골 조직공학(bone tissue
engineering)에 응용하였다.36)
Figure 5. 키토산/PVA 을 이용한 나노섬유. a) 전기방사 후 중화처리 전의 나노섬유와 b) 0.5 M NaOH를 처리한 뒤의 키토산 나노섬유. (화살표 : PVA가 빠져나간 자리에 생긴 pore).
Table 1. 여러가지 유기용매와 다른 고분자와의 혼합을 이용한 키토산 나노섬유의 제작
Blended polymer Molecular weight DDA [%] Solvent Surfactant Ref.
CS/PLLA-CL PLA 50 mol% 60 HFIP, TFA 57
CS/CL I CL-I 0.8-1 × 105 Da85 HFIP, TFA 58
HFIP, TFA, MC 40
CS/PEO
CS 1.48 × 105 g/mol, PEO 9 × 105 g/mol 82 AA 59
CS 190 kDa, PEO 900 kDa 85 AA, DMSO Triton × -100 36
PEO 9 × 105 g/molCS 4 × 105, 6 × 105, 1.48 × 105 g/mol
75-85 AA 63
PEO 600, 1500, 2300, 4000 kDa, CS 654 kDa
90 AA 29
CS 1400, 100 kDa, PEO 900 kDa 80, 70, 60 / 83 AA 35
α-CS/ PEO α-CS 1000 kDa, PEO 900 kDa 80 AA SDS, Brij 35, DTAB 61
CS/UHMWPEO UHMWPEO >5 × 106 Da 85 AA, DMSO 64
CS/PVA
CS 1600 kDa, PVA 124-186 kDa 82.5 AA 60
PEO 9 × 105 g/molCS 1.2 × 105 Mw
82.5 AAc 66
CS/PEO/PVA/PAA/PAAm
CS 405, 40, 89 kDaPAA 450 kDaPEO 100 kDa
PAAm 10, 5-6 × 105 kDa,PVA 124-186 kDa
84.793.388.6
65
CS/PAAm/AMPS/PVA CS 4 × 105 g/mol 80 acrylic acid 28
PLGA/PVA-CS CS 1.65 × 105 Da 90 THF, DMF, AA 62
CS/PET - 85 HFIP, TFA 67
*DDA : degree of deacetylation, SDS : Anionic sodium dodecyl sulfate, Brij 35 : nonionic, polyoxyethylene glycol (23) lauryl ether, DTAB : cationic dodecyltrimethylammoniumbromideCL : collagen, UHMWPEO : ultra high molecular weigh PEO (poly ethylene oxide)PVA : poly vinyl alcohol, PAA : poly acrylic acid, PAAm : poly acrylamide, CS : chitosan, AA : acetic acid, AAc : acrylic acid, DMSO : dimethyl sul-foxide, AMPS : 2-acryloylamido-2-methylpropanesulfonic acid, MC : Methylene chloride, PET : poly (ethylene terephthalate)
100 박하나·이정복·권일근
Biomaterials Research 2010
PVA와 PEO 외에 PET (poly ethylene terpthalate), collagen,
silk fibroin 등의 다양한 고분자를 혼합하여 나노섬유를 제작하
고 있으며,37-43) 최근에는 derivated 키토산 또는 이것의 혼합
용액을 이용한 전기방사법도 시도되고 있다.27,44-47)
키토산 개질(modification)을 통한 생체적합성 향상 및
기능성 부여
키토산은 다양한 종류의 side chain을 선택함으로써 용해성
을 높임과 동시에 원하는 특성의 도입이 가능하여 의공학
(biomedical engineering) 분야에서 매우 다양한 응용이 시도되
고 있다. 개질을 통해 키토산의 몇 가지 특성이 대체되지만,
키토산 본래의 생체적합성, 생분해성, 항균성, 창상치유,
mucoadhesivity와 같은 생물학적 특성(biological properties)은
유지할 수 있다.
