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생체고분자

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목차

1. 개요

생체고분자는 단량체의 반복적인 단위로 구성된 고분자로, 잘 정의된 구조를 가지는 경우가 많다. 단백질, 핵산, 다당류 등이 있으며, 생체 내에서 주형 유도 과정을 통해 합성되어 단분산성을 나타낸다. 생체고분자는 플라스틱 대체재, 생물의학 분야, 식품 포장 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 생분해성, 지속가능성, 탄소 중립적인 특성으로 인해 환경적 이점을 가진다.

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생체고분자
개요
핵산의 구조
핵산의 구조
정의살아있는 유기체에 의해 생성된 고분자
관련 용어단백질, 핵산, 탄수화물
분류
종류폴리뉴클레오타이드: RNA 및 DNA
폴리펩타이드 또는 단백질
탄수화물
폴리테르펜
폴리아미드
폴리에스터
예시
폴리뉴클레오타이드RNA, DNA
폴리펩타이드콜라겐
액틴
섬유소
탄수화물셀룰로스
키틴
전분

2. 생체고분자와 합성고분자

생체고분자와 합성고분자는 구조에서 큰 차이를 보인다. 모든 고분자는 단량체라고 불리는 반복적인 단위로 이루어져 있다. 생체고분자는 대부분 명확한 구조를 가지지만, 리그노셀룰로스처럼 예외도 있다. 단백질의 경우, 정확한 화학적 조성과 단위체의 배열 순서를 1차 구조라고 한다. 많은 생체고분자는 자발적으로 특정 형태를 띠며, 이는 생물학적 기능을 결정하고 1차 구조에 복잡하게 의존한다. 구조생물학은 이러한 생체고분자의 구조를 연구한다. 반면, 합성고분자는 대개 단순하고 무작위적인 구조를 가져, 생체고분자에는 없는 분자량 분포를 보인다. 생체 내에서 생체고분자는 주형 유도 과정을 통해 합성되므로, 같은 종류의 생체고분자는 비슷한 서열과 단위체 수를 지녀 동일한 질량을 가진다. 이를 단분산성이라 하며, 합성고분자의 다분산성과 대조적이다. 따라서 생체고분자의 다분산지수는 1이다.[31]

2. 1. 구조적 차이

생체고분자와 합성고분자는 그 구조에서 큰 차이를 보인다. 모든 고분자는 단량체라고 불리는 반복적인 단위로 구성된다. 생체고분자는 종종 잘 정의된 구조를 가지지만, 리그노셀룰로스와 같이 예외도 존재한다. 단백질의 경우, 정확한 화학적 조성과 단위체의 배열 순서를 1차 구조라고 한다. 많은 생체고분자는 자발적으로 특징적인 형태로 접히며(단백질 폴딩, 2차 구조, 3차 구조 참고), 이는 생물학적 기능을 결정하고 1차 구조에 복잡하게 의존한다. 구조생물학은 생체고분자의 구조적 특성을 연구하는 학문이다. 반면, 대부분의 합성고분자는 훨씬 단순하고 무작위적인(또는 확률론적인) 구조를 가진다. 이러한 특징은 생체고분자에서는 발견되지 않는 분자량 분포로 이어진다. 실제로 대부분의 생체 내 시스템에서 생체고분자의 합성은 주형 유도 과정에 의해 조절되기 때문에, 한 종류의 모든 생체고분자는 비슷한 서열과 단위체 수를 가지며, 따라서 모두 동일한 질량을 갖는다. 이러한 현상은 단분산성(monodispersity)이라고 하며, 합성고분자에서 발생하는 다분산성(polydispersity)과는 대조적이다. 결과적으로 생체고분자의 다분산지수(polydispersity index)는 1이다.[31]

2. 2. 생성 방식의 차이

생체고분자와 합성고분자의 주요 차이점은 구조에 있다. 모든 중합체는 단위체라고 불리는 반복적인 단위들로 만들어진다. 생체고분자는 종종 잘 정의된 구조를 가지고 있지만, 리그노셀룰로스와 같이 그렇지 않은 경우도 있다. 단백질의 경우, 정확한 화학적 구성과 이들 단위체들이 배열되는 순서를 1차 구조라고 부른다. 많은 생체고분자들은 자발적으로 특징적인 형태로 접혀서 생물학적 기능을 결정하며, 이는 1차 구조에 복잡하게 의존한다. 구조생물학은 생체고분자들의 구조적 특성에 대해 연구하는 학문이다. 대조적으로, 대부분의 합성고분자들은 훨씬 더 단순하고 무작위적인(또는 확률론적인) 구조를 가지고 있다. 이러한 사실은 생체고분자에는 없는 분자량 분포로 이어진다. 실제로 대부분의 생체 내 시스템에서 주형 유도 과정에 의해 생체고분자의 합성이 조절되기 때문에 한 종류의 모든 생체고분자들은 모두 비슷하다. 즉, 생체고분자들은 모두 비슷한 서열과 단위체 수를 포함하고 있고, 따라서 모두 동일한 질량을 가지고 있다. 이러한 현상은 합성고분자에서 발생하는 다분산성과는 달리 단분산성이라고 한다. 결과적으로 생체고분자의 다분산지수는 1이다.[31]

3. 생체고분자의 종류 및 명명법

생체고분자는 크게 폴리펩타이드, 핵산, 다당류로 분류할 수 있다.


