원섬유
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1. 개요
원섬유는 주로 선형 생체 고분자로 구성된 막대 모양의 구조로, 구조와 기계적 특성, 수화, 분자 수준의 강화 메커니즘, 생체 재료의 기계적 특성에 대한 기여, 피브릴 형성, 생체 내 피브릴, 생체 모방 등 다양한 측면에서 연구된다. 피브릴은 생물역학적 관점에서 나노미터 크기의 보로 간주되며, 수화는 기계적 특성에 큰 영향을 미친다. 콜라겐은 동물의 결합 조직에서 주요 구조 단백질이며, 식물의 셀룰로스도 섬유 구조를 이룬다. 또한 도마뱀붙이 발바닥의 자가 세척 특성을 모방하거나, 골 기질을 모방하기 위한 연구도 진행되고 있다.
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| 원섬유 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 구조 단백질 |
| 하위 구조 | 단백질 폴리펩티드 아미노산 |
| 발견 장소 | 대부분의 유기체 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 원섬유는 대부분의 유기체에서 발견되는 구조적 물질이다. |
| 구성 요소 | 콜라겐 엘라스틴 케라틴 피브로넥틴 라민 |
| 기능 | 세포와 조직에 강도와 지지력 제공 세포의 모양과 구조 유지 세포 간의 부착을 촉진 세포 이동 조절 상처 치유 과정에 참여 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 섬유 미세섬유 필라멘트 |
2. 구조와 역학
피브릴은 주로 선형 생체 고분자로 구성되며, 길이와 지름의 비율이 매우 커서 막대 모양을 띈다. 이러한 구조적 특징은 피브릴의 독특한 기계적 특성을 결정한다.
생체역학 문제에서 피브릴은 나노미터 크기의 원형 단면적을 가진 빔으로 간주될 수 있다. 따라서 보 굽힘 방정식을 통해 초저 부하 조건에서 피브릴의 휨 강도를 계산할 수 있다. 대부분의 생체 고분자와 마찬가지로 피브릴의 응력-변형 관계는 탄성 영역에 앞서 특징적인 발-뒤꿈치 영역을 보인다.[2]
피브릴의 기계적 강화 특성은 분자 수준에서 시작된다. 피브릴에 가해지는 힘은 인장 하중과 다른 피브릴 분자와의 상호작용으로 발생하는 전단력으로 나타난다. 콜라겐 분자의 파괴 강도는 분자 간 공유 결합에 의해, 두 콜라겐 분자 사이의 전단 강도는 약한 분산, 수소 결합, 그리고 일부 공유 가교 결합에 의해 제어된다.[5]
수화는 섬유질 재료의 기계적 특성에 뚜렷한 영향을 미친다. 물의 존재는 콜라겐 섬유의 강성을 감소시키고, 응력 완화 속도와 강도를 증가시킨다.[4] 이는 수분 함량이 섬유 구조의 인성을 향상시켜 에너지 흡수와 변형 능력을 높이는 메커니즘으로 작용하기 때문이다.
X선 회절은 서로 다른 기원의 섬유 구조 차이를 밝혀내는 데 사용된다.[2] 주사 전자 현미경(SEM)으로 콜라겐의 67 nm 밴드와 같은 특정 세부 사항을 관찰할 수 있지만, 전체 구조를 결정하기에는 충분하지 않다.
