겨자무 과산화효소 가교 실크 피브로인 키토산 복합 하이드로젤의 제조 및 후처리에 의한 역학적 특성 개선에 관한 연구

Abstract

재생 실크 피브로인(SF)은 면역 반응이 낮으며 베타 시트 구조 형성을 통해 강한 물성을 얻을 수 있어 생체재료로써 다양하게 이용이 된다. 하지만 SF 단독으로는 다양한 분야에서 요구되는 성질을 구현할 수 없다. 이 연구에서는 SF 하이드로젤의 항균성을 부여하기 위하여 키토산(CS)을 복합하였다. SF/CS 복합 하이드로젤은 겨자무 과산화효소(Horseradish peroxidase, HRP)를 이용한 가교 방법으로 제조하였으며, 제조 된 복합 하이드로젤의 역학적 성질 향상을 위하여 SF의 베타 시트 구조 전이를 유도하였다. HRP로 CS를 복합하기 위해 CS의 아민기에 페놀기를 도입하였으며 그 결과 약 18%의 아민기가 페놀기로 치환이 된 CS 유도체(CS-Ph)를 제조할 수 있었다. SF와 CS-Ph의 복합 하이드로젤(SF/CS-Ph)은 CS-Ph 단독 하이드로젤보다는 젤화가 느리게 진행되었고 SF 단독 하이드로젤 보다는 빨랐다. 하지만 제조된 SF/CS-Ph는 SF 단독 하이드로젤에 비하여 현저하게 낮은 전단 저장 탄성률을 나타내었다. 이는 제조 과정에서 CS-Ph의 빠른 가교로 인해 SF의 유동성이 제한되면서 전체적으로 가교 밀도가 떨어지기 때문이다. 따라서 SF/CS-Ph의 역학적 성질을 개선하기 위하여 SF의 구조 전이를 유도하는 후처리 공정을 진행하였다. SF의 구조 전이를 유도하는 방법으로는 산성화와 에탄올 처리 방법을 이용하였다. 그 결과 산성화를 통한 SF/CS-Ph 하이드로젤(SF/CS-Ph_pH2)은 에탄올을 처리한 SF/CS-Ph 복합 하이드로젤(SF/CS-Ph_EtOH)에 비하여 낮은 전단 저장 탄성률을 보였으나 보다 유연한 성질을 가졌다. ATR-FTIR, WAXS, SEM등을 이용하여 구조를 분석한 결과 두 후처리 방법 모두 SF를 베타 시트 구조로 전이 시켰으나, SF/CS-Ph_pH2의 결정화도가 SF/CS-Ph_EtOH보다 낮다는 것을 확인하였다. 제조된 SF/CS-Ph_pH2는 시간에 따른 경화 현상이 일어나지 않았으며 가속 노화 실험을 통하여 상온에서 약 4개월의 보관 안정성을 확인하였다. SF/CS-Ph_pH2는 대장균과 포도상구균에 대하여 각각 14.4%와 69.9%의 항균성을 나타내었다. 이상의 결과 SF/CS-Ph_pH2는 항균성 피부 패치 등으로 이용될 수 있을 것이다.

Regenerated silk fibroin (SF) has a low immune response and can obtain physical properties by forming beta-sheet structure, so it is widely used as a biomaterial. However, SF alone cannot realize the properties required in various fields. In this experiment, chitosan (CS) was combined to impart antibacterial properties to the SF hydrogel. The SF/CS composite hydrogel was prepared by a crosslinking method using Horseradish peroxidase (HRP), and beta-sheet structure transition of SF was induced to improve the mechanical properties of the prepared composite hydrogel. In order to crosslink CS by HRP, a phenol group was introduced into the amine group of CS, and as a result, about 18% of the amine group was substituted with a phenol group (CS-Ph). The gelation time of SF and CS-Ph (SF/CS-Ph) composite hydrogel was slower than the CS-Ph alone hydrogel but faster than the SF alone hydrogel. However, the prepared SF/CS-Ph showed a significantly lower shear storage modulus than the SF-only hydrogel. Limitation in the chain mobility of SF due to the rapid crosslinking of CS-Ph during the gelation process may be the reason for a lower mechanical property. Therefore, to improve the mechanical properties of SF/CS-Ph, a post-treatment process that induces the structural transition of SF was performed. Acidification and ethanol treatment were used for inducing the structural transformation of SF. As a result, the SF/CS-Ph hydrogel through acidification (SF/CS-Ph_pH2) showed a lower shear storage modulus than the ethanol-treated SF/CS-Ph hydrogel (SF/CS-Ph_EtOH), but was more flexible. After structural analysis using ATR-FTIR, WAXS, and SEM, both post-treatment methods induced beta-sheet structure of SF, but the crystallinity of SF/CS-Ph_pH2 was lower than that of SF/CS-Ph_EtOH. The prepared SF/CS-Ph_pH2 did not undergo post-stiffening with time, and storage stability of about 4 months at room temperature was confirmed through accelerated aging. SF/CS-Ph_pH2 showed antibacterial properties of 14.4% and 69.9% against E. coli and S. aureus, respectively.