  • 폴리펩타이드 (단백질): 폴리펩타이드는 아미노 말단에서 카르복실산 말단 순서로 아미노산 잔기를 나열한다. 펩타이드 결합으로 연결된 단백질은 여러 폴리펩타이드 사슬이나 당류, 지질 등 비펩타이드 성분을 포함하기도 한다.
  • 핵산: 핵산은 5' 말단에서 3' 말단 순서로 뉴클레오티드를 나열한다. 5'와 3'는 리보스 고리의 탄소 번호를 나타내며, 이 서열은 생체고분자의 1차 구조를 이룬다.
  • 다당류 (탄수화물): 다당류는 선형 또는 분지형으로, 배당체 결합으로 연결된다. 결합 위치와 작용기 방향에 따라 α- 및 β-배당체 결합이 생성되며, 아민화 등 화학적 변형이나 당단백질 형성에 관여하기도 한다.

3. 1. 폴리펩타이드 (단백질)

폴리펩타이드에 대한 관례는 아미노 말단으로부터 카복시 말단까지 폴리펩타이드를 구성하는 아미노산 잔기들을 순서대로 나열하는 것이다. 아미노산 잔기들은 항상 펩타이드 결합으로 연결되어 있다. 단백질은 어떤 폴리펩타이드를 지칭하기 위해 구어적으로 사용되지만, 더 크거나 완전한 기능을 하는 형태를 지칭하며, 단일 폴리펩타이드 사슬 뿐만 아니라 여러 폴리펩타이드 사슬들로 구성될 수 있다. 또한 단백질은 당 사슬 및 지질과 같은 비펩타이드 성분을 포함하도록 변형될 수 있다.

3. 2. 핵산

핵산의 서열에 대한 관례는 뉴클레오타이드 잔기들을 폴리뉴클레오타이드 중합체 사슬의 5' 말단에서 3' 말단까지 순서대로 나열하는 것이다. 여기서 5' 및 3'는 폴리뉴클레오타이드 사슬의 포스포다이에스터 결합에 참여하는 리보스 고리의 탄소의 번호를 가리킨다. 이러한 서열을 생체고분자의 1차 구조라고 한다.

3. 3. 다당류 (탄수화물)

다당류는 선형 또는 분지형일 수 있으며, 일반적으로 글리코사이드 결합으로 연결된다. 결합의 정확한 위치는 다양할 수 있으며 결합에 참여하는 작용기의 방향도 중요하며, 고리 내의 결합에 참여하는 탄소의 위치를 결정짓는 번호 매김을 갖는 α- 및 β-글리코사이드 결합을 생성한다. 또한 많은 다당류 단위들은 아미노화와 같은 다양한 화학적 변형들을 겪을 수 있으며, 당단백질과 같은 다른 분자의 일부를 형성할 수도 있다.[1]

4. 생체고분자의 구조적 특성 분석

생체고분자의 구조적 특성을 분석하는 데에는 다양한 생물물리학적 방법이 사용된다.

에드만 분해법을 통해 단백질의 배열을 결정할 수 있는데, 이 방법은 N-말단 잔기를 사슬에서 하나씩 가수분해하여 유도체화한 후 동정하는 방식이다. 질량 분석 기술도 활용될 수 있다. 핵산의 배열은 겔 전기 영동이나 모세관 전기 영동을 사용하여 결정할 수 있다.

광 핀셋이나 원자력 현미경을 사용하면 생체고분자의 기계적 특성을 측정할 수 있다. 이중 편파 간섭법은 pH, 온도, 이온 강도, 기타 결합 상대에 의해 자극받을 때, 이러한 재료의 컨포메이션 변화나 자기 조직화를 측정하는 데 사용된다.