키토산은 아민 그룹과 같은 반응이 가능한 화학적 구조를 갖
고 있고(Figure 1(b)) etherification, esterification, cross-linking,
graft copolymerization 과 같은 많은 반응이 가능하다.20)
아민기는 acetylation, quaternization, aldehyde와 ketone과
의 반응, alkylation, grafting, chelation of metals와 같은 화
학적 반응을 할 수 있으며, 다양한 교차 결합(cross-link)을 통해
diisocyanate, Resimene,48) N,N-disuccinimidyl suberate,49) epi-
chlorohydrin,50) genipin,51) hexamethylene 1,6-di (aminocar-
boxysulfonate)52) 등의 고분자와 결합할 수 있으며, 지니고 있
는 수산기는 O-acetylation, gratfing, 극성 원자와의 H-bonding
등의 다양한 반응을 할 수 있다.
조직 공학적 적용을 위한 키토산의 개질(modification)은 당
에 대한 세포의 특정 인식(specific recognition)으로 소개되어
왔다. 당과 결합되어 있는 키토산의 합성은 주로 당에 의한 특
정 세포, 바이러스, 박테리아의 인식 등, DDS (drug delivery
system), gene therapy, 조직공학분야로 연구되었다. Li 등은
D-, L- fucose, 그리고 lectin과 세포와 특정한 결합이 되어 있
는 이것들과 같은 당과 결합되어 있는 키토산의 합성에 대해
보고하였다.53)
PLGA-키토산/PVA의 합성 매트리스는 사람의 embryo skin
fibroblast를 키우는데 적합하며,63) 키토산, PEO, Triton X-100
을 혼합할 경우(키토산/PEO = 9/1,w/w), 물에서도 완벽하게 구
조를 유지할 수 있어 연골세포의 부착을 증진시킨다.54,55)
Jiang 그룹은 전기방사법을 이용하여 ibuprofen이 탑재되어 있
는 PLGA/PEG-g-chitosan혼합 시트를 제작하였다. 이들은 PEG-
g-chitosan를 이용하여 PLGA 시트에서 초기에 약물이 대량 방
출되는 현상을 줄이고, PEG-g-chitosan이 2주 이상 ibuprofen
과 결합을 유지할 수 있도록 함으로써56) 최근에는 전기방사법
을 이용하여 제작한 나노 섬유 시트가 적절한 약물 전달 시스
템에 대한 효과를 가졌음이 밝혀졌다.
결 론
키토산은 생체적합성, 생분해성, 항균성과 같은 우수한 생물
학적 특성에도 불구하고, 낮은 용해도와 가공의 어려움으로 인
해 조직공학적 적용이 어려워 비교적 관심의 대상이 되지 못
하고 있었다. 하지만 분자량의 변화 혹은 다른 고분자와 혼합
등을 통하여 전기방사를 용이하게 할 수 있으며, 이를 이용하
여 비교적 쉽게 키토산 나노섬유를 제작할 수 있다. 최근에는
이를 응용하여 많은 연구 결과가 나오고 있다.
나노섬유를 비교적 손쉽게 제작할 수 있는 방법 중 하나인
전기방사법은 전압, 노즐과 집결판 사이의 거리, 용액의 주입
속도뿐 만 아니라 고분자와 용액의 분자량, 점도, 전도성, 표면
장력 또한 매우 중요한 요인으로 작용하며, 특히 낮은 분자량
을 지닌 고분자의 경우 비드를 형성하는 경향이 있으며, 높은
분자량의 고분자는 직경이 큰 섬유를 형성한다
따라서 전기방사법을 이용한 키토산의 응용을 성공적으로 하
기 위해서는 고분자 혼합 비율, 용매 등 다양한 전기방사 조건
을 적절하게 잡는 것이 가장 중요하다. 여러 연구 결과를 토대
로 적절한 방사 조건을 확립한다면 약물전달, 창상치료 등의
의학적인 적용뿐 아니라 미용이나 상업적으로도 키토산의 특성
이 널리 이용될 것으로 보인다.
감사의 글
본 총설은 지역연고진흥사업(B0010536)과 산업원천기술개발
사업(10035291)의 연구지원에 의하여 이루어졌으므로 이에 감
사 드립니다.
참고문헌
1. I. O. Smith, X. H. Liu, Smith LA, P. X. Ma, “Nanostructuredpolymer scaffolds for tissue engineering and regenerativemedicine,” Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol., 1,226-36 (2009).
