WO2025053734A1 - Bioplastic and manufacturing method therefor - Google Patents
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- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L89/00—Compositions of proteins; Compositions of derivatives thereof
Definitions
- the present invention relates to bioplastic and a method for producing the same.
- Medical bioplastic materials used in living organisms must satisfy not only antibacterial properties and biocompatibility, but also mechanical properties such as formability, tensile strength, elastic modulus, and toughness depending on the product to which they are applied.
- mechanical properties such as formability, tensile strength, elastic modulus, and toughness depending on the product to which they are applied.
- bioplastic materials exhibiting stress relaxation behavior.
- orthodontic devices must be worn continuously for approximately 20 hours a day, excluding meals and washing, and must be repeatedly reused for several months.
- dental plastics are exposed to repeated and significant loads that occur during essential oral activities, and furthermore, they must exhibit viscoelasticity to accurately transmit orthodontic force to the teeth as the tooth position is adjusted in submillimeter units (0.6 mm or less). Therefore, dental bioplastic materials must be flexible, tough, and viscoelastic to enable satisfactory dental treatment.
- bioplastics and biodegradable petrochemical plastics used in conventional orthodontic devices lack flexibility and viscoelasticity, which limits the successful orthodontic treatment effect.
- silk is the second most abundant natural material after cellulose.
- silk refers to a fibrous protein released from a silkworm cocoon, and specifically, cocoon thread released from a silkworm cocoon is largely composed of two proteins: silk sericin and silk fibroin. Specifically, it contains about 75% fibroin protein, about 25% sericin protein, and about 3% minerals and carbohydrates.
- silk sericin contains about 75% fibroin protein, about 25% sericin protein, and about 3% minerals and carbohydrates.
- it goes through a degumming process to remove impurities and sericin using alkali, soap, enzymes, bleach, etc., and separates pure fibroin protein.
- Silk fibroin material has excellent toughness among known protein materials and is utilized in various material industries. Specifically, it is used as a scaffold for sutures and cell therapy.
- the above-mentioned properties can be explained by examining the protein secondary structure of silk fibroin.
- the more beta-sheet crystals there are with strong internal force the better it can withstand the applied external force and exhibit high tensile strength.
- the beta-sheet crystal content increases, the amorphous content decreases, which lowers flexibility and easily breaks, exhibiting poor stretchability.
- bioplastic materials that have excellent tensile strength due to high beta-sheet crystal content, while also exhibiting excellent ductility, excellent stress relaxation behavior, and antibacterial and biocompatibility are necessary.
- Patent Document 1 Korean Publication Patent No. 10-2023-0174848
- the present invention has been made to solve the problems described above, and the purpose of the present invention is to provide a bioplastic including modified silk fibroin having an increased content of ⁇ -sheets by being modified from natural silk fibroin, wherein the modified silk fibroin has an entangled structure.
- the present invention aims to provide a biomedical molded product comprising the bioplastic.
- the present invention aims to provide an orthodontic device comprising the bioplastic.
- the present invention aims to provide a method for producing a bioplastic, comprising the steps of (A) injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold; and (B) drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic including denatured silk fibroin.
- the present invention aims to provide a method for recovering silk fibroin from a bioplastic, comprising the steps of: immersing the bioplastic in an acidic solvent; and recovering silk fibroin from the acidic solvent in which the bioplastic is immersed.
- the present invention aims to provide a method for remolding a bioplastic, comprising the steps of: preparing a bioplastic solution by dissolving the bioplastic and an acidic solvent; injecting the bioplastic solution into a urethane oligomer casting mold; and drying the bioplastic solution to prepare a recycled bioplastic.
- One aspect of the present invention provides a bioplastic comprising modified silk fibroin having an increased content of ⁇ -sheets by being modified from natural silk fibroin, wherein the modified silk fibroin has an entangled structure.
- Another aspect of the present invention provides a biomedical molded article comprising the bioplastic.
- Another aspect of the present invention provides an orthodontic device comprising the bioplastic.
- Another aspect of the present invention provides an orthodontic device comprising the bioplastic.
- Another aspect of the present invention provides a method for producing a bioplastic, comprising the steps of: (A) injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold; and (B) drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic including modified silk fibroin.
- Another aspect of the present invention provides a method for recovering silk fibroin from a bioplastic, comprising the steps of: immersing the bioplastic in an acidic solvent; and recovering silk fibroin from the acidic solvent in which the bioplastic is immersed.
- Another aspect of the present invention provides a method for re-molding a bioplastic, comprising: a step of preparing a bioplastic solution by dissolving the bioplastic and an acidic solvent; a step of injecting the bioplastic solution into a urethane oligomer casting mold; and a step of drying the bioplastic solution to prepare a recycled bioplastic.
- the bioplastic according to the present invention comprises modified silk fibroin having significantly improved toughness, tensile strength and elastic modulus compared to conventional silk fibroin, thereby exhibiting excellent maximum tensile strength and toughness as well as antibacterial properties and superior stress relaxation behavior. Furthermore, the bioplastic of the present invention exhibits non-sticky properties because hydrogen bonds are not broken even when exposed to water, so that it can be easily used in an in vivo environment where fluid always exists, and can be widely utilized in the biomedical industry.
- FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the design and advantages of a bioplastic (BECOM) according to one embodiment of the present invention.
- Figure 2a shows a graph of the bio-based carbon content of BECOM manufactured in Example 1 of the present invention and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2.
- Figure 2b is a schematic diagram schematically showing the manufacturing process and morphology of BECOM manufactured in Example 1 and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 in terms of the degree of entanglement.
- Figure 2c shows the chemical structure of the biomass-derived silk fibroin and urethane oligomer casting mold (template) used in Example 1.
- Figure 2d shows a Kratky graph of BECOM manufactured by template regeneration in Example 1 and native silk fibroin (native renaturation) manufactured in Comparative Example 2.
- Figure 2e shows the glass transition temperature (T g ) of BECOM (Templated) manufactured in Example 1 and natural silk fibroin (Native) manufactured in Comparative Example 2.
- Figure 2f shows the ultimate stress and elastic modulus of BECOM, petrochemical plastic, degradable petrochemical plastic, and bio-based bioplastic manufactured in Example 1.
- Figure 2g shows the cyclic bending and torsion profiles of the BECOM manufactured in Example 1.
- Figure 3a is a schematic diagram illustrating a process of performing orthodontic treatment using BECOM and PETG manufactured in Example 1 as an orthodontic device.
- Figure 3b shows the results of creep recovery response evaluation at initial activation conditions in the range of 0.3-1.0 kPa of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
- Figure 3c shows the results of a stress relaxation experiment of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
- Figure 3d is a schematic diagram showing the maxillary morphology for in silico simulation of human maxillary orthodontic surgery.
- Figure 3e shows the distribution of corrective force according to the y-axis position of the corrective device using BECOM and PETG manufactured in Example 1.
- Figure 3f shows the tooth displacement profile of the right maxilla after correction of teeth using the orthodontic appliance using BECOM of Example 1.
- Figure 3g shows the maximum residual force after orthodontic treatment using the BECOM and PETG orthodontic devices manufactured in Example 1.
- Figure 4a shows photographic images of rabbit incisors at the initial stage (pre-treatment), after incisor gap development (midline diastema), and after orthodontic treatment using an orthodontic appliance using BECOM manufactured in Example 1 (BECOM orthodontics).
- Figure 4b schematically illustrates a three-step process for orthodontic correction of a rabbit's front teeth using an orthodontic device using BECOM manufactured in Example 1.
- PT indicates the post-treatment state.
- Figure 4c schematically illustrates the process in which undesirable tooth movement and malocclusion occur in a control group that did not undergo orthodontic treatment with an orthodontic appliance.
- Figure 4d shows a frontal view of a three-dimensional scanned tooth movement profile of a rabbit's front teeth after orthodontic treatment of the rabbit's front teeth using the BECOM orthodontic appliance manufactured in Example 1.
- Figure 4e shows a plan view image of teeth in which malocclusion is progressing due to non-orthodontic treatment with an orthodontic appliance.
- Figure 5a is a schematic diagram illustrating a recycling procedure based on disentanglement of BECOM manufactured in Example 1.
- Figure 5b shows the chemical structures of the antibacterial group (R 3A ) and dye tracer (Rhodamin B, R 3B ) of the urethane oligomer casting mold used in Example 1.
- Figure 5c shows photographic images of BECOM prepared in Example 1 and silk fibroin extracted in Example 2 according to the substitution ratio (R 3A /(R 3A + R 3B )) of the antimicrobial group and the dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in Example 1.
- FIG. 5d shows 13 C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of BECOM prepared in Example 1, silk fibroin extracted in Example 2, and natural silk fibroin prepared in Comparative Example 2.
- Figure 5e shows photographic images of the urethane oligomer casting mold (1 mL) extracted by recycling BECOM of Example 1 having a substitution ratio of 50 mmol% of the antimicrobial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold in Example 2 after the first and fifth extraction processes.
- Figure 5g shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4 having a thickness of 200 ⁇ m.
- Figure 6a is a schematic diagram showing the phenomenon of microbial biofilm growth on orthodontic appliances and gingival tissue during orthodontic treatment.
- Figure 6e shows alpha diversity metrics at the amplicon sequence variant level of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- Figure 6f shows a principal component (PC) analysis plot of amplicon sequence variants based on the Bray-Curtis dissimilarity method of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- PC1 and PC2 represent the first and second coordinates, respectively.
- Figure 6g shows a significantly (*p ⁇ 0.05) revealed correlation pattern for the occurrence of different taxa at the genus level in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- Figure 6h is a graph showing the number of three pathogens ( LactoBacillus fermentum , Veillonella atypica , and Enterococcus faecalis ) in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- Figure 7a is a schematic diagram illustrating composting content based on the International Organization for Standardization (ISO) 20200-17 for BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2 (total 4.6 g per sample) under thermophilic and aerobic conditions.
- ISO International Organization for Standardization
- Figure 7b shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 before composting (week 0) and after 8 weeks (week 8).
- Figure 7c shows the initial (1st and 4th week) composting photograph images of BECOM manufactured in Example 1.
- Figure 7d shows the composting rate at the 8th week of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
- FIG 7e shows the ACE alpha diversity matrix (metrics) of the compost soil obtained over 8 weeks of the control (EPSF) (EPSF).
- Figure 7f shows the results of comparing the ACE richness of composted soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
- Figure 7g shows the principal coordinate analysis (PCoA) analysis plot of the compost soil obtained after 8 weeks of composting with standard compost at week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2.
- PCoA principal coordinate analysis
- Figure 7h shows the relative abundance of the 30 most abundant species of compost soil obtained according to the composting time of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2.
- Figure 8 shows photographic images of a urethane oligomer casting mold manufactured in Manufacturing Example 2 of the present invention and BECOM manufactured in Example 1.
- Figure 9 shows (a) the Raman spectrum and (b) the wide-angle X-ray scattering (WAXS) analysis results of BECOM (Templated renaturation) manufactured in Example 1 and natural silk fibroin (native renaturation) manufactured in Comparative Example 2.
- BECOM Temporal renaturation
- silk fibroin native renaturation
- Figure 10 is a graph showing (a) a stress-strain curve and (b) ultimate stress, elastic modulus, and toughness of BECOM (4 cm 2 beam shape) manufactured in Example 1 when a uniform tension was applied at a tensile and displacement rate of 5.0 mm min -1 .
- Figure 11 shows (a) the normalized strain versus time profile of BECOM manufactured in Example 1 when subjected to a creep stress of 1.0 kPa for 2 minutes and (b) the permanent strains induced at creep stresses of 0.1 kPa, 0.3 kPa, 0.5 kPa, 1.0 kPa, and 2.0 kPa of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
- Figure 12 shows (a) the stress relaxation pattern of BECOM manufactured in Example 1 when the pre-displacements are 0.4 mm and (b) the relaxed energy determined by the upper region of the stress versus time curve under tooth resistances of 0.1-0.5 mm of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
- Figure 13 shows the displacement of a human maxillary central incisor (U1) measured using in silico finite element analysis according to the thickness (300 ⁇ m, 500 ⁇ m, 750 ⁇ m) of the orthodontic appliance using BECOM manufactured in Example 1.
- Figure 14 shows the residual force distribution after tooth position correction of the orthodontic device using BECOM and PETG manufactured in Example 1.
- Figure 15 shows the transmittance according to the thickness ranging from 50 ⁇ m to 400 ⁇ m of the orthodontic device using BECOM of Example 1.
- Figure 17 shows photographic images of silk fibroin extracted in Example 2 according to the molar ratio of the antibacterial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in the production of BECOM in Example 1.
- Figure 18 shows the extraction amount profile of a urethane oligomer casting mold according to the extraction cycle in Example 2.
- Figure 19 shows (a) 1 H nuclear magnetic resonance (NMR; Avance III HD 300, Bruker) spectra and (b) photograph images (1 mL per vial) of the urethane oligomer casting mold extracted by recycling BECOM having a substitution ratio of 50 mmol% of the antimicrobial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold in Example 2 according to the extraction cycle.
- NMR nuclear magnetic resonance
- Avance III HD 300 Bruker
- Figure 20 shows the FT/IR spectra of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4.
- NC negative control
- PC positive control
- ZDEC polyurethane film 0.1% ZDEC polyurethane film
- Figure 23 is a graph showing the relative abundance at the species level within the microbial community in human saliva biofilms formed from BECOM and PETG in Example 1.
- MMP-9 metallopeptidase 9
- Figure 25 shows (a) the observation and (b) the Chao1 alpha diversity metric of the compost soil obtained at 0, 4, and 8 weeks of the control group.
- Figure 26 shows (a) observation and (b) Chao1 alpha diversity metric of compost soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2.
- Figure 29 is a graph showing the relative abundance of Pseudomonas species in composted soil obtained after composting standard compost of week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2 for 8 weeks.
- Figure 30 is a graph showing the relative abundance of B. licheniformis and B. paralicheniformis in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2.
- the numerical range used in this specification may include a lower limit and an upper limit and all values within that range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all doubly defined values, and all possible combinations of upper and lower limits of a numerical range defined in different shapes. Unless otherwise specifically defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental error or rounding of values are also included in the defined numerical range.
- the above-mentioned modified silk fibroin can exhibit an entangled structure.
- the modified silk fibroin may be contained in an amount of 80% or more, preferably 83% or more, and more preferably 85 to 93%, based on 100% of the entire bioplastic.
- the bioplastic may substantially not contain other synthetic polymers such as polyurethane, polyacrylate, and polyolefin other than the modified silk fibroin.
- the bioplastic may further comprise a commonly known biocompatible polymer.
- the biocompatible polymer may be a protein, a polysaccharide, and the like, and non-limiting examples thereof include collagen, hyaluronic acid, alginic acid, chitin, keratin, cellulose, polydioxanone, polycaprolactone, poly(b-hydroxybutyrate), poly(hydroxyvalerate), polyglycolic acid, polylactic acid, and the like.
- bio-based carbon content is an indicator used to define bioplastics, and means the content of carbon derived from biomass-based resources, and can be calculated from the 14 C radiocarbon content measured according to ASTM D 6866-22 Method B and the modern carbon content.
- Bioplastics satisfying the above-described range of I a /I c values exhibit excellent flexibility and toughness, so that no damage may occur even after repeated twisting and bending.
- the polyol and the antimicrobial isocyanate compound may be included in a molar ratio of 1.1 to 10:1, specifically a molar ratio of 1.3 to 5:1, and more specifically a molar ratio of 1.5 to 3:1.
- the molecular weight may be controlled as the polyol is excessively added, and further, the antimicrobial urethane oligomer may have a hydroxyl group at the terminal, and the antimicrobial urethane oligomer has an advantage in that the molecular weight decreases when the terminal is a hydroxyl group.
- a bioplastic having a ratio of the beta-sheet content of the modified silk fibroin to the beta-sheet content of the natural silk fibroin expressed by the above formula 1 exceeds 1.5, preferably exceeds 2.0, exhibits a high beta-sheet content by having the modified silk fibroin, and can implement significantly improved mechanical properties compared to the natural silk fibroin before being modified.
- the modified silk fibroin may have a beta-sheet content of 20 to 80%, preferably 30% or more, more preferably 40% or more, and even more preferably 45 to 80%, as calculated through Raman spectroscopy.
- the bioplastic according to the present invention is manufactured through a simple manufacturing method, and can exhibit significantly improved beta-sheet content and high crystallinity, and can also implement excellent mechanical properties such as toughness, tensile strength, and elastic modulus.
- the bioplastic is a transparent and hard, rigid plastic, and exhibits excellent mechanical properties such as toughness, tensile strength, toughness, and elastic modulus, and also exhibits excellent stress relaxation behavior, so that when used in an orthodontic device, it can exhibit excellent orthodontic power.
- the bioplastic may have a glass transition temperature of 220° C. or higher, 220° C. to 320° C., 240° C. to 300° C., or 255° C. to 300° C.
- the above glass transition temperature can be measured using a differential scanning calorimeter (DSC) at a heating rate of 5 to 20 °C min -1 .
- DSC differential scanning calorimeter
- the bioplastic may have an elastic modulus (E) measured according to ASTM D882 of 500 MPa or more, preferably 550 MPa or more, and more preferably 600 to 700 MPa.
- E elastic modulus
- the bioplastic may have a toughness (T) measured according to ASTM D882 of 300 MJ/m3 or more, preferably 400 MJ/m3 or more, more preferably 500 MJ/m3 or more, still more preferably 800 to 5,000 MJ/m3, and most preferably 1,000 to 3,000 MJ/m3.
- T toughness
- the above ultimate stress, elastic modulus (E), and toughness (T) may be measured from a specimen in the form of a beam with a thickness of 400 ⁇ m and a size of 4 cm 2 .
- a bioplastic according to one embodiment of the present invention satisfies all of the above-described ultimate stress, tensile strength, and elastic modulus, and at the same time improves both tensile strength and ductility, which were previously in conflict with each other, thereby overcoming the limitations between the two properties, and has the advantage of having excellent maximum tensile strength and toughness as well as antibacterial properties and exhibiting excellent stress relaxation behavior.
- the bioplastic may have a stress relaxation rate expressed by Equation 2 below of 25% or more, preferably 50% or more.
- Bioplastics that satisfy the stress relaxation rate expressed by the above formula 2 of 25% or more, preferably 50% or more, can exhibit excellent stress relaxation behavior, and in particular, when applied to an internal orthodontic device, have the advantage of minimizing pain and discomfort in patients while exhibiting excellent orthodontic power.
- the bioplastic has the advantage of being compostable and can be disposed of in an environmentally friendly manner by composting without using a method that causes environmental pollution, such as incineration, after composting is completed.
- the bioplastic may have a composting rate of 60% or more, preferably 65% or more, and more preferably 70% or more, expressed by Equation 3 below, when composted according to ISO 20200-17.
- CM 0 means the weight of bioplastic before composting
- CM 8 means the weight of bioplastic after 8 weeks of composting.
- the bioplastic can increase beneficial microorganisms in the soil compared to the initial soil when composted.
- the above soil beneficial microorganisms may refer to microorganisms that dissolve nutrients combined in compost, mediate enzymatic reactions to ultimately help plant growth, and exhibit the effects of compost maturation, phosphorus dissolution, and nitrogen fixation through microbial metabolism, and specifically, may refer to one or more species selected from the group consisting of Serratia sps , nitrifying bacteria, Pseudomonas sps, Enterobacter sps , Klebsiella sps , B. licheniformis , and B. paralicheniformis .
- the bioplastic can increase Bacillus subtilis in soil by 3 times, preferably 4 times, more preferably 5 times, even more preferably 6 times, and most preferably 7 times or more compared to the initial level when composted for 8 weeks or more according to ISO 20200-17.
- Bioplastic according to one embodiment of the present invention can improve crop productivity by increasing beneficial microorganisms in the soil as described above.
- the bioplastic can increase the pH in the soil compared to the initial pH when composted according to ISO 20200-17. More specifically, when the bioplastic is composted for 8 weeks or longer, the pH in the soil can be 7 or higher, preferably 7.5 or higher, and even more preferably 8 or higher.
- the bioplastic can reduce the C/N ratio in soil compared to the initial level when composted according to ISO 20200-17. More specifically, when the bioplastic is composted for 8 weeks or more, the C/N ratio in soil can be 13.7%, preferably 13.5% or less.
- the bioplastic according to one embodiment of the present invention has the advantage of being able to provide soil that can significantly increase crop productivity by increasing the pH of standard compost and reducing the C/N ratio as described above.
- the bioplastic can reduce the abundance of E. coli in soil when composted according to ISO 20200-17. More specifically, when the bioplastic is composted for 8 weeks or more, the abundance of E. coli in soil can be less than 5%, preferably less than 1%.
- the bioplastic can significantly reduce the possibility of cross-infection during movement and transportation of the bioplastic by reducing the abundance of E. coli in soil after composting as described above.
- the bioplastic can exhibit an antibacterial effect against one or more oral disease or periodontal disease causing bacteria selected from the group consisting of Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus .
- Bioplastics that exhibit antibacterial effects against the above oral disease or periodontal disease-causing bacteria significantly inhibit the growth of microbial communities in saliva, and thus can prevent microbial growth during the orthodontic treatment period when used as orthodontic devices.
- the present invention can provide a biomedical molded article comprising the above-described bioplastic.
- the molded article can be in one or more forms selected from the group consisting of a film, a sheet, a mesh, a mat, a non-woven mat, a scaffold, a tube, a block, an implant, a foam, a needle, and a freeze-dried article, but is not limited thereto.
- a fiber form is not preferable because spinning is difficult.
- the bioplastic does not cause stickiness between materials because internal hydrogen bonds are maintained due to the high crystallinity even when exposed to water. Accordingly, the molded product does not deteriorate in shape or usability even when inserted into the body, making it suitable for use as a biomedical material.
- the present invention can provide an orthodontic device including the bioplastic described above.
- the orthodontic device can be manufactured with a structure of a commonly used or known orthodontic device (aligner) or orthodontic retainer.
- aligner an orthodontic device
- it can be a mouth piece type structure of registered patent 10-1476715 or a structure such as Hawley, Wraparound, Begg, VFR vacuum formed, etc., but is not limited thereto.
- a series of orthodontic devices are designed to correct the position and alignment of teeth, and these aligning devices are stretched and then restored to their original shape to exert orthodontic force.
- the teeth may exhibit resistance to the orthodontic force, which may cause distortion or damage to the orthodontic device. Therefore, the orthodontic device must be able to transmit sufficient recoverable orthodontic force to the teeth and at the same time withstand the resistance of the teeth to enable successful treatment.
- bioplastic not only can it sufficiently withstand the resistance of the teeth, but also exhibit excellent viscoelastic properties, making it suitable for use as an orthodontic device.
- FIG. 5d shows 13 C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of BECOM prepared in Example 1, silk fibroin extracted in Example 2, and natural silk fibroin prepared in Comparative Example 2.
- the peaks related to the urethane oligomer casting mold are peaks corresponding to methane, ethylene, propene, acetylene, 1,3-butadiene, and benzene as a result of gas chromatography analysis, and the solvent peaks are peaks corresponding to formic acid and ethanol as a result of gas chromatography analysis.
- Figure 18 shows the extraction amount profile of a urethane oligomer casting mold according to the extraction cycle in Example 2.
- Figure 19 shows (a) 1 H nuclear magnetic resonance (NMR; Avance III HD 300, Bruker) spectra and (b) photograph images (1 mL per vial) of the urethane oligomer casting mold extracted by recycling BECOM having a substitution ratio of 50 mmol% of the antimicrobial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold in Example 2 according to the extraction cycle.
- NMR nuclear magnetic resonance
- Avance III HD 300 Bruker
- macrophages treated with EPSF extracted in Example 2 showed decreased expression of TNF- ⁇ , IL-1 ⁇ , and IL-6 compared to the control group, and showed a level of NOS2 expression equivalent to the control group. Since this has been reported to also appear in natural silk fibroin, it can be confirmed that EPSF shows excellent cytocompatibility like natural silk fibroin.
- the BECOM manufactured in Example 1 was immersed in an acidic solution to disentangle the entangled structure, and then the acidic solution was removed to induce re-entanglement, thereby recycling BECOM-R1 (Example 3), and BECOM-R2 (Example 4), in which silk fibroin was extracted from the BECOM manufactured in Example 1 and then recycled using a template regeneration method, were analyzed for the morphology, FT-IR spectrum analysis, and ultimate stress, and the results are shown in FIGS. 5g, 20, and 5h.
- Figure 5g shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4 having a thickness of 200 ⁇ m.
- Figure 20 shows the FT/IR spectra of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4.
- the FT/IR spectra of Figure 20 were obtained by repeating scanning 32 times per sample using a Fourier transform infrared spectrometer (FT/IR-4700, JACSO, Japan).
- Example 1 As shown in the above FIG. 5h and FIG. 21, the ultimate stresses of Example 1 (BECOM), Example 3 (BECOM-R1), and Example 4 (BECOM-R2) were 17.6 MPa, 17.4 MPa, and 11.5 MPa, respectively, and the elastic moduli were 645.1 MPa, 413.2 MPa, and 292.8 MPa, respectively. That is, BECOM-R1 of Example 3 exhibited an ultimate stress very similar to BECOM of Example 1. On the other hand, BECOM-R2 of Example 4 exhibited an ultimate stress that was reduced by 35%, but considering that the ultimate stress of the biodegradable starch plastic is ⁇ 10 MPa, it was confirmed that it exhibited an ultimate stress of 11.5 MPa, which is equivalent to that of the biodegradable starch plastic. Through this, it was confirmed that the excellent mechanical properties of BECOM can be maintained even after the recycling process of BECOM is completed.
- Figure 6a is a schematic diagram showing the phenomenon of microbial biofilm growth on orthodontic appliances and gingival tissue during orthodontic treatment.
- oral tissues contain numerous microorganisms, and when correcting teeth using an orthodontic appliance, the orthodontic appliance is applied to the oral cavity for a long period of time, and after 6 hours, the outer surface shows a strong affinity for plaque formation.
- an environment favorable for biofilm formation such as accumulation of thick extracellular polysaccharides, can easily be created. Therefore, gingival tissues and orthodontic appliances are vulnerable to biofilm growth during orthodontic treatment. Therefore, in order to evaluate the microbial resistance of the BECOM manufactured in Example 1, the microbial resistance was confirmed using human saliva samples.
- Saliva sample collection was conducted in strict accordance with ethical guidelines including compliance with the 64th World Medical Association Declaration of Helsinki, and the entire procedure was strictly approved by the Institutional Review Board of Yonsei University Dental Hospital, Republic of Korea (Approval Number 2-2019-0049), and the recruitment of participants was performed fairly without considering gender or sex as a variable in the study.
- Saliva samples collected from six healthy donors were mixed in equal volumes and diluted with sterile glycerol to achieve a 30% concentration and then stored at -80 °C.
- McBain's medium was prepared, and human saliva samples were cultured in McBain's medium for 24 h.
- the culture without BECOM and PETG was used as the control group (Mock).
- the CFU value was expressed on a log scale, and every increase corresponded to an increase of 10 2 in CFU.
- BECOM and PETG showed average CFU of 56 and 3.2 ⁇ 10 6 , respectively.
- the BECOM of Example 1 showed almost no attachment behavior of S. aureus , confirming that BECOM could block the formation of the initial pellicle layer.
- S. mutans and S. aureus were cultured in liquid medium with BECOM or PETG prepared in Example 1 for 72 hours, and then the growth behavior was evaluated, and the results are shown in Fig. 6c.
- PETG showed a similar proliferation pattern to the control group (Mock), but BECOM of Example 1 significantly inhibited microbial growth, and in particular, completely inhibited the growth of S. aureus .
- the biofilm formed based on S. mutans and S. aureus on PETG had a more organized form, but it could be confirmed that BECOM of Example 1 exhibited excellent sterilization performance as biofilm growth was minimized and cocci were torn asymmetrically.
- Example 1 Concentrated quaternary ammonium compounds have concerns about toxicity despite their excellent antibacterial performance, so the BECOM of Example 1 was used to measure cell viability in L-929, RAW264.7, and human gingival fibroblast (HGF-1) cell lines.
- Dulbecco's Modified Eagle Medium media (DMEM; HyClone Co., Logan, UT, USA) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS; Gibco, Thermo Fisher Scientific) and 1% penicillin and streptomycin (P/S; Gibco; Thermo Fisher Scientific) was used to culture at 37°C, 95% humidity, 5% CO 2 , and after confluence, the adherent cells were detached with 0.05% trypsin/EDTA (Gibco, Thermo Fisher Scientific), centrifuged at 1300 rpm for 3 minutes, and resuspended in growth medium.
- DMEM Dulbecco's Modified Eagle Medium media
- FBS fetal bovine
- CEB and EPSF were extracted from DMEM containing 10% FBS and 1% P/S, at an extraction ratio of 25 mg/mL, at 37°C for 72 h.
- the supernatant was collected, sterile filtered (0.2 ⁇ m syringe filter), and then diluted in culture medium, and the growth medium was used as a control (Mock).
- the optical density (OD) was measured at 57 nm using a microplate reader (Epoch, BioTek, Winooski, VT, USA) for cell viability analysis.
- the cell viability (Cell viability, %) was calculated using the following Equation 6:
- NC negative control
- PC positive control
- ZDEC polyurethane film 0.1% ZDEC polyurethane film
- Fig. 22a is the result obtained by performing an agar diffusion test (ISO 10993-5:2009) according to the International Organization for Standardization (ISO) 10993-5:2009 standard at a Good Laboratory Practice approved institution (Seoul National University Hospital, Seoul, Korea).
- the dotted line in the above Fig. 22b indicates 70% cell viability, which is the cytotoxicity criterion according to the ISO 10993-5:2009 standard.
- the control group in Fig. 22c indicates an experimental group without EPSF.
- the reactivity of the BECOM manufactured in the above Example 1 was grade 1 (Fig. 22a), and it exhibited high cell viability in the viability test for human gingival fibroblasts and macrophages (Fig. 22b), and it was confirmed that it exhibited excellent biocompatibility as it did not induce an allergic reaction in vivo and the expression of reduced inflammatory biomarkers (TNF- ⁇ , IL-1 ⁇ , IL-6, and NOS2) of macrophages was reduced (Fig. 22c).
- rRNA 16S ribosomal ribonucleic acid amplicon sequencing was used to obtain microbial community information of human salivary biofilms formed in Example 1 (BECOM) or PETG.
- DNA sequencing was performed after DNA extraction, we prepared the sequenced samples following the Illumina 16S rRNA sequencing library protocol, and assessed DNA quality and quantity using PicoGreen and VICTOR Nivo.
- 16S V3-V4 primers were used to amplify the 16S rRNA gene, and an additional limited cycle amplification step was performed to include the multiplexing index and Illumina sequencing adapters.
- the resulting products were then normalized, pooled, and size-checked before sequencing on the MiSeqTM platform.
- the Illumina Miseq Sequencing System (Illumina, USA) was used in the background of amplicon sequencing.
- Figure 6e shows alpha diversity metrics at the amplicon sequence variant level of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- the BECOM of Example 1 had a low observed species index, which resulted in a decrease in species diversity within the microbial community of BECOM, and both the Chao1 and ACE levels decreased, which also resulted in a decrease in total diversity, confirming that BECOM has a high resistance to microbial community growth.
- Figure 6f shows a principal component (PC) analysis plot of amplicon sequence variants based on the Bray-Curtis dissimilarity method of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- PC1 and PC2 represent the first and second coordinates, respectively.
- Figure 6g shows a significantly (*p ⁇ 0.05) revealed correlation pattern for the occurrence of different taxa at the genus level in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
- the pink bars represent species that are relatively more dominant in PETG than in BECOM
- the green bars represent species that are dominant in BECOM
- Table 2 the specific correlation analysis results comparing the occurrence patterns of different genera with BECOM and PETG are shown in Table 2 below.
- the taxonomic distribution within the microbial community of PETG had a positive correlation with commonly observed pathogenic genera such as Bulleida , Veillonella , Enterococcus , Staphylococcus , LactoBacillus , and Gemella , but a significant negative correlation was observed with the commensal Granulicatella .
- Figure 6h is a graph showing the number of three pathogens ( LactoBacillus fermentum , Veillonella atypica , and Enterococcus faecalis ) in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1. Specific results of taxonomic units at the species level analyzed using DESeq2 in human saliva biofilms formed on BECOM in Example 1 are shown in Table 3 below.
- Figure 23 is a graph showing the relative abundance at the species level within the microbial community in human saliva biofilms formed from BECOM and PETG in Example 1.
- the BECOM and PETG manufactured in the above Example 1 exhibit distinct variations in members of the Streptococccaceae family, including S. parasanguinis , S. salivarius , and S. anginosus .
- Figure 7a is a schematic diagram illustrating composting content based on the International Organization for Standardization (ISO) 20200-17 for BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2 (total 4.6 g per sample) under thermophilic and aerobic conditions.
- ISO International Organization for Standardization
- Example 1 (BECOM) was prepared as a 4.0 cm 2 film-shaped sample with a dry weight of 4.6 g, and then randomly divided into 2 to 3 groups, and 3 batches per sample were used for thermophilic and aerobic composting experiments for 8 weeks using a standard compost soil in which Bacillus is a dominant species as defined in ISO 20200-17 in compliance with ISO 20200-17.
- 4.55 g of EPSF manufactured in Example 2 was prepared in the form of a 4.0 cm 2 film and used as a control.
- the above standard compost was prepared by mixing 40 wt% of sawdust, 30 wt% of rabbit feed, 10 wt% of mature compost, 10 wt% of corn starch, 5% sucrose, 4% corn seed oil, and 1% urea, and a polypropylene composting reactor having two holes with a diameter of ⁇ 60 mm to allow gas exchange with the external environment was used.
- the initial mass ratio of BECOM or EPSF fibroin to wet compost was set to 2%, and then thermophilic incubation was performed in an air circulation oven at 60 °C by mixing the composting materials and periodically adding water to ensure sufficient aeration and moisture content. Then, the compost obtained at the 8th week was sieved, and the dry mass of BECOM and EPSF was measured to determine the composting rate according to Equation 3 below.
- CM 0 means the weight of bioplastic before composting
- CM 8 means the weight of bioplastic after 8 weeks of composting.
- Figure 7b shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 before composting (week 0) and after 8 weeks (week 8).
- Figure 7c shows the initial (1st and 4th week) composting photograph images of BECOM manufactured in Example 1.
- the initial 4.0 cm 2 film-shaped single BECOM and EPSF samples at week 0 were degraded and turned black, distorted, and fragmented after 8 weeks (FIG. 7b), while the BECOM prepared in Example 1 was slightly deformed from the first week of composting and was shattered during composting and fragmented as indicated by the red arrows, and significant fragmentation was observed after week 4, indicating that the area of residual BECOM was reduced by 20% due to fragmentation (FIG. 7c).