4. 1. 서열 분석

서열 정보를 결정하기 위한 많은 생화학적 기술들이 있다. 단백질 서열은 N-말단 잔기가 사슬에서 한 번에 하나씩 가수분해되고, 유도체로 합성된 다음 확인되는 에드만 분해법에 의해 결정될 수 있다. 질량 분석 기술도 사용할 수 있다. 핵산의 염기서열은 겔 전기영동 및 모세관 전기영동을 사용하여 결정할 수 있다. 마지막으로 이러한 생체고분자들의 물리적 특성들은 종종 광 핀셋 또는 원자력 현미경을 사용하여 측정할 수 있다. 이중 편광 간섭계는 pH, 온도, 이온 강도 또는 다른 결합 파트너에 의해 자극될 때 이들 물질들의 입체 구조 변화 또는 자기 조립을 측정하는데 사용될 수 있다.[1]

4. 2. 물리적 특성 분석

생체고분자의 구조적 특성을 결정하기 위한 다양한 생물물리학 기술이 있다. 단백질 서열은 N-말단 잔기를 사슬에서 한 번에 하나씩 가수분해하여 유도체화한 다음 식별하는 에드만 분해법으로 결정할 수 있다. 질량 분석 기술도 사용할 수 있다. 핵산 서열은 젤 전기영동 및 모세관 전기영동을 사용하여 결정할 수 있다. 마지막으로, 이러한 생체고분자의 기계적 특성은 종종 광학 핀셋 또는 원자력 현미경을 사용하여 측정할 수 있다. 이중 편광 간섭계는 pH, 온도, 이온 강도 또는 기타 결합 파트너에 의해 자극받을 때 이러한 물질의 컨포메이션 변화 또는 자기 조립을 측정하는 데 사용될 수 있다.

5. 생체고분자의 응용

생체고분자는 크게 생물의학 분야와 산업 분야에서 응용된다.[1]

하위 섹션에서 이미 생물의학 분야와 산업 분야에 대한 내용을 상세하게 다루고 있으므로, 여기에서는 주요 생체고분자별 응용 사례를 간략하게 표로 정리한다.

생체고분자주요 특징 및 응용 분야
폴리락트산(PLA), 제인, 폴리하이드록시뷰티르산플라스틱 대체제
콜라겐[4]높은 인장 강도, 무독성, 흡수 용이, 생분해성, 생체 적합성; 조직 감염 치료, 약물 전달 시스템, 유전자 치료
실크 피브로인[5]불용성, 섬유질 단백질, 강력한 접착성; 항응고, 혈소판 부착, 줄기 세포 증식 지원
젤라틴[6]세포 외 기질 단백질; 상처 드레싱, 약물 전달, 유전자 형질 감염
전분저렴, 생분해성; 플라스틱, 제약 정제
셀룰로스안정성, 강도; 생의학 분야
알긴산염갈조류 추출 해양 천연 고분자; 포장, 섬유, 식품, 생의학, 화학 공학
키토산[4]키틴에서 파생; 수질 정화 (응집제)


5. 1. 생물의학 분야

생체고분자는 생체 적합성 특성으로 인해 조직 공학, 의료 기기 및 제약 산업에 광범위하게 사용된다.[4] 많은 생체고분자는 기계적 특성으로 인해 재생 의학, 조직 공학, 약물 전달 및 전반적인 의료 분야에 사용될 수 있다. 상처 치유, 생물 활성 촉매 작용 및 무독성과 같은 특성을 제공한다.[7] 면역 거부 반응 및 분해 후 독성과 같은 다양한 단점을 나타낼 수 있는 합성 고분자와 비교하여, 많은 생체고분자는 인체와 유사한 더 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 일반적으로 신체 통합에 더 적합하다.

특히, 콜라겐과 실크와 같은 폴리펩타이드는 저렴하고 쉽게 얻을 수 있는 물질이므로 획기적인 연구에 사용되고 있는 생체 적합성 물질이다. 젤라틴 고분자는 종종 접착제 역할을 하는 상처 드레싱에 사용된다. 젤라틴으로 만든 지지체와 필름은 지지체가 상처 치유에 사용될 수 있는 약물 및 기타 영양소를 담을 수 있도록 한다.

콜라겐은 생체 의학에서 사용되는 더 인기 있는 생체고분자 중 하나이며, 그 사용 예시는 다음과 같다.

  • '''콜라겐 기반 약물 전달 시스템:''' 콜라겐 필름은 장벽 막과 같은 역할을 하며 감염된 각막 조직 또는 간암과 같은 조직 감염을 치료하는 데 사용된다.[8] 콜라겐 필름은 뼈 형성을 촉진할 수 있는 유전자 전달 담체로 사용되었다.
  • '''콜라겐 스폰지:''' 콜라겐 스폰지는 화상 환자 및 기타 심각한 상처를 치료하기 위한 드레싱으로 사용된다. 콜라겐 기반 임플란트는 배양된 피부 세포 또는 화상 상처 및 피부 대체에 사용되는 약물 담체에 사용된다.[8]
  • '''지혈제로서의 콜라겐:''' 콜라겐이 혈소판과 상호 작용하면 혈액의 급속한 응고를 유발한다. 이 급속한 응고는 섬유성 기질이 숙주 세포에 의해 재생될 수 있도록 임시적인 틀을 생성한다. 콜라겐 기반 지혈제는 조직의 혈액 손실을 줄이고 간 및 비장과 같은 장기의 출혈을 관리하는 데 도움이 된다.


