소개글
"바이오플라스틱 합성실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
2. 생분해성 플라스틱의 종류 및 특징
3. 생분해 평가 방식
3.1. 응용분야
3.2. 생분해성 플라스틱 분해과정
4. 3D 프린팅 기술 소개
4.1. FDM
4.2. SLS
4.3. 3D 바이오 프린팅 기술 현황
4.4. 3D 바이오 프린팅 기술 종류
5. 3D 프린팅에 사용되는 생분해성 플라스틱의 기술 소개
6. 시장동향 및 전망
7. 경쟁 현황
8. 실험과정
9. 실험결과
10. Discussion
11. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
바이오플라스틱은 생물학적 기원의 재료를 이용하여 만든 플라스틱이다. 이는 석유화학 플라스틱과 달리 제품 사용 후 생분해가 가능하여 환경 부하를 줄일 수 있다. 생분해성 플라스틱은 자연 환경에서 미생물에 의해 분해되어 이산화탄소, 메탄, 물 등의 기본 물질로 전환된다. 따라서 기존 플라스틱 폐기물로 인한 환경 문제를 해결할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 최근에는 3D 프린팅 기술의 발달로 생분해성 플라스틱을 이용한 다양한 제품 개발이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 생분해성 플라스틱의 특성과 개발 동향, 3D 프린팅 기술의 적용 사례를 살펴보고, 향후 발전 방향을 모색하고자 한다.
2. 생분해성 플라스틱의 종류 및 특징
생분해성 플라스틱(biodegradable polymer)은 생산된 방식에 따라 natural polymer와 synthetic polymer로 구분된다. Natural polymer는 장기간의 진화를 거쳐 자연적으로 발생한 고분자를 의미하며 collagen, gelatin과 같은 단백질과 polysaccharides, nucleic acid 또는 지질을 포함한다. 이러한 natural polymer로부터 화학적 변형을 통해 향상된 특성을 가지는 새로운 biodegradable polymeric materials를 생산할 수 있다. Natural polymer와 유사한 구조를 가지도록 synthetic polymers를 인공적으로 합성할 수 있다. 고분자 사슬에 ester, amide, peptide bond를 포함하도록 합성한다면 생분해가 가능하다.
Synthetic biodegradable polymer를 합성하는 데 여러 방식이 존재한다. Ring-Opening Polymerization(ROP)은 ring-shaped monomer의 고리를 열어 polymer chain을 형성하는 chain-growth polymerization이다. Free-Radical Polymerization(FRP)은 free radical을 이용하여 중합하는 방식으로 monomer에 radical initiator를 첨가하여 연속적으로 중합이 발생하는 원리이다. Condensation 반응은 산 또는 염기성 조건이나 촉매 하에서 발생하며 반응 이후 물과 같은 부가 생성물이 존재한다. PLA의 경우 lactic acid의 condensation 반응이나 lactide ROP 등 다양한 반응을 이용하여 생성할 수 있다.
Polylactic acid(PLA)는 가장 많이 연구되는 열가소성 aliphatic polyester 중 하나이고, 무수젖산의 ring-opening polymerization을 통해 만들어진다. PLA는 life-cycle carbon neutrality, 생분해성, 생체 적합성과 사용자 친화적인 특징들을 가지고 있기 때문에, 세계적으로 가장 많이 사용된다. 하지만, 낮은 열적 안정성, 습기 민감성, 가공 중 높은 열화율과 부러지기 쉬운 단점을 가졌다.
Polyhydroxyalkanoate(PHA)는 eicosanoic acid에 의한 미생물의 중합으로부터 만들어진 고분자이다. 불균형한 성장 조건에서 박테리아 포합물로 합성되어 PHA를 형성한다. PLA에 비해 PHA는 생체 적합성이 100%이며 스스로 분해할 수 있다. 가장 흔히 연구되는 PHA의 종류는 poly (3-hydroxybutyrate) (PHB) 와 poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)이다.