- collagenase IA known as silk fibroin-decomposing enzymes
- MMP-9 metallopeptidase 9
- the medium showed a slightly turbid color, and it was found that protein degradation began after 24 hours due to the protease reaction of silk fibroin, and was completely decomposed in the concentrated protease XIV medium (1.0 U mL -1 ) within 48 hours, but was not well decomposed by collagenase.
- the bioplastic according to one embodiment of the present invention can be well decomposed by protease secreted by B. subtilis, a beneficial bacteria present in actual compost, and can have excellent composting characteristics, and does not dissolve well in collagenase, so it shows high stability in oral saliva (spit).
- Figure 7d shows the composting rate at the 8th week of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
- the BECOM manufactured in the above Example 1 showed an excellent composting rate of 72.1% in the 8th week by protease reaction, and the EPSF of the above Example 2 achieved a complete composting rate of 96.7%, confirming that complete composting can be achieved within a few weeks after the 8th week.
- BECOM composting can create an environment that is helpful for the development and growth of various microorganisms, and the compost soil condition is closely connected to the ecosystem. Therefore, in order to analyze the microbial status in the composted soil, well-mixed composts were obtained at composting weeks 0, 4, and 8 of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2, and DNA of each compost was extracted.
- a mixture consisting of 5 ⁇ L of nuclease-free water, 10 ⁇ L of 10 ng input DNA, and 25 ⁇ L of LongAmp Hot Start Taq 2X Master Mix was strictly prepared in a 0.2 mL thin-walled PCR tube, and the tube was briefly centrifuged for homogenization, and PCR amplification was performed in a thermocycler under carefully optimized conditions.
- initial denaturation was performed at 95 °C for 1 min, followed by 25 cycles of denaturation at 95 °C for 20 s, annealing at 55 °C for 30 s, and extension at 65 °C for 2 min, and the cycles were terminated with a final extension at 65 °C for 5 min, after which the sample was maintained at 4 °C.
- the protocol provided by ONT was used as described below.
- 16S barcodes were selected from 96-well plates, carefully isolated and thawed, and the foil surface was pierced using a sterile pipette tip. 10 ⁇ L volume of mixed barcodes was then added to the corresponding PCR tubes containing previously amplified DNA, and in the subsequent purification step, each sample was treated with 30 ⁇ L of resuspended AMPure XP beads. The samples were incubated on a rotating mixer at room temperature for 5 minutes, centrifuged to form a magnetic pellet, and the clear supernatant was discarded and the bead pellet was washed twice with 70% ethanol for magnetic separation.
- the EPSF manufactured in the above Example 2 is a high-purity silk fibroin and that silk fibroin participates fairly in the natural ecosystem, it can be assumed that the composting of EPSF will not affect the condition of the compost soil. Accordingly, the BECOM manufactured in the above Example 1 and the compost microbial community were monitored for microbiological characteristics, such as similarity with the EPSF control group, at 8 weeks through 16S rRNA gene sequence analysis, thereby proving the composting action without side effects.
- Figure 7e shows the ACE alpha diversity matrix (metrics) of the compost soil obtained over 8 weeks of the control (EPSF).
- Figure 25 shows (a) the observation and (b) the Chao1 alpha diversity metric of the compost soil obtained at 0, 4, and 8 weeks of the control group (EPSF).
- Figure 7f shows the results of comparing the ACE abundance of composted soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
- Figure 26 shows (a) observation and (b) Chao1 alpha diversity metric of compost soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2.
- Figure 7g shows a principal coordinate analysis (PCoA) analysis plot of the compost soil obtained after 8 weeks of composting of the standard compost at week 0, the BECOM prepared in Example 1, and the EPSF prepared in Example 2, where the amplicon sequence variants in Figure 7g were measured using the Bray-Curtis dissimilarity method.
- PCoA principal coordinate analysis
- Microorganisms that thrive in compost can dissolve nutrients combined with compost, mediate enzymatic reactions to ultimately help plant growth, and exhibit the effects of compost maturation, phosphorus dissolution, and nitrogen fixation through microbial metabolism. Accordingly, the microbial characteristics of the compost soil of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 were analyzed.
- Figure 7h shows the relative abundance of the 30 most abundant species in the composted soil obtained according to the composting time of the control (Compost), BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2, and the microbial community structure of at least two samples was analyzed.
- B. subtilis an essential microorganism in compost soil that promotes compost maturation and improves compost quality, had an initial log-scaled abundance of 0.48, but significantly increased to a final log-scale abundance of 3.73 in the composted soil composted with BECOM of Example 1, which was very close to the value (3.70) of the composted soil composted with ESPF prepared in Example 2.
- Figure 27 is a graph showing the relative abundance of Serratia species in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2.
- Figure 28 is a graph showing the relative abundance of (a) Enterobacter species and (b) Klebsiella species in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2.
- Figure 29 is a graph showing the relative abundance of Pseudomonas species in composted soil obtained after composting standard compost of week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2 for 8 weeks.
- Figure 30 is a graph showing the relative abundance of B. licheniformis and B. paralicheniformis in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of week 0, BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2.
- the pH of the initial compost soil was 6.4 and the C/N ratio was 23.2%, but 8 weeks after composting with BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2, the pH increased to 8.2 and the C/N ratio significantly decreased to 13.8% and 13.5%, respectively. Furthermore, the abundance of B. subtilis increased approximately 7.77 times after BECOM composting compared to the initial level, confirming that BECOM can potentially contribute to agricultural production systems as an excellent compost resource.
- microorganisms in the compost soil obtained 8 weeks after composting the BECOM manufactured in Example 1 and the EPSF manufactured in Example 2 were analyzed at the phylum level, and the number and relative ratio are shown in Table 5 below.
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Abstract
Description
본 발명은 바이오플라스틱 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to bioplastic and a method for producing the same.
생체에 사용되는 의료용 바이오플라스틱 소재는 항균성, 생체친화성 뿐만이 아니라, 적용하는 제품에 따라 성형성, 인장강도, 탄성계수, 인성 등의 기계적 물성을 만족해야한다. 특히, 교정에 사용되는 소재의 경우, 응력 완화(Stress relaxation)거동이 없는 소재라면 환자의 통증 역치 이상으로 교정력이 가해져 큰 통증이나 불편함을 느끼게 되는 문제가 발생하기 때문에, 응력 완화 거동을 보이는 바이오플라스틱 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 치아교정장치는 식사 및 세척을 제외하고 하루 약 20시간 동안 지속적으로 착용해야 하며 몇 달 동안 반복적으로 재사용해야 한다. 따라서, 치과용 플라스틱은 필수적인 구강 활동을 수행하는 동안 발생하는 반복적이고 상당한 하중에 노출되고, 더욱이, 치아 위치가 서브밀리미터 단위(0.6 mm 이하)로 조정됨에 따라 교정력을 치열에 정확하게 전달하기 위해 점탄성을 나타내야 한다. 따라서 치과용 바이오플라스틱 소재는 유연하고, 질기며, 점탄성을 가져야만 만족스러운 치과 치료가 가능하다. 그러나, 종래의 치아교정장치에 사용되는 바이오플라스틱과 분해성 석유화학 플라스틱은 유연성과 점탄성이 부족하여 성공적인 치아교정 치료 효과가 제한되었다 .Medical bioplastic materials used in living organisms must satisfy not only antibacterial properties and biocompatibility, but also mechanical properties such as formability, tensile strength, elastic modulus, and toughness depending on the product to which they are applied. In particular, in the case of materials used in orthodontics, if a material does not exhibit stress relaxation behavior, the patient may experience severe pain or discomfort due to orthodontic force exceeding the patient's pain threshold, so it is desirable to use bioplastic materials exhibiting stress relaxation behavior. In addition, orthodontic devices must be worn continuously for approximately 20 hours a day, excluding meals and washing, and must be repeatedly reused for several months. Therefore, dental plastics are exposed to repeated and significant loads that occur during essential oral activities, and furthermore, they must exhibit viscoelasticity to accurately transmit orthodontic force to the teeth as the tooth position is adjusted in submillimeter units (0.6 mm or less). Therefore, dental bioplastic materials must be flexible, tough, and viscoelastic to enable satisfactory dental treatment. However, bioplastics and biodegradable petrochemical plastics used in conventional orthodontic devices lack flexibility and viscoelasticity, which limits the successful orthodontic treatment effect.
한편, 바이오플라스틱의 개발에 따라 미국에서는 하루 평균 0.5 kg 및 연간 총 600만톤의 의료용 플라스틱 폐기물이 발생하고 있는데, 이러한 의료용 플라스틱 폐기물 중 91%가 매립이나 소각을 통해 부적절하게 자연에 침투되어 환경을 악화시키고 있다. 특히, 치아교정장치를 이용한 교정치료에 있어서, 일련의 치아교정장치로 치아 위치를 세밀하게 조정하기 때문에 환자는 1~2주마다 새로운 유형의 교정장치로 교체하여 매주 플라스틱 폐기물이 불가피하게 발생한다. 예를 들어, 단 1년 동안 단일 기관에서 117.8kg에 달하는 치아교정장치 관련 플라스틱 폐기물 11,483개를 수거하였다고 보고한 바 있었다. 즉, 치과 진료에서는 엄청나게 많은 양의 치과 진료용 플라스틱 폐기물이 발생하고 있어, 생체용 바이오플라스틱은 우수한 생분해 특성을 나타내어 환경을 악화시키지 않는 범위 내에서 폐기될 수 있어야 한다.Meanwhile, with the development of bioplastics, the United States generates an average of 0.5 kg of medical plastic waste per day and a total of 6 million tons per year. Of this medical plastic waste, 91% is inappropriately infiltrated into nature through landfill or incineration, worsening the environment. In particular, in orthodontic treatment using orthodontic devices, since the positions of teeth are precisely adjusted with a series of orthodontic devices, patients must change to a new type of orthodontic device every 1-2 weeks, inevitably generating plastic waste every week. For example, it was reported that a single institution collected 11,483 pieces of plastic waste related to orthodontic devices weighing 117.8 kg in just one year. In other words, a huge amount of dental plastic waste is generated in dental treatment, so bioplastics must exhibit excellent biodegradation properties so that they can be disposed of without worsening the environment.
이러한 요구에 따라 최근 연구에서는 셀룰로오스, 목재, 식품, 실크 피브로인, 꽃가루 등의 물질을 사용하여 뛰어난 생분해 특성을 지닌 바이오플라스틱이 보고된 바 있으나 바이오플라스틱의 생분해가 매립지의 미생물 파괴에 미치는 영향에 대해서는 거의 논의되지 않았다. 한편, 치과용 바이오플라스틱은 미생물이 매우 풍부한 구강 내 사용되기에, 바이오플라스틱에서 쉽게 자라는 미생물은 오염된 바이오플라스틱이 매장될 때 토양 미생물 군집의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 구강 미생물은 토양 미생물에 항생제 내성을 퍼뜨릴 수 있다. 따라서 치과용 바이오플라스틱은 미생물적 저항성이 높아야하며, 매립지의 독성 잔류물을 남기지 않고, 미생물학적 특징에 영향을 주지 않으면서 퇴비화가 가능해야 한다. In response to these demands, recent studies have reported bioplastics with excellent biodegradability properties using materials such as cellulose, wood, food, silk fibroin, and pollen, but the effect of biodegradation of bioplastics on the destruction of microorganisms in landfills has been rarely discussed. On the other hand, since dental bioplastics are used in the oral cavity, which is very rich in microorganisms, microorganisms that easily grow on bioplastics can affect the characteristics of soil microbial communities when contaminated bioplastics are buried. For example, oral microorganisms can spread antibiotic resistance to soil microorganisms. Therefore, dental bioplastics should have high microbial resistance, be compostable without leaving toxic residues in landfills, and affect the microbiological characteristics.
한편, 실크는 셀룰로오즈 다음으로 풍부한 천연 소재이다. 일반적으로 실크는 누에고치에서 풀어낸 섬유상 단백질을 의미하며, 구체적으로 누에고치실에서 풀어낸 고치실(繭絲)은 크게 실크 세리신(silk sericin)과 실크 피브로인(silk fibroin)이라는 두 가지 단백질로 구성되어 있다. 구체적으로 75% 내외의 피브로인 단백질과 25% 내외의 세리신 단백질 및 3% 내외의 무기질 및 탄수화물을 포함하는데, 실크의 실용성을 확대하기 위하여 알칼리나 비누, 효소, 표백제 등으로 불순물 및 세리신을 제거하는 정련(degumming) 과정을 거쳐 순수 피브로인 단백질을 분리해 낸다.Meanwhile, silk is the second most abundant natural material after cellulose. Generally, silk refers to a fibrous protein released from a silkworm cocoon, and specifically, cocoon thread released from a silkworm cocoon is largely composed of two proteins: silk sericin and silk fibroin. Specifically, it contains about 75% fibroin protein, about 25% sericin protein, and about 3% minerals and carbohydrates. In order to expand the practicality of silk, it goes through a degumming process to remove impurities and sericin using alkali, soap, enzymes, bleach, etc., and separates pure fibroin protein.
실크 피브로인 소재는 알려진 단백질 소재 중 우수한 인성(toughness)을 가지고 있어 다양한 소재 산업에서 활용되고 있다. 구체적으로 봉합사, 세포 치료제의 스캐폴드 등으로 사용되기도 한다. 상술한 물성은 실크 피브로인의 단백질 2차 구조를 살펴보면 설명될 수 있는데, 특히 강한 내부인력이 존재하는 베타시트(β-sheet) 결정이 많을수록 가해지는 외력에 잘 견딜 수 있어 높은 인장강도를 나타낸다. 하지만, 베타시트 결정함량이 높을수록 무정형(amorphous) 함량이 낮아지게 되는데 이로 인해 유연성이 낮아져 쉽게 부러지게 되어 미흡한 연성(stretchability)을 나타내게 된다.Silk fibroin material has excellent toughness among known protein materials and is utilized in various material industries. Specifically, it is used as a scaffold for sutures and cell therapy. The above-mentioned properties can be explained by examining the protein secondary structure of silk fibroin. In particular, the more beta-sheet crystals there are with strong internal force, the better it can withstand the applied external force and exhibit high tensile strength. However, as the beta-sheet crystal content increases, the amorphous content decreases, which lowers flexibility and easily breaks, exhibiting poor stretchability.
따라서, 높은 베타시트 결정 함량에 따른 우수한 인장강도를 가지면서 동시에 탁월한 연성을 나타내고 뛰어난 응력 완화 거동을 보이며, 항균성 및 생체친화성을 갖는 바이오플라스틱 소재에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.Therefore, research and development of bioplastic materials that have excellent tensile strength due to high beta-sheet crystal content, while also exhibiting excellent ductility, excellent stress relaxation behavior, and antibacterial and biocompatibility are necessary.
[선행기술문헌][Prior art literature]
[특허문헌][Patent Document]
특허문헌 1. 한국공개특허 제10-2023-0174848호
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 천연 실크피브로인으로부터 변성되어 베타시트(β-sheet)의 함량이 증가된 변성 실크 피브로인을 포함하고, 상기 변성 실크 피브로인은 서로 얽힌 구조를 갖는 바이오플라스틱을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the problems described above, and the purpose of the present invention is to provide a bioplastic including modified silk fibroin having an increased content of β-sheets by being modified from natural silk fibroin, wherein the modified silk fibroin has an entangled structure.
또한, 본 발명은 상기 바이오플라스틱을 포함하는 생체의료용 성형품을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a biomedical molded product comprising the bioplastic.
또한, 본 발명은 상기 바이오플라스틱을 포함하는 치아교정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide an orthodontic device comprising the bioplastic.
또한, 본 발명은 (A) 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 천연 실크 피브로인 용액을 주입하는 단계; 및 (B) 상기 천연 실크 피브로인 용액 건조하여 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a method for producing a bioplastic, comprising the steps of (A) injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold; and (B) drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic including denatured silk fibroin.
또한, 본 발명은 상기 바이오플라스틱을 산성 용매에 침지하는 단계; 및 상기 바이오플라스틱이 침지된 산성용매로부터 실크 피브로인을 회수하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱으로부터 실크 피브로인을 회수하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a method for recovering silk fibroin from a bioplastic, comprising the steps of: immersing the bioplastic in an acidic solvent; and recovering silk fibroin from the acidic solvent in which the bioplastic is immersed.
또한, 본 발명은 상기 바이오플라스틱 및 산성용매를 용해시킨 바이오플라스틱 용액을 제조하는 단계; 상기 바이오플라스틱 용액을 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입하는 단계; 및 상기 바이오플라스틱 용액을 건조하여 재활용된 바이오플라스틱을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 재성형 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention aims to provide a method for remolding a bioplastic, comprising the steps of: preparing a bioplastic solution by dissolving the bioplastic and an acidic solvent; injecting the bioplastic solution into a urethane oligomer casting mold; and drying the bioplastic solution to prepare a recycled bioplastic.
본 발명의 일 측면은 천연 실크피브로인으로부터 변성되어 베타시트(β-sheet)의 함량이 증가된 변성 실크 피브로인을 포함하고, 상기 변성 실크 피브로인은 서로 얽힌 구조를 갖는 바이오플라스틱을 제공한다.One aspect of the present invention provides a bioplastic comprising modified silk fibroin having an increased content of β-sheets by being modified from natural silk fibroin, wherein the modified silk fibroin has an entangled structure.
본 발명의 다른 측면은 상기 바이오플라스틱을 포함하는 생체의료용 성형품을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a biomedical molded article comprising the bioplastic.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 바이오플라스틱을 포함하는 치아교정장치를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an orthodontic device comprising the bioplastic.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 바이오플라스틱을 포함하는 치아교정장치를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an orthodontic device comprising the bioplastic.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 천연 실크 피브로인 용액을 주입하는 단계; 및 (B) 상기 천연 실크 피브로인 용액 건조하여 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for producing a bioplastic, comprising the steps of: (A) injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold; and (B) drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic including modified silk fibroin.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 바이오플라스틱을 산성 용매에 침지하는 단계; 및 상기 바이오플라스틱이 침지된 산성용매로부터 실크 피브로인을 회수하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱으로부터 실크 피브로인을 회수하는 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for recovering silk fibroin from a bioplastic, comprising the steps of: immersing the bioplastic in an acidic solvent; and recovering silk fibroin from the acidic solvent in which the bioplastic is immersed.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 바이오플라스틱 및 산성용매를 용해시킨 바이오플라스틱 용액을 제조하는 단계; 상기 바이오플라스틱 용액을 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입하는 단계; 및 상기 바이오플라스틱 용액을 건조하여 재활용된 바이오플라스틱을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 재성형 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for re-molding a bioplastic, comprising: a step of preparing a bioplastic solution by dissolving the bioplastic and an acidic solvent; a step of injecting the bioplastic solution into a urethane oligomer casting mold; and a step of drying the bioplastic solution to prepare a recycled bioplastic.
본 발명에 따른 바이오플라스틱은 통상적인 실크 피브로인에 비해 현저히 향상된 인성, 인장강도 및 탄성계수를 갖는 변성 실크 피브로인을 포함함으로써, 탁월한 최대 인장강도 및 인성뿐만 아니라 항균성을 가지며 응력 완화 거동이 뛰어나다. 나아가 본 발명의 바이오플라스틱은 물에 노출되어도 수소결합이 깨지지 않아 끈적이지 않는 성질을 나타내어 유체가 항상 존재하는 체내 환경에서 용이하게 사용될 수 있고, 생체의료용 산업분야에서 폭넓게 활용될 수 있다.The bioplastic according to the present invention comprises modified silk fibroin having significantly improved toughness, tensile strength and elastic modulus compared to conventional silk fibroin, thereby exhibiting excellent maximum tensile strength and toughness as well as antibacterial properties and superior stress relaxation behavior. Furthermore, the bioplastic of the present invention exhibits non-sticky properties because hydrogen bonds are not broken even when exposed to water, so that it can be easily used in an in vivo environment where fluid always exists, and can be widely utilized in the biomedical industry.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 따른 바이오플라스틱(BECOM)의 설계도 및 장점을 간략하게 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the design and advantages of a bioplastic (BECOM) according to one embodiment of the present invention.
도 2a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)의 바이오 기반 탄소 함량 그래프를 나타낸 것이다.Figure 2a shows a graph of the bio-based carbon content of BECOM manufactured in Example 1 of the present invention and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2.
도 2b는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)의 제조과정 및 얽힘(entanglement) 정도의 관점에서 형태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 2b is a schematic diagram schematically showing the manufacturing process and morphology of BECOM manufactured in Example 1 and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 in terms of the degree of entanglement.
도 2c는 실시예 1에서 사용된 바이오매스 유래 실크 피브로인 및 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(템플릿)의 화학 구조를 나타낸 것이다.Figure 2c shows the chemical structure of the biomass-derived silk fibroin and urethane oligomer casting mold (template) used in Example 1.
도 2d는 실시예 1에서 템플릿 재생으로 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native renaturation)의 Kratky 그래프를 나타낸 것이다.Figure 2d shows a Kratky graph of BECOM manufactured by template regeneration in Example 1 and native silk fibroin (native renaturation) manufactured in Comparative Example 2.
도 2e는 실시예 1에서 제조된 BECOM(Templated) 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(Native)의 유리 전이 온도(Tg)를 나타낸 것이다.Figure 2e shows the glass transition temperature (T g ) of BECOM (Templated) manufactured in Example 1 and natural silk fibroin (Native) manufactured in Comparative Example 2.
도 2f는 실시예 1에서 제조된 BECOM, 석유화학플라스틱, 분해성 석유화학플라스틱 및 바이오기반 바이오플라스틱의 극한응력 및 탄성계수를 나타낸 것이다.Figure 2f shows the ultimate stress and elastic modulus of BECOM, petrochemical plastic, degradable petrochemical plastic, and bio-based bioplastic manufactured in Example 1.
도 2g는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 사이클 굽힘(Cyclic bending) 및 비틀림 프로파일을 나타낸 것이다. Figure 2g shows the cyclic bending and torsion profiles of the BECOM manufactured in Example 1.
도 3a는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG를 치아 교정장치로 사용하여 치아 교정 치료하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 3a is a schematic diagram illustrating a process of performing orthodontic treatment using BECOM and PETG manufactured in Example 1 as an orthodontic device.
도 3b는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG의 0.3-1.0 kPa 범위의 초기 활성화 조건에서 크리프 회복 반응(Creep-recovery response) 평가 결과를 나타낸 것이다.Figure 3b shows the results of creep recovery response evaluation at initial activation conditions in the range of 0.3-1.0 kPa of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 3c는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG의 응력 완화(Stress relaxation) 실험 결과를 나타낸 것이다. Figure 3c shows the results of a stress relaxation experiment of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 3d는 인간 상악 교정술의 in silico 시뮬레이션을 위한 상악 형태를 계략적으로 나타낸 도면이다.Figure 3d is a schematic diagram showing the maxillary morphology for in silico simulation of human maxillary orthodontic surgery.
도 3e는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG을 이용한 교정장치의 y축 위치에 따른 교정력 분포를 나타낸 것이다. Figure 3e shows the distribution of corrective force according to the y-axis position of the corrective device using BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 3f는 실시예 1의 BECOM을 이용한 교정장치로 치열을 교정한 후 오른쪽 상악골의 치아 변위 프로파일을 나타낸 것이다. Figure 3f shows the tooth displacement profile of the right maxilla after correction of teeth using the orthodontic appliance using BECOM of Example 1.
도 3g는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG 교정장치를 이용한 교정 치료 후 최대 잔류 힘(residual force)을 나타낸 것이다. Figure 3g shows the maximum residual force after orthodontic treatment using the BECOM and PETG orthodontic devices manufactured in Example 1.
도 4a는 토끼 앞니의 초기(pre-treatment), 절치 간격 발생 후(midline diastema) 및 실시예 1에서 제조된 BECOM를 이용한 치아교정장치로 치아교정한 후(BECOM orthodontics) 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 4a shows photographic images of rabbit incisors at the initial stage (pre-treatment), after incisor gap development (midline diastema), and after orthodontic treatment using an orthodontic appliance using BECOM manufactured in Example 1 (BECOM orthodontics).
도 4b는 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 치아교정장치를 이용하여 토끼 앞니의 치아교정을 위한 3단계 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 도 4b에서 PT는 치료 후 상태를 의미한다.Figure 4b schematically illustrates a three-step process for orthodontic correction of a rabbit's front teeth using an orthodontic device using BECOM manufactured in Example 1. In Figure 4b, PT indicates the post-treatment state.
도 4c는 치아교정장치로 치아교정을 하지 않은 대조군에서 바람직하지 않은 치아 이동과 부정교합이 발생하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 4c schematically illustrates the process in which undesirable tooth movement and malocclusion occur in a control group that did not undergo orthodontic treatment with an orthodontic appliance.
도 4d는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 교정장치를 이용하여 토끼 앞니를 교정 치료한 후 토끼 앞니의 3차원 스캔된 치아 이동 프로파일의 정면도를 나타낸 것이다.Figure 4d shows a frontal view of a three-dimensional scanned tooth movement profile of a rabbit's front teeth after orthodontic treatment of the rabbit's front teeth using the BECOM orthodontic appliance manufactured in Example 1.
도 4e는 치아교정장치로 치아교정을 하지 않아 부정교합이 진행되는 치아의 평면도 이미지를 나타낸 것이다.Figure 4e shows a plan view image of teeth in which malocclusion is progressing due to non-orthodontic treatment with an orthodontic appliance.
도 5a는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 풀림(Disentanglement)을 기반으로 하여 재활용하는 절차를 개략적으로 나타낸 모식도이다. Figure 5a is a schematic diagram illustrating a recycling procedure based on disentanglement of BECOM manufactured in Example 1.
도 5b는 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹(R3A) 및 염료 추적자(Rhodamin B, R3B)의 화학 구조를 나타낸 것이다.Figure 5b shows the chemical structures of the antibacterial group (R 3A ) and dye tracer (Rhodamin B, R 3B ) of the urethane oligomer casting mold used in Example 1.
도 5c는 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율(R3A/(R3A + R3B))에 따른 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인의 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 5c shows photographic images of BECOM prepared in Example 1 and silk fibroin extracted in Example 2 according to the substitution ratio (R 3A /(R 3A + R 3B )) of the antimicrobial group and the dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in Example 1.
도 5d는 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인, 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인의 13C 핵자기공명(NMR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.FIG. 5d shows 13 C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of BECOM prepared in Example 1, silk fibroin extracted in Example 2, and natural silk fibroin prepared in Comparative Example 2.
도 5e는 실시예 2에서 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율이 50 mmol%인 실시예 1의 BECOM을 재활용하여 추출한 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(1 mL)의 첫 번째 및 다섯 번째 추출 과정 후 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 5e shows photographic images of the urethane oligomer casting mold (1 mL) extracted by recycling BECOM of Example 1 having a substitution ratio of 50 mmol% of the antimicrobial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold in Example 2 after the first and fifth extraction processes.
도 5f는 실시예 2에서 추출한 실크 피브로인(EPSF)과 대조군의 염증성 바이오마커 상대적 발현 강도(n=3)를 나타낸 그래프이다.Figure 5f is a graph showing the relative expression intensity of inflammatory biomarkers (n=3) between silk fibroin (EPSF) extracted in Example 2 and the control group.
도 5g는 두께가 200 μm인 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2 사진 이미지를 나타낸 것이다.Figure 5g shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4 having a thickness of 200 μm.
도 5h는 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2의 극한 응력 그래프(n=3)를 나타낸 것이다.Figure 5h shows the ultimate stress graphs (n=3) of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4.
도 6a 치열 교정 중 교정장치와 치은 조직에서 미생물 생물막(biofilm)이 성장하는 현상을 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 6a is a schematic diagram showing the phenomenon of microbial biofilm growth on orthodontic appliances and gingival tissue during orthodontic treatment.
도 6b는 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 시험관 내(in vitro) 인간 타액 배지에 처리한 실험군 및 대조군의 뮤탄스 연쇄상구균(Streptococcus mutans) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 부착(Attachment) 거동(n=3) 그래프를 나타낸 것이다.Figure 6b shows a graph of the attachment behavior (n=3) of the experimental and control groups to Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus in vitro when BECOM and PETG of Example 1 were treated with human saliva medium.
도 6c는 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 시험관 내(in vitro) 인간 타액 배지에 처리한 실험군 및 대조군의 뮤탄스 연쇄상구균(Streptococcus mutans) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 증식 거동(n=3) 그래프를 나타낸 것이다.Figure 6c shows a graph of the growth behavior (n=3) of Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus in the experimental and control groups treated with BECOM and PETG of Example 1 in vitro in human saliva medium.
도 6d는 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 시험관 내(in vitro) 인간 타액 배지에 처리한 실험군의 S. mutans 및 S. aureus의 주사 전자 현미경 이미지(스케일 바 = 5.0 μm)를 나타낸 것이다.Figure 6d shows scanning electron microscope images (scale bar = 5.0 μm) of S. mutans and S. aureus in the experimental group treated with BECOM and PETG of Example 1 in vitro in human saliva medium.
도 6e는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 앰플리콘(amplicon) 서열 변이체 수준에서 알파 다양성 측정 매트릭(metrics)을 나타낸 것이다.Figure 6e shows alpha diversity metrics at the amplicon sequence variant level of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
도 6f는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 Bray-Curtis 비 유사성 방법을 기반으로 한 앰플리콘 서열 변이체의 주성분 (Principal component ,PC) 분석 플롯을 나타낸 것이다. 상기 도 6f에서 PC1과 PC2는 각각 첫 번째와 두 번째 좌표를 나타낸 것이다.Figure 6f shows a principal component (PC) analysis plot of amplicon sequence variants based on the Bray-Curtis dissimilarity method of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1. In Figure 6f, PC1 and PC2 represent the first and second coordinates, respectively.
도 6g는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 속(genus) 수준에서 다른 분류군의 발생에 대한 유의하게(*p<0.05) 나타난 상관 패턴을 나타낸 것이다. Figure 6g shows a significantly (*p<0.05) revealed correlation pattern for the occurrence of different taxa at the genus level in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
도 6h는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막 내 세 가지(LactoBacillus fermentum, Veillonella atypica 및 Enterococcus faecalis) 병원체(pathogens)의 수를 나타낸 그래프이다. Figure 6h is a graph showing the number of three pathogens ( LactoBacillus fermentum , Veillonella atypica , and Enterococcus faecalis ) in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
도 7a는 호열성 및 호기성 조건에서 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF(샘플당 총 4.6g)에 대한 국제 표준화 기구(ISO) 20200-17 기반 퇴비화 내용을 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 7a is a schematic diagram illustrating composting content based on the International Organization for Standardization (ISO) 20200-17 for BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2 (total 4.6 g per sample) under thermophilic and aerobic conditions.
도 7b는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 전(week 0) 및 8주 후(week 8)의 사진 이미지를 나타낸 것이다.Figure 7b shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 before composting (week 0) and after 8 weeks (week 8).
도 7c는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 초기(1주차 및 4주차) 퇴비화 사진 이미지를 나타낸 것이다.Figure 7c shows the initial (1st and 4th week) composting photograph images of BECOM manufactured in Example 1.
도 7d는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주차 시점에서 퇴비화율을 나타낸 것이다.Figure 7d shows the composting rate at the 8th week of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
도 7e는 대조군(EPSF)(EPSF)의 8주 동안 얻어진 퇴비 토양의 ACE 알파 다양성 매트릭스(metrics)를 나타낸 것이다. Figure 7e shows the ACE alpha diversity matrix (metrics) of the compost soil obtained over 8 weeks of the control (EPSF) (EPSF).
도 7f는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 ACE 풍부도(richness) 비교결과를 나타낸 것이다.Figure 7f shows the results of comparing the ACE richness of composted soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
도 7g는 0주차 표준 퇴비, 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 주좌표 분석(PCoA) 분석 플롯을 나타낸 것이다.Figure 7g shows the principal coordinate analysis (PCoA) analysis plot of the compost soil obtained after 8 weeks of composting with standard compost at
도 7h는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴바화 시간에 따라 얻어진 퇴비 토양의 가장 풍부한 30종의 상대적 존재비를 나타낸 것이다.Figure 7h shows the relative abundance of the 30 most abundant species of compost soil obtained according to the composting time of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2.
도 8은 본 발명의 제조예 2에서 제조된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 및 실시예 1에서 제조된 BECOM의 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 8 shows photographic images of a urethane oligomer casting mold manufactured in Manufacturing Example 2 of the present invention and BECOM manufactured in Example 1.
도 9은 실시예 1에서 제조된 BECOM(Templated renaturation) 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native renaturation)의 (a) 라만 스펙트럼 및 (b) 광각 X선 산란(WAXS) 분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 9 shows (a) the Raman spectrum and (b) the wide-angle X-ray scattering (WAXS) analysis results of BECOM (Templated renaturation) manufactured in Example 1 and natural silk fibroin (native renaturation) manufactured in Comparative Example 2.
도 10은 실시예 1에서 제조된 BECOM(4 cm2 빔 형태)의 (a) 5.0 mm min-1의 인장 및 변위 속도로 균일한 장력(tension)을 적용하였을 때의 응력 대 변형률 곡선 및 (b) 극한 응력, 탄성 계수 및 인성을 나타낸 그래프이다.Figure 10 is a graph showing (a) a stress-strain curve and (b) ultimate stress, elastic modulus, and toughness of BECOM (4 cm 2 beam shape) manufactured in Example 1 when a uniform tension was applied at a tensile and displacement rate of 5.0 mm min -1 .
도 11은 실시예 1에서 제조된 BECOM의 (a) 2분 동안 1.0 kPa의 크리프 응력을 가하였을 때 정규화된 변형률 대 시간 프로파일 및 (b) 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG의 크리프 응력 0.1 kPa, 0.3 kPa, 0.5 kPa, 1.0 kPa 및 2.0 kPa에서 유도된 영구변형률(Permanent strains)을 나타낸 것이다.Figure 11 shows (a) the normalized strain versus time profile of BECOM manufactured in Example 1 when subjected to a creep stress of 1.0 kPa for 2 minutes and (b) the permanent strains induced at creep stresses of 0.1 kPa, 0.3 kPa, 0.5 kPa, 1.0 kPa, and 2.0 kPa of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 12는 (a) 실시예 1에서 제조된 BECOM의 사전 변위(pre-displacements)가 0.4 mm일 때 응력 완화 패턴 및 (b) 실시예 1에서 제조된 BECOM의 및 PETG의 0.1-0.5 mm의 치아 저항 하에서 응력 대 시간 곡선의 상부 영역 영역에 의해 결정된 완화 에너지(Relaxed energy)를 나타낸 것이다.Figure 12 shows (a) the stress relaxation pattern of BECOM manufactured in Example 1 when the pre-displacements are 0.4 mm and (b) the relaxed energy determined by the upper region of the stress versus time curve under tooth resistances of 0.1-0.5 mm of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 13은 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 교정장치의 두께(300μm, 500μm, 750μm)에 따른 in silico 유한 요소 분석을 사용하여 측정된 인간 상악 중절치(U1) 변위를 나타낸 것이다.Figure 13 shows the displacement of a human maxillary central incisor (U1) measured using in silico finite element analysis according to the thickness (300 μm, 500 μm, 750 μm) of the orthodontic appliance using BECOM manufactured in Example 1.