키토산은 생체 의학 연구에서 또 다른 인기 있는 생체고분자이다. 키토산은 갑각류 및 곤충의 외골격의 주요 구성 요소이자 세계에서 두 번째로 풍부한 생체고분자인 키틴에서 파생된다.[4] 키토산은 생체 적합성이며, 신체로부터 유익한 반응을 자극한다는 점에서 매우 생물학적으로 활성이며, 생분해성이 있어 임플란트 적용 시 두 번째 수술을 제거할 수 있고, 젤과 필름을 형성할 수 있으며, 선택적으로 투과성이다. 이러한 특성은 키토산의 다양한 생체 의학적 응용을 가능하게 한다.

  • '''약물 전달제로서의 키토산:''' 키토산은 약물 흡수 및 안정성을 개선할 가능성이 있어 주로 약물 표적화에 사용된다. 또한, 항암제와 접합된 키토산은 암 조직에 자유 약물을 점진적으로 방출시켜 더 나은 항암 효과를 낼 수 있다.[9]
  • '''항균제로서의 키토산:''' 키토산은 미생물의 성장을 억제하는 데 사용된다. 조류, 곰팡이, 박테리아 및 다양한 효모 종의 그람 양성 세균과 같은 미생물에서 항균 기능을 수행한다.
  • '''조직 공학을 위한 키토산 복합체:''' 알긴산과 혼합된 키토산 분말은 기능성 상처 드레싱을 형성하는 데 사용된다. 이러한 드레싱은 치유 과정을 돕는 습하고 생체 적합한 환경을 조성한다. 이 상처 드레싱은 또한 생분해성이며, 세포가 드레싱 안으로 성장할 수 있도록 하는 다공성 구조를 가지고 있다.[4]

5. 2. 산업 분야

폴리락트산, 자연적으로 생성된 제인, 폴리하이드록시뷰티르산과 같은 일부 생체고분자들은 플라스틱으로 사용될 수 있으며 폴리스티렌 또는 폴리에틸렌 기반의 플라스틱을 대체할 수 있다.

일부 플라스틱은 현재 '분해성', '산소 분해성', 'UV 분해성'으로 불린다. 이것은 빛이나 공기 중에 노출되면 분해된다는 것을 의미하지만 이러한 플라스틱들은 여전히 석유를 주성분으로 하며(최대 98%), 현재 유럽 연합 포장 및 포장 폐기물 지침 (94/62/EC)에 따라 '생분해성'으로 인증되지 않았다. 생체고분자들은 분해가 되며, 일부는 가정용 퇴비로 적합하다.[32]

생체고분자는 포장 산업에서 사용하기 위해 바이오매스로부터 생산된다. 바이오매스는 사탕무, 감자, 밀과 같은 작물로부터 나오며, 생물고분자를 생산할 때는 비식용작물로 분류된다. 이들은 다음 경로와 같이 변환될 수 있다.
음식 쟁반, 깨지기 쉬운 물품을 운송하기 위한 변형된 녹말 알갱이, 포장용 얇은 필름과 같은 많은 종류의 포장재들은 생체고분자로 만들어질 수 있다.

'''콜라겐''':[4] 콜라겐은 척추동물의 주요 구조이며 포유류에서 가장 풍부한 단백질이다. 이 때문에 콜라겐은 가장 쉽게 얻을 수 있는 생체 고분자 중 하나이며, 많은 연구 목적으로 사용된다. 기계적 구조로 인해 콜라겐은 인장 강도가 높고, 무독성, 흡수 용이, 생분해성 및 생체 적합성이 뛰어난 물질이다. 따라서 조직 감염 치료, 약물 전달 시스템 및 유전자 치료와 같은 많은 의학적 응용 분야에 사용되어 왔다.

'''실크 피브로인''':[5] 실크 피브로인 (SF)은 뽕나무 누에인 누에고치(Bombyx mori)와 같은 다양한 누에 종에서 얻을 수 있는 또 다른 단백질이 풍부한 생체 고분자이다. 콜라겐과 달리 SF는 인장 강도가 낮지만 불용성이며 섬유질 단백질 조성으로 인해 강력한 접착 성질을 가지고 있다. 최근 연구에 따르면 실크 피브로인은 항응고 특성과 혈소판 부착을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 실크 피브로인은 또한 시험관 내에서 줄기 세포 증식을 지원하는 것으로 밝혀졌다.

