기획특집: 의료용 생체재료 및 응용 - cheric · 2015. 8. 11. · keywords: biomaterial,...

KIC News, Volume 18, No. 4, 2015 1

광반응성 천연 고분자의 특성 및 생체재료로의 활용 방안

김 은 혜*,**⋅정 진 홍*⋅한 가 득*⋅손 태 일*,**†

*중앙대학교 생명공학대학 시스템생명공학과 생체재료화학연구실

**중앙대학교 생명환경연구원

Properties of Photo-Reactive Natural Polymer Derivatives and Its Applications

Eun-Hye Kim*,**, Jin-Hong Jeong*, Ga-Dug Han*, and Tae-Il Son*,**†

*Department of Systems Biotechnology, Chung-Ang University, Biomaterial chemistry Lab.**Chung-Ang University, Life and Environmental Research Institute

Abstract: 최근 신체의 손상된 조직 및 세포를 재생하기 위해 약물 전달이 가능한 생체재료에 관한 연구가 활발히

이루어지고 있다. 이러한 생체재료 개발을 위해 생체적합하며 생분해성이 뛰어난 천연고분자가 큰 각광을 받고 있다.

기존의 약물 전달을 위한 고정화 방법은 화학적 가교가 널리 이용되어 왔으나, 이 방법의 여러 단점들이 보고된 바

있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 광반응성 천연고분자를 이용한 약물광고정화 방법이 연구되어 왔다. 본 글에서는

광고정화를 위해 합성되는 여러 광반응성 천연고분자의 종류 및 특성과 생체재료로써의 활용 방안을 소개하고자 한다.

Keywords: biomaterial, photo-immobilization, natural polymers, biocompatibility, biodegradability

1. 서 론1)

생체재료(Biomaterial)는 신체의 손상된 조직을

재생하거나 대체하기 위한 재료로써 천연 또는 인

공적으로 제조된 원료를 바탕으로 만들어진다. 의

료용 목적으로 사용될 생체재료는 기본적으로 몇

가지 특성이 요구된다. 우선 사용기간 또는 사용

후에도 인체에 독성이 없고 안전해야 한다. 더불어

신체에 이용되기 때문에 혈액 및 주변 조직과의

생체적합성을 지녀야 한다. 이외에도 이식되는 장

기나 조직의 본래의 기능을 생체 환경에서 실현하는

생체기능성을 지녀야 한다. 또한 생분해성, 최소한

의 면역 반응 및 염증 반응 등의 특성이 요구된다.

이러한 특성들을 지니면서 환자의 손상된 조직을

회복 또는 대체할 수 있는 생체재료에 대한 연구

및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 생체재료의

원료로 다양한 물질들이 이용되고 있지만 특별히

주 저자 (E-mail: [email protected])

고분자를 생체재료로 응용하고자 하는 많은 연구

들이 진행되고 있다.

고분자는 그 유래로부터 천연고분자와 합성고

분자로 분류된다. 합성고분자는 우수한 기계적 물

성과 함께 유연한 제작이 가능한 장점을 가진다.

합성고분자 중에서도 인체 내에서 조직의 재생 및

복원을 유도할 수 있는 의료용 소재가 많이 연구

되고 있다. 주로 폴리에스터 계열의 중합체 또는

공중합체 등이 많이 사용되고 있다. 그러나 합성

고분자는 세라믹, 금속재료와 비교했을 때 기계적

강도가 낮으며, 천연고분자에 비해 생체친화력이

낮다는 단점을 가진다. 반면에 천연고분자는 자연

적으로 존재하거나 혹은 생물에 의해 만들어지는

고분자 물질로 매우 우수한 생체 적합성을 가진다.

일반적으로 천연고분자를 이용한 생체재료는 세

포 및 주변조직과 상당히 생체 친화적이며 생분해

성이 우수하고 염증반응이 적다. 따라서 생체재료

로써 응용되기 위한 필수 조건들을 만족시키기 위해

천연고분자가 생체재료로써 많이 연구되어지고

기획특집: 의료용 생체재료 및 응용


2 공업화학 전망, 제18권 제4호, 2015

Figure 1. 키토산을 이용한 상피세포 성장인자의 화학적 고정화.

있다. 천연고분자 소재가 생체재료로 응용되는 분

야는 치과, 성형외과, 정형외과, 안과, 약물 전달

시스템 등으로 그 범위가 매우 광범위하다.