2. B. S. Kim, D. J. Mooney, “Development of biocompatiblesynthetic extracellular matrices for tissue engineering. TIBTECH,16, 224 (1998).
3. R. Casarano, R. Bentini, V. B. Bueno, T. Iacovella, F. B. F. Monteiro,F. A. S. Iha, A. Campa, D. F. S. Petri, M. Jaffe, L. H. Catalani,“Enhanced fibroblast adhesion and proliferation on electrospunfibers obtained from poly (isosorbide succinate-b-L-lactide) blockcopolymers,” Polymer., 50, 6218-6227 (2009).
4. S. Madduri, M. Papalo¨zos, B. Gander, “Trophically andtopographically functionalized silk fibroin nerve conduits for guided
peripheral nerve regeneration,” Biomaterials., 31, 2323-2334(2010).
5. H. R. Jung, D. H. Ju, W. J. Lee, X. Zhang, R. Kotek, “Electrospunhydrophilic fumed silica/polyacrylonitrile nanofiber-based com-posite electrolyte membranes,” Electrochimica Acta., 54, 3630-3637 (2009).
6. E. Guibal, “Heterogeneous catalysis on chitosan-based materials: a review,” Prog. Polym. Sci., 30, 71-109 (2005).
7. K. MNVR, “A review of chitin and chitosan applications,” ReactFunct Polym., 46, 1-27 (2000).
8. S. W. Ko, Y. W. Cho, “Chitin (or Chitosan) Blends and TheirApplications,” Polymer Science and Technology., 8, 538-545 (1997).
9. S. Hirano, C. Itakura, H. Seino, Y. Akiyama, I. Nonaka, N.
키토산 나노 섬유 지지체의 제작과 생체공학적 응용 101
Vol. 14, No. 2
Kanbara, T. Kawakami, “Chitosan as an ingredient for domestic-animal feeds,” J. Agric. Food Chem., 38, 1214-7 (1990).
10. K. Aiedeh, E. Gianasi, I. Orienti, V. Zecchi, “Chitosan microcapsulesas controlled release systems for insulin,” J. Microencapsulation.,14, 567-76 (1997).
11. J. Berger, M. Reist, J. M. Mayer, O. Felt, R. Gurny, “Structure andinteractions in chitosan hydrogels formed by complexation oraggregation for biomedical applications,” Eur. J. Pharm.Biopharm., 57, 35-52 (2004).
12. K. Yagi, N. Michibayashi, N. Kurikawa, Y. Nakashima, T. Mizoguchi,A. Harada, S. Higashiyama, H. Muranaka, M. Kawase, “Effec-tiveness of fructose-modified chitosan as a scaffold for hepatocyteattachment,” Biol. Pharm. Bull., 20, 1290-4 (1997).
13. Y. Zhang, M. Q. Zhang, “Calcium phosphate/chitosan compositescaffolds for controlled in vitro antibiotic drug release,” J.Biomed. Mater. Res., 62, 378-86(2002).
14. Y. Zhang, M. Q. Zhang, “Three-dimensional macroporous calciumphosphate bioceramics with nested chitosan sponges forloadbearing bone implants,” J. Biomed. Mater. Res., 61, 1-8 (2002).
15. Y. Zhang, M. Q. Zhang, “Synthesis and characterization ofmacroporous chitosan/calcium phosphate composite scaffolds fortissue engineering,” J. Biomed. Mater. Res., 55, 304-12 (2001).
16. J. D. Schiffman, C. L. Schauer, “Cross-Linking Chitosan Nano-fibers,” Biomacromolecules., 8, 594-601 (2007).
17. X. Geng, O. H. Kwon, J. H. Jang, “Electrospinning of chitosandissolved in concentrated acetic acid solution,” Biomaterials,, 26,5427-5432 (2005).
18. S. D Vrieze, P. Westbroek, T. V. Camp, L. V. Langenhove,“Electrospinning of chitosan nanofibrous structures: feasibilitystudy,” J. Mater. Sci., 42, 8029-8034 (2007).