'''젤라틴''': 젤라틴은 시스테인으로 구성된 I형 콜라겐에서 얻어지며, 동물의 뼈, 조직 및 피부에서 콜라겐의 부분 가수분해로 생성된다.[6] 젤라틴에는 A형과 B형의 두 가지 유형이 있다. A형 콜라겐은 콜라겐의 산 가수분해로 얻어지며 질소 18.5%를 함유한다. B형은 알칼리 가수분해로 얻어지며 질소 18%를 함유하고 아미드기는 없다. 온도가 상승하면 젤라틴이 녹아 코일 형태로 존재하고, 온도가 낮아지면 코일에서 나선형으로 변환된다. 젤라틴은 NH2, SH, COOH와 같은 많은 작용기를 포함하여 나노입자 및 생체 분자를 사용하여 젤라틴을 변형할 수 있게 한다. 젤라틴은 상처 드레싱, 약물 전달 및 유전자 형질 감염과 같은 응용 분야에 적용할 수 있는 세포 외 기질 단백질이다.[6]

'''전분''': 전분은 저렴하고 생분해 가능한 생체 고분자이며 풍부하게 공급된다. 나노섬유와 마이크로섬유를 중합체 기질에 첨가하여 전분의 기계적 특성을 높여 탄성과 강도를 향상시킬 수 있다. 섬유가 없으면 전분은 수분에 대한 민감성으로 인해 기계적 특성이 좋지 않다. 생분해성이고 재생 가능한 전분은 플라스틱 및 제약 정제를 포함한 많은 응용 분야에 사용된다.

'''셀룰로스''': 셀룰로스는 안정성과 강도를 유발하는 적층된 사슬로 매우 구조화되어 있다. 강도와 안정성은 글리코겐 결합으로 연결된 포도당 단량체로 인해 셀룰로스의 더 곧은 모양에서 비롯된다. 곧은 모양은 분자가 가깝게 쌓이도록 한다. 셀룰로스는 풍부한 공급량, 생체 적합성 및 친환경성으로 인해 응용 분야에서 매우 흔하게 사용된다. 셀룰로스는 나노 셀룰로스라고 불리는 나노 섬유 형태로 광범위하게 사용된다. 낮은 농도로 나타나는 나노 셀룰로스는 투명한 젤 물질을 생성한다. 이 물질은 생분해성, 균일한, 조밀한 필름으로 사용할 수 있으며, 이는 생의학 분야에서 매우 유용하다.

'''알긴산염''': 알긴산염은 갈조류에서 추출한 가장 풍부한 해양 천연 고분자이다. 알긴산염 생체 고분자 응용 분야는 포장, 섬유 및 식품 산업에서 생의학 및 화학 공학에 이르기까지 다양하다. 알긴산염의 첫 번째 응용 분야는 상처 드레싱 형태로, 젤과 같은 흡수 성질이 발견되었다. 상처에 적용하면 알긴산염은 치유 및 조직 재생에 최적화되고 안정적인 온도 환경을 유지하는 보호 젤 층을 생성한다. 또한 다양한 알긴산염 밀도와 섬유질 조성으로 인해 약물 방출 속도를 쉽게 조작할 수 있으므로 알긴산염을 약물 전달 매체로 개발해 왔다.

'''식품''': 생체고분자는 포장, 식용 캡슐화 필름, 식품 코팅 등 식품 산업에서 사용되고 있다. 폴리락트산(PLA)은 투명한 색상과 내수성으로 인해 식품 산업에서 매우 흔하게 사용된다. 그러나 대부분의 고분자는 친수성 특성을 가지며 습기에 노출되면 열화되기 시작한다. 생체고분자는 또한 식품을 캡슐화하는 식용 필름으로 사용된다. 이 필름은 항산화제, 효소, 프로바이오틱스, 미네랄 및 비타민과 같은 물질을 전달할 수 있다. 생체고분자 필름으로 캡슐화된 식품은 이러한 물질을 신체에 공급할 수 있다.

'''포장:''' 포장에 사용되는 가장 일반적인 생체고분자는 폴리하이드록시알칸산염(PHA), 폴리락트산(PLA) 및 전분이다. 전분과 PLA는 상업적으로 이용 가능하며 생분해성이 있어 포장에 흔히 사용되는 선택지이다. 그러나 이들의 장벽 특성(수분 장벽 또는 가스 장벽 특성)과 열적 특성은 이상적이지 않다. 친수성 고분자는 내수성이 없어 물이 포장을 통과하게 하여 포장 내용물에 영향을 미칠 수 있다. 폴리글리콜산(PGA)은 뛰어난 장벽 특성을 가진 생체고분자이며, 현재 PLA와 전분의 장벽 문제를 해결하는 데 사용되고 있다.