이 글에서는 본 연구팀에서 천연고분자의 특성을

바탕으로 천연고분자에 광반응성 작용기를 도입

하여 생체재료로 응용하기 위해 제조한 천연고분자

유도체 및 그 활용 분야에 대해 소개하고자 한다.

2. 본 론

2.1. 광고정화 기술의 필요성

최근 많은 생체재료에 관한 연구가 신체의 손상

된 세포 조직을 부작용 없이 빠르게 치료하는데

그 목적을 두고 있다. 이러한 환자의 빠른 회복을

위해 생리활성물질 또는 단백질 약물을 함께 고정

화하여 손상된 조직에 전달될 수 있는 시스템에

관한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 생

리활성물질에는 PDGF (Platelet-Derived Growth

Factor, 혈소판 유래 성장인자), EGF (Epidermal

Growth Factor, 상피세포 성장인자), NGF (Nerve

Growth Factor, 신경 성장인자) 등 다양한 종류가

존재한다. 그러나 이러한 성장인자들은 복잡한 구

조, 짧은 반감기, 환자의 치료부위로부터의 빠른

소멸 및 분해 등의 문제점들이 성장인자들의 효과

를 감소시킨다. 따라서 이러한 성장인자들은 환자

의 치료부위에 효과적으로 응용하기 위해서는 성

장인자들의 안정성을 유지해야 하며, 이를 위한

연구가 활발히 진행되고 있다. 성장인자 및 단백

질 약물의 안정성을 향상시키기 위한 방법에는 다

양한 방법들이 존재하며 최근까지 생리활성분자

표면에 존재하는 아미노기, 카르복시기, 티올기 등의

반응기를 지지체에 직접 공유결합 시키는 화학적

가교제에 의한 고정화 방법이 널리 이용되어져 왔다.

본 연구팀에서도 이를 이용하여 EGF를 chitosan에

결합시켜 고정화하는 연구를 진행한 바 있으며 이와

관련된 실험 결과를 Figure 1에 나타내었다.

그러나 이러한 화학적 고정화 방법은 생체 내에서

분해되는 과정에서 알데히드, 우레아 등의 세포에

독성을 나타낼 수 있는 물질이 생성된다는 주장이

제기되어왔다. 이러한 기존의 고정화 방법들의 단

점을 극복하기 위한 방법으로 광고정화 기술이 각

광받고 있다. 광고정화 기술은 광조사에 의해 발

생한 라디칼들의 가교반응을 이용하며 특별한 가

교제 및 작용기가 없이 빛에 의해 라디칼 반응이

일어나기 때문에 이전의 고정화 방법들과는 차이가

있다(Figure 2). 따라서 이러한 광고정화 기술을

의학적으로 응용한다면 단백질 약물 및 생리활성

물질 등을 환자의 치료부위에 보다 높은 안정성,

지속적인 효과, 낮은 부작용 등의 장점을 가지고

이용할 수 있을 것이라 사료된다.

2.2. 광반응성 천연고분자 유도체의 종류

광반응성은 주로 고분자에서 crosslinker, surface

modification 등의 목적으로 널리 이용되고 있다.



• Fall, B. I.; Eberlein-Konig, B.; Behrendt, H.; Niessner, R.; Ring, J.; Weller, M. G. Microarrays for the Screening of Allergen- Specific IgEin Human Serum. Anal. Chem. 2003, 75, 556-562.• Ito, Y.; Yamauchi, T.; Omura, K. Development of Microarray Biochip Using Photoimmobilization Method. Kobunshi Ronbunshu (in

Japanese) 2004, 61, 501-510.

Figure 2. 광고정화 기술.

광반응을 위해 사용되는 광원은 크게 UV (UltraViolet

ray) 또는 visible light로 분류할 수 있다. 광가교

메커니즘을 간략하게 Figure 3에 나타내었다. UV

반응성 작용기로 널리 이용되고 있는 작용기에는

azidophenyl, benzophenone, dithiocarbamate, cam-

phorquinone 등이 있다. 키토산에 azido group을

도입하여 생체접착체로 이용하거나 히알루론산에

glycidyl methacrylate를 도입하여 3D-Micro Environ-

ment를 형성하여 세포 증식을 도와주며 지혈제의

역할을 할 수 있는 생체재료에 관한 연구가 보고

된 바 있다. 한편, cinnamic acid는 cinnamate group

을 갖는 대표적인 광 민감성 물질 중 하나로, 카복

실기와 이중결합을 포함하고 있어 UV 조사 시, 이

중결합의 첨가 환원에 의해 광반응성이 관찰된다.