19. P. Sangsanoh, P. Supaphol, “Stability Improvement of ElectrospunChitosan Nanofibrous Membranes in Neutral or Weak BasicAqueous Solutions,” Biomacromolecules., 7, 2710-2714 (2006).
20. C. K. S. Pillai, W. Paul, C. P. Sharma, “Chitin and chitosanpolymers: Chemistry, solubility and fiber formation,” Progress inPolymer Science., 34, 641-678 (2009).
21. B. M. Min, S. W. Lee, J. N. Lim, Y. You, T. S. Lee, P. H. Kang, W.H. Park, “Chitin and chitosan nanofibers: electrospinning of chitinand deacetylation of chitin nanofibers,” Polymer., 45, 7137-7142(2004).
22. K. Ohkawa, D. G. Cha, H. K. Kim, A. Nishida, H. Yamamoto,“Electrospinning of Chitosan,” Macromol. Rapid Commun., 25,1600-1605 (2004).
23. M. Hasegawa, A. Isogai, F. Onabe, M. Usuda, R. H. Atalla,“Characterization of cellulose-chitosan blend films,” J. Appl.Polym. Sci., 45, 1873-1879 (1992).
24. S. V. Fridrikh, J. H. Yu, M. P. Brenner, G. C. Rutledge, “Controllingthe fiber diameter during electrospinning,” Phys. Rev. Lett., 90,144502 (2003).
25. G. Kunike, “Chitin and chitosan,” J. Soc. Dyers. Colorists., 42,318-342 (1927).
26. X. J. Huang, D. Ge, Z. K. Xu, “Preparation and characterizationof stable chitosan nanofibrous membrane for lipase immobili-zation,” European Polymer Journal., 43, 3710-3718 (2007).
27. M. Ignatova, K. Starbova, N. Markova, N. Manolova, I. Rashkov,“Electrospun nano-fibre mats with antibacterial properties fromquaternised chitosan and poly (vinyl alcohol),” CarbohydrateResearch., 341, 2098-2107 (2006).
28. R. Mincheva, N. Manolova, D. Paneva, I. Rashkov, “Preparationof Polyelectrolyte-Containing Nanofibers by Electrospinning inthe Presence of a Non-Ionogenic Water-Soluble Polymer,” J.Bioact. Compatible Polym., 20, 419-435 (2005).
29. B. Duan, C. Dong, X. Yuan, K. Yao, “Electrospinning of chitosansolutions in acetic acid with poly(ethylene oxide),” Journal ofBiomaterials Science, Polymer Edition., 15, 797-811(2004).
30. H. Matsumoto, H. Yako, M. Minagawa, A. Tanioka, “Characteri-zation of chitosan nanofiber fabric by electrospray deposition:Electrokinetic and adsorption behavior,” Journal of Colloid andInterface Science., 310, 678-681 (2007).
31. L. G. GRIFFITH, “POLYMERIC BIOMATERIALS,” Acta mater., 48,263-277 (2000).
32. F. Yoshiia, Y. Zhanshan, K. Isobe, K. Shinozaki, K. Makuuchi,“Electron beam crosslinked PEO and PEO/PVA hydrogels forwound dressing,” Radiation Physics and Chemistry., 55, 133-138(1999).
33. C. D. Sims, P. E. M. Butler, R. Casanova, B. T. Lee, M. A.Randolph, W. P. A. Lee, C. A. Vacanti, M. J. Yaremchuk, “InjectableCartilage Using Polyethylene Oxide Polymer Substrates,” Plastic &Reconstructive Surgery., 98, 843-850 (1996).
34. C. Kriegel, K. M. Kit, D. J. McClements, J. Weiss, “Influence ofSurfactant Type and Concentration on Electrospinning of Chitosan-Poly (Ethylene Oxide) Blend Nanofibers,” Food Biophysics., 4,213-228(2009).
35. K. Desai, K. Kit, J. Li, P. M. Davidson, S. Zivanovic, H. Meyer,“Nanofibrous chitosan non-wovens for filtration applications,”Polymer., 50, 3661-3669 (2009).
36. N. Bhattarai, D. Edmondson, O. Veiseh, F. A. Matsen, M. Zhang,“Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular com-patibility,” Biomaterials., 26, 6176-6184 (2005).