'''수질 정화:''' 키토산은 수질 정화에 사용되어 왔다. 이는 환경에서 분해되는 데 수년이 아닌 몇 주 또는 몇 달 밖에 걸리지 않는 응집제로 사용된다. 키토산은 킬레이션을 통해 물을 정화한다. 이는 고분자 사슬을 따라 있는 결합 부위가 물 속의 금속 이온과 결합하여 킬레이트를 형성하는 과정이다. 키토산은 폭풍 및 폐수 처리에 사용하기에 매우 적합한 후보로 나타났다.[12]

5. 3. 주요 생체고분자별 응용 사례

생체고분자는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.

  • '''플라스틱 대체:''' 폴리락트산(PLA), 제인, 폴리하이드록시뷰티르산 등의 생체고분자는 폴리스티렌, 폴리에틸렌 기반 플라스틱을 대체할 수 있다. 일부 플라스틱은 '분해성', '산소 분해성', 'UV 분해성'으로 불리지만, 여전히 석유를 주성분으로 하며(최대 98%), 유럽 연합 지침(94/62/EC)에 따라 '생분해성'으로 인증되지 않았다. 반면 생체고분자는 분해되며, 일부는 가정용 퇴비로 적합하다.[32]
  • '''포장재:''' 생체고분자는 바이오매스로부터 생산되어 포장 산업에 사용된다. 사탕무, 감자, 밀과 같은 작물(비식용작물)은 다음과 같은 경로로 변환될 수 있다.
  • 사탕무 → 글리콘산 → 폴리글리콘산
  • 녹말 → (발효) → 락트산 → 폴리락트산
  • 바이오매스 → (발효) → 바이오에탄올 → 에틸렌 → 폴리에틸렌

음식 쟁반, 깨지기 쉬운 물품 운송용 녹말 알갱이, 포장용 얇은 필름 등 다양한 포장재가 생체고분자로 만들어진다.

  • '''식품:''' 포장, 식용 캡슐화 필름, 식품 코팅 등에 사용된다. 폴리락트산(PLA)은 투명하고 내수성이 있어 식품 산업에서 흔히 사용된다. 생체고분자는 식품을 캡슐화하는 식용 필름으로도 사용되며, 항산화제, 효소, 프로바이오틱스, 미네랄, 비타민 등을 전달할 수 있다.
  • '''의료:''' 조직 공학, 의료 기기, 제약 산업에 널리 사용된다.[4] 재생 의학, 조직 공학, 약물 전달 등 다양한 의료 분야에 활용되며, 상처 치유, 생체 활성 촉매 작용, 무독성 등의 특성을 제공한다.[7]
  • '''콜라겐:''' 척추동물의 주요 구조 단백질이자 포유류에서 가장 풍부한 단백질이다.[4] 높은 인장 강도, 무독성, 흡수 용이성, 생분해성, 생체 적합성 등의 특징을 가지며, 조직 감염 치료, 약물 전달 시스템, 유전자 치료 등에 사용된다.[17]
  • '''콜라겐 기반 약물 전달 시스템:''' 콜라겐 필름은 장벽 막 역할을 하며, 감염된 각막 조직이나 간암 치료에 사용된다.[8] 뼈 형성을 촉진하는 유전자 전달 담체로도 사용된다.
  • '''콜라겐 스폰지:''' 화상 환자 및 기타 심각한 상처 치료용 드레싱으로 사용된다. 배양된 피부 세포 또는 약물 담체로도 활용된다.[8]
  • '''지혈제:''' 혈소판과 상호작용하여 혈액 응고를 유발하며, 조직의 혈액 손실 감소 및 장기 출혈 관리에 도움을 준다.
  • '''실크 피브로인:''' 누에고치(Bombyx mori) 등에서 얻을 수 있는 단백질이 풍부한 생체고분자이다.[5] 낮은 인장 강도를 가지지만, 불용성이며 섬유질 단백질 조성으로 인해 강력한 접착성을 가진다. 항응고 특성과 혈소판 부착을 가지며, 시험관 내에서 줄기 세포 증식을 지원한다.[18]
  • '''젤라틴:''' 동물의 뼈, 조직, 피부에서 콜라겐의 부분 가수분해로 생성된다.[6] 상처 드레싱, 약물 전달, 유전자 형질 감염 등에 응용 가능한 세포 외 기질 단백질이다.[19]
  • '''키토산:''' 갑각류 및 곤충의 외골격의 주요 구성 요소이자 세계에서 두 번째로 풍부한 생체고분자인 키틴에서 파생된다.[4] 생체 적합성, 생체 활성, 생분해성, 젤 및 필름 형성, 선택적 투과성 등의 특징을 가진다.
  • '''약물 전달제:''' 약물 흡수 및 안정성 개선, 항암제와 접합하여 암 조직에 약물 방출 등의 효과를 가진다.[9]
  • '''항균제:''' 미생물 성장을 억제한다. 조류, 곰팡이, 박테리아 및 다양한 효모 종의 그람 양성 세균 등에서 항균 기능을 수행한다.
  • '''조직 공학:''' 알긴산과 혼합된 키토산 분말은 기능성 상처 드레싱 형성에 사용된다. 습하고 생체 적합한 환경을 조성하고, 생분해성이며, 세포가 성장할 수 있는 다공성 구조를 가진다.[4]
  • '''기타:'''
  • '''전분:''' 저렴하고 생분해 가능한 생체고분자로, 탄성과 강도를 향상시키기 위해 나노섬유 및 마이크로섬유를 중합체 기질에 첨가할 수 있다. 플라스틱 및 제약 정제를 포함한 다양한 응용 분야에 사용된다.
  • '''셀룰로스:''' 안정성과 강도를 제공하는 적층된 사슬로 구조화되어 있다. 나노 셀룰로스는 투명한 젤 물질을 생성하며, 생분해성, 균일한, 조밀한 필름으로 생의학 분야에서 유용하다.
  • '''알긴산염:''' 갈조류에서 추출한 해양 천연 고분자이다. 포장, 섬유, 식품 산업, 생의학 및 화학 공학 등 다양한 분야에 활용된다. 상처 드레싱 형태로 사용될 경우, 치유 및 조직 재생에 최적화된 보호 젤 층을 생성하며, 약물 방출 속도 조절이 용이하여 약물 전달 매체로 개발되고 있다.
  • '''수질 정화:''' 키토산은 응집제로 사용되어 수질 정화에 활용된다. 킬레이션을 통해 물 속 금속 이온과 결합하여 킬레이트를 형성하며, 폭풍 및 폐수 처리에 적합하다.[12]