젤라틴과 cinnamic acid 접합체를 이용하여 광 반

응성을 가지는 약물전달체로의 응용에 관한 연구

결과가 보고된 바 있다. 이외에도 furfuryl group과

같은 가시광 반응성 작용기를 도입한 천연고분자를



광반응성 천연고분자 유도체의 종류

S.H. Park, S.Y. Seo, H.N. Na, K.I. Kim, J.W. Lee, H.D. Woo, J.H. Lee, H.K. Seok, J.G. Lee, S.I Chung, K.H. Chung, D.K. Han, Y. Ito, E.C Jang,and T.I Son, Preparation of a Visible Light-Reactive Low Molecular-O-Carboxymethyl Chitosan (LM-O-CMCS) Derivative and Applicability as an Anti-Adhesion Agent, Macromolecular Research, 2011, 19, 921-927.

Figure 3-(a). 가시광 반응성 천연고분자 유도체의 광경화 메커니즘.

]

Y. Heo, S.H. Park, S.Y. Seo, J.Y. Yun, Y. Ito, and T.I. Son, Preparation and In vivo Evaluation of Photo-Cured O-Carboxymethyl Chitosan Micro-Particle for Controlled Drug Delivery, Macromolecular Research, 2014, 22, 541-548.

Figure 3-(b). UV 반응성 천연고분자 유도체의 광경화 메커니즘.

상처치유제, 유착방지제 등의 생체재료로 응용하기

위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 그러나 UV

반응성 천연고분자 유도체는 에너지가 높은 UV를

사용하여 보다 강한 가교를 이루나 UV 사용이 유

전적 변이, 면역력 약화, 암 발생 등의 문제점을

지니고 있어 신체에 직접 사용하기에는 적합하지

않다. 따라서, 최근에는 가시광을 이용한 단백질

약물 또는 생리활성물질의 광고정화 기술이 각광

받고 있다.

본 연구팀 또한 생체재료분야의 최근의 연구 동

향에 발맞춰 다년간 다양한 천연고분자를 이용하여

UV 또는 가시광 반응성 작용기를 도입하여 상처

치유제, 유착방지제, 의료용 titanium 코팅재료, 골

유착 향상을 위한 scaffold 코팅재료와 같은 생체

재료에 관한 연구 및 개발을 진행해오고 있다(Figure 4).

2.3. 광반응성 천연고분자 유도체의 응용 분야

본 연구팀은 키토산, 젤라틴, 히알루론산 등을

이용한 광반응성 천연고분자 유도체를 의학적으로

응용하기 위한 다양한 노력을 시도해왔다. 천연고

분자 종류 중 하나인 키토산(chitosan)은 천연 유

래 고분자 재료로써 큰 각광을 받고 있다. 키토산

은 생체적합성, 생분해성, 무독성과 같은 특성을

지니기 때문에 생체코팅제, 인공피부의 재료, 약물

전달체와 같은 생체재료분야에서 광범위하게 연

구되고 있으며 뿐만 아니라 DNA와 효율적으로

복합체를 형성할 수 있다는 연구 결과가 보고되면

서 유전자 치료를 위한 유전자 전달체로써의 관심

또한 높아졌다. 생체재료로써 널리 응용되고 있는

천연고분자에는 또한 젤라틴(Gelatin)이 있으며 이는

콜라겐(collagen)이라 불리는 단백질에서 얻어진다.



E.H. Kim, J.H. Jeong, G.D. Han and T.I. Son, Preparation of Photo-reactive Chitosan derivatives for the Stabilization Protein Drugs and Its MedicalApplication, Biomaterials International, 2015

Figure 4. 광반응성 천연고분자 유도체.

T.I Son, Preparation of Photoreactive Natural Polymer Derivatives for the Stabilization Protein Drugs and Its Medical Application, 2014, JSPS follows-short term

Figure 5. 가시광 반응성 천연고분자 유도체의 의학적 응용.

젤라틴은 생체재료로서 우수한 생체적합성과 생

분해성이 여러 연구에 의하여 증명되어 왔으며,

현재 조직재생용 세포지지체로 연구되고 있다. 이

외에도 인체의 눈, 탯줄, 연골조직, 피부에 존재하며

피부보습 및 피부재생에 뛰어난 효과를 지닌 히알

루론산, 해조류에 다량 함유되어있는 알긴산 등이



Y. Heo, H.J. Lee, E.H. Kim, M.K. Kim, Y. Ito, T.I. Son, Regeneration Effect of Visible Light-Curing Furfuryl Alginate Compound by Release ofEpidermal Growth Factor for Wound Healing Application, journal of applied polymer science, 2014

Figure 6. 상처 치유제로 응용하기 위한 가시광 반응성 천연고분자 유도체의 in vivo 효과.