2. 1. 구조적 특징
피브릴은 직쇄상(사슬 모양)의 생체 고분자로 이루어져 있으며, 길이와 지름의 비율이 높은 막대 모양의 구조가 특징이다. 대부분의 경우, 피브릴은 자발적으로 나선형으로 배열된다.[2] 다른 기원의 피브릴 간의 구조적 차이는 일반적으로 X선 회절에 의해 결정된다. 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여, 콜라겐의 특징적인 67 nm 밴드와 같은, 더 큰 피브릴 종의 특정 세부 사항을 관찰할 수 있다. 그러나 대부분의 경우, 완전한 구조를 결정하기에 충분할 만큼 미세하지는 않다.2. 2. 기계적 특성
피브릴은 생체역학적 관점에서 나노미터 크기의 원형 단면적을 가진 보(beam)로 간주될 수 있다. 피브릴의 응력-변형률 관계는 훅의 법칙을 따르는 선형 탄성 영역 이전에 특징적인 발-뒤꿈치 영역을 나타낸다.[2] 수화(hydration)는 피브릴의 강성을 감소시키고, 응력 완화 속도와 강도를 증가시키는 등 기계적 특성에 큰 영향을 미친다.[4]2. 3. 분자 수준의 강화 메커니즘
피브릴의 기계적 강화 특성은 분자 수준에서 시작된다. 피브릴에 분산된 힘은 인장 하중과 다른 피브릴 분자와의 상호 작용으로 느껴지는 전단력으로 나타난다. 개별 콜라겐 분자의 파괴 강도는 분자 간 공유 결합 화학에 의해 제어된다.[5] 두 콜라겐 분자 사이의 전단 강도는 약한 분산 및 수소 결합 상호 작용과 일부 분자 공유 가교 결합에 의해 제어된다. 이러한 분자 간 결합이 상호 작용 강도보다 큰 응력을 받으면 시스템에서 미끄러짐이 발생한다.[5]분자 간 결합의 파괴는 즉시 파괴로 이어지지 않으며, 반대로 재료가 전체적으로 느끼는 응력을 낮추고 파괴를 견딜 수 있도록 하는 에너지 소산에 필수적인 역할을 한다. 이러한 결합(주로 수소 결합과 분산 반 데르 발스 상호 작용)은 네트워크에서 응력을 낮추는 목적으로 존재하는 "희생 결합" 역할을 한다. 분자 공유 가교 결합은 또한 피브릴 네트워크 형성에 중요한 역할을 한다. 가교 결합 분자는 강한 구조를 만들 수 있지만, 생체 고분자 네트워크에서 너무 많은 가교 결합은 네트워크가 에너지를 소산할 수 없어 강하지만 질기지 않은 재료로 이어지므로 파괴될 가능성이 더 높다. 이는 탈수되거나 노화된 콜라겐에서 관찰되며, 인간 조직이 나이가 들수록 더 취성이 되는 이유를 설명한다.[6]
2. 4. 생체 재료의 기계적 특성에 대한 기여
자연 재료는 여러 길이 척도에 걸쳐 섬유의 계층적 구조를 가지기 때문에 연성과 강성이라는 상반되는 기계적 특성을 동시에 가질 수 있다.[7] 이러한 섬유는 종종 한 방향으로 정렬되어 생체 복합 재료에서 이방성 기계적 반응을 유도한다.[8] 이는 재료가 한 방향의 응력에 견디도록 설계되었을 때, 응력이 가해지는 방향에서 더 높은 항복 강도와 파괴 응력이 재료의 구조적 안정성을 보장하기 때문에 유리하다.매크로, 마이크로, 나노 섬유는 다음과 같은 파괴 저항 메커니즘을 통해 재료의 파괴를 막는다.
- 섬유 슬라이딩: 하중이 가해질 때 전단 과정을 통해 소성을 유발한다.
- 균열 영역을 가로지르는 섬유 브리징
- 균열 선단에서의 균열 편향: 응력 집중이 더 커져 전파 및 파괴로 이어지는 것을 막는다.[7]
이러한 메커니즘들은 함께 작용하여 파괴에 저항하며, 재료가 손상 없이 수백만 번의 하중 사이클을 견딜 수 있게 하여 생물체의 이동에 필수적이다. 생체 고분자의 또 다른 기계적 장점은 더 유연한 매트릭스 재료 내에 강력한 섬유 구조가 존재하여 변형될 수 있다는 것이다. 계면 매트릭스의 우수한 변형성은 변형 동안 구성 요소가 재배향될 수 있도록 하는 데 핵심적인 역할을 한다.[8]
수화는 피브릴 재료의 기계적 특성에 큰 영향을 미친다. 물은 콜라겐 피브릴의 강성을 감소시킬 뿐만 아니라, 응력 완화율과 강도를 증가시킨다.[23] 생물학적 관점에서 수분 함량은 피브릴 구조의 강인화 기구로 작용하여, 더 높은 에너지 흡수와 더 큰 변형 능력을 제공한다.
3. 피브릴 형성
피브릴 형성은 결합 조직의 콜라겐 섬유에서 흔히 관찰되는 미세 피브릴의 확장 과정이다. 초기 실험에서 조직에서 I형 콜라겐을 증류, 용액을 제어하여 피브릴로 재결합시킬 수 있었다. 이후 연구에서 콜라겐 단량체 상의 결합 부위의 조성과 구조를 이해하는 데 도움이 되었다. 콜라겐은 자기 조직화를 지원하는 가용성 전구체인 프로콜라겐으로 합성된다. 콜라겐 피브릴은 생체 내에서 50개 가까운 결합 성분을 가지므로, 생체 내 원섬유 형성의 명확한 요구 사항은 여전히 불가사의하다.