도 14는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG를 이용한 교정장치의 치아 위치 교정 이후 잔류 힘 분포도를 나타낸 것이다.Figure 14 shows the residual force distribution after tooth position correction of the orthodontic device using BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 15는 실시예1의 BECOM를 이용한 치아교정장치의 50 μm에서 400 μm 범위의 두께에 따른 투과율을 나타낸 것이다.Figure 15 shows the transmittance according to the thickness ranging from 50 μm to 400 μm of the orthodontic device using BECOM of Example 1.
도 16은 (a) 실시예 1의 BECOM 및 실시예 2에서 실시예 1의 BECOM울 재활용하여 추출된 순수 실크 피브로인(EPSF)의 무게(n=4) 및 (b) 실시예 1의 BECOM울 재활용하여 추출된 순수 실크 피브로인(EPSF)의 평균 질량 수율을 나타낸 것이다. Figure 16 shows (a) the weight (n=4) of pure silk fibroin (EPSF) extracted by recycling BECOM of Example 1 and BECOM of Example 1 in Example 2, and (b) the average mass yield of pure silk fibroin (EPSF) extracted by recycling BECOM of Example 1.
도 17은 실시예 1의 BECOM 제조에 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 몰비에 따른 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인의 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 17 shows photographic images of silk fibroin extracted in Example 2 according to the molar ratio of the antibacterial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in the production of BECOM in Example 1.
도 18은 실시예 2에서 추출 사이클에 따른 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 추출량 프로파일을 나타낸 것이다.Figure 18 shows the extraction amount profile of a urethane oligomer casting mold according to the extraction cycle in Example 2.
도 19는 실시예 2에서 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율이 50 mmol%인 BECOM을 재활용하여 추출한 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 추출 사이클에 따른 (a) 1H 핵자기공명(NMR; Avance III HD 300, Bruker) 스펙트럼) 및 (b) 사진 이미지(바이알당 1 mL)를 나타낸 것이다.Figure 19 shows (a) 1 H nuclear magnetic resonance (NMR;
도 20은 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2의 FT/IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.Figure 20 shows the FT/IR spectra of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4.
도 21은 (a) 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2을 이용한 4 cm2의 빔 형태 시편의 5.0 mm·min-1의 변위율로 균일한 장력을 가하였을 때 응력 대 변형률 곡선(n=3) 및 (b) 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2, 석유화학플라스틱, 분해성 석유화학플라스틱 및 바이오기반 바이오플라스틱의 극한 응력 및 탄성 계수를 나타낸 것이다.Figure 21 shows stress-strain curves (n=3) when a uniform tension is applied at a displacement rate of 5.0 mm min -1 to beam-shaped specimens of 4 cm 2 using (a) BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4, and (b) ultimate stress and elastic modulus of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4, petrochemical plastics, degradable petrochemical plastics, and bio-based bioplastics.
도 22는 (a) 음성 대조군(NC; 고밀도 폴리에틸렌 필름), 양성 대조군(PC; 0.1% ZDEC 폴리우레탄 필름) 및 실시예 1에서 제조된 BECOM을 처리하였을 때 섬유아세포 단층(fibroblast confluent monolayer)의 반응 거리(n=3), (b) 상기 실시예 1의 BECOM 및 상기 실시예 2의 EPSF를 인간 치은 섬유아세포(HGF-1), 마우스 섬유아세포(L929) 및 마우스 대식세포(Raw264.7)와 공동 배양한 이후 세포 생존력을 나타낸 그래프(n=3) 및 (c) 실시예 1에서 제조된 BECOM와 대조군(Mock)의 의한 염증성 바이오마커 상대적 발현 정도를 나타낸 것이다.Figure 22 is a graph showing the reaction distance of fibroblast confluent monolayer when treated with (a) negative control (NC; high-density polyethylene film), positive control (PC; 0.1% ZDEC polyurethane film), and BECOM prepared in Example 1 (n=3), (b) cell viability after co-culturing the BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2 with human gingival fibroblasts (HGF-1), mouse fibroblasts (L929), and mouse macrophages (Raw264.7) (n=3), and (c) relative expression levels of inflammatory biomarkers by BECOM prepared in Example 1 and the control (Mock).
도 23은 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막 내 미생물 군집 커뮤니티 내 종 수준의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 23 is a graph showing the relative abundance at the species level within the microbial community in human saliva biofilms formed from BECOM and PETG in Example 1.
도 24는 실시예 1에서 제조된 BECOM을 메탈로펩티다제 9(MMP-9; 1 nM 활성, n=4), 프로테아제 XIV(1.0 U mL-1, n=4) 및 콜라게나제 IA(1.0 U mL-1, n= 4) 포함 효소 배지에 담지 후, 담지 시간에 따른 사진이미지 및 시간에 따른 두께를 나타낸 것이다.Figure 24 shows the photographic images and the thickness over time of BECOM manufactured in Example 1 immersed in an enzyme medium containing metallopeptidase 9 (MMP-9; 1 nM activity, n=4), protease XIV (1.0 U mL -1 , n=4), and collagenase IA (1.0 U mL -1 , n=4) according to immersion time.
도 25는 대조군의 0주, 4주 및 8주차 시점에서 얻어진 퇴비 토양의 (a) 관찰 및 (b) Chao1 알파 다양성 매트릭(metric)를 나타낸 것이다.Figure 25 shows (a) the observation and (b) the Chao1 alpha diversity metric of the compost soil obtained at 0, 4, and 8 weeks of the control group.
도 26은 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 (a) 관찰 및 (b) Chao1 알파 다양성 매트릭(metric)을 나타낸 것이다.Figure 26 shows (a) observation and (b) Chao1 alpha diversity metric of compost soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2.
도 27은 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 세라티아(Serratia) 종의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 27 is a graph showing the relative abundance of Serratia species in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of
도 28은 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 (a) Enterobacter 종 및 (b) Klebsiella 종의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 28 is a graph showing the relative abundance of (a) Enterobacter species and (b) Klebsiella species in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of
도 29는 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 슈도모나스(Pseudomonas) 종의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 29 is a graph showing the relative abundance of Pseudomonas species in composted soil obtained after composting standard compost of
도 30은 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 B. licheniformis 및 B. paralicheniformis의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 30 is a graph showing the relative abundance of B. licheniformis and B. paralicheniformis in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of
도 31은 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 대장균의 존재율 (abundance)(p-값 = 2.45E-12, FDR 값 = 5.32E-10)을 나타낸 그래프이다.Figure 31 is a graph showing the abundance of E. coli in composted soil obtained after composting BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 for 8 weeks (p-value = 2.45E-12, FDR value = 5.32E-10).
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clear with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and these embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다. 이하 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.In describing the present invention, if it is judged that a specific description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. When "includes," "has," "consists of," etc. are used in this specification, other parts may be added unless "only" is used. In addition, the terms "includes" or "has" etc. are intended to specify the presence of a feature, number, step, component, or combination thereof described in the specification, and should not be understood as excluding the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, components, or combinations thereof. In addition, when a component is expressed in singular, it includes a case where the plural is included unless otherwise explicitly stated. In the following specification, units used without special mention are based on weight, and for example, a unit of % or ratio means weight% or a weight ratio.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치 범위 외의 값 역시 정의된 수치 범위에 포함된다.Additionally, the numerical range used in this specification may include a lower limit and an upper limit and all values within that range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all doubly defined values, and all possible combinations of upper and lower limits of a numerical range defined in different shapes. Unless otherwise specifically defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental error or rounding of values are also included in the defined numerical range.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "올리고머"는 중량평균분자량 100 내지 10,000 g/mol의 중합체를 의미할 수 있다.Additionally, the term “oligomer” as used herein may mean a polymer having a weight average molecular weight of 100 to 10,000 g/mol.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "반치폭(full width at half maximum, FWHM)"은 어떤 함수의 폭을 나타내는 용어로서, 그 함수의 최댓값의 절반이 되는 두 독립변수 값들의 차이를 의미한다.In addition, the term "full width at half maximum (FWHM)" used in this specification is a term indicating the width of a function, and means the difference between two independent variable values that is half the maximum value of the function.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "유효(significant or effective) 피크"란 분석 조건이나 분석 수행자에 크게 영향을 받지 않고 실질적으로 동일한 패턴으로 반복 검출되는 피크를 의미한다.Additionally, the term "significant or effective peak" as used herein means a peak that is repeatedly detected in substantially the same pattern without being significantly affected by analysis conditions or the analyst.
본 발명에 따른 바이오플라스틱은 변성 실크 피브로인을 포함하며, 상기 변성 실크 피브로인은 천연 실크 피브로인으로부터 제조될 수 있다.The bioplastic according to the present invention comprises modified silk fibroin, and the modified silk fibroin can be produced from natural silk fibroin.
상기 천연 실크 피브로인은 참나무잎을 먹는 작잠 등 야잠 고치에서 얻는 야잠사, 거미가 분비하는 거미줄 단백질인 거미 실크, 해조류가 바위에 고착할 때 분비하는 해조실크 및 누에고치(Bombyx mori)의 누에 실크 중 어느 하나 이상으로부터 추출된 것일 수 있으며, 높은 생산성을 고려할 때 누에고치(Bombyx mori)로부터 추출하여 수득한 실크 피브로인 단백질을 사용하는 것이 보다 일반적이다. 또한, 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 천연 실크 피브로인은 누에나방으로부터 유래된 것일 수 있다.The above natural silk fibroin may be extracted from one or more of silkworm silk obtained from the cocoons of silkworms such as the common silkworm that feeds on oak leaves, spider silk, which is a spider web protein secreted by spiders, seaweed silk secreted when seaweed adheres to a rock, and silkworm silk from the cocoon of the silkworm (Bombyx mori). Considering high productivity, it is more common to use silk fibroin protein obtained by extraction from the cocoon of the silkworm (Bombyx mori). In addition, according to a preferred embodiment, the natural silk fibroin may be derived from the silkworm moth.
실크 피브로인 단백질은 비정형구조의 매트릭스에 결정구조가 첨가되어 있는 형태로서, 상기 결정구조는 베타시트(β-sheet)가 수소 결합에 의해 층상 형태로 쌓여 형성된다. 누에고치에서 추출한 실크 피브로인의 대표적인 염기서열은 GAGAGS가 약 53%, GAGAGY가 약 18%를 차지한다. 이처럼 많은 부분을 글리신(glycine: G) 및 알라닌(alanine: A) 등의 소수성 아미노산이 차지하고 있다.Silk fibroin protein is a form in which a crystal structure is added to an irregular matrix, and the crystal structure is formed by stacking β-sheets in a layered form through hydrogen bonding. The representative base sequence of silk fibroin extracted from silkworm cocoons is GAGAGS at about 53% and GAGAGY at about 18%. A large portion is occupied by hydrophobic amino acids such as glycine (G) and alanine (A).
본 발명은 천연 실크 피브로인으로부터 변성되어 베타시트(β-sheet)의 함량이 증가된 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제공한다.The present invention provides a bioplastic comprising modified silk fibroin having an increased content of β-sheets by being modified from natural silk fibroin.
상기 변성 실크 피브로인은 서로 얽힌 구조를 나타낼 수 있다.The above-mentioned modified silk fibroin can exhibit an entangled structure.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연 실크 피브로인이 변성되며 서로 얽힌 구조를 나타내어 베타시트(β-sheet)의 함량이 증가할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the natural silk fibroin is denatured and exhibits an entangled structure, so that the content of beta sheets can increase.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱 전체 100%에 대하여 상기 변성 실크 피브로인을 80% 이상, 바람직하게는 83% 이상, 더욱 바람직하게는 85 내지 93%로 포함할 수 있다. 상기 바이오플라스틱은 실질적으로 상기 변성 실크 피브로인 이외의 폴리우레탄, 폴리아크릴레이트 및 폴리올레핀 등의 다른 합성 고분자를 함유하지 않을 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the modified silk fibroin may be contained in an amount of 80% or more, preferably 83% or more, and more preferably 85 to 93%, based on 100% of the entire bioplastic. The bioplastic may substantially not contain other synthetic polymers such as polyurethane, polyacrylate, and polyolefin other than the modified silk fibroin.
상기 바이오플라스틱 전체 100%에 대하여 상기 변성 실크 피브로인이 80% 미만으로 포함되면, 기계적 물성이 저하될 수 있고, 93% 초과로 포함하면, 항균성 우레탄 올리고머의 함량이 상대적으로 낮아져 항균 특성을 충분히 나타내지 못할 수 있다. If the modified silk fibroin is included in less than 80% of the entire 100% of the above bioplastic, the mechanical properties may deteriorate, and if it is included in more than 93%, the content of the antibacterial urethane oligomer may be relatively low, so that the antibacterial properties may not be sufficiently exhibited.
본 발명에서 변성 실크 피브로인 및 항균성 우레탄 올리고머의 함량은 탄소동위원소 분석 결과를 통해 얻어진 값으로, 이러한 함량의 단위는 무차원%를 의미할 수 있다.In the present invention, the content of modified silk fibroin and antibacterial urethane oligomer is a value obtained through carbon isotope analysis results, and the unit of this content can mean dimensionless %.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 통상적으로 알려진 생체친화성 고분자를 더 포함할 수 있다. 상기 생체친화성 고분자는 단백질, 다당류 등일 수 있으며, 비제한적 예시로, 콜라겐, 하이알루론산, 알긴산, 키틴, 케라틴, 셀룰로오스, 폴리디옥사논, 폴리카프로락톤, 폴리(b-하이드록시부틸레이트), 폴리(하이드록시발레레이트), 폴리글라이콜산, 폴리유산(lactic acid) 등을 들 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may further comprise a commonly known biocompatible polymer. The biocompatible polymer may be a protein, a polysaccharide, and the like, and non-limiting examples thereof include collagen, hyaluronic acid, alginic acid, chitin, keratin, cellulose, polydioxanone, polycaprolactone, poly(b-hydroxybutyrate), poly(hydroxyvalerate), polyglycolic acid, polylactic acid, and the like.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 FT-IR 분광법에 따른 스펙트럼의 1590 ±10 ㎝-1 영역에서 피크의 강도(IPU)대 1650 ±10 ㎝-1 영역에서 피크의 강도(IBIO)는 0 내지 0.8 : 1, 또는 0 내지 0.5 : 1, 또는 0 내지 0.2 : 1일 수 있다. 상기 IPU는 폴리우레탄을 의미하는 피크의 강도이며, IBIO는 일 실시예에 따른 바이오플라스틱을 의미하는 피크의 강도이다. 다시 말해, 일 실시예에 따른 바이오플라스틱의 경우, 실질적으로 내부에 폴리우레탄을 함유하지 않을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a peak intensity (I PU ) in a region of 1590 ±10 cm -1 to a peak intensity (I BIO ) in a region of 1650 ±10 cm -1 of a spectrum according to FT-IR spectroscopy of 0 to 0.8:1, or 0 to 0.5:1, or 0 to 0.2:1. The I PU is a peak intensity indicating polyurethane, and I BIO is a peak intensity indicating the bioplastic according to one embodiment. In other words, the bioplastic according to one embodiment may not substantially contain polyurethane therein.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 라만 분광법에 따른 스펙트럼의 1665±10 ㎝-1 영역에서 최대 강도를 나타내는 피크를 가지며, 상기 피크의 반치폭이 10 내지 80 ㎝-1, 구체적으로 15 내지 60 ㎝-1, 보다 구체적으로 20 내지 50 ㎝-1, 또는 30 내지 42 ㎝-1일 수 있다. 상기 1665±10 ㎝-1 영역의 피크는 천연 실크 피브로인으로부터 변성되어 형성된 베타시트(β-sheet)를 의미할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 9a, the bioplastic according to one embodiment has a peak exhibiting maximum intensity in a region of 1665±10 cm -1 of a spectrum according to Raman spectroscopy, and the half width of the peak may be 10 to 80 cm -1 , specifically 15 to 60 cm -1 , more specifically 20 to 50 cm -1 , or 30 to 42 cm -1 . The peak in the region of 1665±10 cm -1 may mean a beta sheet formed by modification from natural silk fibroin.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 바이오 기반 탄소함량이 80% 이상, 바람직하게는 83% 이상, 더욱 바람직하게는 85% 이상, 가장 바람직하게는 85% 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a bio-based carbon content of at least 80%, preferably at least 83%, more preferably at least 85%, and most preferably at least 85%.
상기 바이오 기반 탄소 함량은 바이오플라스틱을 정의하기 위하여 사용되는 지표로, 바이오매스 기반 자원에서 유래한 탄소의 함량을 의미하며, ASTM D 6866-22 Method B에 따라 측정된 14C 방사성 탄소 함량과 현대 탄소 함량으로부터 계산된 것일 수 있다. The above bio-based carbon content is an indicator used to define bioplastics, and means the content of carbon derived from biomass-based resources, and can be calculated from the 14 C radiocarbon content measured according to ASTM D 6866-22 Method B and the modern carbon content.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2d에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 천연 실크 피브로인보다 Kratky 플롯에서 나타나는 유효 피크의 위치가 더 높은 q 값으로 이동하여 q= 0.5 내지 1.3 nm-1, 구체적으로는 q= 0.7 내지 1.1 nm-1, 보다 구체적으로는 q= 0.9 내지 1.0 nm-1에서 유효피크를 나타내고, 상기 유효피크의 강도도 천연 실크 피브로인에 비하여 현저하게 증가할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2d, the bioplastic according to one embodiment shifts the position of the effective peak appearing in the Kratky plot to a higher q value than natural silk fibroin, q = 0.5 to 1.3 nm -1 , Specifically, q = 0.7 to 1.1 nm -1 , More specifically, It exhibits an effective peak at q= 0.9 to 1.0 nm -1 , and the intensity of the effective peak can also significantly increase compared to natural silk fibroin.
상술한 q 값에서 Kratky 플롯의 유효피크가 나타나는 바이오플라스틱은 내부에 실크 피브로인이 조밀하게 얽힌 구조가 형성되고 견고한 β-시트 스태킹 구조를 나타내어, 외부에서 변형이 가해져도, 빠른 시간 내 원래 모양으로 회복되고 적용된 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있는 장점을 나타낼 수 있다.Bioplastics that exhibit a valid peak in the Kratky plot at the above-described q value have a structure in which silk fibroin is densely intertwined inside and exhibit a rigid β-sheet stacking structure, so that even when deformation is applied from the outside, they can quickly recover to their original shape and effectively disperse the applied stress.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 광각 X선 산란(WAXS) 분석 결과 14.9 nm-1에서 a축 스태킹 피크를 나타내고, 17.6 nm-1에서 c축 스태킹 피크를 나타내며, 상기 c축 스태킹 피크 세기에 대한 상기 a축 스태킹 피크 세기의 비율(Ia/Ic)이 0.85 내지 1.7, 바람직하게는 0.87 내지 1.5, 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1.2일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 9b, the bioplastic according to one embodiment exhibits an a-axis stacking peak at 14.9 nm -1 and a c-axis stacking peak at 17.6 nm -1 as a result of wide-angle X-ray scattering (WAXS) analysis, and a ratio of the a-axis stacking peak intensity to the c-axis stacking peak intensity (I a /I c ) may be 0.85 to 1.7, preferably 0.87 to 1.5, and more preferably 0.9 to 1.2.
상술한 Ia/Ic 값의 범위를 만족하는 바이오플라스틱은 우수한 유연성 및 인성을 나타내어 반복 비틀림 및 굽힘 이후에도 어떠한 손상이 발생하지 않을 수 있다.Bioplastics satisfying the above-described range of I a /I c values exhibit excellent flexibility and toughness, so that no damage may occur even after repeated twisting and bending.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 항균성 우레탄 올리고머를 포함할 수 있다. 상기 항균성 우레탄 올리고머는 바이오플라스틱의 내부에 혼합되어 있을 수도 있고, 상기 항균성 우레탄 올리고머는 바이오플라스틱의 내부에 혼합되어 있는 것이 아니라, 캐스팅된 액상 바이오플라스틱이 고체로 자가조립되는 과정에서 항균성 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드로부터 항균성 우레탄 올리고머가 소량 방출되어 바이오플라스틱에 소량 존재하는 것일 수 있다. 상기 항균성 우레탄 올리고머의 함량은 바이오플라스틱은 전체 100%에 대하여 20% 미만, 바람직하게는 17% 미만, 더욱 바람직하게는 7 내지 15%로 존재할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이에 따라 상기 바이오플라스틱의 표면은 항균성을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may include an antibacterial urethane oligomer. The antibacterial urethane oligomer may be mixed inside the bioplastic, or the antibacterial urethane oligomer may not be mixed inside the bioplastic, but may be released in a small amount from the antibacterial urethane oligomer casting mold during the process in which the casted liquid bioplastic self-assembles into a solid and present in a small amount in the bioplastic. The content of the antibacterial urethane oligomer may be less than 20%, preferably less than 17%, and more preferably 7 to 15%, with respect to the total 100% of the bioplastic, but is not limited thereto. Accordingly, the surface of the bioplastic may exhibit antibacterial properties.
상기 바이오플라스틱은 전체 100 %에 대하여 상기 항균성 우레탄 올리고머의 함량이 20% 이상이면, 기계적 물성이 저하되어 바람직하지 않을 수 있고, 7 중량% 미만이면, 항균특성을 충분히 나타내지 못할 수 있다.If the content of the antibacterial urethane oligomer is 20% or more based on 100% of the total bioplastic, the mechanical properties may deteriorate, which may be undesirable, and if it is less than 7 wt%, the antibacterial properties may not be sufficiently exhibited.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 항균성 우레탄 올리고머는 폴리올과 항균성 이소시아네이트 화합물을 반응시켜 제조된 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the antimicrobial urethane oligomer may be prepared by reacting a polyol with an antimicrobial isocyanate compound.
상기 폴리올은 중량평균분자량이 50 내지 2,000 g/mol, 구체적으로 100 내지 1,000 g/mol, 보다 구체적으로 150 내지 700 g/mol의 폴리올일 수 있고, 구체적으로 폴리에테르폴리올일 수 있다. 상기 폴리에테르폴리올의 비제한적인 예로, 물, 저분자 폴리올(프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜, 글리세린, 트리메틸올프로판, 펜타에리트리톨 등), 비스페놀류(비스페놀 A 등), 디히드록시벤젠(카테콜, 레조르신, 하이드로퀴논 등)등을 개시제로 하여, 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 부틸렌옥사이드 등의 알킬렌옥사이드를 부가 중합시킴으로써 얻어지는 폴리에테르폴리올을 들 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜 등을 사용할 수 있다.The above polyol may be a polyol having a weight average molecular weight of 50 to 2,000 g/mol, specifically 100 to 1,000 g/mol, more specifically 150 to 700 g/mol, and specifically may be a polyether polyol. Non-limiting examples of the polyether polyol include a polyether polyol obtained by addition polymerizing an alkylene oxide such as ethylene oxide, propylene oxide, or butylene oxide using water, a low molecular weight polyol (propylene glycol, ethylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, etc.), bisphenols (bisphenol A, etc.), dihydroxybenzene (catechol, resorcin, hydroquinone, etc.) as an initiator. Specifically, for example, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polytetramethylene glycol, or the like can be used.
특히, 상기 폴리올이 폴리에테르폴리올일 때 폴리에테르폴리올의 에테르기가 상기 실크 피브로인의 펩타이드 백본의 아민과 결합하여 실크 피브로인의 최초의 얽힘을 유도할 수 있다.In particular, when the polyol is a polyether polyol, the ether group of the polyether polyol can bind to the amine of the peptide backbone of the silk fibroin to induce the initial entanglement of the silk fibroin.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 항균성 이소시아네이트 화합물은 항균성 화합물을 함유하고 있는 디이소시아네이트 화합물이라면 크게 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 제4급 암모늄염을 함유하는 헤테로고리형 디이소시아네이트 화합물일 수 있다. 상기 헤테로고리형 디이소시아네이트는 이소시아뉴레이트(isocyanurate)에 헥사메틸렌디이소시아네이트가 결합된 삼량체(HMDI trimer)로부터 유래된 화합물일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.According to one embodiment of the present invention, the antimicrobial isocyanate compound may be used without significant limitation as long as it is a diisocyanate compound containing an antimicrobial compound, and specifically, may be a heterocyclic diisocyanate compound containing a quaternary ammonium salt. The heterocyclic diisocyanate may be a compound derived from a trimer (HMDI trimer) in which hexamethylene diisocyanate is bonded to isocyanurate, but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올 및 항균성 이소시아네이트 화합물은 1.1 내지 10 : 1의 몰비, 구체적으로 1.3 내지 5 : 1의 몰비, 보다 구체적으로 1.5 내지 3 : 1의 몰비로 포함될 수 있다. 상기 폴리올이 과량 투입됨에 따라서 분자량이 조절될 수 있으며, 또한, 상기 항균성 우레탄 올리고머는 말단이 하이드록시기일 수 있으며, 상기 항균성 우레탄 올리고머는 말단이 하이드록시기일 때 분자량이 작아진다라는 장점이 존재한다.According to one embodiment of the present invention, the polyol and the antimicrobial isocyanate compound may be included in a molar ratio of 1.1 to 10:1, specifically a molar ratio of 1.3 to 5:1, and more specifically a molar ratio of 1.5 to 3:1. The molecular weight may be controlled as the polyol is excessively added, and further, the antimicrobial urethane oligomer may have a hydroxyl group at the terminal, and the antimicrobial urethane oligomer has an advantage in that the molecular weight decreases when the terminal is a hydroxyl group.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 항균성 우레탄 올리고머는 중량평균분자량이 200 내지 10,000 g/mol, 구체적으로 500 내지 5,000 g/mol, 보다 구체적으로 1,000 내지 3,000 g/mol 일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the antibacterial urethane oligomer may have a weight average molecular weight of 200 to 10,000 g/mol, specifically 500 to 5,000 g/mol, more specifically 1,000 to 3,000 g/mol.
본 발명에 따른 바이오플라스틱은 상술한 우레탄 올리고머를 캐스팅 몰드로 사용하여 상기 천연 실크 피브로인의 변성을 유도함에 따라 보다 향상된 베타시트 함량을 갖는 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조함으로써, 종래보다 현저한 기계적 물성 향상 및 뛰어난 응력 완화 거동을 구현할 수 있다.The bioplastic according to the present invention can realize a remarkable improvement in mechanical properties and excellent stress relaxation behavior compared to the conventional one by manufacturing a bioplastic including modified silk fibroin having a further improved beta-sheet content by inducing modification of the natural silk fibroin using the above-described urethane oligomer as a casting mold.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 하기 식 1로 표현되는 천연 실크 피브로인의 베타시트 함량에 대한 변성 실크 피브로인의 베타시트 함량 비율이 1.5 초과, 바람직하게는 2.0 초과일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a ratio of the beta sheet content of the modified silk fibroin to the beta sheet content of the natural silk fibroin expressed by the following
[식 1] X1/X2 [Formula 1] X 1 /X 2
(상기 식 1에서, X1은 라만 분광법을 통해 계산된 바이오플라스틱의 베타시트 함량이고, X2은 천연 실크 피브로인의 베타시트 함량이다.)(In the
상기 식 1으로 표현되는 천연 실크 피브로인의 베타시트 함량에 대한 변성 실크 피브로인의 베타시트 함량 비율이 1.5 초과, 바람직하게는 2.0 초과인 바이오플라스틱은 변성 실크 피브로인을 가짐으로써 높은 베타시트 함량을 나타내며, 변성되기 전의 천연 실크 피보로인 보다 현저하게 향상된 기계적 물성을 구현할 수 있다. 또한 상기 식 1이 1.5 초과인 경우는 천연 실크 피브로인의 베타시트 함량에 비해 변성 실크 피브로인의 베타시트 함량이 1.5배 이상 증가한 것을 의미하고, 2.0 초과인 경우는 2.0배 이상 증가한 것을 의미할 수 있으며, 또한, 2.2배 이상, 또는 2.2 내지 10배, 2.5배 이상, 또는 2.5 내지 5배 증가할 수 있다.A bioplastic having a ratio of the beta-sheet content of the modified silk fibroin to the beta-sheet content of the natural silk fibroin expressed by the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 변성 실크 피브로인은 라만 분광법을 통해 계산된 베타시트 함량이 20 내지 80%, 바람직하게는 30% 이상, 더욱 바람직하게는 40% 이상, 더욱 더 바람직하게는 45 내지 80% 일 수 있다. 본 발명에 따른 바이오플라스틱은 간편한 제조방법을 통해 제조되며, 현저하게 향상된 베타시트 함량 및 높은 결정화도를 나타낼 수 있고, 또한 이를 통해 탁월한 인성, 인장강도 및 탄성계수 등의 기계적 물성을 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the modified silk fibroin may have a beta-sheet content of 20 to 80%, preferably 30% or more, more preferably 40% or more, and even more preferably 45 to 80%, as calculated through Raman spectroscopy. The bioplastic according to the present invention is manufactured through a simple manufacturing method, and can exhibit significantly improved beta-sheet content and high crystallinity, and can also implement excellent mechanical properties such as toughness, tensile strength, and elastic modulus.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 투명하고 단단한 경질의 플라스틱이며, 탁월한 인성, 인장강도, 인성 및 탄성계수 등의 기계적 물성을 나타냄과 동시에 뛰어난 응력 완화 거동을 나타내어 교정장치에 사용할 경우, 뛰어난 교정력을 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic is a transparent and hard, rigid plastic, and exhibits excellent mechanical properties such as toughness, tensile strength, toughness, and elastic modulus, and also exhibits excellent stress relaxation behavior, so that when used in an orthodontic device, it can exhibit excellent orthodontic power.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 유리전이온도가 220 ℃ 이상, 220 ℃ 내지 320 ℃, 240 ℃ 내지 300 ℃, 또는 255 ℃ 내지 300 ℃일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a glass transition temperature of 220° C. or higher, 220° C. to 320° C., 240° C. to 300° C., or 255° C. to 300° C.
상기 바이오플라스틱의 유리전이온도가 상기 범위를 만족할 때 바이오플라스틱 내 실크 피브로인의 얽힌 구조가 촘촘하게 잘 형성되는 것을 확인하였다.It was confirmed that when the glass transition temperature of the bioplastic satisfies the above range, the entangled structure of silk fibroin within the bioplastic is formed densely.
상기 유리전이온도는 시차 주사 열량계(DSC)를 사용하여 5 내지 20 ℃ min-1의 가열 속도로 측정된 것일 수 있다.The above glass transition temperature can be measured using a differential scanning calorimeter (DSC) at a heating rate of 5 to 20 ℃ min -1 .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 극한응력(Ultimate stress)이 10 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 12 MPa 이상, 더욱 더 바람직하게는 15 내지 20 MPa일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have an ultimate stress of 10 MPa or more, more preferably 12 MPa or more, and even more preferably 15 to 20 MPa.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ASTM D882에 의거하여 측정한 탄성계수(E, elastic modulus)가 500 MPa 이상, 바람직하게는 550 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 600 내지 700 MPa일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have an elastic modulus (E) measured according to ASTM D882 of 500 MPa or more, preferably 550 MPa or more, and more preferably 600 to 700 MPa.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ASTM D882에 의거하여 측정된 인성(toughness, T)이 300 MJ/㎥ 이상, 바람직하게는 400 MJ/㎥ 이상, 더욱 바람직하게는 500 MJ/㎥ 이상, 더욱 더 바람직하게는 800 내지 5,000 MJ/㎥, 가장 바람직하게는 1,000 내지 3,000 MJ/㎥일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a toughness (T) measured according to ASTM D882 of 300 MJ/㎥ or more, preferably 400 MJ/㎥ or more, more preferably 500 MJ/㎥ or more, still more preferably 800 to 5,000 MJ/㎥, and most preferably 1,000 to 3,000 MJ/㎥.
상기 극한응력(Ultimate stress),탄성계수(E, elastic modulus) 및 인성(toughness, T)은 두께 400 μm 및 4 cm2 빔(beam) 형태의 시편에서 측정된 것일 수 있다.The above ultimate stress, elastic modulus (E), and toughness (T) may be measured from a specimen in the form of a beam with a thickness of 400 μm and a size of 4 cm 2 .
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 상술한 극한응력, 인장강도 및 탄성계수를 모두 만족하며, 동시에 종래에 상반관계였던 인장강도 및 연성을 모두 향상시킴으로써 두 물성 사이의 한계점을 극복하고, 탁월한 최대 인장강도 및 인성뿐만 아니라 항균성을 가지며 뛰어난 응력 완화 거동을 나타낸다는 장점이 있다.A bioplastic according to one embodiment of the present invention satisfies all of the above-described ultimate stress, tensile strength, and elastic modulus, and at the same time improves both tensile strength and ductility, which were previously in conflict with each other, thereby overcoming the limitations between the two properties, and has the advantage of having excellent maximum tensile strength and toughness as well as antibacterial properties and exhibiting excellent stress relaxation behavior.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 0.5cm 폭, 2 cm 길이 및 400㎛ 두께에서 ASTM D882에 의거하여 측정한 파단시까지의 변형율(Maximum strain, εmax)은 40 내지 200%, 바람직하게는 60% 내지 100%일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a maximum strain (ε max ) to failure measured according to ASTM D882 at a width of 0.5 cm, a length of 2 cm, and a thickness of 400 μm of 40 to 200%, preferably 60 to 100%.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 하기 식 2로 표현되는 응력완화율이 25% 이상, 바람직하게는 50% 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic may have a stress relaxation rate expressed by
[식 2] (F0-F30m)/F0 x 100[Formula 2] (F 0 -F 30m )/F 0 x 100
(상기 식 2에서, 500 ㎛ 두께의 바이오플라스틱에 2 내지 3%의 변형율 조건으로 응력 완화 시험을 진행할 경우, F0은 초기응력이고, F30m은 30분 후의 응력이다.)(In the
상기 식 2로 표현되는 응력완화율이 25% 이상, 바람직하게는 50% 이상을 만족하는 바이오플라스틱은 뛰어난 응력 완화 거동을 나타낼 수 있으며, 특히, 체내 교정장치에 적용할 경우, 환자의 통증 및 불편함을 최소화함과 동시에, 우수한 교정력을 나타낼 수 있다는 장점이 있다.Bioplastics that satisfy the stress relaxation rate expressed by the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 퇴비화 가능하여 용이 완료된 후 소각과 같은 환경오염을 유발하는 방법을 사용하지 않고 퇴비화하여 친환경적으로 폐기될 수 있다는 장점이 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic has the advantage of being compostable and can be disposed of in an environmentally friendly manner by composting without using a method that causes environmental pollution, such as incineration, after composting is completed.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ISO 20200-17에 따라 퇴비화하였을 때 하기 식 3으로 표현되는 퇴비화율이 60% 이상, 바람직하게는 65% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the bioplastic may have a composting rate of 60% or more, preferably 65% or more, and more preferably 70% or more, expressed by
[식 3] (CM0-CM8)/CM0 X 100[Formula 3] (CM 0 -CM 8 )/CM 0 X 100
(상기 식 3에서, CM0는 퇴비화 전 바이오플라스틱의 중량을 의미하고, CM8는 퇴비화 8주 후 바이오플라스틱의 중량을 의미한다.)(In the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 퇴비화하였을 때 초기 토양에 비해 토양에 유익한 미생물을 증가시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic can increase beneficial microorganisms in the soil compared to the initial soil when composted.