37. K. H. Jung, M. W. Huh, W. Meng,.J. Yuan, S. H. Hyun, J. S. Bae,S. M. Hudson, I. K. Kang, “Preparation and Antibacterial Activityof PET/Chitosan Nanofibrous Mats Using an ElectrospinningTechnique,” Journal of Applied Polymer Science., 105, 2816-2823 (2007).
38. S. Torres-Giner, E. Gimenez, J. M. Lagarona, “Characterization ofthe morphology and thermal properties of Zein Prolaminenanostructures obtained by electrospinning,” Food Hydrocolloids.,22, 601-614 (2008).
39. S. Torres-Giner, M. J. Ocio, J. M. Lagaron, “Development ofActive Antimicrobial Fiber Based Chitosan PolysaccharideNanostructures using Electrospinning,” Eng. Life Sci., 8, 303-314(2008).
40. Z. Chen, X. Mo, F. Qing, “Electrospinning of collagenchitosancomplex,” Materials Letters., 61, 3490-3494 (2007).
41. Z. Chen, X. Mo, C. He, H. Wang, “Intermolecular interactions inelectrospun collagen-chitosan complex nanofibers,” CarbohydratePolymers., 72, 410-418 (2008).
42. X. Mo, Z. Chen, H. J. Weber, “Electrospun nanofibers ofcollagen-chitosan and P(LLA-CL) for tissue engineering,” Front.Mater. Sci. China., 1, 20-23 (2007).
43. W. H. Park, L. Jeong, D. I. Yoo, S. Hudson, “Effect of chitosan onmorphology and conformation of electrospun silk fibroinnanofibers,” Polymer., 45, 7151-7157 (2004).
44. J. L. Vondran, “Fabrication, optimization, and characterization ofcarboxymethylated chitosan nanofiber mats for cartilageregeneration applications,” Materials science and engineering.,Philadelphia: Drexel University, 123 (2007).
45. R. Mincheva, N. Manolova, I. Rashkov, “Bicomponent alignednanofibers of N-carboxyethylchitosan and poly (vinyl alcohol),”European Polymer Journal., 43, 2809-2818 (2007).
46. J. Du, Y. L. Hsieh, “Nanofibrous membranes from aqueouselectrospinning of carboxymethyl chitosan,” Nanotechnology.,19, 125707 (2008).
47. Z. Q. Feng, X. Chu, N. P. Huang, T. Wang, Y. Wang, X. Shi, Y.
102 박하나·이정복·권일근
Biomaterials Research 2010
Ding, Z. Z. Gu, “The effect of nanofibrous galactosylated chitosanscaffolds on the formation of rat primary hepatocyte aggregatesand the maintenance of liver function,” Biomaterials., 30, 2753-2763 (2009).
48. F. S. Ligler, B. M. Lingerfelt, R. P. Price, P. E. Schoen, “Developmentof Uniform Chitosan Thin-Film Layers on Silicon Chips,”Langmuir., 17 (16), 5082-5084 (2001).
49. C. L. Schauer, M. S. Chen, M. Chatterley, K. Eisemann, E. R.Welsh, R. R. Price, P. E. Schoen, F. S. Ligler, “Color changes inchitosan and poly (allyl amine) films upon metal binding,” ThinSolid Films., 434, 250-257 (2003).
50. Y. C. Wei, S. M. Hudson, J. M. Mayer, D. L. Kaplan, “Thecrosslinking of chitosan fibers,” Journal of Polymer Science: PartA Polymer Chemistry., 30, 2187-2193 (1992).
51. J. Jin, M. Song, D. J. Hourston, “Novel Chitosan-Based FilmsCross-Linked by Genipin with Improved Physical Properties,”Biomacromolecules., 5, 162-168 (2004).
52. E. R. Welsh, C. L. Schauer, S. B. Qadri, R. R. Price, “ChitosanCross-Linking with a Water-Soluble, Blocked Diisocyanate. 1.Solid State,” Biomacromolecules., 3, 1370-1374 (2002).