3. 1. 형성 메커니즘
결합 조직의 콜라겐 섬유에서 많이 관찰되는 미세한 피브릴의 신장(伸長)이다. 원섬유 형성의 명확한 메커니즘은 아직 불분명하지만, 기초 연구에서 얻어진 많은 가설을 통해 여러 가능성 있는 메커니즘이 발견되었다. 초기 실험에서는 조직에서 I형 콜라겐을 증류하여 용액을 제어하여 피브릴로 재결합시킬 수 있었다. 이후 연구에서는 콜라겐 단량체 상의 결합 부위의 조성과 구조를 이해하는 데 도움이 되었다. 콜라겐은 콜라겐의 자기 조직화를 지원하는 가용성 전구체인 프로콜라겐으로 합성된다. 콜라겐 피브릴은 생체 내에서 50개 가까운 결합 성분을 가지므로, 생체 내에서 원섬유 형성을 일으키기 위한 명확한 요구 사항은 여전히 불가사의하다.산성 용액이나 생리 식염수를 사용하여 콜라겐을 조직에서 추출하고, 온도 및 pH를 변화시킴으로써 피브릴로 재배열할 수 있다. 실험을 통해 콜라겐 단량체 간의 인력이 재배열을 돕는다는 것이 밝혀졌다. 콜라겐은 합성 반응의 전구체인 프로콜라겐의 역할을 하며, 콜라겐의 자기 중합이 확인되었다.
3. 2. 자연적 과정
자연계에는 화학적 조성은 유사하지만 결정 구조가 다른 30종 이상의 콜라겐이 존재한다. 지금까지 콜라겐 I과 II가 가장 풍부하다. 이들은 시험관 내에서 섬유를 초기에 형성하는 반면, 피브로넥틴, 피브로넥틴 결합, 콜라겐 결합 인테그린, 콜라겐 V는 콜라겐 I을 형성하는 데 필수적이며, 콜라겐 XI은 콜라겐 II를 형성하는 데 필수적이다.[1] 따라서 세포 메커니즘은 단백질 자기 조립 과정에서 중요한 역할을 한다.[1]4. 생체 내 피브릴
피브릴(원섬유)은 동물과 식물 모두에서 발견되는 생체 고분자 구조이다. 이들은 세포 내외에서 다양한 기능을 수행하며, 생명체의 구조 유지 및 기능 조절에 중요한 역할을 한다.
동물에서는 콜라겐, 액틴, 미오신, 엘라스틴, 케라틴, 레실린, 거미줄 등 다양한 종류의 피브릴이 발견된다. 식물에서는 셀룰로스, 아밀로스 등이 피브릴 형태로 존재하며, 목재의 피브릴 구조는 목재의 기계적 안정성과 물질 수송에 중요한 역할을 한다.
4. 1. 동물
동물에서 발견되는 원섬유는 콜라겐, 액틴, 미오신, 엘라스틴, 케라틴, 레실린, 거미줄 등이 있다. 이들은 동물의 다양한 조직에서 중요한 구조적 역할을 수행한다.4. 1. 1. 콜라겐
콜라겐은 동물의 결합 조직에서 세포 밖 주요 구조 단백질이다.[12] 결합 조직의 주요 구성 요소로서, 포유류 단백질 중 가장 많은 양을 차지하며, 체내 모든 단백질 함량의 25%에서 35%를 차지한다.
콜라겐 섬유는 꼬인 구조로 묶여 있다. 힘줄과 같은 콜라겐의 응력/변형률 곡선은 여러 영역으로 세분될 수 있다. 작은 변형률 영역인 "발가락" 영역은 광학 현미경에서 보이는 콜라겐 섬유의 육안적 꼬임 제거, 즉 꼬임 풀림에 해당한다. 더 큰 변형률인 "뒤꿈치"와 "선형" 영역에서는 더 이상의 구조적 변화가 보이지 않는다.
트로포콜라겐은 분자 구성 섬유로, 서로 꼬여 오른손잡이 삼중 나선을 형성하는 세 개의 왼손잡이 폴리펩티드 사슬(빨강, 녹색, 파랑)로 구성된다.