상기 토양에 유익한 미생물은 퇴비에 결합된 영양분을 용해시키고, 효소반응을 매개하여 결국 식물의 성장을 도우며, 미생물 대사를 통해 퇴비의 성숙, 인의 용해 및 질소 고정의 효과를 나타내는 미생물을 의미할 수 있고, 구체적으로는 Serratia sps, 질산화 박테리아, Pseudomonas sps, Enterobacter sps, Klebsiella sps, B. licheniformis 및 B. paralicheniformis로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 의미할 수 있다. The above soil beneficial microorganisms may refer to microorganisms that dissolve nutrients combined in compost, mediate enzymatic reactions to ultimately help plant growth, and exhibit the effects of compost maturation, phosphorus dissolution, and nitrogen fixation through microbial metabolism, and specifically, may refer to one or more species selected from the group consisting of Serratia sps , nitrifying bacteria, Pseudomonas sps, Enterobacter sps , Klebsiella sps , B. licheniformis , and B. paralicheniformis .
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ISO 20200-17에 따라 8주 이상 퇴비화하였을 때 토양 내 Bacillus subtilis를 초기에 비하여 3배, 바람직하게는 4배, 더욱 바람직하게는 5배, 더욱 더 바람직하게는 6배, 가장 바람직하게는 7배 이상 증가시킬 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the bioplastic can increase Bacillus subtilis in soil by 3 times, preferably 4 times, more preferably 5 times, even more preferably 6 times, and most preferably 7 times or more compared to the initial level when composted for 8 weeks or more according to ISO 20200-17.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 상술한 바와 같이 토양에 유익한 미생물을 증가시켜 작물 생산성을 향상시킬 수 있다.Bioplastic according to one embodiment of the present invention can improve crop productivity by increasing beneficial microorganisms in the soil as described above.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ISO 20200-17에 따라 퇴비화하였을 때 토양 내 pH를 초기에 비해 증가시킬 수 있다. 보다 구체적으로 상기 바이오플라스틱을 8주 이상 퇴비화하였을 때 토양 내 pH가 7 이상, 바람직하게는 7.5 이상, 더욱 바람직하게는 8 이상일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the bioplastic can increase the pH in the soil compared to the initial pH when composted according to ISO 20200-17. More specifically, when the bioplastic is composted for 8 weeks or longer, the pH in the soil can be 7 or higher, preferably 7.5 or higher, and even more preferably 8 or higher.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ISO 20200-17에 따라 퇴비화하였을 때 토양 내 C/N 비율을 초기에 비하여 감소시킬 수 있다. 보다 구체적으로 상기 바이오플라스틱을 8주 이상 퇴비화하였을 때 토양 내 C/N 비율이 13.7%. 바람직하게는 13.5% 이하일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the bioplastic can reduce the C/N ratio in soil compared to the initial level when composted according to ISO 20200-17. More specifically, when the bioplastic is composted for 8 weeks or more, the C/N ratio in soil can be 13.7%, preferably 13.5% or less.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 상술한 바와 같이 표준퇴비의 pH를 증가시키고, C/N 비율을 감소시켜 작물의 생산성을 크게 증가시킬 수 있는 토양을 제공할 수 있다는 장점이 존재한다.The bioplastic according to one embodiment of the present invention has the advantage of being able to provide soil that can significantly increase crop productivity by increasing the pH of standard compost and reducing the C/N ratio as described above.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 ISO 20200-17에 따라 퇴비화하였을 때 토양 내 대장균 풍부도를 감소시킬 수 있다. 보다 구체적으로 상기 바이오플라스틱을 8주 이상 퇴비화하였을 때 토양 내 대장균 존재율 (abundance)이 5% 미만, 바람직하게는 1% 미만일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the bioplastic can reduce the abundance of E. coli in soil when composted according to ISO 20200-17. More specifically, when the bioplastic is composted for 8 weeks or more, the abundance of E. coli in soil can be less than 5%, preferably less than 1%.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 상술한 바와 같이 퇴비화 이후 토양 내 대장균 풍부도를 감소시켜 바이오플라스틱의 이동 및 운송 중에 교차감염 가능성을 현저하게 감소시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic can significantly reduce the possibility of cross-infection during movement and transportation of the bioplastic by reducing the abundance of E. coli in soil after composting as described above.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 뮤탄스 연쇄상구균(Streptococcus mutans) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 구강질환 또는 치주질환 원인균에 대하여 항균 효과를 나타낼 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic can exhibit an antibacterial effect against one or more oral disease or periodontal disease causing bacteria selected from the group consisting of Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus .
상기 구강질환 또는 치주질환 원인균에 대하여 항균 효과를 나타내는 바이오플라스틱은 타액 내에서 미생물 군집 성장을 현저하게 억제하므로, 치아 교정장치로 사용하여도 교정 기간 동안의 미생물 성장을 방지할 수 있다.Bioplastics that exhibit antibacterial effects against the above oral disease or periodontal disease-causing bacteria significantly inhibit the growth of microbial communities in saliva, and thus can prevent microbial growth during the orthodontic treatment period when used as orthodontic devices.
본 발명은 상술한 바이오플라스틱을 포함하는 생체의료용 성형품을 제공할 수 있다. 상기 성형품은 필름, 시트, 메쉬, 매트, 부직 매트, 스캐폴드, 튜브, 블록, 임플란트, 발포체, 바늘 및 동결건조 물품으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 형태일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 다만, 일 실시예에 따른 바이오플라스틱의 제조방법적 특징을 고려할 때, 방사하는 것이 어려워 섬유형태는 바람직하지 못하다.The present invention can provide a biomedical molded article comprising the above-described bioplastic. The molded article can be in one or more forms selected from the group consisting of a film, a sheet, a mesh, a mat, a non-woven mat, a scaffold, a tube, a block, an implant, a foam, a needle, and a freeze-dried article, but is not limited thereto. However, considering the characteristics of the manufacturing method of the bioplastic according to one embodiment, a fiber form is not preferable because spinning is difficult.
또한, 상기 바이오플라스틱은 물에 노출시켜도 높은 결정화도에 따라서 내부적 수소결합이 유지되어 소재간 끈적임 등을 유발하지 않는다. 따라서 상기 성형품은 체내에 삽입하여도 형태 및 사용감이 저하되지 않으므로 생체의료용 소재로 사용하는 것이 적합하다.In addition, the bioplastic does not cause stickiness between materials because internal hydrogen bonds are maintained due to the high crystallinity even when exposed to water. Accordingly, the molded product does not deteriorate in shape or usability even when inserted into the body, making it suitable for use as a biomedical material.
본 발명은 상술한 바이오플라스틱을 포함하는 치아교정장치를 제공할 수 있다. 상기 치아교정장치는 통상적으로 사용되거나 공지된 치아교정장치(aligner)나 교정유지장치(retainer)의 구조로 제조될 수 있다. 일 예로, 등록특허 10-1476715의 마우스 피스 방식 구조 또는 Hawley, Wraparound, Begg, VFR vacuum formed 등의 구조일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.The present invention can provide an orthodontic device including the bioplastic described above. The orthodontic device can be manufactured with a structure of a commonly used or known orthodontic device (aligner) or orthodontic retainer. For example, it can be a mouth piece type structure of registered patent 10-1476715 or a structure such as Hawley, Wraparound, Begg, VFR vacuum formed, etc., but is not limited thereto.
상기 도 3a에 나타낸 바와 같이, 플라스틱을 치아교정장치로 이용한 교정 치료의 일반적인 과정에서 일련의 교정장치는 치아 위치와 정렬을 교정하도록 설계되고, 이러한 정렬 장치는 늘어나고, 이후 원래의 형태로 회복되면서 교정력을 발휘하게 된다. 이때 치아는 교정력에 저항을 나타내어 교정장치의 뒤틀림이나 파손을 유발할 수 있기에 교정장치가 충분한 회복가능 교정력을 치아에 전달함과 동시에 치아의 저항을 견뎌야 성공적인 치료가 가능한데, 상술한 바이오플라스틱의 경우 치아의 저항을 충분히 견딜 수 있을 뿐 아니라, 우수한 점탄성 특성을 나타내어 치아교정장치로 사용하는 것이 적합하다.As shown in the above Fig. 3a, in a general process of orthodontic treatment using plastic as an orthodontic device, a series of orthodontic devices are designed to correct the position and alignment of teeth, and these aligning devices are stretched and then restored to their original shape to exert orthodontic force. At this time, the teeth may exhibit resistance to the orthodontic force, which may cause distortion or damage to the orthodontic device. Therefore, the orthodontic device must be able to transmit sufficient recoverable orthodontic force to the teeth and at the same time withstand the resistance of the teeth to enable successful treatment. In the case of the above-described bioplastic, not only can it sufficiently withstand the resistance of the teeth, but also exhibit excellent viscoelastic properties, making it suitable for use as an orthodontic device.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱의 제조방법에 대하여 보다 자세하게 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing bioplastic according to one embodiment of the present invention will be described in more detail.
본 발명은 (A) 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 천연 실크 피브로인 용액을 주입하는 단계; (B) 상기 천연 실크 피브로인 용액을 건조하여 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조하는 단계; 및 (C) 상기 바이오플라스틱을 몰드로부터 탈착하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a method for producing a bioplastic, comprising: (A) a step of injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold; (B) a step of drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic including denatured silk fibroin; and (C) a step of detaching the bioplastic from the mold.
(A) 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 천연 실크 피브로인 용액을 주입하는 단계(A) Step of injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold
상기 (A) 단계는 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 천연 실크 피브로인 용액을 주입하는 단계이다.The above step (A) is a step of injecting a natural silk fibroin solution into a urethane oligomer casting mold.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드는 (A-1) 폴리올 및 항균성 이소시아네이트 화합물을 혼합하여 중합성 조성물을 제조하는 단계; 및 (A-2) 상기 중합성 조성물을 몰드에 캐스팅한 뒤 반응시키는 단계;를 포함하는 단계를 통해 제조되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the urethane oligomer casting mold may be manufactured through a step including: (A-1) a step of mixing a polyol and an antimicrobial isocyanate compound to manufacture a polymerizable composition; and (A-2) a step of casting the polymerizable composition into a mold and then reacting it.
상기 이소시아네이트 화합물는 이소시아네이트기를 포함하는 화합물을 의미하고, 바람직하게는 이소시아네이트기가 두개 이상인 고리형 디이소시아네이트일 수 있다.The above isocyanate compound means a compound containing an isocyanate group, and may preferably be a cyclic diisocyanate having two or more isocyanate groups.
상기 항균성 이소시아네이트 화합물은 이소시아네이트 화합물에 항균성 화합물을 치환하여 제조할 수 있고, 예를 들면, 제 4급 암모늄염을 함유하는 반응성 화합물을 이소시아네이트 화합물과 반응시켜 최종적으로 제 4급 암모늄염을 함유하는 항균성 이소시아네이트 화합물을 제조할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. The above antimicrobial isocyanate compound can be produced by substituting an antimicrobial compound for an isocyanate compound, for example, a reactive compound containing a quaternary ammonium salt can be reacted with an isocyanate compound to ultimately produce an antimicrobial isocyanate compound containing a quaternary ammonium salt, but is not limited thereto.
구체적으로 상기 이소시아네이트 화합물은 헤테로고리형 트리이소시아네이트 화합물일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 헤테로고리형 트리이소시아네이트는 이소시아뉴레이트(isocyanurate)에 헥사메틸렌디이소시아네이트가 결합된 삼량체(HMDI trimer)일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 제 4급 암모늄염을 함유하는 반응성 화합물은 말단에 아민이나 하이드록시 등의 관능기를 포함할 수 있고, 상기 관능기와 상술한 이소시아네이트 화합물의 이소시아네이트가 반응하여 제 4급 암모늄염을 함유하는 항균성 이소시아네이트 화합물을 제조할 수 있다.Specifically, the above isocyanate compound may be a heterocyclic triisocyanate compound, and more specifically, the heterocyclic triisocyanate may be a trimer (HMDI trimer) in which hexamethylene diisocyanate is bonded to isocyanurate, but is not limited thereto. In addition, the reactive compound containing the quaternary ammonium salt may include a functional group such as amine or hydroxy at the terminal, and the functional group and the isocyanate of the above-described isocyanate compound may react to produce an antibacterial isocyanate compound containing a quaternary ammonium salt.
상기 폴리올의 구체적인 화합물의 예시는 상술한 바와 동일하므로 생략한다.Specific examples of the polyol compounds are the same as those described above and are therefore omitted.
상기 폴리올 및 항균성 이소시아네이트 화합물을 혼합하여 중합성 조성물을 믹서로 교반한 뒤, 이어서 특정 모양의 몰드에 캐스팅한 뒤 반응시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 반응은 우레탄 반응을 위한 통상적이고 공지된 조건이라면 크게 제한되지 않고 적용할 수 있으며, 30 ℃ 이상, 구체적으로 50 ℃ 이상의 온도에서 5시간, 구체적으로 10시간 이상 반응시킬 수 있다. 나아가 건조단계를 더 수행할 수 있는데, 70 ℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 건조시킬 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.The above polyol and antimicrobial isocyanate compound can be mixed, the polymerizable composition is stirred with a mixer, and then cast into a mold of a specific shape and reacted. The above reaction can be applied without significant limitation as long as it is a common and known condition for urethane reaction, and can be reacted for 5 hours, specifically 10 hours or more at a temperature of 30° C. or higher, specifically 50° C. or higher. Furthermore, a drying step can be further performed, and can be dried for 1 hour or more at a temperature of 70° C. or higher, but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (A) 단계에서, 상기 천연 실크 피브로인 용액은 산성 용매에 정련된 천연 실크 피브로인 단백질 및 코스모트로픽 염이 용해된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 산성 용매에 대하여 천연 실크 피브로인 단백질이 0.1 내지 50 %(w/v), 구체적으로 0.5 내지 30 %(w/v) 포함될 수 있고, 상기 산성 용매에 대하여 코스모트로픽 염이 0.01 내지 20 %(w/v), 구체적으로 0.1 내지 10 %(w/v) 포함된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the step (A), the natural silk fibroin solution may be a natural silk fibroin protein and a kosmotropic salt dissolved in an acidic solvent. Specifically, the natural silk fibroin protein may be contained in an amount of 0.1 to 50% (w/v), specifically 0.5 to 30% (w/v), with respect to the acidic solvent, and the kosmotropic salt may be contained in an amount of 0.01 to 20% (w/v), specifically 0.1 to 10% (w/v) with respect to the acidic solvent.
상기 정련된 천연 실크 피브로인 단백질은 누에를 정련액이 침지하여 얻어진 것일 수 있다.The above refined natural silk fibroin protein may be obtained by soaking silkworms in a refining solution.
상기 정련액은 알칼리 수용액, 산성 수용액, 효소 수용액, 아민 수용액 또는 이들의 혼합용매일 수 있고, 바람직하게는 탄산나트륨 용액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The above refining solution may be an alkaline aqueous solution, an acidic aqueous solution, an enzyme aqueous solution, an amine aqueous solution or a mixed solvent thereof, and is preferably a sodium carbonate solution, but is not limited thereto.
상기 산성 용매는 C1-7의 유기산일 수 있다. 예를 들면, 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 뷰티르산(butyric acid), 젖산(Lactic acid), 푸마르산(fumaric acid), 말린산(Malic acid), 구연산(citric acid) 또는 이들의 혼합 용매일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The acidic solvent may be a C 1-7 organic acid. For example, it may be, but is not limited to, formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, lactic acid, fumaric acid, malic acid, citric acid or a mixed solvent thereof.
상기 코스모트로픽 염은 수계 환경에서 물 분자 안정화에 기여하며, 단백질 등의 거대분자에서 분자 내 상호작용의 안정화에도 기여하는 것으로 알려져 있다. 상기 코스모트로픽 염은 알칼리금속 이온 또는 알칼리토금속 이온;과 설페이트(SO4 2-), 포스페이트(HPO4 2-), 아세테이트(CH3COO-), 히드록사이드(OH-), 클로라이드(Cl-), 브로마이드(Br-) 및 포르메이트 (HCOO-)등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 이온;의 조합으로 이루어지는 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 코스모트로픽 염은 염화칼슘, 브롬화리튬, 염화칼륨, 염화나트륨 및 아세트산나트륨 등에서 선택되는 어느 하나 이상 또는 둘 이상일 수 있으며, 바람직하게 염화칼슘일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The above cosmotropic salt is known to contribute to the stabilization of water molecules in an aqueous environment, and also to contribute to the stabilization of intramolecular interactions in macromolecules such as proteins. The above cosmotropic salt may be a combination of an alkali metal ion or an alkaline earth metal ion; and one or more ions selected from the group consisting of sulfate (SO 4 2- ), phosphate (HPO 4 2- ), acetate (CH 3 COO - ), hydroxide (OH - ), chloride (Cl - ), bromide (Br - ), and formate (HCOO - ). Preferably, the cosmotropic salt may be one or more or two or more ions selected from calcium chloride, lithium bromide, potassium chloride, sodium chloride, and sodium acetate, and may be calcium chloride, but is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (A) 단계는 상술한 천연 실크 피브로인 용액을 제조하여 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입함으로써 수행되며, 제조하고자 하는 형태에 따라 상기 캐스팅 몰드의 모양이 달라질 수 있고, 이에 따라 주입되는 용액의 용량도 달라질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step (A) is performed by preparing the natural silk fibroin solution described above and injecting it into a urethane oligomer casting mold. Depending on the shape to be prepared, the shape of the casting mold may vary, and accordingly, the amount of the solution to be injected may vary.
(B) 상기 천연 실크 피브로인 용액을 건조하여 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조하는 단계(B) A step of drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic containing denatured silk fibroin.
상기 (B) 단계는 상기 천연 실크 피브로인 용액을 건조하여 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조하는 단계이다.The above step (B) is a step of drying the natural silk fibroin solution to produce a bioplastic containing denatured silk fibroin.
상기 (B) 단계에서, 상기 건조는 상온에서, 바람직하게는 진공에서 12시간 이상, 바람직하게는 24시간 이상 수행되며, 건조하는 동안 상기 천연 실크 피브로인 용액에 함유된 천연 실크 피브로인 단백질이 결정화되어 변성 실크 피브로인이 제조되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 변성 실크 피브로인은 결정화되는 과정에서 상술한 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 영향으로 실크 피브로인이 서로 얽힌 구조를 나타낼 수 있고, 결과적으로 상기 천연 실크 피브로인 단백질보다 현저하게 향상된 베타시트 함량을 가질 수 있으며, 이를 통해 높은 결정화도를 갖는 변성 실크 피브로인을 포함하는 바이오플라스틱을 제조할 수 있다.In the step (B), the drying is performed at room temperature, preferably in a vacuum, for 12 hours or more, preferably 24 hours or more, and during the drying, the natural silk fibroin protein contained in the natural silk fibroin solution may be crystallized to produce denatured silk fibroin. Specifically, the denatured silk fibroin may exhibit a structure in which silk fibroin is entangled with each other due to the influence of the urethane oligomer casting mold described above during the crystallization process, and as a result, may have a significantly improved beta-sheet content than the natural silk fibroin protein, thereby producing a bioplastic including denatured silk fibroin having a high crystallinity.
상기 (B) 단계는 제조된 바이오플라스틱을 몰드로부터 탈착하는 단계;를 포함할 수 있다.The step (B) above may include a step of detaching the manufactured bioplastic from the mold.
(C) 상기 바이오플라스틱을 저장용액(Storage medium)에 침지하는 단계(C) Step of immersing the above bioplastic in a storage medium
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (B)단계 이후, (C) 상기 바이오플라스틱을 저장용액(Storage medium)에 침지하는 단계;를 더 수행할 수 있다. 상기 침지는 10 분 이상, 30분 이상, 1시간 이상 수행할 수 있으며, 해당 단계를 포함함에 따라, 보다 우수한 인장강도 등의 물성을 갖는 바이오플라스틱을 제조할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, after step (B), a step (C) of immersing the bioplastic in a storage medium may be further performed. The immersion may be performed for 10 minutes or longer, 30 minutes or longer, or 1 hour or longer, and by including the step, a bioplastic having better physical properties such as tensile strength can be manufactured.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 저장용액은 폴리올, 구체적으로 C1-20알킬 폴리올 또는 C1-7알킬 폴리올을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 저장용액은 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 1,3-프로판디올, 시클로헥산디메탄올, 4-부탄디올, 글리세롤, 펜타에리트리톨, 소비톨 및 트리메틸올프로판 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.According to one embodiment of the present invention, the storage solution may include a polyol, specifically a C 1-20 alkyl polyol or a C 1-7 alkyl polyol. As an example, the storage solution may include at least one selected from, but not limited to, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,3-propanediol, cyclohexanedimethanol, 4-butanediol, glycerol, pentaerythritol, sorbitol, and trimethylolpropane.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 용이하게 재활용될 수 있다는 장점이 존재한다. 상기 재활용을 위한 방법으로는 바이오플라스틱으로부터 실크피브로인을 추출하여 재활용할 수도 있고, 얽힌 구조를 풀어준 후 다시 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드를 이용하여 바이오플라스틱으로 제조(재성형)하여 재활용할 수도 있다.The bioplastic according to one embodiment of the present invention has the advantage of being easily recyclable. As a method for recycling, silk fibroin can be extracted from the bioplastic and recycled, or the entangled structure can be unraveled and then manufactured (reshaped) into a bioplastic using a urethane oligomer casting mold and recycled.
본 발명은 상기 바이오플라스틱은 산성 용매에 침지하는 단계; 및 상기 바이오플라스틱이 침지된 산성용매로부터 실크 피브로인을 회수하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱으로부터 실크 피브로인을 회수하는 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a method for recovering silk fibroin from a bioplastic, comprising the steps of: immersing the bioplastic in an acidic solvent; and recovering silk fibroin from the acidic solvent in which the bioplastic is immersed.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바이오플라스틱은 내부에 실크 피브로인이 얽힌 구조를 형성하고 있는데, 이러한 얽힌 구조만 풀어준다면 실크 피브로인을 분리 및 회수하는 것이 용이하여 사용이 완료된 바이오플라스틱으로부터 실크 피브로인을 회수할 수 있다는 장점을 갖는다.According to one embodiment of the present invention, the bioplastic has a structure in which silk fibroin is entangled therein. If only this entangled structure is released, it is easy to separate and recover silk fibroin, and thus has the advantage of being able to recover silk fibroin from a used bioplastic.
상기 산성 용매는 상술한 천연 실크 피브로인 용액에 사용되는 산성 용매와 그 내용이 동일할 수 있고, 산성 용매에 상술한 천연 실크 피브로인 용액과 같이 코스모트로픽 염을 더 포함할 수 있다.The above acidic solvent may have the same content as the acidic solvent used in the above-described natural silk fibroin solution, and may further contain a cosmotropic salt like the above-described natural silk fibroin solution.
상기 천연 실크 피브로인을 회수하는 단계는 상기 바이오플라스틱이 침지된 산성용매를 원심분리 또는 여과(filtering)하여 수행되는 것일 수 있으며, 이때 상기 바이오플라스틱 내 실크 피브로인과 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드가 분리될 수 있다. 상기 회수는 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드가 완전하게 분리될 때까지 복수회 수행될 수 있다.The step of recovering the above natural silk fibroin may be performed by centrifuging or filtering the acidic solvent in which the bioplastic is immersed, and at this time, the silk fibroin in the bioplastic and the urethane oligomer casting mold may be separated. The recovery may be performed multiple times until the urethane oligomer casting mold is completely separated.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회수된 실크 피브로인의 수율은 65% 이상, 바람직하게는 67% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the yield of the recovered silk fibroin may be 65% or more, preferably 67% or more, more preferably 70% or more.
상기 수율은 하기 식 4로 계산되는 것일 수 있다.The above yield can be calculated by the
[식 4] (회수된 천연 실크 피브로인 중량/초기 바이오플라스틱 중량)x100[Formula 4] (Weight of recovered natural silk fibroin/Initial weight of bioplastic) x 100
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회수된 실크 피브로인은 종양괴사인자-α(TNF-α), 인터루킨-1β(IL-1β), 및 인터루킨-6(IL-6)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 염증성 바이오마커의 발현을 감소시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the recovered silk fibroin can reduce the expression of one or more inflammatory biomarkers selected from the group consisting of tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-1β (IL-1β), and interleukin-6 (IL-6).
본 발명은 상기 바이오플라스틱 및 산성 용매를 용해시킨 바이오플라스틱 용액을 제조하는 단계; 상기 바이오플라스틱 용액을 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입하는 단계; 및 상기 바이오플라스틱 용액을 건조하여 재활용된 바이오플라스틱을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오플라스틱의 재성형 방법을 제공한다.The present invention provides a method for re-molding a bioplastic, comprising: a step of preparing a bioplastic solution by dissolving the bioplastic and an acidic solvent; a step of injecting the bioplastic solution into a urethane oligomer casting mold; and a step of drying the bioplastic solution to prepare a recycled bioplastic.
상기 바이오플라스틱의 재성형 방법에 있어서, 바이오 플라스틱 용매는 코스모트로픽 염을 더 포함할 수 있고, 산성 용매, 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 및 건조는 상술한 바이오플라스틱의 제조방법과 동일할 수 있다.In the method for re-molding the above bioplastic, the bioplastic solvent may further include a cosmotropic salt, and the acidic solvent, urethane oligomer casting mold, and drying may be the same as the method for manufacturing the above-described bioplastic.
상기 바이오플라스틱의 재성형 방법으로 제조된 재활용된 바이오플라스틱은 재활용 전의 바이오플라스틱에 비하여 동등 유사한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.The recycled bioplastic manufactured by the above method of re-molding the bioplastic can exhibit mechanical properties equivalent to those of the bioplastic before recycling.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, etc. However, the scope and content of the present invention cannot be interpreted as being reduced or limited by the examples, etc. below.
제조예 1. 천연 실크 피브로인의 제조Manufacturing Example 1. Manufacturing of natural silk fibroin
mori 누에(누에 나방) 고치를 탄산나트륨 용액(0.02 M Na2CO3)에 1시간 동안 담지하여 정련(degumming)하였다. 이후, 세척한 후, 상온에서 건조시켜 정련된 천연 실크 피브로인 을 수득하였다. Mori silkworm (silkworm moth) cocoons were degummed by soaking them in a sodium carbonate solution (0.02 M Na 2 CO 3 ) for 1 hour. Afterwards, they were washed and dried at room temperature to obtain degummed natural silk fibroin.
제조예 2. 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(템플릿, template)의 제조Manufacturing Example 2. Manufacturing of urethane oligomer casting mold (template)
프로필렌 카보네이트(Sigma Aldrich, USA)에 0.425 M 디이소시아네이트 이소시아누레이트 삼량체(hexamethylene diisocyanate isocyanurate trimer, 504.6 g/mol, BLD Pharm, 중국) 및 0.425 M 아미노옥소에틸 다이메틸 도데카나니움 클로라이드 (N-(2-Amino-2-oxoethyl)-N,N-dimethyldodecan-1-aminium chloride, 306.9 g/mol, Angenechemical, Hong Kong) 을 투입하고 80 ℃에서 1시간 이상 반응시켜 항균성 디이소시아네이트 화합물을 제조하였다.Propylene carbonate (Sigma Aldrich, USA) was added 0.425 M diisocyanate isocyanurate trimer (hexamethylene diisocyanate isocyanurate trimer, 504.6 g/mol, BLD Pharm, China) and 0.425 M aminooxoethyl dimethyl dodecananium chloride (N-(2-Amino-2-oxoethyl)-N,N-dimethyldodecan-1-aminium chloride, 306.9 g/mol, Angenechemical, Hong Kong) and reacted at 80 °C for more than 1 hour to prepare an antimicrobial diisocyanate compound.
그 다음, 상기 항균성 디이소시아네이트 화합물이 포함된 용액에 0.85 M 폴리에틸렌글리콜(Mw : 200 g/mol)를 투입하여 중합성 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 폴리에틸렌글리콜 대 상기 항균성 디이소시아네이트 화합물의 몰비는 2 : 1을 만족하도록 투입하였다. 그 다음, 상기 중합성 조성물 4 mL를 폴리스티렌 몰드(Ø60 mm)에 넣고 80 ℃ 오븐에서 7일 동안 구워 최종적으로 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드를 제조하였다. 제조된 우레탄 올리고머의 중량평균분자량은 1211.5 g/mol로 측정되었고, 우레탄 올리고머 내 항균 그룹(R3A)의 화학구조는 도 5b에 나타내었다.Next, 0.85 M polyethylene glycol (Mw: 200 g/mol) was added to the solution containing the antibacterial diisocyanate compound to prepare a polymerizable composition. At this time, the molar ratio of the polyethylene glycol to the antibacterial diisocyanate compound was added so as to satisfy 2:1. Next, 4 mL of the polymerizable composition was placed into a polystyrene mold (Ø60 mm) and baked in an oven at 80° C. for 7 days to finally prepare a urethane oligomer casting mold. The weight average molecular weight of the prepared urethane oligomer was measured to be 1211.5 g/mol, and the chemical structure of the antibacterial group (R 3A ) in the urethane oligomer is shown in Fig. 5b.
실시예 1. 바이오플라스틱(BECOM) 제조Example 1. Manufacturing of bioplastic (BECOM)
포름산(formic acid)에 염화칼슘(CaCl2)이 0.3 중량%로 포함된 용액에 상기 제조예 1의 정련된 실크 피브로인을 0.1 g mL-1 농도가 되도록 첨가하고 60 ℃에서 1시간 동안 용해시켜 천연 실크 피브로인 용액을 수득하였다.The refined silk fibroin of Manufacturing Example 1 was added to a solution containing 0.3 wt% calcium chloride (CaCl 2 ) in formic acid to a concentration of 0.1 g mL -1 and dissolved at 60 ° C. for 1 hour to obtain a natural silk fibroin solution.
상기 천연 실크 피브로인 용액을 상기 제조예 2의 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입하여, 3일 동안 포름산을 증발시켜 주형 재생(templated renaturation)시켰다. 그 다음, 에탄올-탈이온수 공용매(7:3 vol%)를 1시간 동안 처리하여 몰드로부터 고화된 변성 실크 피브로인을 분리했다.The above natural silk fibroin solution was injected into the urethane oligomer casting mold of the above-mentioned manufacturing example 2, and templated renaturation was performed by evaporating formic acid for 3 days. Then, the solidified denatured silk fibroin was separated from the mold by treating with an ethanol-deionized water co-solvent (7:3 vol%) for 1 hour.
이어서 상기 변성 실크 피브로인을 글리세롤-탈이온수 공용매(5:5 중량%)에 1시간 동안 침지한 후, 2일 동안 건조시켜 바이오플라스틱(beneficially compostable medical bioplastic, BECOM)을 수득하였다. 수득된 바이오플라스틱 내 변성된 실크 피브로인 및 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 함량비는 87.4:12.6이었다.Next, the modified silk fibroin was immersed in a glycerol-deionized water co-solvent (5:5 wt%) for 1 hour and then dried for 2 days to obtain a bioplastic (beneficially compostable medical bioplastic, BECOM). The content ratio of the modified silk fibroin and the urethane oligomer casting mold in the obtained bioplastic was 87.4:12.6.
실시예 2. 바이오플라스틱의 재활용1-실크 피브로인(EPSF) 회수Example 2. Recycling of bioplastics 1-Recovery of silk fibroin (EPSF)
도 5a는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 풀림(Disentanglement)을 기반으로 하여 재활용하는 절차를 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 5a is a schematic diagram illustrating a recycling procedure based on disentanglement of BECOM manufactured in Example 1.
도 5b는 실시예 1에서 사용된 템플릿의 항균 그룹(R3A) 및 염료 추적자(Rhodamin B, R3B)의 화학 구조를 나타낸 것이다.Figure 5b shows the chemical structures of the antibacterial group (R 3A ) and the dye tracer (Rhodamin B, R 3B ) of the template used in Example 1.
상기 도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM으로부터 실크 피브로인을 수득하기 위하여 아래와 같은 방법으로 BECOM 내 얽힌 구조를 풀어내어 실크 피브로인을 수득하였다.As shown in the above Figure 5a, in order to obtain silk fibroin from the BECOM manufactured in the above Example 1, the entangled structure within the BECOM was unraveled by the following method to obtain silk fibroin.
먼저, 실크 피브로인을 회수하는 과정을 시각화하기 위하여 상기 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹(R3A)을 분홍색을 나타내는 염료 추적자(Rhodamin B, R3B)로 부분적으로 치환하였다. 그 다음, 상기 실시예 1에서 제조된 0.5 g의 BECOM을 60 ℃의 15 mL 포름산에 3시간 동안 침지하여 얽힌 구조를 풀어내었다. 이어서 에탄올 30 mL를 첨가하고 혼합한 후 25 ℃에서 7000 rpm으로 10분간 원심분리하여 실크 피브로인을 선택적으로 침전시킨 후 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드를 포함하는 상등액을 회수하였다. 그 다음, 잔여 실크 피브로인을 10 mL 포름산에 10분 동안 분산시키고, 10 mL 에탄올을 처리한 후 동일하게 원심분리하여 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 용액을 분리한 후 다시 포름산 10 mL, 에탄올 20 mL를 순서대로 첨가하고 원심분리하였다. 최종적으로 원심분리를 세 번 반복한 용액을 80 ℃에서 잔류용매를 제거한 후 실크 피브로인을 수득하였고, 초기 바이오플라스틱 중량에 대하여 추출된 실크 피브로인의 중량을 백분율로 나타낸 수율(회수된 천연 실크 피브로인 중량/초기 바이오플라스틱 중량x100)은 72.6%였다. 수득된 실크 피브로인은 순수하고 잔류 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드가 검출되지 않아 추출된 순수 실크 피브로인(EPSF)으로 명명하였다. First, in order to visualize the process of recovering silk fibroin, the antibacterial group (R 3A ) of the urethane oligomer casting mold used in Example 1 was partially substituted with a pink dye tracer (Rhodamin B, R 3B ), as shown in FIG. 5b. Then, 0.5 g of BECOM prepared in Example 1 was immersed in 15 mL of formic acid at 60 °C for 3 hours to disentangle the entangled structure. Then, 30 mL of ethanol was added and mixed, and centrifuged at 7000 rpm at 25 °C for 10 minutes to selectively precipitate silk fibroin, and then the supernatant containing the urethane oligomer casting mold was recovered. Next, the residual silk fibroin was dispersed in 10 mL formic acid for 10 minutes, treated with 10 mL ethanol, and centrifuged in the same manner to separate the urethane oligomer casting mold solution, after which 10 mL of formic acid and 20 mL of ethanol were added in sequence and centrifuged again. Finally, the solution was centrifuged three times to remove the residual solvent at 80 °C to obtain silk fibroin, and the yield (weight of recovered natural silk fibroin/initial bioplastic weight x 100) expressed as a percentage of the weight of the extracted silk fibroin with respect to the initial bioplastic weight was 72.6%. The obtained silk fibroin was pure and no residual urethane oligomer casting mold was detected, so it was named extracted pure silk fibroin (EPSF).