53. X. Li, Y. Tsushima, M. Morimoto, H. Saimoto, Y. Okamoto, S.Minami, Y. Shigemasa, “Biological Activity of Chitosan-SugarHybrids: Specific Interaction with Lectin, Polym. Adv. Technol.,11, 176-179 (2000).
54. W. Wang, S. Itoh, A. Matsuda, S. Ichinose, K. Shinomiya, Y. Hata,J. Tanaka, “Influences of mechanical properties and permeabilityon chitosan nano/microfibermesh tubes as a scaffold for nerveregeneration,” J. Biomed. Mater. Res., 84A, 557-566 (2008).
55. W. Wang, S. Itoh, A. Matsuda, T. Aizawa, M. Demura, S.Ichinose, K. Shinomiya, J. Tanaka, “Enhanced nerve regenerationthrough a bilayered chitosan tube: the effect of introduction ofglycine spacer into the CYIGSR sequence,” J. Biomed. Mater.Res., 85A 919-928 (2008).
56. H. Jiang, D. Fang, B. Hsiao, B. Chu, W. Chen, Preparation andcharacterization of ibuprofen-loaded poly (lactide-co-glycolide)/poly (ethylene glycol)-g-chitosan electrospun membranes, J.Biomat. Sci. Polym. Ed., 15, 279-296 (2004).
57. F. CHEN, X. LI, X. MO, C. HE, H. WANG, Y. IKADA, “Electrospun
chitosan-P(LLA-CL) nanofibers for biomimetic extracellularmatrix,” J. Biomater. Sci. Polymer Edn., 19, 677-691 (2008).
58. Z. Chen, X. Mo, C. He, H. Wang, “Intermolecular interactions inelectrospun collagen-chitosan complex nanofibers,” CarbohydratePolymers., 72, 410-418 (2008).
59. S. S. Ojha, D. R. Stevens, T. J. Hoffman, K. Stano, R. Klossner, M.C. Scott, W. Krause, L. I. Clarke, R. E. Gorga, “Fabrication andCharacterization of Electrospun Chitosan Nanofibers Formed viaTemplating with Polyethylene Oxide,” Biomacromolecules., 9,2523-2529 (2008).
60. L. Li, Y.L. Hsieh, “Chitosan bicomponent nanofibers and nano-porous fibers,” Carbohydrate Research., 341, 374-381 (2006).
61. C. Kriegel, K. M. Kit, D. J. McClements, J. Weiss, “Electrospinningof chitosan-poly (ethylene oxide) blend nanofibers in thepresence of micellar surfactant solutions,” Polymer., 50, 189-200(2009).
62. B. Duan, X. Yuan, Y. Zhu, Y. Zhang, X. Li, Y. Zhang, K. Yao, “Ananofibrous composite membrane of PLGA-chitosan/PVA preparedby electrospinning,” European Polymer Journal., 42, 2013-2022(2006).
63. R. R. Klossner, H. A. Queen, A. J. Coughlin, W. E. Krause,“Correlation of Chitosan's Rheological Properties and Its Abilityto Electrospin,” Biomacromolecules., 9, 2947-2953 (2008)
64. Y. Z. Zhang, B. Su, S. Ramakrishna, C. T. Lim, “Chitosan Nanofibersfrom an Easily Electrospinnable UHMWPEO-Doped ChitosanSolution System,” Biomacromolecules., 9, 136-141 (2008).
65. J. Du, Y. L. Hsieh, “Nanofibrous membranes from aqueouselectrospinning of carboxymethyl chitosan,” Nanotechnology.,19, 125707 (2008).
66. Y. Zhou, D. Yang, J. Nie, “Electrospinning of Chitosan/Poly(vinylalcohol)/Acrylic Acid Aqueous Solutions,” Journal of AppliedPolymer Science., 102, 5692-5697 (2006).
67. K. H. Jung, M. W. Huh, W. Meng, J. Yuan, S. H. Hyun, J. S. Bae,S. M. Hudson, I. K. Kang, “Preparation and Antibacterial Activityof PET/Chitosan Nanofibrous Mats Using an ElectrospinningTechnique,” Journal of Applied Polymer Science., 105, 2816-2823(2007).