약물고정화를 위한 UV경화형 젤라틴 유도체의 제조 및 이를 이용한 창

상피복재 개발, 2014, 중앙대학교 산학협력단(참여기업: ㈜ 티엔엘)

Figure 7. UV 반응성 천연고분자 유도체의 의학적 응용-1.

천연고분자 생체재료로써 큰 관심을 받고 있다.

본 연구팀에서 상처 치유제로 응용하기 위해 키

토산, 젤라틴 등을 이용한 가시광반응성 천연고분

자 유도체에 관한 연구를 진행해오고 있다. 위와

같은 목적으로 제조된 가시광 반응성 천연고분자

를 이용하여 상피세포 성장인자 등을 광고정화함

으로써 피부에 직접 처리하여 상처 치유를 도울

수 있다. 이에 대한 내용을 간략하게 Figure 5에

나타내었다. 더불어 본 연구팀에서 가시광 반응성

알긴산을 상처 치유제로 응용하기 위한 연구에서

진행한 동물실험 결과를 Figure 6에 나타내었다.

이 연구를 통해 본 연구팀은 손상된 조직에 가시

광 반응성 천연고분자를 이용하여 성장인자를 고

정화 할 경우 그 치료 효과 및 회복 속도가 향상되

는 것을 확인할 수 있었다.

한편, UV 반응성 천연고분자 유도체 또한 상처

치유제로 응용이 가능하다. UV 반응성 천연고분자

유도체를 이용한 상처 치유제는 기존에 시판되고

있는 드레싱폼에 적용, 개발될 수 있다. 가시광 반

응성 천연고분자 유도체를 이용한 상처 치유제와

유사하게 상피세포 성장인자, 단백질 약물 등과 함께

드레싱폼 표면 위에 광고정화되어 서방성 약물 방출

형태의 드레싱폼으로 개발 가능하다(Figure 7).

또한 UV 반응성 천연고분자 유도체는 의료용

금속 표면 코팅 소재로 응용할 수 있다. 의료용 목

적의 금속은 주로 스텐트, 치과/정형외과 임플란

트 등에 널리 이용되고 있다. 스텐트는 작은 망상

구조의 튜브 모양으로 되어있고 좁아지거나 약해

진 혈관에 주로 이용된다. 주로 관상동맥의 혈류

를 회복시키는 시술 이후에 다시 혈관이 좁아지거

나 막히는 것을 방지해 주는 역할을 한다. 따라서

시술 후 혈관 내 혈전이나 혈관 내벽의 과다 증식

을 억제하기 위한 약물방출형 스텐트에 관한 연구

가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구팀에서도 이

와 관련된 다양한 연구를 활발히 진행 중에 있다.

이 연구에 관한 대략적인 그림을 Figure 8에 나타

내었다. 마그네슘이 물과 반응하면 분해되는 특성

상 시술 후 체내에서 자연적으로 분해될 수 있는



Step 1. Activation of metal surface Activated surface

Step 2. PLLA or PLGA coating PLLA or PLGA

Step 3. Coating of photo-reactive natural polymers containing drug

Step 4. Encapsulation of drugs (Paclitaxel, Reopro, ALA...)

T.I Son, Preparation of Photoreactive Natural Polymer Derivatives for the Stabilization Protein Drugs and Its Medical Application, 2014,JSPS follows-short term

Figure 8. UV 반응성 천연고분자 유도체의 의학적 응용-2.

Figure 9. 티타늄 표면과 상호작용하며 동시에 약물 탑재가 가능한 천연고분자 유도체의 작용 메커니즘.

장점을 지닌다. 이러한 장점을 바탕으로 약물이

광고정화된 자연분해성 약물방출형 스텐트의 제

작이 가능할 것으로 사료된다.