실시예 3. 바이오플라스틱의 재활용2(BECOM-R1)Example 3. Recycling of bioplastics 2 (BECOM-R1)
상기 도 5a에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 재활용하여 바이오플라스틱을 제조하기 위하여 아래와 같은 방법으로 BECOM 내 얽힌 구조를 풀어냔 후, 다시 바이오플라스틱으로 제조하였다.As shown in the above Fig. 5a, in order to manufacture a bioplastic by recycling the BECOM manufactured in the above Example 1, the entangled structure within the BECOM was unraveled using the following method, and then the bioplastic was manufactured again.
상기 실시예 2에서 상기 실시예 1에서 제조된 0.5g의 BECOM을 60 ℃에서 3시간 동안 15 mL 포름산에 침지하여 얽힌 구조가 풀어진 용액(도 5a의 분홍색 용액)에서 포름산을 제거하였다. 이때 포름산 제거에 따라 실크 피브로인이 다시 얽힌 구조를 재형성한 BECOM을 수득하였고, 이를 BECOM-R1으로 명명하였다.In the above Example 2, 0.5 g of BECOM manufactured in the above Example 1 was immersed in 15 mL of formic acid at 60°C for 3 hours, and the formic acid was removed from the solution (pink solution in Fig. 5a) in which the entangled structure was disentangled. At this time, BECOM in which silk fibroin re-formed an entangled structure upon removal of formic acid was obtained, and this was named BECOM-R1.
실시예 4. 바이오플라스틱의 재활용2(BECOM-R2)Example 4. Recycling of bioplastics 2 (BECOM-R2)
포름산(formic acid)용액에 상기 실시예 2에서 추출된 순수 실크 피브로인(EPSF)을 0.1 g mL-1 농도가 되도록 첨가하고 60 ℃에서 3시간 동안 용해시켜 천연 실크 피브로인 용액을 수득하였다.Pure silk fibroin (EPSF) extracted in Example 2 was added to a formic acid solution at a concentration of 0.1 g mL -1 and dissolved at 60 ° C. for 3 hours to obtain a natural silk fibroin solution.
상기 천연 실크 피브로인 용액을 상기 제조예 2의 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입하여, 3일 동안 포름산을 증발시켜 주형 재생(templated renaturation)시켰다. 그 다음, 에탄올-탈이온수 공용매(7:3 vol%)를 1시간 동안 처리하여 몰드로부터 고화된 변성 실크 피브로인을 분리했다.The above natural silk fibroin solution was injected into the urethane oligomer casting mold of the above-mentioned manufacturing example 2, and templated renaturation was performed by evaporating formic acid for 3 days. Then, the solidified denatured silk fibroin was separated from the mold by treating with an ethanol-deionized water co-solvent (7:3 vol%) for 1 hour.
이어서 상기 변성 실크 피브로인을 글리세롤-탈이온수 공용매(5:5 중량%)에 1시간 동안 침지한 후, 2일 동안 건조시켜 재활용된 바이오플라스틱(BECOM-R2)을 수득하였다.Next, the modified silk fibroin was immersed in a glycerol-deionized water co-solvent (5:5 wt%) for 1 hour and then dried for 2 days to obtain recycled bioplastic (BECOM-R2).
비교예 1Comparative Example 1
상기 제조예 1의 정련된 천연 실크 피브로인을 40 x 5.0 x 0.4 ㎣ 크기의 시편으로 제조하여 비교예 1에 따른 천연 실크 피브로인을 수득하였다.The refined natural silk fibroin of the above Manufacturing Example 1 was manufactured into a specimen having a size of 40 x 5.0 x 0.4 ㎣ to obtain natural silk fibroin according to Comparative Example 1.
비교예 2. 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)Comparative Example 2. Native silk fibroin
상기 실시예 1의 천연 실크 피브로인 용액을 폴리스티렌 몰드(Ø60mm)에 캐스팅하여, 24시간 동안 상온에서 건조시킨 후 시편을 캐스팅 기판으로부터 탈착시켜 네이티브 재생(native renaturation)시켜 비교예 2에 따른 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)을 수득하였다. The natural silk fibroin solution of Example 1 was cast into a polystyrene mold (Ø60 mm), dried at room temperature for 24 hours, and the specimen was detached from the casting substrate to undergo native renaturation, thereby obtaining native silk fibroin according to Comparative Example 2.
실험예 1. 물에 노출된 후 거동 평가Experimental Example 1. Behavior Evaluation after Exposure to Water
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인을 물에 침지하고 그 변화를 관찰하였다. 그 결과, 비교예 2의 경우, 물에 침지한 뒤 서로 겹쳐놓았을 경우 끈적해져서 용이하게 분리되지 않았지만, 실시예 1의 경우 물에 노출되어도 수소결합이 깨지지 않고 용이하게 분리되었다. 이를 통해 높은 베타시트 함량을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱의 경우, 물에 노출되어도 수소결합이 깨지지 않아 끈적이지 않는 성질을 나타내어 피 등의 유체가 항상 존재하는 체내 환경에서 용이하게 사용될 수 있고, 이러한 특성을 이용하여 체내에 삽입 가능한 생체의료용 소재 등의 의료용 산업분야에서의 활용이 가능하다는 점을 확인할 수 있었다.The BECOM manufactured in Example 1 and the natural silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 were immersed in water and the changes were observed. As a result, in the case of Comparative Example 2, when immersed in water and then placed over each other, the two became sticky and were not easily separated, whereas in the case of Example 1, the hydrogen bonds were not broken even when exposed to water and the two were easily separated. Through this, it was confirmed that the bioplastic according to one embodiment of the present invention having a high beta-sheet content exhibits a non-sticky property because the hydrogen bonds are not broken even when exposed to water, so that it can be easily used in an environment in the body where fluids such as blood always exist, and that it can be utilized in the medical industry, such as biomedical materials that can be inserted into the body, by utilizing these characteristics.
실험예 2. 물성, 형태 및 구조 평가Experimental Example 2. Evaluation of physical properties, shape, and structure
바이오 기반 탄소 함량 측정Measuring bio-based carbon content
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)을 각각 2.0 g 준비하여, 한국의류시험연구원에서 가속기질량분석기를 이용하여 ASTM D 6866-22 Method B에 따라 14C 방사성 탄소 함량과 현대 탄소 함량을 측정하고, 이를 기반으로 바이오 기반 탄소 함량을 계산하여 그 결과를 도 2a에 나타내었다.BECOM manufactured in Example 1 and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 were each prepared in an amount of 2.0 g. The Korea Apparel Testing & Research Institute measured the 14 C radiocarbon content and modern carbon content using an accelerator mass spectrometer in accordance with ASTM D 6866-22 Method B, and the bio-based carbon content was calculated based on the measured content. The results are shown in Fig. 2a.
도 2a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)의 바이오 기반 탄소 함량 그래프를 나타낸 것이다.Figure 2a shows a graph of the bio-based carbon content of BECOM manufactured in Example 1 of the present invention and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2.
상기 도 2a에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 2의 순수 바이오매스 자원인 천연 실크 피브로인은 바이오 기반 탄소 함량이 97%이었고, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM은 바이오 기반 탄소 함량이 87%로 가로점선으로 나타낸 고품질 바이오플라스틱의 지표인 80%를 현저하게 초과하여 고품질 바이오플라스틱으로 이용될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 실시예 1은 실크 피브로인 87.4% 및 항균성 우레탄 올리고머 12.6%가 존재하였다.As shown in the above Fig. 2a, the natural silk fibroin, which is a pure biomass resource of the above Comparative Example 2, had a bio-based carbon content of 97%, and the BECOM manufactured in the above Example 1 had a bio-based carbon content of 87%, which significantly exceeds the indicator of a high-quality bioplastic of 80% indicated by the horizontal dotted line, and it can be confirmed that it can be used as a high-quality bioplastic. In addition, the above Example 1 contained 87.4% of silk fibroin and 12.6% of antibacterial urethane oligomer.
실크 피브로인의 구조 분석Structural analysis of silk fibroin
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM의 형태를 분석하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)의 제조과정과 형태를 개략적으로 나타낸 모식도를 도 2b에 나타내고, 이를 제조하는 데 사용된 실크 피브로인 및 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(템플릿, template)의 화학적 구조를 도 2c에 나타내었다. In order to analyze the morphology of BECOM manufactured in Example 1, a schematic diagram showing the manufacturing process and morphology of BECOM manufactured in Example 1 and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 is shown in FIG. 2b, and the chemical structures of silk fibroin and urethane oligomer casting mold (template) used in manufacturing the same are shown in FIG. 2c.
도 2b는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin)의 제조과정 및 얽힘(entanglement) 정도의 관점에서 형태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 2b is a schematic diagram schematically showing the manufacturing process and morphology of BECOM manufactured in Example 1 and native silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 in terms of the degree of entanglement.
도 2c는 실시예 1에서 사용된 바이오매스 유래 실크 피브로인 및 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(템플릿)의 화학 구조를 나타낸 것이다.Figure 2c shows the chemical structure of the biomass-derived silk fibroin and urethane oligomer casting mold (template) used in Example 1.
상기 도 2b 및 도 2c에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(템플릿)는 2개의 에테르기(얽힘 유도 그룹) 및 1개의 제4급 암모늄염을 포함하는 항균기를 포함하는데(도 2c), 상기 실시예 1에서 산에서 변성된 실크 피브로인이 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 주입된 상태에서 산 제거를 통해 재생되며(탬플릿 재생법) 상기 2개의 에테르기가 상기 실크 피브로인의 펩타이드 백본에 부착되어 얽힘을 유도하여 빨간색으로 표현되는 조밀하게 얽힌 구조를 나타낼 수 있다. 한편, 비교예 2에서 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 없이 자연 재생되어 노란색으로 표현되는 느슨한 얽힘을 나타내었다.As shown in the above FIGS. 2b and 2c, the urethane oligomer casting mold (template) used in the above Example 1 contains an antibacterial group including two ether groups (entanglement-inducing groups) and one quaternary ammonium salt (FIG. 2c), and when the silk fibroin denatured in an acid in the above Example 1 is injected into the urethane oligomer casting mold and regenerated through acid removal (template regeneration method), the two ether groups can be attached to the peptide backbone of the silk fibroin to induce entanglement, thereby exhibiting a densely entangled structure expressed in red. On the other hand, in Comparative Example 2, it was naturally regenerated without the urethane oligomer casting mold, exhibiting a loose entanglement expressed in yellow.
상기 템플릿 재생법을 통해 제조된 BECOM 내 조밀하게 얽힌 구조의 형성을 확인하기 위하여, 실시예 1의 BECOM 및 비교예 2의 천연 실크 피브로인을 소각 X선 산란(SAXS) 및 라만 스펙트럼 분석하여 그 결과를 도 2d 및 도 9에 나타내었다.In order to confirm the formation of a densely entangled structure in the BECOM manufactured through the above template regeneration method, the BECOM of Example 1 and the natural silk fibroin of Comparative Example 2 were subjected to small-angle X-ray scattering (SAXS) and Raman spectrum analysis, and the results are shown in FIG. 2d and FIG. 9.
보다 구체적으로, 한국 포항 발사광 가속기(PLS)의 9A 빔라인을 사용하여 싱크로트론 X선 빔의 파장은 0.626 ㅕ(X선 에너지 = 19.8 keV)으로, 일반적인 빔 크기는 0.8 x 0.8 mm2로 설정하고, 2D Mar CCD 검출기(SX 165, Rayonix LLC, USA)를 사용하여 산란빔 강도를 획득하고, 2.5 m의 샘플-검출기 거리와 10-30초 범위의 노출 시간에 SAXS 측정하여 X선 산란 실험을 수행하였다.More specifically, X-ray scattering experiments were performed using beamline 9A of the Pohang Light Source (PLS) in Korea, with a synchrotron X-ray beam wavelength of 0.626 ㅕ (X-ray energy = 19.8 keV) and a typical beam size of 0.8 × 0.8 mm2 , a 2D Mar CCD detector (SX 165, Rayonix LLC, USA) to acquire the scattered beam intensity, and SAXS measurements at a sample-to-detector distance of 2.5 m and an exposure time in the range of 10-30 s.
도 2d는 실시예 1에서 템플릿 재생으로 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native renaturation)의 Kratky 그래프를 나타낸 것이다.Figure 2d shows a Kratky graph of BECOM manufactured by template regeneration in Example 1 and native silk fibroin (native renaturation) manufactured in Comparative Example 2.
도 9은 실시예 1에서 제조된 BECOM(Templated renaturation) 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native renaturation)의 (a) 라만 스펙트럼 및 (b) 광각 X선 산란(WAXS) 분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 9 shows (a) the Raman spectrum and (b) the wide-angle X-ray scattering (WAXS) analysis results of BECOM (Templated renaturation) manufactured in Example 1 and natural silk fibroin (native renaturation) manufactured in Comparative Example 2.
상기 도 2d에 나타낸 바와 같이, Kratky 플롯에서 상기 실시예 1 및 비교예 2는 각각 q=0.958 nm-1 및 q=0.187 nm-1에서 유효피크를 나타내어, 상기 실시예 1의 유효 피크 위치가 비교예 2에 비하여 더 높은 q(산란 벡터) 값으로 이동함을 알 수 있다. 또한, 상기 유효피크의 강도는 단백질 압축 및 얽힘 정도와 상관관계가 있는데, 실시예 1에서 유효 피크의 강도가 비교예 2보다 더 높아(I(q), 1.54×) 템플릿 재생법을 통해 BECOM 내 조밀하게 얽힌 구조가 형성되고 단백질이 압축되어 더 견고한 β-시트 스태킹을 가짐을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 2d, in the Kratky plot, Example 1 and Comparative Example 2 exhibit effective peaks at q=0.958 nm -1 and q=0.187 nm -1 , respectively, indicating that the effective peak position of Example 1 shifts to a higher q (scattering vector) value than that of Comparative Example 2. In addition, the intensity of the effective peak is correlated with the degree of protein compression and entanglement, and the intensity of the effective peak in Example 1 is higher than that in Comparative Example 2 (I( q ), 1.54×), confirming that a densely entangled structure is formed in BECOM through the template regeneration method and that the protein is compressed to have a more solid β-sheet stacking.
상기 도 9a에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 베타시트에 해당하는 1663 ㎝-1 영역에서 최대강도를 나타내는 피크를 가지며, 상기 피크의 반치폭이 32.5㎝-1이고, 1663 ㎝-1 영역에서 피크의 강도가 비교예 2에 비하여 약 4배 이상 높게 나타난 것을 확인하였다. 또한, 라만 스펙트럼에서 β-시트 구조에 해당하는 1665±10㎝-1에서 라만 신호를 이용하여 β-시트 함량을 계산한 결과, β-시트 함량이 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 각각 51.8%, 18.0% 및 28.7%으로, 실시예 1이 비교예에 비하여 최소 1.80배 더 많은 β-시트 결정을 갖고 더 견고한 β-시트 스태킹을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As shown in the above Fig. 9a, in the case of Example 1, it was confirmed that the peak showing the maximum intensity in the 1663 cm -1 region corresponding to the β-sheet, the half width of the peak was 32.5 cm -1 , and the intensity of the peak in the 1663 cm -1 region was about 4 times higher than that of Comparative Example 2. In addition, as a result of calculating the β-sheet content using the Raman signal at 1665±10 cm -1 corresponding to the β-sheet structure in the Raman spectrum, the β-sheet content was 51.8%, 18.0%, and 28.7% in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively, confirming that Example 1 had at least 1.80 times more β-sheet crystals than the Comparative Example and exhibited more solid β-sheet stacking.
또한, 상기 도 9b에 나타낸 바와 같이, WAXS 분석 결과, 17.6 nm-1에서 나타나는 c축 스태킹 피크의 세기에 대한 14.9 nm-1 에서 나타나는 a축 스태킹 피크의 세기 비율(Ia/Ic)이 실시예1 및 비교예 2이 각각 1.01 및 0.791으로 템플릿 재생으로 제조된 실시예 1의 BECOM이 보다 더 강렬한 a축 스태킹을 나타내며 실크 Ⅱ 구조를 나타내는 것을 확인할 수 있다. In addition, as shown in the above Fig. 9b, the WAXS analysis results show that the intensity ratio of the a-axis stacking peak appearing at 14.9 nm -1 to the intensity of the c-axis stacking peak appearing at 17.6 nm -1 (I a /I c ) is 1.01 and 0.791 for Example 1 and Comparative Example 2, respectively, confirming that the BECOM of Example 1 manufactured by template regeneration exhibits more intense a-axis stacking and exhibits a silk II structure.
유리전이온도Glass transition temperature
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(native silk fibroin) 샘플 1-2 mg을 PerkinElmer, Korea)를 사용하여 챔버를 N2 가스로 퍼지하며 25~300 ℃ 온도 범위 및 5 ℃ min-1, 10 ℃ min-1 및 20 ℃ min-1의 가열 속도 조건 하에서 유리전이온도(Tg)를 측정하여 그 결과를 도 2e에 나타내었다.1-2 mg of BECOM samples manufactured in Example 1 and native silk fibroin samples manufactured in Comparative Example 2 were used (PerkinElmer, Korea) to purge the chamber with N 2 gas and measure the glass transition temperature (T g ) under the conditions of a temperature range of 25 to 300 ℃ and a heating rate of 5 ℃ min -1 , 10 ℃ min -1 , and 20 ℃ min -1 . The results are shown in Fig. 2e.
도 2e는 실시예 1에서 제조된 BECOM(Templated) 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인(Native)의 유리 전이 온도(Tg)를 나타낸 것이다.Figure 2e shows the glass transition temperature (T g ) of BECOM (Templated) manufactured in Example 1 and natural silk fibroin (Native) manufactured in Comparative Example 2.
상기 도 2e에 나타낸 바와 같이, 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인은 보고된 실크 피브로인의 유리전이온도와 유사한 유리전이온도(200.5 ℃/ 173.5 ℃/ 161.6 ℃)를 나타내었으나, 실시예 1에서 제조된 BECOM은 유리전이온도가 257.6 ℃, 261 ℃ 및 277.5 ℃ 로 천연 실크 피브로인에 비하여 크게 증가하였다. 반유연성 폴리머의 사슬 이동성이 약 12.5% 감소하면 Tg가 약 100 ℃ 증가된다고 종래에 보고된 것을 고려할 때, BECOM이 촘촘하게 얽힌 구조로 인해 사슬 이동성이 감소한 것을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 2e, the natural silk fibroin manufactured in Comparative Example 2 exhibited a glass transition temperature (200.5 ℃/173.5 ℃/161.6 ℃) similar to that of the reported silk fibroin, but the BECOM manufactured in Example 1 exhibited a glass transition temperature of 257.6 ℃, 261 ℃, and 277.5 ℃, which were significantly increased compared to that of natural silk fibroin. Considering that it was previously reported that when the chain mobility of a semi-flexible polymer decreases by about 12.5%, the T g increases by about 100 ℃, it can be confirmed that the chain mobility of BECOM is reduced due to the densely entangled structure.
실험예 2. 기계적 물성 평가Experimental Example 2. Evaluation of Mechanical Properties
극한응력(Ultimate stress), 변형율(strain, λ), 인성(toughness, T) 및 탄성계수(elastic modulus, E)를 측정하기 위하여 ASTM D882에 의거하여 UTM (Model 3366, Instron, USA)을 이용하여 두께 400 μm 및 4 cm2 빔 형태의 시편에 5.0 mm min-1의 단축(uniaxial) 장력을 시료가 파괴될 때까지 적용하여 인장 실험을 수행하고, 1%, 3% 및 5% 변형률에서 5.0 mm min-1의 속도로 시편을 구부린 후 회복시키는 것을 변형점(strain point)당 100회 반복하여 반복 굽힘 실험을 수행하였으며, 시편을 10° min-1 속도로 10°, 30°및 60°로 단계 당 100회 반복 비틀어 반복 비틀림 실험(하나의 시료당 600회 변형 사이클에 노출)을 수행하였다. To measure the ultimate stress, strain (λ), toughness (T), and elastic modulus (E), a tensile test was performed using a UTM (Model 3366, Instron, USA) according to ASTM D882 by applying a uniaxial tension of 5.0 mm min -1 until the sample was broken on 400 μm thick and 4 cm 2 beam-shaped specimens. In addition, a cyclic bending test was performed by bending the specimens at a rate of 5.0 mm min -1 at 1%, 3%, and 5% strains and then allowing them to recover, which was repeated 100 times per strain point. In addition, a cyclic torsion test (exposed to 600 deformation cycles for each sample) was performed by twisting the specimens at 10° min -1 at 10°, 30°, and 60° angles, 100 times per step.
도 10는 실시예 1에서 제조된 BECOM(두께 400 μm 및 4 cm2 빔 형태)의 (a) 5.0 mm min-1의 인장 및 변위 속도로 균일한 장력(tension)을 적용하였을 때의 응력 대 변형률 곡선 및 (b) 극한 응력, 탄성 계수 및 인성을 나타낸 그래프이다. 상기 도 10에서 n=3이고, 평균 ± 표준 편차(SD)로 나타내었다.Figure 10 is a graph showing (a) a stress-strain curve and (b) ultimate stress, elastic modulus, and toughness of a BECOM (400 μm thick and 4 cm 2 beam shape) manufactured in Example 1 when a uniform tension was applied at a tensile and displacement rate of 5.0 mm min -1 . In Figure 10 , n = 3, and is expressed as the mean ± standard deviation (SD).
상기 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM은 두께 400 μm 및 4 cm2 빔 형태의 시편으로 제조되었을 때, 17.6 MPa의 극한 응력, 645.1 MPa의 탄성 계수 및 1.57 GJ m-3의 인성을 나타내었다. 특히, 고인성 고분자인 고성능 계층적 폴리(비닐 알코올) 하이드로겔 및 리그노셀룰로오스 바이오플라스틱의 인성 수치가 각각 210 MJ m-3 및 2.8 MJ m-3로 MJm-3 미만(수평 점선으로 표현)의 값을 나타낸 것에 비하면, 상기 실시예 1에서 더 높은 인성을 갖는 것을 알 수 있다.As shown in the above Fig. 10, the BECOM manufactured in the above Example 1, when manufactured into a specimen having a thickness of 400 μm and a beam shape of 4 cm 2 , exhibited an ultimate stress of 17.6 MPa, an elastic modulus of 645.1 MPa, and a toughness of 1.57 GJ m -3 . In particular, it can be seen that the BECOM in the above Example 1 has higher toughness than the high-performance hierarchical poly(vinyl alcohol) hydrogel and lignocellulosic bioplastic, which are high-toughness polymers, which showed toughness values of 210 MJ m -3 and 2.8 MJ m -3 , respectively, which are less than MJ m -3 (expressed by a horizontal dotted line).
한편, 두께 400 μm 및 4 cm2 빔 형태의 시편으로 제조된 실시예 1의 BECOM의 극한응력(Ultimate stress), 탄성계수(E, elastic modulus) 및 인성(T)을 종래의 플라스틱과 비교하여 그 결과를 도 2f에 나타내었다.Meanwhile, the ultimate stress, elastic modulus (E), and toughness (T) of the BECOM of Example 1 manufactured as a beam-shaped specimen with a thickness of 400 μm and a size of 4 cm 2 were compared with those of conventional plastics, and the results are shown in Fig. 2f.
도 2f는 실시예 1에서 제조된 BECOM, 석유화학플라스틱, 분해성 석유화학플라스틱 및 바이오기반 바이오플라스틱의 극한응력 및 탄성계수를 나타낸 것이다.Figure 2f shows the ultimate stress and elastic modulus of BECOM, petrochemical plastic, degradable petrochemical plastic, and bio-based bioplastic manufactured in Example 1.
상기 도 2f에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 BECOM의 극한응력 및 탄성계수는 바이오 기반 바이오플라스틱(PLA) 및 분해성 석유화학 플라스틱(PCL)과 동등 수준의 기계적 물성을 가졌으며, 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 베타시트 함량이 높아져 우수한 최대인장강도, 탄성계수 및 인성을 나타냄을 확인하였다.As shown in the above Fig. 2f, the ultimate stress and elastic modulus of BECOM of Example 1 had mechanical properties equivalent to those of bio-based bioplastic (PLA) and biodegradable petrochemical plastic (PCL), and through this, it was confirmed that the bioplastic according to one embodiment of the present invention exhibited excellent maximum tensile strength, elastic modulus, and toughness due to the increased beta sheet content.
도 2g는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 사이클 굽힘(Cyclic bending) 및 비틀림 프로파일을 나타낸 것이다. Figure 2g shows the cyclic bending and torsion profiles of the BECOM manufactured in Example 1.
상기 도 2g에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1은 굽힘 및 비틀림의 반복 사이클이 가해졌을 때 반복 변형에 파손 없이 적응하여, 우수한 인성과 유연성을 동시에 나타냄을 확인할 수 있다. As shown in the above Fig. 2g, it can be confirmed that the above Example 1 exhibits excellent toughness and flexibility simultaneously by adapting to repeated deformation without breakage when repeated cycles of bending and twisting are applied.
실험예 3. 치아 교정장치 성능 평가 Experimental Example 3. Performance Evaluation of Orthodontic Device
도 3a는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG를 치아 교정장치로 사용하여 치아 교정 치료하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 3a is a schematic diagram illustrating a process of performing orthodontic treatment using BECOM and PETG manufactured in Example 1 as an orthodontic device.
상기 도 3a에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM가 치아 교정장치로서 적합한 성능을 나타낼 수 있는지를 확인하기 위하여 치아 교정장치를 제조하였고, 종래의 치과용 플라스틱으로 널리 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG; Scheu-Dental Duran Thermoforming Foils, Duran)를 대조군으로 사용하였다.As shown in the above Fig. 3a, in order to confirm whether the BECOM manufactured in the above Example 1 can exhibit suitable performance as an orthodontic device, an orthodontic device was manufactured, and polyethylene terephthalate (PETG; Scheu-Dental Duran Thermoforming Foils, Duran), which is widely used as a conventional dental plastic, was used as a control group.
크리프 회복Creep recovery
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM과 PETG를 1.0 mm 두께의 1.0 cm2 필름 형태로 준비하고, 이를 레오미터(MCR 302, 오스트리아 Anton Paar)와 원통형 프로브(Ø8.0 mm)를 사용하여 힘이 5.0 N에 도달할 때까지 압축한 다음 0.1~1.0 kPa 범위의 크리프 응력을 2분 동안 적용하고 응력이 0 kPa로 해제된 후 2분 동안 후속 회복 동작을 모니터링하여 그 결과를 도 3b 및 도 11에 나타내었다.The BECOM and PETG manufactured in the above Example 1 were prepared in the form of a 1.0 cm 2 film with a thickness of 1.0 mm, and compressed using a rheometer (MCR 302, Anton Paar, Austria) and a cylindrical probe (Ø8.0 mm) until the force reached 5.0 N, then a creep stress in the range of 0.1 to 1.0 kPa was applied for 2 minutes, and the subsequent recovery behavior was monitored for 2 minutes after the stress was released to 0 kPa, and the results are shown in FIG. 3b and FIG. 11.
도 3b는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG의 0.3-1.0 kPa 범위의 초기 활성화 조건에서 크리프 회복 반응(Creep-recovery response) 평가 결과를 나타낸 것이다.Figure 3b shows the results of creep recovery response evaluation at initial activation conditions in the range of 0.3-1.0 kPa of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 11은 실시예 1에서 제조된 BECOM의 (a) 2분 동안 1.0 kPa의 크리프 응력을 가하였을 때 정규화된 변형률 대 시간 프로파일 및 (b) 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG의 크리프 응력 0.1 kPa, 0.3 kPa, 0.5 kPa, 1.0 kPa 및 2.0 kPa에서 유도된 영구변형률(Permanent strains)을 나타낸 것이다. 상기 도 5a에서 영구 복원(permanent recovery)은 소성 변형(plastic deformation)을 나타낸 것이다.Figure 11 shows (a) the normalized strain versus time profile of BECOM manufactured in Example 1 when a creep stress of 1.0 kPa was applied for 2 minutes and (b) the permanent strains induced at creep stresses of 0.1 kPa, 0.3 kPa, 0.5 kPa, 1.0 kPa, and 2.0 kPa of BECOM and PETG manufactured in Example 1. In Figure 5a, permanent recovery indicates plastic deformation.
상기 도 3b 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 강한 탄성 회복만을 나타내는 PETG와 달리, 상기 실시예 1의 BECOM은 탄성 및 점탄성 회복을 모두 나타내었고, 증가된 점탄성을 기반으로 PETG보다 높은 회복률을 보여, BECOM이 PETG보다 효과적으로 교정력을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있었다. 더욱이, PETG는 탄성 회복(elastic recovery)이 지배적인 패턴을 나타내어 강렬한 교정력이 한 번에 빠르게 전달되어 치주 인대(periodontal ligaments)에 과도한 스트레스가 가해져 환자의 통증을 유발할 수 있음이 확인된 반면, 실시예 1의 BECOM은 측정된 점탄성 영역이 더 느린 회복 반응을 보여 적당한 크기의 사용자 친화적인 교정력을 지속적이고 원활하게 전달할 수 있음을 확인하였다.As shown in the above FIGS. 3b and 11, unlike PETG which only exhibits strong elastic recovery, BECOM of Example 1 exhibited both elastic and viscoelastic recovery, and showed a higher recovery rate than PETG based on the increased viscoelasticity, confirming that BECOM can exert orthodontic force more effectively than PETG. Furthermore, PETG showed a pattern dominated by elastic recovery, confirming that strong orthodontic force can be delivered quickly at once, which may cause excessive stress on the periodontal ligaments and cause pain in the patient, whereas BECOM of Example 1 showed a slower recovery response in the measured viscoelastic region, confirming that it can continuously and smoothly deliver user-friendly orthodontic force of an appropriate size.
응력 완화 거동 평가(Stress relaxation test)Stress relaxation test
치아 저항 조건(tooth resistance conditions)에서 내구성을 조사하기 위하여 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG을 두께 500 μm, 4.0 cm2 빔 형태로 준비한 후, 사전 변위(0.1-0.5 mm)를 5.0 mm min-1의 속도(2 cm 길이의 샘플에 0.2 mm, 0.4 mm, 0.5 mm의 최초 변형)로 적용하고(변형률=1%, 2% 및 2.5%) 해당 이완 프로파일을 30분 동안 모니터링하여 그 결과를 도 3c 및 도 12에 나타내었다. 이때 밀리미터 이하 규모의 치아 움직임에 대한 치아 저항은 0.5 mm보다 낮은 사전 변위(pre-displacements)에 의해 반영되었으며, 응력완화율(응력감소율, %)은 아래 식 2와 같이 계산하였다.To investigate the durability under tooth resistance conditions, the BECOM and PETG manufactured in Example 1 were prepared in the form of a 4.0 cm 2 beam with a thickness of 500 μm, and then a pre-displacement (0.1-0.5 mm) was applied at a rate of 5.0 mm min -1 (initial strain of 0.2 mm, 0.4 mm, and 0.5 mm for a 2 cm long sample) (strain = 1%, 2%, and 2.5%), and the corresponding relaxation profiles were monitored for 30 min, and the results are shown in Fig. 3c and Fig. 12. At this time, tooth resistance for tooth movement on a scale of less than millimeters was reflected by pre-displacements lower than 0.5 mm, and the stress relaxation rate (stress reduction rate, %) was calculated as shown in
[식 2] 응력완화율 = [(F0-F30)/F0]x100[Formula 2] Stress relaxation rate = [(F 0 -F 30 )/F 0 ]x100
(상기 식 2에서 500 μm의 시료를 제1 변형률(ε) 조건으로 응력 완화 시험을 진행하였을 때, F0는 초기 응력을 의미하고, F30는 30분 후 응력을 의미한다.)(In the
도 3c는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG의 응력 완화(Stress relaxation) 실험 결과를 나타낸 것이다. Figure 3c shows the results of a stress relaxation experiment of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
도 12은 (a) 실시예 1에서 제조된 BECOM의 사전 변위(pre-displacements)가 0.4 mm일 때 응력 완화 패턴 및 (b) 실시예 1에서 제조된 BECOM의 및 PETG의 0.1-0.5 mm의 치아 저항 하에서 응력 대 시간 곡선의 상부 영역 영역에 의해 결정된 완화 에너지(Relaxed energy)를 나타낸 것이다.Figure 12 shows (a) the stress relaxation pattern of BECOM manufactured in Example 1 when the pre-displacements are 0.4 mm and (b) the relaxed energy determined by the upper region of the stress versus time curve under tooth resistances of 0.1-0.5 mm of BECOM and PETG manufactured in Example 1.
상기 도 3c 및 도 12 에 나타낸 바와 같이, 점탄성이 낮은 PETG는 8% 미만의 완화율로 적용된 응력을 거의 완화하지 못했으나, 상기 실시예 1의 BECOM은 제1 변형률이 1%, 2% 및 2.5%일 때 상술한 식 2에 따른 응력완화율이 각각 29%, 54% 및 62%로 우수한 응력 제거 특성을 나타냈다. 또한, 상기 실시예 1의 BECOM은 0.1 mm 및 0.5 mm 치아 저항이 각각 적용되었을 때 2.39J min m-3 및 43.2 J min m-3의 응력을 완화하여 치아 저항 수준에 따라 집중된 응력을 분산시킬 수 있어 안정적인 치아 이동과 내구성을 동시에 보장할 수 있음을 확인하였다. As shown in the above FIG. 3c and FIG. 12, PETG with low viscoelasticity hardly relaxed the applied stress with a relaxation rate of less than 8%, but BECOM of Example 1 showed excellent stress relief characteristics with stress relaxation rates of 29%, 54%, and 62% according to
상기 크리프 회복 및 응력 완화 평가를 종합하면, 상기 실시예 1의 BECOM은 촘촘하게 얽힌 구조를 나타내어 세포외 기질과 세포골격의 생체고분자 네트워크가 얽힌 구조를 나타내기 때문에 점탄성을 갖는 인간 조직과 같이 응력 완화 거동이 뛰어난 점탄성 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실제 교정장치에 사용되는 비교예 3은 응력 완화 거동이 미흡한 탄성 특성을 나타내나, 상기 실시예 1은 비교예 3에 비하여 보다 환자의 통증이나 불편함이 효과적으로 억제될 수 있고, 교정력이 탁월히 향상될 수 있어 종래의 기술의 한계를 개선할 수 있었음을 확인하였다.In summary of the above creep recovery and stress relaxation evaluations, it was confirmed that the BECOM of Example 1 exhibits excellent viscoelastic properties with stress relaxation behavior like human tissues with viscoelasticity because it exhibits a densely entangled structure in which the biopolymer network of the extracellular matrix and the cytoskeleton is entangled. In addition, Comparative Example 3 used in an actual orthodontic device exhibits elastic properties with insufficient stress relaxation behavior, but Example 1 can effectively suppress patient pain or discomfort and significantly improve orthodontic force compared to Comparative Example 3, thereby improving the limitations of the conventional technology.