6. 생체고분자의 환경적 영향

생체고분자는 지속 가능성, 탄소 중립성, 생분해성 등 환경에 긍정적인 영향을 줄 수 있는 여러 특징을 가지고 있다. 특히 분해 과정에서 발생하는 이산화 탄소가 식물에 재흡수되어 탄소 중립에 기여하며, 일부는 퇴비화도 가능하다.

6. 1. 지속가능성 및 탄소 중립성

생체고분자는 계속해서 재배할 수 있는 식물에서 비롯된 물질로 만들어지기 때문에 지속가능하고, 탄소 중립적이며, 재생 가능하다. 이러한 식물성 재료들은 비식용 농작물로부터 나온다. 따라서 생체고분자의 사용은 지속가능한 산업을 창출할 것이다. 이와는 대조적으로 석유화학에서 유래한, 중합체 합성을 위한 공급 원료는 결국 고갈될 것이다. 또한 생체고분자는 이산화 탄소 방출량과 대기 중의 이산화 탄소의 양을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이것은 생체고분자가 분해될 때 방출되는 CO2가 이들을 대체하기 위해 재배되는 작물들에 의해 재흡수될 수 있기 때문이다. 이것은 생체고분자의 사용을 탄소 중립에 가깝게 만든다.

생체고분자는 생분해성이며 어떤 것은 퇴비로도 가능하다. 일부 생체고분자는 미생물에 의해 이산화 탄소와 물로 분해된다. 이러한 생분해성 생체고분자들 중 일부는 퇴비화가 가능하고, 산업 퇴비화 공정에 투입할 수 있으며, 6개월 이내에 90%까지 분해될 수 있다. 이것이 가능한 생체고분자는 유럽 표준 EN 13432 (2000)에 따라 '퇴비화 가능' 기호로 표시할 수 있다. 이 기호가 표시된 포장재는 산업 퇴비화 공정에 투입될 수 있으며, 6개월 이내에 분해될 수 있다. 퇴비화가 가능한 고분자의 예로는 두께 20um 미만인 폴리락트산 필름이 있다. 이 필름은 '생분해성'임에도 불구하고, 퇴비화할 수 없는 것보다 두꺼운 필름이다.[33] 유럽에는 소비자들이 그들의 퇴비 더미에서 포장을 식별하고 처분할 수 있도록 해주는 가정용 퇴비 표준과 관련 로고가 있다.[32]