4. 1. 2. 액틴과 미오신
근육은 액틴 섬유와 상호 작용하는 미오신의 조절 가능한 미끄러짐/파지 작용을 통해 수축하고 팽창한다. 액틴은 나선형으로 꼬인 두 개의 폴리펩타이드로 구성되며, 미오신은 작은 심장 모양의 구조인 가교(크로스 브리지)를 가지고 있다. 액틴 필라멘트에 부착되는 가교의 결합 및 분리 과정은 이러한 콜라겐의 상대적인 움직임을 돕고, 따라서 전체 근육의 움직임을 돕는다.4. 1. 3. 엘라스틴과 케라틴
엘라스틴은 피부, 혈관, 폐 조직과 같은 다양한 연조직에서 흔히 발견되는 섬유 단백질이다. 각 단량체는 서로 연결되어 3차원 네트워크를 형성하며 변형되기 전에 200% 이상의 변형을 견딜 수 있는 능력을 갖는다.[13]케라틴은 주로 머리카락, 손톱, 발굽, 뿔, 깃털에서 발견되는 구조 단백질이다.[14] 기본적으로 케라틴은 폴리펩타이드 사슬로 형성되며, 이 사슬은 황 결합을 통해 α-나선으로 꼬이거나 수소 결합으로 연결된 β-시트로 결합한다. α-구조보다 더 질긴 β-케라틴은 조류와 파충류에서 더 흔하게 발견된다.[28],[29]
4. 1. 4. 레실린과 거미줄
레실린은 탄성 곤충 단백질로, α-나선과 β-병풍 구조로 구성되어 있다.[15] 이는 자연계에서 가장 탄성이 뛰어난 단백질 중 하나이다. 낮은 강성 (~0.6MPa)을 가지면서도 높은 에너지 회복률 (~98%)을 보이며, 나는 곤충이 날개를 펄럭이거나 벼룩이 점프하는 데 효과적으로 도움을 준다.거미줄 섬유는 강도를 담당하는 딱딱한 결정화된 β-병풍 구조와 질기성과 신장성을 향상시키는 무정형 기질로 구성되어 있다.[16] 다른 천연 섬유에 비해 밀도가 낮으면서도 인장 강도와 연성이 매우 높다. 거미줄의 특징은 서로 다른 용도에 따라 거미의 종류에 따라 달라진다.
4. 2. 식물
1차 세포벽은 수소 결합에 의해 안정화된 글루코스 잔기의 긴 사슬로부터 상당한 인장 강도를 얻는다[32]. 셀룰로스 사슬은 겹쳐져 평행하게 배열되며, 유사한 극성에 의해 셀룰로스 미세 섬유를 형성한다. 식물에서 이러한 셀룰로스 미세 섬유는 층상(Lamella (cell biology)|라멜라영어)으로 배치되며, 표면의 긴 가교 당쇄 분자에 의해 세포벽 내에서 안정화된다. 1차 세포벽에서 셀룰로스 미세 섬유와 상보적인 당쇄 네트워크에 모두 인접해 있는 펙틴은 음으로 하전된 갈락투론산 단위를 많이 포함하는 다당류이다. 또한 셀룰로스 미세 섬유는 제어된 세포 증식을 통해 식물의 형태에도 기여한다. 세포벽 내 미세 섬유의 입체적인 배치는 최종적으로 세포의 성장과 증식으로 이어지는 팽압 시스템을 형성한다. 셀룰로스 미세 섬유는 세포막의 세포외 표면에 있는 셀룰로스 합성 효소에 의해 조립된다. 식물은 셀룰로스 미세 섬유가 미세 소관의 피질 배열 위에 배치되는 기구를 통해 "미세 섬유의 배향을 제어함으로써 그 미래의 형태를 예측할 수 있다"고 생각된다.[32]
4. 2. 1. 셀룰로스
주요 세포벽은 수소 결합에 의해 안정화된 긴 포도당 잔기로부터 상당한 인장 강도를 얻는다.[17] 셀룰로스 사슬은 중첩된 평행 배열로 정렬되며, 유사한 극성을 띄어 셀룰로스 미세 섬유를 형성한다. 식물에서 이러한 셀룰로스 미세 섬유는 여러 층으로 배열되는데, 이를 공식적으로 라멜라라고 하며, 표면의 긴 가교 글리칸 분자에 의해 세포벽에서 안정화된다. 글리칸 분자는 식물 기반 셀룰로스가 구성할 수 있는 잠재적 네트워크의 복잡성을 증가시킨다. 1차 세포벽에서 셀룰로스 미세 섬유와 보완적인 글리칸 네트워크와 함께 존재하는 것은 많은 음전하를 띤 갈락투론산 단위를 포함하는 다당류인 펙틴이다.[17]
또한 셀룰로스 미세 섬유는 제어된 세포 확장을 통해 식물의 모양에도 기여한다. 세포벽의 미세 섬유의 입체적인 배열은 궁극적으로 세포 성장과 확장을 유도하는 팽압 시스템을 생성한다. 셀룰로스 미세 섬유는 세포막의 세포 외 표면에 위치한 셀룰로스 합성효소에 의해 조립된다는 점에서 독특한 매트릭스 거대 분자이다.[17] 식물은 셀룰로스 미세 섬유가 미세 소관의 피질 배열 위에 배열되는 메커니즘을 통해 "미세 섬유의 방향을 제어함으로써 미래의 형태를 예측"할 수 있다고 여겨진다.