실험예 4. In silico 유한 요소 분석(finite-element analysis)Experimental Example 4. In silico finite element analysis
분석 조건Analysis conditions
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM의 교정 성능을 입증하기 위해 BECOM 및 PETG를 교정장치로 하여 인간 상악을 교정하는 시물레이션을 수행하고, 그 결과를 In silico 유한 요소 분석(finite-element analysis)하였으며, 상기 시뮬레이션을 위한 조건, 과정 및 결과는 도 3 d-g에 나타내었다.In order to verify the orthodontic performance of the BECOM manufactured in the above Example 1, a simulation was performed to correct a human maxilla using BECOM and PETG as orthodontic devices, and the results were analyzed in silico by finite element analysis. The conditions, process, and results for the simulation are shown in Figs. 3d-g.
도 3d는 인간 상악 교정술의 in silico 시뮬레이션을 위한 상악 형태를 계략적으로 나타낸 도면이다. 상기 도 3d에서 U1과 U2는 각각 중앙 및 측면 상악 절치를 나타낸 것이고, x축, y축, z축은 가로(transverse), 전후(anteroposterior) 및 세로(vertical orientations) 방향으로 좌표를 지정한 것이다.Figure 3d is a schematic diagram of the maxillary morphology for in silico simulation of human maxillary orthodontic surgery. In Figure 3d, U1 and U2 represent the central and lateral maxillary incisors, respectively, and the x-axis, y-axis, and z-axis designate coordinates in the transverse, anteroposterior, and vertical orientations.
먼저, 상기 도 3 d에 나타낸 바와 같이, 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 정상 교합을 가진 성인의 레이저 스캐닝 Nissin Dental Products(Kyoto, Japan, Model-i21D-400G) 이미지에서 각 치아의 상세한 3D 모델을 생성하고, 치주 인대(0.1 mm의 균일한 두께)를 각 치아의 뿌리에 추가한 후. 0.2 mm 정중선(midline) 치극(diastema)을 형성하였다. 그 다음, 350 μm의 동일한 두께를 가진 실시예 1의 BECOM 또는 PETG를 이용한 교정장치를 치아 크라운의 3D 모델을 목표 위치에 위치시키고 이를 병합하여 교정장치의 모양을 만든 후 빼기 불리언 연산(subtractive Boolean operation)을 통해 획득하였다. 그 다음. 상기 윗앞니 사이의 0.2 mm 틈(치극)을 없애고 두 개의 중절치(central incisors)를 중앙쪽으로 0.1 mm 이동시키는 것을 목표로 하여 대칭적인 아치 패턴을 가정하고 치아와 교정장치의 유한 요소 모델을 오른쪽에만 구성했다. 재료 특성은 균질, 등방성 및 선형 탄성 재료 구성 모델로 가정되었고, 3D 모델은 수정된 사면체 2차 요소(C3D10M)를 사용하여 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 속성을 가진 유한 요소 방법을 사용하여 메시되었다.First, as shown in the above Fig. 3d, a detailed 3D model of each tooth was created from a laser-scanned Nissin Dental Products (Kyoto, Japan, Model-i21D-400G) image of an adult with normal occlusion using 3D modeling software, and periodontal ligament (uniform thickness of 0.1 mm) was added to the root of each tooth. A 0.2 mm midline diastema was formed. Then, an orthodontic appliance using BECOM or PETG of Example 1 with a uniform thickness of 350 μm was positioned at the target position with the 3D model of the tooth crown, and the shape of the orthodontic appliance was created by merging them, which was then obtained through a subtractive Boolean operation. Then. A symmetrical arch pattern was assumed and a finite element model of the teeth and the orthodontic appliance was constructed only on the right side, aiming at eliminating the 0.2 mm gap (spur) between the upper incisors and moving the two central incisors by 0.1 mm toward the center. The material properties were assumed to be homogeneous, isotropic, and linear elastic material constitutive models, and the 3D model was meshed using the finite element method with the properties shown in Table 1 using modified tetrahedral second-order elements (C3D10M).
시물레이션 내에서 일련의 반복적인 조정이 이루어져 치아의 점진적이고 제어된 움직임이 가능해져 치주인대의 자연적인 유연성을 고려하여 치아 이동의 초기 단계를 조사하였으며, 처음에는 교정장치가 치아에 정확하고 밀접하게 맞춰졌고 중절치의 치아 소켓이 약간 조정되었다. 초기 치아의 움직임은 각 치아를 단단한 물체로 간주하고 움직일 수 없는 물체로 계산하여 정밀도를 높였으며, 그 후, 관찰된 초기 움직임을 기반으로 치아 소켓을 조정했다. 이러한 조정은 위치와 각도의 약간의 변화를 수반하며 주로 치주 인대의 외부 표면에 적용하였다. 또한 이 방법을 통해 치아에 가해지는 힘을 지속적으로 업데이트하고 개선할 수 있어 시뮬레이션의 정확성을 향상시켰으며, 전체 시뮬레이션 프로세스는 ANSYS(버전 11.0, Ansys Inc. , Canonsburg, PA, USA)에서 APDL(Ansys Parametric Design Language)을 사용하여 자동화되었다. A series of iterative adjustments were made within the simulation to allow for gradual and controlled movements of the teeth, taking into account the natural flexibility of the periodontal ligament, and to investigate the initial stages of tooth movement. Initially, the orthodontic appliance was fitted accurately and closely to the teeth, and the tooth sockets of the central incisors were slightly adjusted. The initial tooth movements were calculated by considering each tooth as a rigid and immovable object, to increase precision, and the tooth sockets were then adjusted based on the observed initial movements. These adjustments involved slight changes in position and angle, and were mainly applied to the outer surface of the periodontal ligament. In addition, this method allowed for continuous updating and improvement of the forces applied to the teeth, which improved the accuracy of the simulation. The entire simulation process was automated using APDL (Ansys Parametric Design Language) in ANSYS (version 11.0, Ansys Inc., Canonsburg, PA, USA).
분석 결과Analysis Results
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG을 이용한 교정장치 두께의 함수로서 치주 인대의 다양한 지점에 작용하는 초기 응력의 크기를 계산하고, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM과 PETG의 중절치(U1)와 측절치(U2)의 최종 3차원 변위와 응력 크기를 비교한 결과와 치아 변위 프로파일을 도 3e,도 3f 및 도 13에 나타내었다.The magnitude of the initial stress acting on various points of the periodontal ligament as a function of the thickness of the orthodontic appliance using BECOM and PETG manufactured in the above Example 1 was calculated, and the final three-dimensional displacement and stress magnitude of the central incisor (U1) and the lateral incisor (U2) of the BECOM and PETG manufactured in the above Example 1 were compared, and the tooth displacement profiles are shown in FIGS. 3e, 3f, and 13.
도 3e는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG을 이용한 교정장치의 y축 위치에 따른 교정력 분포를 나타낸 것이다. 상기 도 3e에서 U1의 윤곽은 검은색 선으로 표현하였고, 실시예 1에서 제조된 BECOM과 PETG 사이의 유의미한 교정력 차이가 관찰된 부분을 나타낸 빨간색 원으로 표현하였다.Figure 3e shows the distribution of orthodontic force according to the y-axis position of the orthodontic device using BECOM and PETG manufactured in Example 1. In Figure 3e, the outline of U1 is expressed as a black line, and the part where a significant difference in orthodontic force between BECOM and PETG manufactured in Example 1 is observed is expressed as a red circle.
상기 도 3e에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 BECOM은 선단(tip, y = 0.0 mm)과 전면(anterior, y = -3.2 mm)에서 PETG에서 유도된 것보다 250-300% 더 높은 힘 크기를 생성하였고, 힘의 패턴이 절치(incisal) 쪽으로 집중되는 경향을 보인 PETG와 달리, 실시예 1의 BECOM은 전후(anteroposterior) 치아 표면(y축)을 따라 분포된 힘을 나타내었다. As shown in FIG. 3e, the BECOM of Example 1 generated force magnitudes that were 250-300% higher than those induced by PETG at the tip (y = 0.0 mm) and anterior (y = -3.2 mm), and unlike PETG, where the force pattern tended to be concentrated toward the incisal side, the BECOM of Example 1 exhibited force distributed along the anteroposterior tooth surface (y-axis).
도 3f는 실시예 1의 BECOM을 이용한 교정장치로 치열을 교정한 후 오른쪽 상악골의 치아 변위 프로파일을 나타낸 것이다. Figure 3f shows the tooth displacement profile of the right maxilla after correction of teeth using the orthodontic appliance using BECOM of Example 1.
상기 도 3f에 나타낸 바와 같이, 검은색 메쉬로 표현한 원래 치아 위치에 비하여 실시예 1의 BECOM을 이용한 교정장치로 교정 치료한 후 치아 위치가 3차원(3D)적으로 이동하였으며, 특히 U1은 임상표준(clinical standards) 범위 내에서 최대인 0.07 mm 변위를 나타내었다. As shown in the above Fig. 3f, the tooth position moved three-dimensionally (3D) after orthodontic treatment using the orthodontic device using BECOM of Example 1 compared to the original tooth position expressed by the black mesh, and in particular, U1 showed a maximum displacement of 0.07 mm within the range of clinical standards.
도 13은 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 교정장치의 두께(300μm, 500μm, 750μm)에 따른 in silico 유한 요소 분석을 사용하여 측정된 인간 상악 중절치(U1) 변위를 나타낸 것이다.Figure 13 shows the displacement of a human maxillary central incisor (U1) measured using in silico finite element analysis according to the thickness (300 μm, 500 μm, 750 μm) of the orthodontic appliance using BECOM manufactured in Example 1.
상기 도 13에 나타낸 바와 같이, BECOM의 두께를 조절하여 교정 성능을 조절할 수 있었고, BECOM 교정장치가 두꺼워짐에 따라 3차원 치아 이동이 증가하였으며, 특히, 750 μm 두께의 BECOM을 사용하면 가로 이동(x축)이 1.60배 향상되었다. As shown in the above Figure 13, the orthodontic performance could be controlled by adjusting the thickness of the BECOM, and as the BECOM orthodontic device became thicker, the three-dimensional tooth movement increased, and in particular, when a BECOM with a thickness of 750 μm was used, the transverse movement (x-axis) was improved by 1.60 times.
또한, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG 교정장치를 이용한 교정 치료 후 치아 내 잔류 힘과 이의 분포도를 도 3g 및 도 14에 나타내었다.In addition, the residual force and its distribution within the teeth after orthodontic treatment using the BECOM and PETG orthodontic devices manufactured in Example 1 are shown in FIG. 3g and FIG. 14.
도 3g는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG 교정장치를 이용한 교정 치료 후 최대 잔류 힘(residual force)을 나타낸 것이다. Figure 3g shows the maximum residual force after orthodontic treatment using the BECOM and PETG orthodontic devices manufactured in Example 1.
도 14는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG를 이용한 교정장치의 치아 위치 교정 이후 잔류 힘 분포도를 나타낸 것이다.Figure 14 shows the residual force distribution after tooth position correction of the orthodontic device using BECOM and PETG manufactured in Example 1.
상기 도 3g 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 치아 저항에 의해 축적된 잔류 힘을 분석한 결과, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM은 저항력을 충분히 완화시켜 PETG에 비해 잔류힘이 55.7% 더 낮은 것으로 나타나 상기 실시예 1의 BECOM이 성공적인 교정 치료를 보장하는 매우 바람직한 기계적 특징을 나타냄을 확인할 수 있었다.As shown in the above FIG. 3g and FIG. 14, the residual force accumulated by tooth resistance was analyzed, and the BECOM manufactured in the above Example 1 sufficiently alleviated the resistance force, showing a residual force that was 55.7% lower than that of PETG, confirming that the BECOM of the above Example 1 exhibits highly desirable mechanical characteristics that ensure successful orthodontic treatment.
실험예 5. 생체 내(In vivo) 치아 교정 성능Experimental Example 5. In vivo orthodontic performance
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM를 이용한 치아교정장치의 교정 성능을 생체 내에서 확인하기 위하여 토끼 앞니를 교정 대상으로 선택하고, 서울 연세의료원 동물기관관리위원회의 승인을 받아(승인번호 2022-0190) 체중이 3 ± 0.2 kg인 수컷 뉴질랜드 흰 토끼 3마리를 물과 음식에 제한 없이 접근할 수 있는 통제된 실험실 환경에 개별적으로 사육하고, 연구 시작 전 최소 1주간의 적응 기간을 두었다. In order to confirm the orthodontic performance of the orthodontic appliance using the BECOM manufactured in Example 1 in vivo, rabbit front teeth were selected as the orthodontic target, and after receiving approval from the Animal Care and Use Committee of Yonsei Medical Center in Seoul (Approval No. 2022-0190), three male New Zealand white rabbits weighing 3 ± 0.2 kg were individually housed in a controlled laboratory environment with unrestricted access to water and food, and an adaptation period of at least 1 week was allowed before the start of the study.
하악 절치 사이의 공간을 줄여야 하는 정중선 확장 모델을 설정한 후, 일반적으로 단계별로 진행되는 투명 교정장치를 이용한 교정 치료를 모사하기 위하여 반복적인 정중선 간격 폐쇄 모델을 설계했다. 각 반복에서 치간 삭제가 꼼꼼하게 수행되었고, 총 세 번 반복하여 평가하였으며, 각각은 2.5 mm의 치극 폐쇄를 달성하는 것을 목표로 했다. After establishing a midline expansion model that requires reduction of the space between the mandibular incisors, a repetitive midline gap closure model was designed to simulate orthodontic treatment using transparent aligners, which is typically performed in stages. In each repetition, interdental reduction was meticulously performed and evaluated three times in total, each targeting a 2.5 mm spur closure.
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 토끼의 하절치 순설 측면을 덮고 절단 가장자리에서 치아의 중간 및 치은 1/3의 접합부까지 연장될 수 있는 길이 5-5.5 mm, 너비 6.8-7.2 mm 및 두께 50-400 μm의 밴드형태의 교정장치로 제작하고, 3마리의 토끼 중 2마리는 활성 BECOM 교정 공간 폐쇄(orthodontic space closure)를 겪었고, 세 번째 토끼는 BECOM를 이용한 교정을 하지 않아 대조군의 역할을 했다. 상기 대조군을 통해 적극적인 교정 치아 움직임이 없을 때 생리적 변화를 면밀히 모니터링하면서, 치아 움직임을 평가하기 위하여 48시간마다 평가를 실시했다. The BECOM manufactured in Example 1 was fabricated into a band-shaped orthodontic device with a length of 5-5.5 mm, a width of 6.8-7.2 mm, and a thickness of 50-400 μm that could cover the labial aspect of the lower incisors of rabbits and extend from the incisal edge to the junction of the middle and gingival 1/3 of the teeth. Two of the three rabbits underwent active BECOM orthodontic space closure, and the third rabbit did not undergo orthodontic treatment using BECOM and served as a control. In the control group, evaluations were performed every 48 hours to evaluate tooth movement, while closely monitoring physiological changes when there was no active orthodontic tooth movement.
치아의 움직임을 객관적으로 측정하기 위해 경량 및 중간 체형 인상재인 폴리비닐 실록산(I-Sil™ Bite, Spident, 인천, 한국)을 사용하여 하악 절치 부위의 구강 내 해부학적 픽업 인상을 기록하였고, 토끼의 전반적인 건강과 치주 건강에 대한 정기적인 검사를 실시했다. 이때 모든 시술은 주사 진정 마취(Zoletil) 하에 수행되었다. 각 반복은 동물당 30분 이상 지속되지 않았으며, 치아 움직임의 변화를 정확하게 평가하기 위해 치석(Mounting Stone, Whip Mix Corp)을 인상 기록에 붓고 테이블탑 스캐너(3Shape E3 스캐너, 덴마크 코펜하겐)를 사용하여 스캔했다. 치아 움직임의 형태학적 분석은 best-fit superimposition(Geomagic Control X, 3D Systems, SC, USA)을 사용하여 수행되었고, 치간 삭제 후 하악 절치의 스캔은 비교 목적을 위한 참고 자료로 사용되었다. To objectively measure tooth movement, intraoral anatomical pick-up impressions of the mandibular incisor region were recorded using a lightweight and medium-sized impression material, polyvinyl siloxane (I-Sil™ Bite, Spident, Incheon, Korea), and the rabbits were routinely examined for general and periodontal health. All procedures were performed under intravenous sedation (Zoletil). Each repetition did not last longer than 30 min per animal. To accurately assess changes in tooth movement, dental calculus (Mounting Stone, Whip Mix Corp.) was poured onto the impression records and scanned using a tabletop scanner (3Shape E3 scanner, Copenhagen, Denmark). Morphometric analysis of tooth movement was performed using best-fit superimposition (Geomagic Control X, 3D Systems, SC, USA), and scans of the mandibular incisors after interproximal reduction served as reference for comparison purposes.
상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 치아교정장치의 의 두께에 따른 투과율은 도 15에 나타내고, 이를 이용하여 토끼 앞니를 점진적으로 최대 2.5 mm까지 이동하여 수행된 임상 교정 치료 결과를 도 4a 내지 도 4e에 나타내었다.The transmittance according to the thickness of the orthodontic device using BECOM manufactured in the above Example 1 is shown in Fig. 15, and the results of clinical orthodontic treatment performed by gradually moving the rabbit's front teeth up to 2.5 mm using this are shown in Figs. 4a to 4e.
도 15는 실시예1의 BECOM를 이용한 치아교정장치의 50 μm에서 400 μm 범위의 두께에 따른 투과율을 나타낸 것이다.Figure 15 shows the transmittance according to the thickness ranging from 50 μm to 400 μm of the orthodontic device using BECOM of Example 1.
상기 도 15에 나타낸 바와 같이, 생체 내 연구에서 사용된 상기 실시예1의 BECOM를 이용한 치아교정장치는 최대 70%의 투과도를 나타냈고, 얇을수록 최대 82%까지 투과도가 증가하는 것으로 나타났다. As shown in the above Figure 15, the orthodontic device using BECOM of Example 1 used in the in vivo study showed a maximum transmittance of 70%, and the thinner it was, the higher the transmittance was, up to a maximum of 82%.
도 4a는 토끼 앞니의 초기(pre-treatment), 절치 간격 발생 후(midline diastema) 및 실시예 1에서 제조된 BECOM를 이용한 치아교정장치로 치아교정한 후(BECOM orthodontics) 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 4a shows photographic images of rabbit incisors at the initial stage (pre-treatment), after incisor gap development (midline diastema), and after orthodontic treatment using an orthodontic appliance using BECOM manufactured in Example 1 (BECOM orthodontics).
도 4b는 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 치아교정장치를 이용하여 토끼 앞니의 치아교정을 위한 3단계 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 도 4b에서 PT는 치료 후 상태를 의미한다.Figure 4b schematically illustrates a three-step process for orthodontic correction of a rabbit's front teeth using an orthodontic device using BECOM manufactured in Example 1. In Figure 4b, PT indicates the post-treatment state.
도 4c는 치아교정장치로 치아교정을 하지 않은 대조군에서 바람직하지 않은 치아 이동과 부정교합이 발생하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 4c schematically illustrates the process in which undesirable tooth movement and malocclusion occur in a control group that did not undergo orthodontic treatment with an orthodontic appliance.
도 4d는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 치아교정장치를 이용하여 토끼 앞니를 치아교정한 후 토끼 앞니의 3차원 스캔된 치아 이동 프로파일의 정면도를 나타낸 것으로, 실시예 1에서 제조된 BECOM를 이용한 교정장치로 치아 교정을 72시간 동안 시행하고 그 결과를 다축 3D 스캔 기반 형태계측(morphometric) 분석한 결과이다.FIG. 4d shows a frontal view of a three-dimensional scanned tooth movement profile of a rabbit's front teeth after orthodontic treatment of the rabbit's front teeth using the BECOM orthodontic appliance manufactured in Example 1. This is the result of morphometric analysis based on multi-axis 3D scans after orthodontic treatment was performed for 72 hours using the BECOM orthodontic appliance manufactured in Example 1.
도 4e는 치아교정장치로 치아교정을 하지 않아 부정교합이 진행되는 치아의 평면도 이미지를 나타낸 것이다. 상기 도 4e에서 θday는 치간 조절(interproximal reduction) 수술 후 특정 날짜의 절단 가장자리 각도를 의미하고, Δθ는 θ0 - θday로 표현되는 바람직하지 않은 내부 회전을 나타낸 것이다.Fig. 4e is a plan view image of teeth in which malocclusion progresses due to non-orthodontic treatment with an orthodontic appliance. In Fig. 4e, θ day denotes the incisal edge angle on a specific day after interproximal reduction surgery, and Δθ denotes undesirable internal rotation expressed as θ 0 - θ day .
상기 도 4a 내지 도 4e에 나타낸 바와 같이, 치아 이동 부위를 확보하기 위해 치간 조절(interproximal reduction) 수술을 통해 정중선 이형성(midline diastema), 즉 절치(incisor) 간격을 발생시킨 후(도 4a), 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 치아교정장치로 3단계 교정 단계를 거쳐 토끼 절치 위치를 총 변위가 2.5 mm가 되도록 점진적으로 교정(도 4b)한 결과, 치아가 충분히 이동되었으며, 특히 치아 이동 지표(indicator)의 파란색으로 표현된 부분은 절단(incisal) 근심(mesial) 가장자리의 재접근(re-approximation)이 뚜렷함을 확인할 수 있었다(도 4d). 반면, 실시예 1에서 제조된 BECOM을 이용한 치아교정장치를 사용하지 않은 대조군은 예상된 바와 같이(도 4c), 내회전을 동반한 급성 부정교합이 관찰되었으며, 특히, θ0 = 143°인 정상 절단연(incisal edge)은 Δθ = 8.0°로 상당히 왜곡되었다. 이를 통해 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM이 치아교정장치로 이용되어 치아의 위치를 미세하게 조정하여 원하지 않는 치아 이동을 방지하고, 결과적으로 만족스러운 교정 치료가 가능함을 확인할 수 있었다.As shown in FIGS. 4a to 4e, in order to secure a tooth movement site, a midline diastema, i.e., an incisor gap, was created through interproximal reduction surgery (FIG. 4a), and then the orthodontic device using the BECOM manufactured in Example 1 was used to gradually correct the rabbit incisor position to a total displacement of 2.5 mm through three correction steps (FIG. 4b). As a result, the teeth were sufficiently moved, and in particular, the blue portion of the tooth movement indicator showed a clear re-approximation of the incisal mesial edge (FIG. 4d). On the other hand, in the control group that did not use the orthodontic appliance using the BECOM manufactured in Example 1, acute malocclusion with internal rotation was observed as expected (Fig. 4c), and in particular, the normal incisal edge with θ 0 = 143° was significantly distorted to Δθ = 8.0°. Through this, it was confirmed that the BECOM manufactured in Example 1 can be used as an orthodontic appliance to finely adjust the positions of teeth, prevent unwanted tooth movement, and ultimately enable satisfactory orthodontic treatment.
실험예 6. 재활용 평가-실크 피브로인 추출Experimental Example 6. Recycling Evaluation-Silk Fibroin Extraction
순수 실크 피브로인 추출 과정 및 결과Pure silk fibroin extraction process and results
상기 실시예 2에서 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 재활용한 절차와 재활용 수율(실크 피브로인의 수율)을 도 5a 및 도 16에 나타내었고, 도 5b에 나타낸 바와 같이 그 과정을 육안으로 확인하기 위하여 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹(R3A)을 분홍색을 나타내는 염료 추적자(Rhodamin B, R3B)로 부분적으로 치환하였다.The procedure and recycling yield (yield of silk fibroin) of the BECOM manufactured in Example 1 in the above Example 2 are shown in FIGS. 5A and 16, and in order to visually confirm the process as shown in FIG. 5B, the antibacterial group (R 3A ) of the urethane oligomer casting mold used in Example 1 was partially substituted with a pink dye tracer (Rhodamin B, R 3B ).
도 5a는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 풀림(Disentanglement)을 기반으로 하여 재활용하는 절차를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 상기 도 5a에 표시된 기호 l과 s는 각각 액체상과 고체상을 의미한다.Fig. 5a is a schematic diagram showing a recycling procedure based on disentanglement of BECOM manufactured in Example 1. The symbols l and s shown in Fig. 5a represent liquid phase and solid phase, respectively.
도 5b는 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹(R3A) 및 염료 추적자(Rhodamin B, R3B)의 화학 구조를 나타낸 것이다.Figure 5b shows the chemical structures of the antibacterial group (R 3A ) and dye tracer (Rhodamin B, R 3B ) of the urethane oligomer casting mold used in Example 1.
도 16은 (a) 실시예 1의 BECOM 및 실시예 2에서 실시예 1의 BECOM울 재활용하여 추출된 순수 실크 피브로인(EPSF)의 무게(n=4) 및 (b) 실시예 1의 BECOM울 재활용하여 추출된 순수 실크 피브로인(EPSF)의 평균 질량 수율을 나타낸 것이다. Figure 16 shows (a) the weight (n=4) of pure silk fibroin (EPSF) extracted by recycling BECOM of Example 1 and BECOM of Example 1 in Example 2, and (b) the average mass yield of pure silk fibroin (EPSF) extracted by recycling BECOM of Example 1.
상기 도 5a 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM은 얽힌 구조를 나타내어 이를 풀어내어 재활용 가능 특성을 가질 수 있을 것으로 예상되었고, 실제 상기 실시예 2에서 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 포름산 처리하자, 수소 결합을 기반으로 얽혀있는 구조가 풀려 자유롭게 이동 가능한 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(템플릿)와 변성 실크 피브로인 가닥이 포함된 액체 BECOM이 생성되었으며, 이어서 에탄올을 투입하자 실크 피브로인이 침전되어 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드와 실크 피브로인이 분리되었다. 이러한 과정을 5회 연속 반복 후 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드와 실크 피브로인이 각각 액체상과 고체상으로 추출되었고, 실시예 2에서 실크 피브로인의 추출 수율은 질량 기준으로 72.6%였다(도 16). As shown in the above FIGS. 5A and 16, the BECOM manufactured in Example 1 exhibited an entangled structure, which was expected to be untangled and thus have recyclable properties. In fact, when the BECOM manufactured in Example 1 was treated with formic acid in Example 2, the entangled structure was untangled based on hydrogen bonds, thereby generating a liquid BECOM containing a freely movable urethane oligomer casting mold (template) and denatured silk fibroin strands. Then, when ethanol was added, the silk fibroin precipitated, and the urethane oligomer casting mold and silk fibroin were separated. After this process was repeated five times, the urethane oligomer casting mold and silk fibroin were extracted in a liquid phase and a solid phase, respectively. The extraction yield of silk fibroin in Example 2 was 72.6% on a mass basis (FIG. 16).
한편, 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율(R3A/(R3A + R3B))에 따른 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인의 사진이미지를 도 5c 및 도 17에 나타내었다.Meanwhile, the photographic images of BECOM manufactured in Example 1 and silk fibroin extracted in Example 2 according to the substitution ratio (R 3A /(R 3A + R 3B )) of the antimicrobial group and the dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in Example 1 are shown in FIG. 5c and FIG. 17.
도 5c는 실시예 1에서 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율(R3A/(R3A + R3B))에 따른 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인의 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 5c shows photographic images of BECOM prepared in Example 1 and silk fibroin extracted in Example 2 according to the substitution ratio (R 3A /(R 3A + R 3B )) of the antimicrobial group and the dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in Example 1.
도 17은 실시예 1의 BECOM 제조에 사용된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 몰비에 따른 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인의 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 17 shows photographic images of silk fibroin extracted in Example 2 according to the molar ratio of the antimicrobial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold used in the production of BECOM in Example 1.
상기 도 5c 및 도 17에 나타낸 바와 같이, 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹(R3A)을 분홍색 염료(R3B)로 치환한 비율(치환율)이 최대 10 mmol%로 증가함에 따라 BECOM은 더욱 강렬한 분홍색을 나타내었으나, 추출된 실크 피브로인은 치환율에 상관없이 노란색을 나타내어 템플릿이 완전히 제거되었음을 알 수 있다.As shown in the above FIG. 5c and FIG. 17, as the ratio (substitution rate) of the antibacterial group (R 3A ) of the urethane oligomer casting mold being replaced with a pink dye (R 3B ) increased up to a maximum of 10 mmol%, BECOM exhibited a more intense pink color, but the extracted silk fibroin exhibited a yellow color regardless of the substitution rate, indicating that the template was completely removed.
도 5d는 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인, 및 비교예 2에서 제조된 천연 실크 피브로인의 13C 핵자기공명(NMR) 스펙트럼을 나타낸 것이다.FIG. 5d shows 13 C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra of BECOM prepared in Example 1, silk fibroin extracted in Example 2, and natural silk fibroin prepared in Comparative Example 2.
상기 도 5d에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 BECOM은 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹의 지방족 사슬에 관련된 29.2 ppm에서의 피크 및 얽힘을 유도한 에테르기에 관련된 70.9 ppm에서의 피크가 모두 나타나, 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드가 존재함을 알 수 있었다. 반면, 상기 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인은 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 관련 신호를 나타내지 않았으며, 실크 피브로인의 Gly, Ala 및 Ser 신호만을 나타내었다. 이를 통해, 상기 실시예 2에서 추출된 실크 피브로인이 매우 순수하고 잔류 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드를 포함하지 않음을 확인할 수 있었다. As shown in the above FIG. 5d, the BECOM of the above Example 1 showed both a peak at 29.2 ppm related to the aliphatic chain of the antibacterial group of the urethane oligomer casting mold and a peak at 70.9 ppm related to the ether group that induced the entanglement, indicating the presence of the urethane oligomer casting mold. On the other hand, the silk fibroin extracted in the above Example 2 did not show any signals related to the urethane oligomer casting mold, and only showed the Gly, Ala, and Ser signals of the silk fibroin. Through this, it was confirmed that the silk fibroin extracted in the above Example 2 was very pure and did not contain any residual urethane oligomer casting mold.
상기 실시예 2에서 실시예 1의 BECOM으로부터 실크 피브로인을 추출하는 과정에서 수득된 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 특성을 분석하기 위하여, 실시예 2에서 매 추출 사이클 후에 추출된 0.320 mg의 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드를 30 m 길이의 UA-5 컬럼을 갖춘 단일 샷 열분해 가스 크로마토그래피-질량 분석기(8890 GC-5977B MSD, Agilent)를 사용하여 챔버에 1 mL min-1의 유속으로 헬륨으로 퍼지하고, 주입 온도 40 ℃에서 5분 동안 초기 안정화 단계를 거친 후, 온도를 10°C min-1의 가열 속도로 320 ℃까지 증가시키고 10분 동안 정지하여 분석 결과를 얻고, 이를 기반으로 다음 식 5와 같이 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 추출량을 계산하였으며, 그 과정과 결과를 도 18, 도 5e 및 도 19에 나타내었다.In order to analyze the characteristics of the urethane oligomer casting mold obtained in the process of extracting silk fibroin from the BECOM of Example 1 in the above Example 2, 0.320 mg of the urethane oligomer casting mold extracted after each extraction cycle in Example 2 was purged with helium at a flow rate of 1 mL min -1 in the chamber using a single-shot pyrolysis gas chromatography-mass spectrometer (8890 GC-5977B MSD, Agilent) equipped with a 30 m long UA-5 column, and after an initial stabilization stage at an injection temperature of 40 °C for 5 min, the temperature was increased to 320 °C at a heating rate of 10 °C min -1 and held for 10 min to obtain the analysis results, and based on this, the extraction amount of the urethane oligomer casting mold was calculated using the following
[식 5] (우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 관련 피크 영역)/(용매 피크 영역 + 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 관련 피크 영역)[Formula 5] (Peak area related to urethane oligomer casting mold) / (Solvent peak area + Peak area related to urethane oligomer casting mold)
(상기 식 5에서, 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 관련 피크는 가스 크로마토그래피 분석 결과 메탄, 에틸렌, 프로펜, 아세틸렌, 1,3-부타디엔 및 벤젠에 해당하는 피크이고, 용매 피크는 가스 크로마토그래피 분석 결과 포름산 및 에탄올에 해당하는 피크이다.)(In the
도 18은 실시예 2에서 추출 사이클에 따른 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드 추출량 프로파일을 나타낸 것이다.Figure 18 shows the extraction amount profile of a urethane oligomer casting mold according to the extraction cycle in Example 2.
도 5e는 실시예 2에서 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율이 50 mmol%인 실시예 1의 BECOM을 재활용하여 추출한 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드(1 mL)의 첫 번째 및 다섯 번째 추출 과정 후 사진이미지를 나타낸 것이다.Figure 5e shows photographic images of the urethane oligomer casting mold (1 mL) extracted by recycling BECOM of Example 1 having a substitution ratio of 50 mmol% of the antimicrobial group and dye tracer of the urethane oligomer casting mold in Example 2 after the first and fifth extraction processes.
도 19는 실시예 2에서 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 항균 그룹과 염료 추적자의 치환 비율이 50 mmol%인 BECOM을 재활용하여 추출한 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 추출 사이클에 따른 (a) 1H 핵자기공명(NMR; Avance III HD 300, Bruker) 스펙트럼) 및 (b) 사진 이미지(바이알당 1 mL)를 나타낸 것이다.Figure 19 shows (a) 1 H nuclear magnetic resonance (NMR;
상기 도 18, 도 5e, 및 도 19에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 2에서 첫 번째 추출 단계에서 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드의 76.8%가 추출되었고(도 18), Rhodamine B에서 유래된 1H NMR 스펙트럼 7.1~7.4ppm 범위의 넓은 피크가 3회 추출 후에 사라지고(도 19a), 3회 추출 이후부터는 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드에 해당하는 분홍색이 거의 관찰되지 않아 우레탄 올리고머 캐스팅 몰드가 완전히 제거된 것을 알 수 있었다(도 19b, 도 5e). As shown in the above FIGS. 18, 5e, and 19, 76.8% of the urethane oligomer casting mold was extracted in the first extraction step in Example 2 (FIG. 18), and the broad peak in the range of 7.1 to 7.4 ppm in the 1 H NMR spectrum derived from Rhodamine B disappeared after three extractions (FIG. 19a), and the pink color corresponding to the urethane oligomer casting mold was hardly observed after the third extraction, indicating that the urethane oligomer casting mold was completely removed (FIG. 19b, FIG. 5e).