스텐트 외에도 UV 반응성 천연고분자 유도체와

함께 임플란트의 골유착을 돕는 뼈형성 단백질

(Bone Morphogenetic Protein, BMP)을 광고정화

하여 보다 기능이 향상된 임플란트를 개발할 수

있다. 최근에는 임플란트 금속 재료로 널리 이용

되고 있는 티타늄 표면과의 보다 뛰어난 상호작용을

얻기 위해 티타늄과 결합 가능한 작용기와 광반응성



작용기가 함께 도입된 천연고분자 유도체에 관한

연구를 진행 중에 있다(Figure 9). 이 연구를 통해

티타늄 표면과 보다 견고한 상호작용을 하며 더불어

골유착을 돕는 약물이 탑재된 임플란트를 개발할

수 있을 것으로 사료된다.

3. 결 론

지금까지 천연고분자의 특성과 생체재료의 특성,

생체재료로 사용하기 위한 요구 사항 등을 소개하고

그에 따라 응용되고 있는 예를 기술하였다. 천연

고분자를 생체재료로써 응용하기 위해 각 분야에서

이와 관련된 다양한 노력을 하고 있다. 실제로 천

연고분자 재료를 봉합사, 수술용 테이프와 접착제,

인공혈관, 정형외과, 치과, 조직세포 배양공학, 서

방성 의약제제 등 생체재료 산업에 응용하기 위한

연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이와 관

련하여 의료 현장에서 실제적으로 이용되기에는

많은 한계점과 미흡한 부분들이 여전히 해결 문제로

남아있다. 이를 위해 지금도 본 연구팀을 비롯한

다양한 연구자들이 많은 관심과 노력을 기울이고

있다.

광반응성 천연고분자 유도체에 관한 연구는 여

전히 무궁무진하다고 사료된다. 다양한 특성을 지닌

천연고분자 유도체들이 지구상에 존재하며 이를

이용하여 제조된 광반응성 천연고분자 유도체는

의료 분야뿐만 아니라 이외의 분야에서도 널리 응용

되리라 사료된다.

요 약

본 글에서는 광반응성 천연고분자가 생체재료

로 응용되기 위해 요구되는 특성과 그 응용분야에

대해 살펴보았다. 생체재료로 사용될 수 있는 원

료들 중에서도 특히 천연고분자는 생체 적합성이

우수하고 생분해가 가능하며 합성 고분자에 비해

경제성이 있는 장점을 가진다. 이러한 광반응성

천연고분자를 이용한 생체재료는 천연고분자 본

래의 장점을 지니면서 더불어 환자의 치유를 위한

성장인자, 단백질 약물들을 높은 안정성을 가지고

탑재할 수 있다. 이를 통해 우리는 환자의 손상된

세포 조직의 보다 빠른 회복을 기대할 수 있을 것

으로 사료된다.

감사의 글

이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의

재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초

연구사업임(No. NRF-2014R1A2A1A11052623).

참 고 문 헌

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T. I. Son, D. K. Han, Y. Ito, K. S. Song, and

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김 은 혜2009∼2013 중앙대학교 생명공학과(학사)2013∼2015 중앙대학교 시스템생명공학과

(석사)

2015∼현재 중앙대학교 생명환경 연구원

한 가 득

2009∼2015 중앙대학교 생명공학과

(학사)2015∼현재 중앙대학교

시스템생명공학과 석사과정

정 진 홍

2008∼2014 중앙대학교 생명공학과

(학사)2014∼현재 중앙대학교 시스템생명공학과

석사과정

손 태 일

1974∼1981 한양대학교 공업화학과

(학사)1981∼1983 한양대학교 공업화학과

(석사)1984∼1989 동경공대 전자화학과

(석사, 박사)1999∼현재 중앙대학교 시스템생명

공학과 교수

2015∼현재 한국공업화학회 생체재료

분과장

Molecular Chitosan with Azido Phenyl Group:

Its Application for Adhesion Prevention, Macro-

mol. Res., 18, 1002-1007 (2010).

6. H. D. Woo, H. J. Lee, J. W. Lee, and T. I.

Son, Injectable Photoreactive Azidophenyl Hyalu-

ronic Acid Hydrogels for Tissue Augmentation,

Macromol. Res., 22, 494-499 (2014).

7. T. I. Son, M. Sakuragi, S. Takahashi, S.

Obuse, J. Kang, M. Fujishiro, H. Matsushita,

J. Gong, S. Shimizu, Y. Tajima, Y. Yoshida,

K. Suzuki, T. Yamamoto, M. Nakamura, and

Y. Ito, Visible light-induced cross linkable

gelatin, Acta Biomaterialia, 6, 4005-4010

(2010).

기획특집: 의료용 생체재료 및 응용 - cheric · 2015. 8. 11. · keywords: biomaterial,...

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