4. 2. 2. 아밀로스
아밀로스 시료를 교반하면 섬유상 결정이 형성되어 모액에서 침전된다. 이 긴 섬유는 전자 현미경으로 관찰할 수 있으며, 시시 케밥과 유사한 가로 줄무늬가 나타난다. 아밀로스 섬유는 작은 막대 모양 섬유를 가진 것과 판 모양 결정을 가진 것, 두 가지 형태 중 하나로 분류된다.4. 2. 3. 목재
목재의 피브릴 구조는 목재의 기계적 안정성과 무기물 및 물 수송 능력에 중요한 역할을 한다. 특히 가문비나무(''Picea abies'') 등은 규격화된 지름 2.5nm의 셀룰로스 피브릴을 가지고 있다고 보고되었다.[18] 또한, 재령과 피브릴의 세로 방향에 대한 비틀림각의 관련성도 보고되었다. 조재는 안식각이 4.6 ± 0.6°로 일관적인 반면, 후재는 4.6°에서 19.8 ± 0.7°까지의 전이 영역을 갖는다.[18] 후재에서 셀룰로스 피브릴의 두 나선 각도 영역은 연속적이지 않으며, 이는 "오래된" 나무에 서로 다른 기계적 요구 사항을 충족하는 두 개의 독립적인 기관 세포 구조가 있음을 의미한다. 또한 종 방향으로 정렬된 피브릴은 인장 강도를 향상시키는 반면, 후재 기관 세포에만 있는 20° 기울어진 피브릴의 추가는 압축에 대한 안정성을 제공한다.[18]5. 생체모방과 피브릴
피브릴의 구조와 기능을 모방하여 새로운 소재 및 기술 개발이 이루어지고 있다. 예를 들어, 도마뱀붙이 발가락 패드의 접착력, 박리성, 자가 세척 특성을 모방한 접착제가 개발되고 있으며, 성숙한 골 기질을 모방하여 무기 기질을 정렬하는 기술도 연구되고 있다.
5. 1. 자가 세척 특성
도마뱀붙이 발가락 패드의 강력한 접착력, 용이한 박리성, 그리고 자가 세척 특성을 모방하기 위해 원섬유 기반의 접착제를 만들 수 있다.[19] 이러한 특징은 수백만 개의 미세 섬유로 구성된 계층 구조에서 비롯되며, 이 미세 섬유는 다시 수십억 개의 나노 크기 가지로 구성된 강모를 가지고 있다.이 현상을 모방하는 것은 다음 네 가지 설계 단계를 포함한다.[34]
- 수직 정렬된 미세/나노 섬유 배열 만들기
- 다양한 팁 모양 만들기
- 이방성 기하학 포함
- 계층 구조 구축
5. 2. 성숙한 골 기질
성숙한 골 기질을 모방하기 위해, 자가 조립된 섬유질은 주어진 무기 기질을 정렬하는 데 사용될 수 있다. 이는 소수성 알킬 꼬리와 친수성 올리고펩타이드 머리를 가진 자가 조립 분자를 사용하여 수행된다. 이 분자들은 현장에서 미셀 구조를 형성하고, 낮은 pH에서 이황화 결합을 형성하여 200 kDa 고분자 나노섬유의 형성 및 결정화를 유도한다. 무기 기질은 궁극적으로 인산세린 잔기를 통해 합성 섬유질과 상호 작용하여 무기질 핵 형성과 성장을 유도한다.참조
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