염증성 바이오마커 발현 평가Evaluation of inflammatory biomarker expression
상기 실시예 2에서 추출된 EPSF에 대식세포를 처리하고, EPSF를 처리하지 않은 대조군(Mock(n=3))과 면역 반응 및 염증 바이오마커(종양괴사인자-α(TNF-α); 인터루킨-1β(IL-1β); 인터루킨-6(IL-6) 및 산화질소 합성효소 2,(NOS2)) 발현 정도를 비교하여 그 결과를 도 5f에 나타내었다.Macrophages were treated with the EPSF extracted in Example 2 above, and the expression levels of immune response and inflammatory biomarkers (tumor necrosis factor-α (TNF-α); interleukin-1β (IL-1β); interleukin-6 (IL-6), and nitric oxide synthase 2 (NOS2)) were compared with those of the control group (Mock (n=3)) that was not treated with EPSF, and the results are shown in Fig. 5f.
도 5f는 실시예 2에서 추출한 실크 피브로인(EPSF)과 대조군의 염증성 바이오마커 상대적 발현 강도(n=3)를 나타낸 그래프이다.Figure 5f is a graph showing the relative expression intensity of inflammatory biomarkers (n=3) between silk fibroin (EPSF) extracted in Example 2 and the control group.
상기 도 5f에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에서 추출한 EPSF로 처리된 대식세포는 대조군에 비하여 TNF-α, IL-1β, 및 IL-6의 발현이 감소하였으며, 대조군과 동등한 정도의 NOS2 발현 정도를 나타내었는데, 이는 천연 실크 피브로인에서도 나타나는 것으로 보고된 바 있으므로, EPSF이 천연 실크 피브로인과 같은 우수한 세포적합성을 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 5f, macrophages treated with EPSF extracted in Example 2 showed decreased expression of TNF-α, IL-1β, and IL-6 compared to the control group, and showed a level of NOS2 expression equivalent to the control group. Since this has been reported to also appear in natural silk fibroin, it can be confirmed that EPSF shows excellent cytocompatibility like natural silk fibroin.
실험예 7. 재활용 평가-재성형Experimental Example 7. Recycling Evaluation-Reforming
사용이 완료된 바이오플라스틱을 다시 초기의 바이오플라스틱으로 재성형하여 재활용할 수 있는지를 확인하기 위하여, 실시예 1에서 제조된 BECOM을 산성 용액에 침지하여 얽힌 구조를 풀어낸 후 다시 산성 용액을 제거하여 재얽힘을 유도하여 재활용한 BECOM-R1(실시예 3) 및 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM로부터 실크피브로인을 추출하고, 이를 다시 템플릿 재생법을 이용하여 재활용한 BECOM-R2(실시예 4)의 형태, FT-IR 스펙트럼 분석 및 극한응력을 분석한 후 그 결과를 도 5g, 도 20 및 도 5h에 나타내었다.In order to verify whether the used bioplastic can be recycled by re-molding it back into the initial bioplastic, the BECOM manufactured in Example 1 was immersed in an acidic solution to disentangle the entangled structure, and then the acidic solution was removed to induce re-entanglement, thereby recycling BECOM-R1 (Example 3), and BECOM-R2 (Example 4), in which silk fibroin was extracted from the BECOM manufactured in Example 1 and then recycled using a template regeneration method, were analyzed for the morphology, FT-IR spectrum analysis, and ultimate stress, and the results are shown in FIGS. 5g, 20, and 5h.
도 5g는 두께가 200 μm인 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2 사진 이미지를 나타낸 것이다.Figure 5g shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4 having a thickness of 200 μm.
상기 도 5g에 나타낸 바와 같이. 상기 실시예 1(BECOM), 실시예 3(BECOM-R1) 및 실시예 4(BECOM-R2) 모두 유사한 형태를 나타내어, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 산성 용액 침지 및 제거 과정으로 재얽힘을 유도하거나(실시예 3, BECOM-R1), 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM로부터 실크 피브로인을 추출한 후 이를 다시 템플릿 재생법을 수행함으로써(실시예 4, BECOM-R2), BECOM의 재활용이 이루어질 수 있음을 확인하였다.As shown in the above Fig. 5g, all of the above Examples 1 (BECOM), 3 (BECOM-R1), and 4 (BECOM-R2) showed similar morphologies, confirming that BECOM can be recycled by inducing re-entanglement of the BECOM manufactured in Example 1 through an acidic solution immersion and removal process (Example 3, BECOM-R1), or by extracting silk fibroin from the BECOM manufactured in Example 1 and then performing the template regeneration method again (Example 4, BECOM-R2).
도 20은 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2의 FT/IR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 상기 도 20의 FT/IR 스펙트럼은 푸리에 변환 적외선 분광기(FT/IR-4700, JACSO, 일본)를 사용하여 샘플당 32회 반복 스캔하여 얻어졌다. Figure 20 shows the FT/IR spectra of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4. The FT/IR spectra of Figure 20 were obtained by repeating scanning 32 times per sample using a Fourier transform infrared spectrometer (FT/IR-4700, JACSO, Japan).
상기 도 20에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1(BECOM), 실시예 3(BECOM-R1) 및 상기 실시예 4에(ECOM-R2) 모두 실크 피브로인의 β-시트 구조에 해당하는 아미드 I 영역에서 1620 cm-1의 강한 신호를 포함하는 β-시트 관련 푸리에 변환 적외선 아미드 I 스펙트럼을 나타내어 상기 실시예 3 및 상기 실시예 4에서 촘촘하게 얽힌 구조가 재구성되었음을 알 수 있었다.As shown in the above Figure 20, all of the above Examples 1 (BECOM), 3 (BECOM-R1) and 4 (ECOM-R2) showed β-sheet-related Fourier transform infrared amide I spectra including a strong signal at 1620 cm -1 in the amide I region corresponding to the β-sheet structure of silk fibroin, indicating that the tightly entangled structure was reconstructed in the above Examples 3 and 4.
한편, 본 발명의 바이오플라스틱이 재활용된 이후에도 기계적 물성이 유지되는지 확인하기 위하여, 응력 대 변형률 곡선, 극한 응력 및 최대인장강도와 탄성계수를 측정한 결과와 종래의 플라스틱과 비교한 결과를 도 5h 및 도 21에 나타내었다.Meanwhile, in order to confirm whether the mechanical properties of the bioplastic of the present invention are maintained even after recycling, the results of measuring the stress versus strain curve, ultimate stress, maximum tensile strength, and elastic modulus, and the results compared with conventional plastics are shown in FIG. 5h and FIG. 21.
도 5h는 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2의 극한 응력 그래프(n=3)를 나타낸 것이다.Figure 5h shows the ultimate stress graphs (n=3) of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4.
도 21은 (a) 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2을 이용한 4 cm2의 빔 형태 시편의 5.0 mm·min-1의 변위율로 균일한 장력을 가하였을 때 응력 대 변형률 곡선(n=3) 및 (b) 실시예 1에서 제조된 BECOM, 실시예 3에서 제조된 BECOM-R1 및 실시예 4에서 제조된 BECOM-R2, 석유화학플라스틱, 분해성 석유화학플라스틱 및 바이오기반 바이오플라스틱의 극한 응력 및 탄성 계수를 나타낸 것이다.Figure 21 shows stress-strain curves (n=3) when a uniform tension is applied at a displacement rate of 5.0 mm min -1 to beam-shaped specimens of 4 cm 2 using (a) BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4, and (b) ultimate stress and elastic modulus of BECOM manufactured in Example 1, BECOM-R1 manufactured in Example 3, and BECOM-R2 manufactured in Example 4, petrochemical plastics, degradable petrochemical plastics, and bio-based bioplastics.
상기 도 5h 및 도 21에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1(BECOM), 실시예 3(BECOM-R1) 및 실시예 4(BECOM-R2)의 극한응력은 각각 17.6 MPa, 17.4 MPa 및 11.5 MPa이고, 탄성계수는 각각 645.1 MPa, 413.2 MPa 및 292.8 MPa이었다. 즉. 상기 실시예 3의 BECOM-R1은 상기 실시예1의 BECOM과 매우 유사한 극한 응력(stress)을 나타냈다. 한편, 상기 실시예 4의 BECOM-R2는 극한 응력이 35% 감소하였지만, 분해성 전분 플라스틱의 극한 응력이 ~10 MPa임을 고려하면 11.5 MPa으로 그와 동등한 정도의 극한 응력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, BECOM의 재활용 프로세스가 완료된 후에도 BECOM의 우수한 기계적 특성이 유지될 수 있음을 확인하였다.As shown in the above FIG. 5h and FIG. 21, the ultimate stresses of Example 1 (BECOM), Example 3 (BECOM-R1), and Example 4 (BECOM-R2) were 17.6 MPa, 17.4 MPa, and 11.5 MPa, respectively, and the elastic moduli were 645.1 MPa, 413.2 MPa, and 292.8 MPa, respectively. That is, BECOM-R1 of Example 3 exhibited an ultimate stress very similar to BECOM of Example 1. On the other hand, BECOM-R2 of Example 4 exhibited an ultimate stress that was reduced by 35%, but considering that the ultimate stress of the biodegradable starch plastic is ~10 MPa, it was confirmed that it exhibited an ultimate stress of 11.5 MPa, which is equivalent to that of the biodegradable starch plastic. Through this, it was confirmed that the excellent mechanical properties of BECOM can be maintained even after the recycling process of BECOM is completed.
실험에 8. BECOM의 미생물 저항성 평가8. Evaluation of microbial resistance of BECOM in experiments
도 6a 치열 교정 중 교정장치와 치은 조직에서 미생물 생물막(biofilm)이 성장하는 현상을 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 6a is a schematic diagram showing the phenomenon of microbial biofilm growth on orthodontic appliances and gingival tissue during orthodontic treatment.
상기 도 6a에 나타낸 바와 같이, 구강 조직에는 수많은 미생물이 포함되어 있어 교정장치를 이용하여 치열을 교정할 때 교정장치를 장기간 구강 내 적용하고 6시간 이후부터 외부 표면은 플라크 형성에 대한 강한 친화력을 나타낸다. 또한 교정장치와 치아 사이의 내부 영역은 외부 표면보다 상대적으로 더 혐기성이기 때문에 두꺼운 세포외 다당류(extracellular polysaccharide)가 축적되는 것과 같은 생물막 형성에 유리한 환경이 쉽게 만들어질 수 있다. 따라서 치아교정 치료 중 치은 조직과 교정장치는 생물막 성장에 취약하다. 이에 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM의 미생물 저항성을 평가하기 위하여 인간 타액 샘플을 이용하여 미생물 저항성을 확인하였다.As shown in the above Fig. 6a, oral tissues contain numerous microorganisms, and when correcting teeth using an orthodontic appliance, the orthodontic appliance is applied to the oral cavity for a long period of time, and after 6 hours, the outer surface shows a strong affinity for plaque formation. In addition, since the inner area between the orthodontic appliance and the teeth is relatively more anaerobic than the outer surface, an environment favorable for biofilm formation, such as accumulation of thick extracellular polysaccharides, can easily be created. Therefore, gingival tissues and orthodontic appliances are vulnerable to biofilm growth during orthodontic treatment. Therefore, in order to evaluate the microbial resistance of the BECOM manufactured in Example 1, the microbial resistance was confirmed using human saliva samples.
시험관 내(in vitro) 미생물 저항성In vitro microbial resistance
타액 샘플 수집은 제64차 세계 의학 협회 헬싱키 선언 준수를 포함하여 윤리적 지침을 엄격하게 준수하고, 전체절차는 대한민국 연세대학교 치과병원 기관심사위원회의 엄격한 승인을 받았으며(승인 번호 2-2019-0049), 참가자 모집은 연구에서 성별이나 성별을 변수로 고려하지 않고 공정하게 수행되어 6명의 건강한 기증자로부터 수집된 타액 샘플을 동일한 부피로 혼합하고 멸균 글리세롤로 희석하여 30% 농도를 달성한 다음 -80 ℃에 보관하고, 생물막 모델의 배양을 촉진하기 위해 McBain 배지로 알려진 특수 배지를 준비하여 인간 타액 샘플을 McBain 배지에서 24시간 동안 배양하였다. 그 후, 1.5 mL의 부피를 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 PETG에 분배하고 37 ℃의 일정한 온도에서 48시간 동안 배양하고, 실험의 무결성과 관련성을 유지하기 위해 배양 기간 동안 8시간, 16시간, 24시간 간격으로 새로운 배지를 보충했으며, 표면 생물막은 16s rRNA 시퀀싱을 위한 멸균 루프를 사용하여 수집되었다. Saliva sample collection was conducted in strict accordance with ethical guidelines including compliance with the 64th World Medical Association Declaration of Helsinki, and the entire procedure was strictly approved by the Institutional Review Board of Yonsei University Dental Hospital, Republic of Korea (Approval Number 2-2019-0049), and the recruitment of participants was performed fairly without considering gender or sex as a variable in the study. Saliva samples collected from six healthy donors were mixed in equal volumes and diluted with sterile glycerol to achieve a 30% concentration and then stored at -80 °C. To promote the culture of the biofilm model, a special medium known as McBain's medium was prepared, and human saliva samples were cultured in McBain's medium for 24 h. After that, 1.5 mL volume was dispensed into the BECOM and PETG prepared in Example 1 and incubated at a constant temperature of 37 °C for 48 h, and fresh medium was replenished at intervals of 8 h, 16 h, and 24 h during the incubation period to maintain the integrity and relevance of the experiment, and the surface biofilm was collected using a sterile loop for 16s rRNA sequencing.
상술한 바와 같이, 인간 타액 배지에 상기 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 처리한 후, 뮤탄스 연쇄상구균(Streptococcus mutans) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 거동 특성을 콜로니 형성(단위=CFU) 정도로 평가하여 그 결과를 도 6 b-c에 나타내었으며, BECOM 및 PETG 없이 배양한 것을 대조군(Mock)으로 하였다. 이때 CFU 값을 로그 규모로 나타내어, 모든 증가는 CFU의 102 증가에 해당하였으며, 예를 들어, S. mutans 부착과 관련하여 BECOM과 PETG는 각각 56과 3.2 × 106에 해당하는 평균 CFU를 나타내었다.As described above, after treating the human saliva medium with the BECOM and PETG of Example 1, the behavioral characteristics against Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus were evaluated by the degree of colony formation (unit = CFU), and the results are shown in Fig. 6 bc. The culture without BECOM and PETG was used as the control group (Mock). At this time, the CFU value was expressed on a log scale, and every increase corresponded to an increase of 10 2 in CFU. For example, with regard to S. mutans attachment, BECOM and PETG showed average CFU of 56 and 3.2 × 10 6 , respectively.
도 6b는 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 시험관 내(in vitro) 인간 타액 배지에 처리한 실험군 및 대조군의 뮤탄스 연쇄상구균(Streptococcus mutans) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 부착(Attachment) 거동(n=3) 그래프를 나타낸 것이다.Figure 6b shows a graph of the attachment behavior (n=3) of the experimental and control groups to Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus in vitro when BECOM and PETG of Example 1 were treated with human saliva medium.
상기 도 6b에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 BECOM은 S. aureus가 부착 거동을 거의 보이지 않아, BECOM이 초기 펠리클(pellicle) 층의 형성을 차단할 수 있음을 확인할 수 있었다. As shown in the above Fig. 6b, the BECOM of Example 1 showed almost no attachment behavior of S. aureus , confirming that BECOM could block the formation of the initial pellicle layer.
이에 더하여, 2차 병원성 증식을 고려하기 위하여, S. mutans 및 S. aureus를 액체 배지에서 72시간 동안 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM 또는 PETG와 함께 배양한 후 증식 거동을 평가하여 그 결과를 도 6c에 나타내었다.In addition, to consider secondary pathogenic growth, S. mutans and S. aureus were cultured in liquid medium with BECOM or PETG prepared in Example 1 for 72 hours, and then the growth behavior was evaluated, and the results are shown in Fig. 6c.
도 6c는 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 시험관 내(in vitro) 인간 타액 배지에 처리한 실험군 및 대조군의 뮤탄스 연쇄상구균(Streptococcus mutans) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 증식 거동(n=3) 그래프를 나타낸 것이다.Figure 6c shows a graph of the growth behavior (n=3) of Streptococcus mutans and Staphylococcus aureus in the experimental and control groups treated with BECOM and PETG of Example 1 in vitro in human saliva medium.
상기 도 6c에 나타낸 바와 같이, PETG는 대조군(Mock)과 유사한 증식 패턴을 보였지만 실시예 1의 BECOM은 미생물 성장을 현저하게 방해하였으며, 특히 S. aureus에 성장은 완전하게 억제하였다. As shown in the above Fig. 6c, PETG showed a similar proliferation pattern to the control group (Mock), but BECOM of Example 1 significantly inhibited microbial growth, and in particular, completely inhibited the growth of S. aureus .
도 6d는 실시예 1의 BECOM 및 PETG를 시험관 내(in vitro) 인간 타액 배지에 처리한 실험군의 S. mutans 및 S. aureus의 주사 전자 현미경 이미지(스케일 바 = 5.0 μm)를 나타낸 것이다.Figure 6d shows scanning electron microscope images (scale bar = 5.0 μm) of S. mutans and S. aureus in the experimental group treated with BECOM and PETG of Example 1 in vitro in human saliva medium.
상기 도 6d에 나타낸 바와 같이, PETG에서 S. mutans 및 S. aureus을 기반으로 형성된 생물막이 더 조직적인 형태를 이루었으나, 실시예 1의 BECOM은 생물막 성장이 최소화되고 구균(cocci)이 비대칭으로 찢어져 뛰어난 살균 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 6d, the biofilm formed based on S. mutans and S. aureus on PETG had a more organized form, but it could be confirmed that BECOM of Example 1 exhibited excellent sterilization performance as biofilm growth was minimized and cocci were torn asymmetrically.
세포 생존률 평가Cell viability assessment
농축된 4급 암모늄 화합물은 뛰어난 항균 성능에도 불구하고 독성에 대한 우려가 있기에 상기 실시예 1의 BECOM을 L-929, RAW264.7 및 인간 치은 섬유아세포(HGF-1) 세포주에서 세포 생존률을 측정하였다. 10% 소태아혈청(FBS; Gibco, Thermo Fisher Scientific)과 1% 페니실린 및 스트렙토마이신(P/S; Gibco; Thermo Fisher Scientific)이 보충된 Dulbecco's Modified Eagle Medium media(DMEM; HyClone Co. , Logan, UT, USA))를 37 ℃, 95% 습도, 5% CO2 환경에서 배양하는 데 사용하고, 합류 후, 부착 세포를 0.05% 트립신/EDTA(Gibco, Thermo Fisher Scientific)로 분리하고 1300 rpm에서 3분간 원심분리한 후 성장 배지에 재현탁했다. CEB와 EPSF는 10% FBS와 1% P/S를 함유한 DMEM에서 추출되었으며, 추출 비율은 25mg/mL, 37 ℃에서 72시간이었다. 상층액을 수집하고 멸균 여과(0.2 μm 주사기 필터)한 후 배양 배지에 희석하였고, 성장 배지는 대조군(Mock)으로 사용되었다. Concentrated quaternary ammonium compounds have concerns about toxicity despite their excellent antibacterial performance, so the BECOM of Example 1 was used to measure cell viability in L-929, RAW264.7, and human gingival fibroblast (HGF-1) cell lines. Dulbecco's Modified Eagle Medium media (DMEM; HyClone Co., Logan, UT, USA) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS; Gibco, Thermo Fisher Scientific) and 1% penicillin and streptomycin (P/S; Gibco; Thermo Fisher Scientific) was used to culture at 37°C, 95% humidity, 5% CO 2 , and after confluence, the adherent cells were detached with 0.05% trypsin/EDTA (Gibco, Thermo Fisher Scientific), centrifuged at 1300 rpm for 3 minutes, and resuspended in growth medium. CEB and EPSF were extracted from DMEM containing 10% FBS and 1% P/S, at an extraction ratio of 25 mg/mL, at 37°C for 72 h. The supernatant was collected, sterile filtered (0.2 μm syringe filter), and then diluted in culture medium, and the growth medium was used as a control (Mock).
1×104 세포를 96웰 플레이트(대한민국 경기도 포천시, 에스피엘생명과학(SPL Life Sciences Co.))에 플레이팅하고 37 ℃, 95% 습도, 5% CO2에서 24시간 동안 유지하고, 배양 시간 후, 세포 배양된 96웰 플레이트에 각 물질을 100 μL씩 추출하였다. 24시간 배양 후, 50 μL의 MTT 용액(1 mg mL-1)을 첨가하고, 96-웰 플레이트를 인큐베이터에 2시간 더 넣은 후, 이소프로판올(Duksan Pure Chemical Co. , Ansan-si, 대한민국) 100 μL를 각 웰에 첨가했다. 광학 밀도(OD)는 세포 생존율 분석을 위해 마이크로플레이트 리더(Epoch, BioTek, Winooski, VT, USA)를 사용하여 57 nm에서 다음 식 6으로 세포 생존률(Cell viability, %)을 계산하였다.1 × 10 4 cells were plated in a 96-well plate (SPL Life Sciences Co., Pocheon-si, Gyeonggi-do, South Korea) and maintained at 37 ℃, 95% humidity, and 5% CO 2 for 24 h. After the incubation time, 100 μL of each material was extracted into the 96-well plate cultured with cells. After 24 h of incubation, 50 μL of MTT solution (1 mg mL -1 ) was added, and the 96-well plate was placed in the incubator for 2 more h, and then 100 μL of isopropanol (Duksan Pure Chemical Co., Ansan-si, South Korea) was added to each well. The optical density (OD) was measured at 57 nm using a microplate reader (Epoch, BioTek, Winooski, VT, USA) for cell viability analysis. The cell viability (Cell viability, %) was calculated using the following Equation 6:
[식 6] 세포 생존율(%) = (실험군의 OD570) / (대조군(Mock)의 OD570) × 100[Formula 6] Cell viability (%) = (OD 570 of the experimental group) / (OD 570 of the control group (Mock)) × 100
또한, qPCR 분석을 이용하여 전염증(pro-inflammatory) 반응 유도를 수행하기 위해, 1×105 RAW 264.7 세포를 6웰 플레이트(SPL Life Science Co.)에 24시간 동안 배양하고 기존 배지를 버리고 다양한 샘플 추출로 교체한 후, 48시간 후, 총 RNA를 추출하고(QIAzol 용해 시약, Qiagen, Hilden, Germany) 상보적 디옥시리보핵산(DNA)을 합성했다(PrimeScript™ RT 시약 키트, Takara Bio Co. , Tokyo, Japan). 제그 다음 SYBR® Premix Ex TaqTM 키트(Takara Bio Co.)를 사용하여 실시간 PCR 시스템에서 qPCR을 수행했다. 표적 유전자의 상대적 메신저 RNA 수준은 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소의 발현에 대해 정규화하였다. In addition, to perform pro-inflammatory response induction using qPCR analysis, 1 × 10 5 RAW 264.7 cells were cultured in 6-well plates (SPL Life Science Co.) for 24 h, the existing medium was discarded and replaced with various sample extractions, and after 48 h, total RNA was extracted (QIAzol lysis reagent, Qiagen, Hilden, Germany) and complementary deoxyribonucleic acid (DNA) was synthesized (PrimeScript™ RT reagent kit, Takara Bio Co., Tokyo, Japan). qPCR was then performed on a real-time PCR system using SYBR® Premix Ex TaqTM kit (Takara Bio Co.). The relative messenger RNA levels of the target genes were normalized to the expression of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.
도 22는 (a) 음성 대조군(NC; 고밀도 폴리에틸렌 필름), 양성 대조군(PC; 0.1% ZDEC 폴리우레탄 필름) 및 실시예 1에서 제조된 BECOM을 처리하였을 때 섬유아세포 단층(fibroblast confluent monolayer)의 반응 거리(n=3), (b) 상기 실시예 1의 BECOM 및 상기 실시예 2의 EPSF를 인간 치은 섬유아세포(HGF-1), 마우스 섬유아세포(L929) 및 마우스 대식세포(Raw264.7)와 공동 배양한 이후 세포 생존력을 나타낸 그래프(n=3) 및 (c) 실시예 1에서 제조된 BECOM와 대조군(Mock)의 의한 염증성 바이오마커 상대적 발현 정도를 나타낸 것이다.Figure 22 is a graph showing the reaction distance of fibroblast confluent monolayer when treated with (a) negative control (NC; high-density polyethylene film), positive control (PC; 0.1% ZDEC polyurethane film), and BECOM prepared in Example 1 (n=3), (b) cell viability after co-culturing the BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2 with human gingival fibroblasts (HGF-1), mouse fibroblasts (L929), and mouse macrophages (Raw264.7) (n=3), and (c) relative expression levels of inflammatory biomarkers by BECOM prepared in Example 1 and the control (Mock).
상기 도 22a는 Good Laboratory Practice 승인 기관(서울대학교병원, 서울, 한국)에서 국제표준화기구(ISO) 10993-5:2009 표준에 따라 한천 확산 테스트(ISO 10993-5:2009)를 수행하여 얻어진 결과이고, 상기 도 22b의 점선은 ISO 10993-5:2009 표준에 따른 세포독성 기준인 70% 세포 생존율을 나타낸 것이며, 도 22c의 대조군은 EPSF가 없는 실험군을 의미한다.The above Fig. 22a is the result obtained by performing an agar diffusion test (ISO 10993-5:2009) according to the International Organization for Standardization (ISO) 10993-5:2009 standard at a Good Laboratory Practice approved institution (Seoul National University Hospital, Seoul, Korea). The dotted line in the above Fig. 22b indicates 70% cell viability, which is the cytotoxicity criterion according to the ISO 10993-5:2009 standard. The control group in Fig. 22c indicates an experimental group without EPSF.
상기 도 22에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM의 반응성은 1등급이었고(도 22a), 인간 치은 섬유아세포와 대식세포에 대한 생존력 테스트에서 높은 세포 생존력을 나타내었으며(도 22b), 생체 내에서 알레르기 반응을 유도하지 않아 대식세포의 감소된 염증성 바이오마커(TNF-α, IL-1β, IL-6 및 NOS2) 발현이 감소하여(도 22c) 우수한 생체적합성을 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 22, the reactivity of the BECOM manufactured in the above Example 1 was grade 1 (Fig. 22a), and it exhibited high cell viability in the viability test for human gingival fibroblasts and macrophages (Fig. 22b), and it was confirmed that it exhibited excellent biocompatibility as it did not induce an allergic reaction in vivo and the expression of reduced inflammatory biomarkers (TNF-α, IL-1β, IL-6, and NOS2) of macrophages was reduced (Fig. 22c).
인간 타액 생물막 미생물 군집 분석Analysis of human salivary biofilm microbial communities
당단백질(glycoprotein)이 풍부한 인간 타액은 다종 미생물 부착과 그에 따른 복잡한 생물막 형성을 촉진하여 교정장치에 병원성 플라크 축적을 가속화할 수 있으며, 플라크 축적으로 오염된 교정장치는 교정 치료 중 치은염, 치아 우식증과 같은 구강 내 질환을 유발할 수 있다.이에 16S 리보솜 리보핵산(rRNA) 앰플리콘 시퀀싱을 사용하여 실시예 1(BECOM) 또는 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 미생물군집 정보를 얻었다.Human saliva, rich in glycoproteins, can accelerate the accumulation of pathogenic plaque on orthodontic devices by promoting the attachment of various microorganisms and the formation of complex biofilms thereby, and orthodontic devices contaminated with plaque accumulation can cause oral diseases such as gingivitis and dental caries during orthodontic treatment. Here, 16S ribosomal ribonucleic acid (rRNA) amplicon sequencing was used to obtain microbial community information of human salivary biofilms formed in Example 1 (BECOM) or PETG.
보다 구체적으로, DNA 시퀀싱은 DNA 추출 후 우리는 Illumina 16S rRNA 시퀀싱 라이브러리 프로토콜을 준수하여 시퀀싱된 샘플을 준비하고, PicoGreen과 VICTOR Nivo를 사용하여 DNA 품질과 수량을 평가했다. 16S rRNA 유전자를 증폭하기 위해 16S V3-V4 프라이머를 사용하였고, 다중화 지수 및 Illumina 시퀀싱 어댑터를 포함하기 위해 추가적인 제한된 주기 증폭 단계가 수행되었다. 그 후, MiSeq™ 플랫폼에서 시퀀싱을 실시하기 전에 결과 제품을 정규화 및 풀링하고 크기를 확인했다. 앰플리콘 시퀀싱의 배경에서 Illumina Miseq Sequencing System(Illumina, USA)이 사용되었다. low-score reads(<25)이 수행된 경우를 제외하고 raw reads에 대해 품질 검사가 수행하였고, 이어서, 쌍방향 서열 데이터를 병합하고 프라이머를 다듬었다. 고유한16S rRNA 판독은 97%의 유사성 임계값을 사용하여 분리되었으며 분류 할당은 EzBioCloud 16S rRNA 데이터베이스를 기반으로 수행되었다. More specifically, DNA sequencing was performed after DNA extraction, we prepared the sequenced samples following the Illumina 16S rRNA sequencing library protocol, and assessed DNA quality and quantity using PicoGreen and VICTOR Nivo. 16S V3-V4 primers were used to amplify the 16S rRNA gene, and an additional limited cycle amplification step was performed to include the multiplexing index and Illumina sequencing adapters. The resulting products were then normalized, pooled, and size-checked before sequencing on the MiSeq™ platform. The Illumina Miseq Sequencing System (Illumina, USA) was used in the background of amplicon sequencing. Quality checks were performed on the raw reads, except when low-score reads (<25) were performed, and then the paired-end sequence data were merged and the primers were trimmed. Unique 16S rRNA reads were separated using a 97% similarity threshold and taxonomic assignments were performed based on the EzBioCloud 16S rRNA database.
도 6e는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 앰플리콘(amplicon) 서열 변이체 수준에서 알파 다양성 측정 매트릭(metrics)을 나타낸 것이다.Figure 6e shows alpha diversity metrics at the amplicon sequence variant level of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1.
상기 도 6e에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 BECOM는 관찰 종 지수가 낮아 BECOM의 미생물 군집 공동체 내에서 종 다양성이 감소하였고, Chao1 및 ACE 수준이 모두 감소하여 총 다양성도 감소하여, BECOM이 미생물 군집 성장에 대한의 높은 저항성을 가짐을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 6e, the BECOM of Example 1 had a low observed species index, which resulted in a decrease in species diversity within the microbial community of BECOM, and both the Chao1 and ACE levels decreased, which also resulted in a decrease in total diversity, confirming that BECOM has a high resistance to microbial community growth.
도 6f는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 Bray-Curtis 비 유사성 방법을 기반으로 한 앰플리콘 서열 변이체의 주성분 (Principal component ,PC) 분석 플롯을 나타낸 것이다. 상기 도 6f에서 PC1과 PC2는 각각 첫 번째와 두 번째 좌표를 나타낸 것이다.Figure 6f shows a principal component (PC) analysis plot of amplicon sequence variants based on the Bray-Curtis dissimilarity method of human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1. In Figure 6f, PC1 and PC2 represent the first and second coordinates, respectively.
상기 도 6f에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1의 BECOM과 PETG의 미생물 군집 커뮤니티 사이에서 베타 다양성의 차이를 나타내었고, 구체적으로는 상기 실시예 1의 BECOM 그룹은 밀접하게 클러스터되어 있으며 두 번째 주 성분에서도 PETG과 구별되었다. 특히, BECOM은 변이가 64.71%를 차지하여 ANOSIM R-값이 0.9259(p=0.101)로 첫 번째 주성분에서 유의미한 차이를 나타내었다. 즉 BECOM과 PETG에서 실질적으로 상당히 다른 미생물 군집이 성장했음을 확인할 수 있다.As shown in the above Fig. 6f, there was a difference in beta diversity between the microbial community of BECOM and PETG of the above Example 1, and specifically, the BECOM group of the above Example 1 was closely clustered and was distinguished from PETG in the second principal component. In particular, BECOM showed a significant difference in the first principal component with an ANOSIM R-value of 0.9259 (p=0.101) because the variation accounted for 64.71%. In other words, it can be confirmed that substantially different microbial communities grew in BECOM and PETG.
도 6g는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막의 속(genus) 수준에서 다른 분류군의 발생에 대한 유의하게(*p<0.05) 나타난 상관 패턴을 나타낸 것이다. 상기 도 6g에서 분홍색 막대는 BECOM보다 PETG에서 상대적으로 더 우세한 종을 나타내고, 녹색 막대는 BECOM이 지배적인 종을 나타낸 것이며, BECOM 및 PETG와 서로 다른 속의 발생 패턴을 비교한 구체적인 상관 분석 결과는 하기 표 2에 나타내었다.Figure 6g shows a significantly (*p<0.05) revealed correlation pattern for the occurrence of different taxa at the genus level in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1. In Figure 6g, the pink bars represent species that are relatively more dominant in PETG than in BECOM, and the green bars represent species that are dominant in BECOM, and the specific correlation analysis results comparing the occurrence patterns of different genera with BECOM and PETG are shown in Table 2 below.
상기 도 6g 및 표 2에 나타낸 바와 같이, PETG의 미생물 군집 내 분류학적 분포는 일반적으로 관찰되는 병원성 속(pathogenic genera)인 Bulleida, Veillonella, Enterococcus, Staphylococcus, LactoBacillus 및 Gemella과 양(positive)의 상관관계가 있었으나, 공생적인 Granulicatella와는 유의미한 음(negative)의 상관관계가 관찰되었다. As shown in the above Fig. 6g and Table 2, the taxonomic distribution within the microbial community of PETG had a positive correlation with commonly observed pathogenic genera such as Bulleida , Veillonella , Enterococcus , Staphylococcus , LactoBacillus , and Gemella , but a significant negative correlation was observed with the commensal Granulicatella .
도 6h는 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막 내 세 가지(LactoBacillus fermentum, Veillonella atypica 및 Enterococcus faecalis) 병원체(pathogens)의 수를 나타낸 그래프이다. 상기 실시예 1의 BECOM에서 형성된 인간 타액 생물막 DESeq2를 사용하여 분석된 종 수준의 분류단위(taxonomic units)의 구체적인 결과는 하기 표 3에 나타내었다.Figure 6h is a graph showing the number of three pathogens ( LactoBacillus fermentum , Veillonella atypica , and Enterococcus faecalis ) in human saliva biofilms formed on BECOM and PETG in Example 1. Specific results of taxonomic units at the species level analyzed using DESeq2 in human saliva biofilms formed on BECOM in Example 1 are shown in Table 3 below.