6. 2. 생분해성

생체고분자는 생분해성이며 몇몇은 퇴비로도 만들 수 있다. 일부 생체고분자는 미생물에 의해 이산화 탄소와 물로 분해된다. 이러한 생분해성 생체고분자들 중 일부는 퇴비화가 가능하며, 산업 퇴비화 공정에 투입하여 6개월 이내에 90%까지 분해할 수 있다. 유럽 표준 EN 13432 (2000)에 따르면, 이러한 조건을 만족하는 생체고분자는 '퇴비화 가능' 기호를 표시할 수 있다. 이 기호가 표시된 포장재는 산업 퇴비화 공정에 투입할 수 있으며, 6개월 이내에 분해된다. 퇴비화 가능한 고분자의 예로는 두께 20um 미만인 폴리락트산(PLA) 필름이 있다. 이보다 두꺼운 필름은 '생분해성'이더라도 퇴비화 가능으로 분류되지 않는다.[33] 유럽에는 소비자들이 퇴비 더미에서 포장재를 식별하고 처리할 수 있도록 돕는 가정용 퇴비 표준 및 관련 로고가 있다.[32]

참조

[1] 논문 Applications of Discrete Synthetic Macromolecules in Life and Materials Science: Recent and Future Trends
[2] 논문 biopolymers https://goldbook.iup[...] IUPAC 2014
[3] 간행물 Role of Proteins in Microstructural Control: Biomaterials, Ceramics & Semiconductors Science
[4] 논문 Biomedical Biopolymers, their Origin and Evolution in Biomedical Sciences: A Systematic Review
[5] 논문 Carbon fiber from natural biopolymer Bombyx mori silk fibroin with iodine treatment https://soar-ir.repo[...] 2007-04-01
[6] 논문 Biopolymers – Application in Nanoscience and Nanotechnology https://www.intechop[...] 2016-03-09
[7] 논문 Biopolymers in Medical Implants: A Brief Review 2017-01-01
[8] 논문 Biomedical Biopolymers, their Origin and Evolution in Biomedical Sciences: A Systematic Review 2015-09
[9] 논문 Chitosan-based drug delivery systems 2012
[10] 논문 Thiolated Chitosans: A Multi-talented Class of Polymers for Various Applications 2021
[11] 논문 Thiolated polymers: Bioinspired polymers utilizing one of the most important bridging structures in nature 2019
[12] 논문 Chitosan for wastewater treatment 2018
[13] 웹사이트 NNFCC Renewable Polymers Factsheet: Bioplastics http://www.nnfcc.co.[...] 2011-02-25
[14] 뉴스 NNFCC Newsletter – Issue 5. Biopolymers: A Renewable Resource for the Plastics Industry http://www.nnfcc.co.[...]
[15] 논문 Applications of Discrete Synthetic Macromolecules in Life and Materials Science: Recent and Future Trends https://onlinelibrar[...]
[16] 간행물 Role of Proteins in Microstructural Control: Biomaterials, Ceramics & Semiconductors Science
[17] 논문 Biomedical Biopolymers, their Origin and Evolution in Biomedical Sciences: A Systematic Review
[18] 논문 Carbon fiber from natural biopolymer Bombyx mori silk fibroin with iodine treatment 2007-04-01
[19] 논문 Biopolymers – Application in Nanoscience and Nanotechnology https://www.intechop[...] 2016-03-09
[20] 논문 Biopolymers in Medical Implants: A Brief Review 2017-01-01
[21] 논문 Biomedical Biopolymers, their Origin and Evolution in Biomedical Sciences: A Systematic Review 2015-09
[22] 웹사이트 NNFCC Renewable Polymers Factsheet: Bioplastics http://www.nnfcc.co.[...] 2011-02-25
[23] 뉴스 NNFCC Newsletter – Issue 5. Biopolymers: A Renewable Resource for the Plastics Industry http://www.nnfcc.co.[...]
[24] 서적 Natural Fibers, Biopolymers, and Biocomposites CRC Press
[25] 논문 Biodegradable Polymers
[26] 논문 Biological Materials: Structure & Mechanical Properties
[27] 논문 Smart Polymers: Physical Forms & Bioengineering Applications
[28] 서적 Compendium of Chemical Terminology: IUPAC Recommendations (the "Gold Book") https://archive.org/[...] Blackwell Science
[29] 저널 Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012) http://pac.iupac.org[...] 2019-05-15
[30] 간행물 Cellulose: Fascinating Biopolymer / Sustainable Raw Material
[31] 간행물 Role of Proteins in Microstructural Control: Biomaterials, Ceramics & Semiconductors Science
[32] 웹인용 NNFCC Renewable Polymers Factsheet: Bioplastics http://www.nnfcc.co.[...] 2019-05-15
[33] 뉴스 NNFCC Newsletter – Issue 5. Biopolymers: A Renewable Resource for the Plastics Industry http://www.nnfcc.co.[...]


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