상기 도 6h 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM에서는 혐기성 우식성 병원체 L. fermentum과 주요 생물막 연결(biofilm-bridging) 종인 V. atypica 및 E. faecalis가 없어, BECOM은 병원성 종에 대한 선호도가 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 상기 실시예 1의 BECOM은 수개월간 지속되는 치아교정 기간에도 보다 깨끗한 교정장치를 유지할 수 있음이 확인되었다.As shown in the above Fig. 6h and Table 3, in the BECOM manufactured in the above Example 1, the anaerobic cariogenic pathogen L. fermentum and the major biofilm-bridging species V. atypica and E. faecalis were absent, confirming that the BECOM had a significantly reduced preference for pathogenic species. This confirmed that the BECOM of the above Example 1 could maintain a cleaner orthodontic device even during an orthodontic treatment period lasting several months.
도 23은 실시예 1의 BECOM 및 PETG에서 형성된 인간 타액 생물막 내 미생물 군집 커뮤니티 내 종 수준의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 23 is a graph showing the relative abundance at the species level within the microbial community in human saliva biofilms formed from BECOM and PETG in Example 1.
상기 도 23에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM과 PETG가 S. parasanguinis, S. salivarius 및 S. anginosus를 포함한 Streptococccaceae 계통 구성원에서 뚜렷한 변이를 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in the above Figure 23, it can be confirmed that the BECOM and PETG manufactured in the above Example 1 exhibit distinct variations in members of the Streptococccaceae family, including S. parasanguinis , S. salivarius , and S. anginosus .
실험예 9. 퇴비화Experimental Example 9. Composting
퇴비화 방법Composting Methods
도 7a는 호열성 및 호기성 조건에서 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF(샘플당 총 4.6g)에 대한 국제 표준화 기구(ISO) 20200-17 기반 퇴비화 내용을 개략적으로 나타낸 모식도이다.Figure 7a is a schematic diagram illustrating composting content based on the International Organization for Standardization (ISO) 20200-17 for BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2 (total 4.6 g per sample) under thermophilic and aerobic conditions.
상기 도 7a에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM이 친환경적으로 폐기될 수 있는지를 확인하기 위하여 실시예 1(BECOM)을 건조 중량이 4.6 g인 4.0 cm2 필름 형태의 샘플로 준비한 후, 무작위로 2~3개의 그룹으로 나누어 샘플당 3개의 배치로 ISO 20200-17을 준수하여 ISO 20200-17에서 정의된 Bacillus가 우점종인 표준 퇴비 토양을 사용하여 8주 동안 호열성 및 호기성 퇴비화 실험을 수행하였다. 또한, 생태계에서 관찰되는 실크 피브로인의 천연 퇴비화 특성과 비교하기 위하여 대조군으로 실시예 2에서 제조된 EPSF 4.55 g를 4.0 cm2 필름 형태로 준비하여 사용하였다.As shown in the above Fig. 7a, in order to verify whether the BECOM manufactured in Example 1 can be disposed of in an environmentally friendly manner, Example 1 (BECOM) was prepared as a 4.0 cm 2 film-shaped sample with a dry weight of 4.6 g, and then randomly divided into 2 to 3 groups, and 3 batches per sample were used for thermophilic and aerobic composting experiments for 8 weeks using a standard compost soil in which Bacillus is a dominant species as defined in ISO 20200-17 in compliance with ISO 20200-17. In addition, in order to compare with the natural composting characteristics of silk fibroin observed in the ecosystem, 4.55 g of EPSF manufactured in Example 2 was prepared in the form of a 4.0 cm 2 film and used as a control.
상기 표준퇴비는 톱밥 40 중량%, 토끼사료 30 중량%, 완숙퇴비 10 중량%, 옥수수전분 10 중량%, 자당 5%, 옥수수씨유 4% 및 요소 1% 를 혼합하여 제조하였고, 외부 환경과 가스 교환을 허용하는 직경 Ø60 mm의 구멍 두 개를 가진 폴리프로필렌 퇴비화 반응기를 사용하여 BECOM 또는 EPSF 피브로인 대 습식 퇴비의 초기 질량 비율은 2%로 설정한 후, 호열성 배양은 공기 순환 오븐에서 60 ℃에서 퇴비화 물질을 혼합하고 주기적으로 물을 첨가하여 충분한 통기와 수분 함량을 보장하며 퇴비화 반응을 수행하였다. 그 다음, 8주차에 얻어지는 퇴비를 체질한 후 BECOM과 EPSF의 건조 질량을 측정하여 하기 식 3에 따라 퇴비화율을 결정했다. The above standard compost was prepared by mixing 40 wt% of sawdust, 30 wt% of rabbit feed, 10 wt% of mature compost, 10 wt% of corn starch, 5% sucrose, 4% corn seed oil, and 1% urea, and a polypropylene composting reactor having two holes with a diameter of Ø60 mm to allow gas exchange with the external environment was used. The initial mass ratio of BECOM or EPSF fibroin to wet compost was set to 2%, and then thermophilic incubation was performed in an air circulation oven at 60 °C by mixing the composting materials and periodically adding water to ensure sufficient aeration and moisture content. Then, the compost obtained at the 8th week was sieved, and the dry mass of BECOM and EPSF was measured to determine the composting rate according to
[식 3] (CM0-CM8)/CM0 X 100[Formula 3] (CM 0 -CM 8 )/CM 0 X 100
(상기 식 3에서, CM0는 퇴비화 전 바이오플라스틱의 중량을 의미하고, CM8는 퇴비화 8주 후 바이오플라스틱의 중량을 의미한다.)(In the
퇴비화 결과Composting Results
도 7b는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 전(week 0) 및 8주 후(week 8)의 사진 이미지를 나타낸 것이다.Figure 7b shows photographic images of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 before composting (week 0) and after 8 weeks (week 8).
도 7c는 실시예 1에서 제조된 BECOM의 초기(1주차 및 4주차) 퇴비화 사진 이미지를 나타낸 것이다.Figure 7c shows the initial (1st and 4th week) composting photograph images of BECOM manufactured in Example 1.
상기 도 7b 및 도 7c에 나타낸 바와 같이, 0주차의 초기 4.0 cm2 필름 형태의 단일 BECOM 및 EPSF 샘플은 8주 후 분해되어 검게 변하고 뒤틀리고 조각났고(도 7b), 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM는 퇴비화 첫 주부터 약간 변형되었고, 퇴비화 중 파쇄되어 빨간색 화살표로 나타낸 바와 같이 단편화되었으며, 4주차 이후에는 상당한 조각화가 관찰되어 단편화로 인해 잔여 BECOM의 면적이 20% 감소한 것을 알 수 있다(도 7c).As shown in FIGS. 7b and 7c, the initial 4.0 cm 2 film-shaped single BECOM and EPSF samples at
토양에 있는 Bacillus 종은 호기성 대사 과정에서 프로테아제(protease)를 생성하는데, 이러한 프로테아제는 실크 피브로인의 효과적인 단백질 분해를 유도하여 실크 피브로인의 신속한 퇴비화를 유발한다. 이에 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM이 실크 피브로인 분해 효소에 의해 충분히 분해되는지 확인하기 위해, 실시예 1에서 제조된 BECOM(n=4) 1 x 1 cm2을 실크 피브로인 분해 효소로 알려진 매트릭스 메탈로펩티다제 9, 프로테아제 XIV(1.0 U mL-1, n=4) 및 콜라게나제 IA이 담지된 4 mL의 효소 배지에 담그고 37°C에서 최대 72시간 동안 배양하고, 시간에 따른 사진 이미지를 도 24에 나타내었다. Bacillus species in the soil produce proteases during the aerobic metabolic process, and these proteases induce effective protein degradation of silk fibroin, thereby causing rapid composting of silk fibroin. Therefore, in order to confirm whether the BECOM manufactured in Example 1 is sufficiently decomposed by the silk fibroin-decomposing enzyme, 1 x 1 cm 2 of the BECOM (n=4) manufactured in Example 1 was immersed in 4 mL of an enzyme medium containing
도 24는 실시예 1에서 제조된 BECOM을 메탈로펩티다제 9(MMP-9; 1 nM 활성, n=4), 프로테아제 XIV(1.0 U mL-1, n=4) 및 콜라게나제 IA(1.0 U mL-1, n= 4) 포함 효소 배지에 담지 후, 담지 시간에 따른 사진이미지 및 시간에 따른 두께를 나타낸 것이다.Figure 24 shows the photographic images and the thickness over time of BECOM manufactured in Example 1 immersed in an enzyme medium containing metallopeptidase 9 (MMP-9; 1 nM activity, n=4), protease XIV (1.0 U mL -1 , n=4), and collagenase IA (1.0 U mL -1 , n=4) according to immersion time.
상기 도 24에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 BECOM을 프로테아제 XIV에 담근 후 24시간 후에 배지가 약간 탁한 색상을 나타내었고, 실크 피브로인의 프로테아제 반응으로 인해 24시간 후에 단백질 분해가 시작되었음을 알 수 있었으며, 48시간 이내에 농축된 프로테아제 XIV 배지(1.0 U mL-1)에서 완전히 분해되었으나, 콜라게나제에 대해서는 분해가 잘 되지 않았다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오플라스틱은 실제 퇴비에 있는 유익균인 B.subtilis가 분비하는 프로테아제에 잘 분해되어 퇴비화 특성이 우수할 수 있고, 콜라제나제에 대해서는 잘 녹지 않아 구강 내 타액(침)에 대해서는 높은 안정을 나타내는 것을 확인할 수 있다.As shown in the above Figure 24, after 24 hours of immersing the BECOM manufactured in Example 1 in protease XIV, the medium showed a slightly turbid color, and it was found that protein degradation began after 24 hours due to the protease reaction of silk fibroin, and was completely decomposed in the concentrated protease XIV medium (1.0 U mL -1 ) within 48 hours, but was not well decomposed by collagenase. Through this, it was confirmed that the bioplastic according to one embodiment of the present invention can be well decomposed by protease secreted by B. subtilis, a beneficial bacteria present in actual compost, and can have excellent composting characteristics, and does not dissolve well in collagenase, so it shows high stability in oral saliva (spit).
도 7d는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주차 시점에서 퇴비화율을 나타낸 것이다.Figure 7d shows the composting rate at the 8th week of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
상기 도 7d에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM은 프로테아제 반응으로 8주차에 72. 1%의 우수한 퇴비화율을 나타냈고, 상기 실시예 2의 EPSF는 96.7%의 완전 퇴비화율을 달성하여 완전한 퇴비화가 8주 후 몇 주 이내에 달성될 수 있음을 확인할 수 있었다.As shown in the above Fig. 7d, the BECOM manufactured in the above Example 1 showed an excellent composting rate of 72.1% in the 8th week by protease reaction, and the EPSF of the above Example 2 achieved a complete composting rate of 96.7%, confirming that complete composting can be achieved within a few weeks after the 8th week.
퇴비화 후 토양 미생물 분석Soil Microbial Analysis after Composting
BECOM 퇴비화에 따라 다양한 미생물의 발달과 성장에 도움이 되는 환경을 조성할 수 있고, 퇴비 토양 상태는 생태계가 밀접하게 연결되어 있다. 이에 퇴비화된 토양 내 미생물 상태를 분석하고자, 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 0주차, 4주차 및 8주차에 잘 혼합된 퇴비를 얻고, 각 퇴비의 DNA를 추출하였다. 보다 구체적으로, 준비 단계에서 0.2 mL 얇은 벽의 PCR 튜브 내에서 클레아제가 없는 물 5μL, 10 ng input DNA 10μL 및 LongAmp Hot Start Taq 2X Master Mix 25μL로 구성된 혼합물을 엄격하게 제조하고, 튜브를 균질화를 위해 간단히 원심분리한 후 조심스럽게 최적화된 조건 하에 열 순환기에서 PCR 증폭을 수행하였다. 그 후, 95 ℃에서 1분 동안 초기 변성을 수행한 후, 95 ℃에서 20초 동안 변성, 55 ℃에서 30초 동안 어닐링, 65 ℃에서 2분 동안 연장을 25회 반복시킨 후, 사이클은 65 ℃에서 5분 동안 최종 연장하여 종료되었으며, 그 후 샘플은 4 ℃에서 유지되었다. BECOM composting can create an environment that is helpful for the development and growth of various microorganisms, and the compost soil condition is closely connected to the ecosystem. Therefore, in order to analyze the microbial status in the composted soil, well-mixed composts were obtained at
라이브러리 준비를 위해 ONT에서 제공하는 프로토콜을 아래 설명된 대로 사용했다. 바코드 프로세스의 경우 96-웰 플레이트에서 엄선된 16S 바코드를 선택하고, 선택한 바코드를 조심스럽게 분리하고 해동한 후 멸균 피펫 팁을 사용하여 호일 표면을 뚫었다. 그런 다음 10 μL 부피의 혼합 바코드를 이전에 증폭된 DNA가 포함된 해당 PCR 튜브에 추가하고 후속 정제 단계에서 각 샘플은 재현탁된 AMPure XP 비드 30μL로 처리되었다. 샘플을 회전 혼합기에서 실온에서 5분 동안 배양한 후 원심분리하여 자성 펠릿을 형성한 후, 투명한 상청액을 버리고 비드 펠릿을 70% 에탄올로 두 번 세척하여 자력(magnetic) 분리시켰으며, 자력 분리 후, 10 μL의 투명한 용출액을 멸균 DNA LoBind 튜브에 수집했다. 정량화 및 풀링 단계에서 각 용출된 샘플은 Qubit 형광계를 사용하여 정량화한 다음 바코드 라이브러리를 모아서 50~100 fmol 범위의 농도를 얻었고 ~1500 염기쌍(bp) 16S 앰플리콘에 대해 50~100ng와 상관 관계를 분석하였었다. 마지막으로, pooled DNA에 1 ㅅL의 RAP를 첨가한 후 완전히 혼합하고 5분간 배양했다. For library preparation, the protocol provided by ONT was used as described below. For the barcoding process, carefully selected 16S barcodes were selected from 96-well plates, carefully isolated and thawed, and the foil surface was pierced using a sterile pipette tip. 10 μL volume of mixed barcodes was then added to the corresponding PCR tubes containing previously amplified DNA, and in the subsequent purification step, each sample was treated with 30 μL of resuspended AMPure XP beads. The samples were incubated on a rotating mixer at room temperature for 5 minutes, centrifuged to form a magnetic pellet, and the clear supernatant was discarded and the bead pellet was washed twice with 70% ethanol for magnetic separation. After magnetic separation, 10 μL of the clear eluate was collected into a sterile DNA LoBind tube. In the quantification and pooling step, each eluted sample was quantified using a Qubit fluorometer and then barcoded libraries were pooled to obtain concentrations in the range of 50–100 fmol, which were correlated to 50–100 ng for ~1500 base pair (bp) 16S amplicons. Finally, 1 sL of RAP was added to the pooled DNA, mixed thoroughly, and incubated for 5 min.
상기 데이터 수집, 실시간 분석, 실행 피드백, 로컬 베이스 호출 등 다양한 작업을 처리하는 MinKNOW 소프트웨어(버전 5. 2. 13)를 사용하여 시퀀싱을 수행하고 감독하고, 시퀀싱 데이터는 MinIT 장치(버전 19.05. 2)의 도움으로 MinKNOW 소프트웨어(버전 3. 3. 2)에 통합된 Guppy 버전을 사용하여 실시간으로 기본 호출되었으며, 모든 FASTQ 파일은 연결되어 생물정보학 파이프라인에 사용되었다. MinION 시퀀싱 통계(어댑터를 사용하여 분석)는 Porechop(버전 0.2. 4)을 사용하여 정리되었다(read: minimum read length=100 bp, >80% ensure, minimum Q-score of five using filtlong (version 0.2.1)). 모든 샘플의 평균 서열 길이는 1574개 염기였고, 미생물 16S rRNA 판독의 분류학적 분류는 kraken2-미생물 PlusPF-16 데이터베이스를 사용하여 Kraken2(버전 2.0.8b)로 수행되었다.Sequencing was performed and supervised using MinKNOW software (
상기 실시예 2에서 제조된 EPSF는 순도가 높은 실크 피브로인이고, 실크 피브로인이 자연생태계에 공평하게 관여하고 있다는 점을 고려하면 EPSF의 퇴비화가 퇴비 토양 상태에 영향을 미치지 않을 것으로 가정할 수 있다. 이에, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM을 양성대조군인 EPSF와 퇴비 미생물 군집을 16S rRNA 유전자 서열 분석을 통해 미생물학적 특성, 대표적으로 EPSF 대조군과의 유사성을 8주차에 모니터링하여 부작용 없는 퇴비화 작용도 입증하였다.Considering that the EPSF manufactured in the above Example 2 is a high-purity silk fibroin and that silk fibroin participates fairly in the natural ecosystem, it can be assumed that the composting of EPSF will not affect the condition of the compost soil. Accordingly, the BECOM manufactured in the above Example 1 and the compost microbial community were monitored for microbiological characteristics, such as similarity with the EPSF control group, at 8 weeks through 16S rRNA gene sequence analysis, thereby proving the composting action without side effects.
도 7e는 대조군(EPSF)의 8주 동안 얻어진 퇴비 토양의 ACE 알파 다양성 매트릭스(metrics)를 나타낸 것이다. Figure 7e shows the ACE alpha diversity matrix (metrics) of the compost soil obtained over 8 weeks of the control (EPSF).
도 25는 대조군(EPSF)의 0주, 4주 및 8주차 시점에서 얻어진 퇴비 토양의 (a) 관찰 및 (b) Chao1 알파 다양성 매트릭(metric)을 나타낸 것이다.Figure 25 shows (a) the observation and (b) the Chao1 alpha diversity metric of the compost soil obtained at 0, 4, and 8 weeks of the control group (EPSF).
상기 도 7e 및 도 25에 나타낸 바와 같이, ACE 알파 다양성 애스티메이터(alpha diversity estimator)로 표현된 시간 경과에 따른 미생물 다양성의 변화를 통해 미생물 다양성과 종 풍부도의 향상은 퇴비가 실험 일정에 따라 성숙되었음을 확인할 수 있었으며(도 7e), Chao1 풍부도와 관찰된 종 지수를 통해 미생물 종 풍부도가 상당하게 증가함을 확인할 수 있었다(도 25). As shown in FIG. 7e and FIG. 25, the change in microbial diversity over time expressed by the ACE alpha diversity estimator confirmed that the compost matured according to the experimental schedule through the improvement in microbial diversity and species richness (FIG. 7e), and the Chao1 richness and observed species index confirmed that the microbial species richness increased significantly (FIG. 25).
도 7f는 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 ACE 풍부도 비교결과를 나타낸 것이다.Figure 7f shows the results of comparing the ACE abundance of composted soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2.
도 26은 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 (a) 관찰 및 (b) Chao1 알파 다양성 매트릭(metric)을 나타낸 것이다.Figure 26 shows (a) observation and (b) Chao1 alpha diversity metric of compost soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2.
상기 도 7f 및 도 26에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM과 상기 실시예 2에서 제조된 EPSF가 퇴비화 종료 시점에서 미생물 다양성에 대해 유사한 특징을 나타냄을 알 수 있다.As shown in the above FIG. 7f and FIG. 26, it can be seen that the BECOM manufactured in the above Example 1 and the EPSF manufactured in the above Example 2 exhibit similar characteristics with respect to microbial diversity at the end of composting.
도 7g는 0주차 표준 퇴비, 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 주좌표 분석(PCoA) 분석 플롯을 나타낸 것으로, 상기 도 7g에서 앰플리콘 서열 변이체는 Bray-Curtis 비유사성 방법을 사용하여 측정된 것이다. 또한, 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 8주 후 얻어진 퇴비 토양의 종 수준의 유사성 비율의 구체적인 분석 결과는 하기 표 4에 나타내었다.Figure 7g shows a principal coordinate analysis (PCoA) analysis plot of the compost soil obtained after 8 weeks of composting of the standard compost at
상기 도 7g 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비 토양은 R2 값이 0.201(F 값 = 0.75)로 눈에 띄는 중첩이 관찰되었고, 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비 토양의 그룹은 첫 번째 주성분과 밀접하게 클러스터되어 69.98%를 차지했으며, 분류군 수준 유사성 백분율(SIMPER)에 대한 추가 분석은 28.21%의 낮은 평균 비유사성을 보여주었다. BECOM과 EPSF 분해 퇴비 사이의 이러한 인상적인 미생물군집 유사성은 BECOM의 퇴비화가 토양 미생물의 자연 생애 사이클에 포함될 수 있음을 보여주었다. As shown in the above Fig. 7g and Table 4, the compost soils of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2 showed a remarkable overlap with the R2 value of 0.201 (F value = 0.75), and the groups of BECOM prepared in Example 1 and EPSF prepared in Example 2 were closely clustered with the first principal component, accounting for 69.98%, and further analysis of taxon level similarity percentage (SIMPER) showed a low average dissimilarity of 28.21%. This impressive microbial community similarity between BECOM and EPSF decomposed composts demonstrated that the composting of BECOM could be included in the natural life cycle of soil microorganisms.
퇴비에서 번성한 미생물은 퇴비에 결합된 영양분을 용해시키고, 효소반응을 매개하여 결국 식물의 성장을 도우며, 미생물 대사를 통해 퇴비의 성숙, 인의 용해 및 질소 고정의 효과를 나타낼 수 있다. 이에 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비 토양의 미생물 특성을 분석하였다.Microorganisms that thrive in compost can dissolve nutrients combined with compost, mediate enzymatic reactions to ultimately help plant growth, and exhibit the effects of compost maturation, phosphorus dissolution, and nitrogen fixation through microbial metabolism. Accordingly, the microbial characteristics of the compost soil of BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 were analyzed.
도 7h는 대조군(Compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF의 퇴비화 시간에 따라 얻어진 퇴비 토양의 가장 풍부한 30종의 상대적 존재비를 나타낸 것으로, 최소 2개의 샘플의 미생물 군집 구조를 분석하였다.Figure 7h shows the relative abundance of the 30 most abundant species in the composted soil obtained according to the composting time of the control (Compost), BECOM prepared in Example 1, and EPSF prepared in Example 2, and the microbial community structure of at least two samples was analyzed.
특히, 퇴비의 성숙을 촉진하고 퇴비의 품질을 향상시키는 퇴비 토양의 필수 미생물인 B. subtilis는 초기 로그 스케일 풍부도(log-scaled abundance)가 0.48였으나, 상기 실시예 1의 BECOM를 퇴비화한 퇴비토양에서 최종 로그 스케일 풍부가 3.73으로 현저하게 증가하였으며, 상기 실시예 2에서 제조된 ESPF를 퇴비화한 퇴비 토양의 값(3.70)과 매우 근접한 값을 가졌다. In particular, B. subtilis , an essential microorganism in compost soil that promotes compost maturation and improves compost quality, had an initial log-scaled abundance of 0.48, but significantly increased to a final log-scale abundance of 3.73 in the composted soil composted with BECOM of Example 1, which was very close to the value (3.70) of the composted soil composted with ESPF prepared in Example 2.
도 27은 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 세라티아(Serratia) 종의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 27 is a graph showing the relative abundance of Serratia species in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of
도 28은 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 (a) Enterobacter 종 및 (b) Klebsiella 종의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 28 is a graph showing the relative abundance of (a) Enterobacter species and (b) Klebsiella species in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of
도 29는 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 슈도모나스(Pseudomonas) 종의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 29 is a graph showing the relative abundance of Pseudomonas species in composted soil obtained after composting standard compost of
도 30은 0주차의 표준 퇴비(compost), 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 B. licheniformis 및 B. paralicheniformis의 상대적 풍부함을 나타낸 그래프이다.Figure 30 is a graph showing the relative abundance of B. licheniformis and B. paralicheniformis in composted soil obtained after composting for 8 weeks with standard compost of
상기 도 27, 도 28, 도 29 및 도 30에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 BECOM 및 실시예2의 EPSF의 8주간 퇴비화 후 얻어진 퇴비 토양에서 인산염 용해에 기여하는 Serratia sps가 많이 관찰되었고(도 27), 질산화 박테리아, Enterobacter sps 및 Klebsiella sps의 우세함을 확인할 수 있었다(도 28). 또한, Serratia sps와 함께 종속 영양 질화 및 탈질화를 돕고 이용 가능한 인 함량을 증가시킨다고 것으로 알려진 Pseudomonas sps가 비록 상대적 비율은 낮더라도 퇴비화 후 모든 샘플에서 증가된 것이 관찰되었다(도 29). 또한, 미생물 대사를 향상시키는 미생물 협력 개선에 긍정적인 영향을을 미치는 B. licheniformis와 B. paralicheniformis는 초기의 퇴비에는 검출되지 않았지만 BECOM과 EPSF 기반 퇴비 모두에 대해 충분한 양을 보여주었다(도 30). 이를 통해, BECOM과 EPSF 기반 퇴비에서 유익한 미생물 종이 증가하여 퇴비 토양 상태를 개선하고 미생물학적 이점을 크게 부여할 수 있음을 확인하였다.As shown in FIGS. 27, 28, 29, and 30 above, in the compost soil obtained after 8 weeks of composting of BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2, Serratia sps , which contributes to phosphate dissolution, was observed in large quantities (FIG. 27), and the dominance of nitrifying bacteria, Enterobacter sps and Klebsiella sps, was confirmed (FIG. 28). In addition, Pseudomonas sps , which is known to assist heterotrophic nitrification and denitrification together with Serratia sps and increase available phosphorus content, was observed to increase in all samples after composting, although the relative ratio was low (FIG. 29). In addition, B. licheniformis and B. paralicheniformis , which have a positive effect on improving microbial cooperation that enhances microbial metabolism, were not detected in the initial compost, but showed sufficient amounts for both BECOM- and EPSF-based composts (FIG. 30). Through this, it was confirmed that the beneficial microbial species increased in BECOM and EPSF-based composts, which could improve the compost soil condition and provide significant microbiological benefits.
상기 실험예 7의 결과를 통해 상기 실시예 1에서 제조된 BECOM은 퇴비화가 가능할 뿐 아니라, 토양에 미생물학적 이점을 나타내어 퇴비화 과정을 통해 친환경적으로 폐기될 수 있어 수명이 다한 경우 소각하지 않고 친환경적이고 실용적인 퇴비화법으로 폐기하여 지속 가능한 기술이 될 수 있음이 입증되었으며, 사용된 퇴비화 프로토콜 ISO 20200-17은 BECOM을 이용하여 미생물학적으로 우수한 퇴비를 준비하는 효율적인 방법이 될 수 있음이 확인되었다.The results of the above Experimental Example 7 demonstrated that the BECOM manufactured in the above Example 1 is not only compostable but also exhibits microbiological benefits to the soil, so that it can be disposed of in an environmentally friendly manner through the composting process. Accordingly, when its lifespan has ended, it can be disposed of through an environmentally friendly and practical composting method without incineration, thereby becoming a sustainable technology. In addition, the used composting protocol ISO 20200-17 was confirmed to be an efficient method for preparing microbiologically superior compost using BECOM.
최근 농업생태계 연구에 따르면 퇴비의 특성 중 pH, 탄소 대 질소(C/N) 비율, B. subtilis의 풍부함이 작물의 생산성을 크게 결정할 수 있고, 구체적으로 pH가 알칼리에 가까울수록 퇴비 토양을 활성화할 수 있고, C/N 비율이 낮을수록 퇴비가 더 성숙해질 수 있음이 보고되었으며, 이를 기반으로 작물 성장을 향상시키기 위해 농업분야에서 B. subtilis의 접종을 수행하고 있다. 이러한 관점에서 실시예 1에서 제조된 BECOM과 실시예 2에서 제조된 EPSF를 퇴비화한 퇴비 토양의 특성을 평가하기 위하여 실시예 1에서 제조된 BECOM과 실시예 2에서 제조된 EPSF를 퇴비화한 지 8주 후 얻어지는 퇴비 토양의 pH, C/N 비율 및 B. subtilis을 초기와 비교하였다. According to recent agro-ecosystem studies, among the characteristics of compost, pH, carbon-to-nitrogen (C/N) ratio, and abundance of B. subtilis can greatly determine the productivity of crops. Specifically, it has been reported that the closer the pH is to alkaline, the more active the compost soil can be, and the lower the C/N ratio, the more mature the compost can be. Based on this, inoculation of B. subtilis is being performed in the agricultural field to improve crop growth. From this point of view, in order to evaluate the characteristics of the compost soil composted with the BECOM manufactured in Example 1 and the EPSF manufactured in Example 2, the pH, C/N ratio, and B. subtilis of the compost soil obtained 8 weeks after composting with the BECOM manufactured in Example 1 and the EPSF manufactured in Example 2 were compared with the initial ones.
그 결과, 초기 퇴비 토양의 pH는 6.4이고, C/N 비율이 23.2%었으나, 실시예 1의 BECOM 및 실시예 2의 EPSF를 퇴비화한 지 8주 후에 pH가 8.2로 증가하였고, C/N 비율이 각각 13.8%와 13.5%로 현저하게 감소되었다. 더욱이, B. subtilis의 풍부함은 BECOM 퇴비화 이후 초기에 비하여 약 7.77배 증가하여 BECOM은 우수한 퇴비의 자원으로서 농업 생산 시스템에 잠재적으로 기여할 수 있음을 확인할 수 있었다.As a result, the pH of the initial compost soil was 6.4 and the C/N ratio was 23.2%, but 8 weeks after composting with BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2, the pH increased to 8.2 and the C/N ratio significantly decreased to 13.8% and 13.5%, respectively. Furthermore, the abundance of B. subtilis increased approximately 7.77 times after BECOM composting compared to the initial level, confirming that BECOM can potentially contribute to agricultural production systems as an excellent compost resource.
실시예 1에서 제조된 BECOM과 실시예 2에서 제조된 EPSF를 퇴비화한 지 8주 후 얻어지는 퇴비 토양 내 미생물을 문(phylum) 수준으로 분석하여, 그 수와 상대적 비율을 하기 표 5에 나타내었다.The microorganisms in the compost soil obtained 8 weeks after composting the BECOM manufactured in Example 1 and the EPSF manufactured in Example 2 were analyzed at the phylum level, and the number and relative ratio are shown in Table 5 below.
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 BECOM 및 실시예 2의 EPSF를 퇴비화한 지 8주 후에 지배적인 문(phyla) 순서가 Firmicutes, Proteobacteria 및 Actinobacteria로 서로 동일하였고, Firmicutes 및 Actinobacteria의 상대적 풍부함은 큰 유사성을 나타냈다. 한편, 실시예 1의 BECOM 및 실시예 2의 EPSF에서 프로테오박테리아(Proteobacteria)의 상대적 풍부함이 각각 8.2% 및 17.3%로 차이가 관찰되었다. 특히, 프로테오박테리아는 초기 중온성 단계를 촉진하고 식물 농업을 보조함으로써 퇴비화에 중요한 역할을 하기에 동일한 퇴비화 기간 동안 더 나은 퇴비를 신속하게 준비하는 것을 목표로 한다면 EPSF는 BECOM보다 더 나은 선택이 될 수 있음이 확인되었다.미생물에 오염된 의료용 플라스틱 폐기물은 공공 교차 감염을 일으킬 수 있고, 결핵균, 인체면역결핍바이러스 및 B-C간염 교차감염 사례가 보고된 바 있다. 따라서 오염된 의료용 플라스틱 폐기물에 의한 교차감염도 고려해야 하며, 오염된 매립지로 인해 유발되는 2차 교차 감염 가능성을 방지하기 위해 퇴비의 병원균 우선적 성장을 고려해야 한다. 이에 동물성 유기물질이 존재하여 퇴비에서 흔히 발견되는 흔한 병원체인 대장균이 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양에 어느정도 존재하는지 분석하여 그 결과를 도 31에 나타내었다.As shown in Table 5 above, the dominant phyla order of BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2 were identical to each other as Firmicutes , Proteobacteria and Actinobacteria after 8 weeks of composting, and the relative abundances of Firmicutes and Actinobacteria showed great similarity. Meanwhile, the relative abundances of Proteobacteria were observed to be 8.2% and 17.3% in BECOM of Example 1 and EPSF of Example 2, respectively. In particular, since Proteobacteria play an important role in composting by promoting the early mesophilic stage and assisting plant farming, it was confirmed that EPSF could be a better choice than BECOM if the goal is to quickly prepare better compost during the same composting period. Medical plastic waste contaminated with microorganisms can cause public cross-infection, and cases of cross-infection with Mycobacterium tuberculosis, human immunodeficiency virus and hepatitis B have been reported. Therefore, cross-infection by contaminated medical plastic waste should be considered, and the preferential growth of pathogens in the compost should be considered to prevent the possibility of secondary cross-infection caused by contaminated landfills. Accordingly, the presence of E. coli, a common pathogen commonly found in compost due to the presence of animal organic matter, was analyzed to what extent it was present in the compost soil obtained after composting BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 for 8 weeks, and the results are shown in Fig. 31.
도 31은 실시예 1에서 제조된 BECOM 및 실시예 2에서 제조된 EPSF를 8주 퇴비화한 후 얻어진 퇴비 토양의 대장균의 존재율(abundance)(p-값 = 2.45E-12, FDR 값 = 5.32E-10)을 나타낸 그래프이다.Figure 31 is a graph showing the abundance of E. coli in composted soil obtained after composting BECOM manufactured in Example 1 and EPSF manufactured in Example 2 for 8 weeks (p-value = 2.45E-12, FDR value = 5.32E-10).
상기 도 31에 나타낸 바와 같이, 초기 0주차 퇴비에서 대장균이 널리 퍼져 상대 존재율의 46%를 차지하였으나, 퇴비화가 진행됨에 따라 BECOM과 EPSF 모두 현저한 저항성을 보여 상대적 비율이 각각 0.32%와 0.54%로 크게 감소하여 BECOM은 뛰어난 항균 성능으로 인해 치과치료 후 미생물적으로 깨끗하여 사용된 BECOM의 후처리(픽업, 운송 등) 시 교차감염 우려를 완화할 수 있음을 확인하였다.As shown in the above Fig. 31, in the initial 0-week compost, E. coli was prevalent and accounted for 46% of the relative abundance, but as composting progressed, both BECOM and EPSF showed remarkable resistance, and the relative abundance significantly decreased to 0.32% and 0.54%, respectively. It was confirmed that BECOM is microbiologically clean after dental treatment due to its excellent antibacterial performance, and thus, concerns about cross-infection can be alleviated during post-processing (pickup, transportation, etc.) of used BECOM.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Above, the embodiments of the present invention have been described, but those skilled in the art will be able to modify and change the present invention in various ways by adding, changing, deleting or adding components, etc., within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims, and this will also be considered to be included within the scope of the rights of the present invention.
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