3. 생분해 평가 방식
3.1. 응용분야
고분자 마이크로 입자를 활용한 약물 전달 시스템
마이크로 입자는 고분자 등 다양한 종류의 재료로 만들 수 있으며 약물 전달 방식에서 이점을 가지고 있어 치료 효과를 향상시킬 수 있다. 약물의 종류, 치료 기간 등에 따라 마이크로 입자 구조가 달라질 수 있다. 항암 치료에서 마이크로 입자의 사용은 부작용을 줄이고 약물을 조절하고 표적화하는 것을 목표로 한다. PLA/PLGA를 사용한 마이크로 입자는 생체 거부 반응이 적어 생체 내 치료과정에서 부작용이 발생하지 않아 가장 유망한 약물 전달 시스템 중 하나로 선택된다. PLA는 체내에서 약물을 지속적으로 방출하는 입자로 사용되어 백신, 항암제 등을 포함한 약물 전달을 제어하는 데 사용될 수 있다. PCL은 transition temperature가 낮고 semi-crystalline, 소수성의 특징을 가지며 생분해가 가능하므로 고분자 약물 전달에 사용된다. 또한 다른 고분자와 혼합한 형태로도 다양한 약물을 포획할 수 있다. PLA에 비해 분해 속도가 느리기 때문에 인체 이식 장치에도 사용할 수 있다. PCL은 상처를 봉합하는 데 사용하는 봉합사에도 사용할 수 있다. 기존에는 천연 섬유를 사용하였던 것을 synthetic polymer를 사용할 수 있게 된 것이다. 봉합사로 사용하기 위해서는 인체 내에서 분해가 가능해야 한다. PCL은 인체 조직에 적합하여 생분해성 봉합사로 사용된다. PCL은 인체 내에서 ester 결합의 가수분해 반응으로 생분해가 진행되는데 homopolymer로는 긴 분해 시간을 가지므로 DLL 등과 함께 copolymer로 합성하여 더 빠른 분해 속도를 가지도록 한다.
3.2. 생분해성 플라스틱 분해과정
플라스틱이 분해되지 않는 이유는 기존 플라스틱에 사용되는 고분자의 분자량이 크기 때문이다. 분해가 되려면 결합 사슬이 절단되어 분자량이 작아져야 하는데...
참고 자료
윤성철, et al. "열경화성 3D 프린트 몰드와 생분해성 소재 접합에 관한 연구." 대한용접. 접합학회 32.4 (2014): 2014-8.
이종, 석ㆍ이, and 재정. "FDM 3D 프린팅을 활용한 패션디자인 개발에 관한 연구." 한국패션디자인학회지 16.1 (2016).
박정빈, and 강호종. "유무기 하이브리드 SLS 3-D 프린팅 소재 특성 연구." 폴리머 42.6 (2018): 931-935.
https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=16989889&memberNo=25379965
Kun, Krisztián. "Reconstruction and development of a 3D printer using FDM technology." Procedia Engineering 149 (2016): 203-211.
정윤진, 정송하, 김혜지, 김석재, 조주영, 김형우, 최은표, 이동원. (2022). 심혈관 스텐트 응용을 위한 생분해성 폴리머 나노복합체의 적층 제조. 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집
김성호, 여기백, 박민규, 박종순, 기미란, 백승필. (2015).3D 바이오 프린팅 기술 현황과 응용. KSBB Journal,30(6),268-274.
이상진, 조하현, 임경섭, 임도형, 이수진, 이준희, 김완도, 정명호, 임중연, 권일근, 정영미, 박준규, 박수아. (2019). Heparin coating on 3D printed poly (l-lactic acid) biodegradable cardiovascular stent via mild surface modification approach for coronary artery implantation, Chemical Engineering Journal, Volume 378,
Laurence W. McKeen, Permeability Properties of Plastics and Elastomers, 2012, p.287-304
Siddhi S. Panchal and Dilip V. Vasava, Biodegradable Polymeric Materials: Synthetic Approach, 2020
Bahareh Azimi, Parviz Nourpanah, Mohammad Rabiee, Shahram Arbab, Poly(ε-caprolactone) Fiber: An Overview, 2014
Current Developments in Biotechnology and Bioengineering, 2017, p.739-755
Dhriti Verma, Advanced Drug Delivery Systems in the Management of Cancer, 2021, p.351-358
김연철, 전해상, 장호남, 우성일, 효소에 의한 polycaprolactone 생분해의 최적조건, 1992
Wasti, S., & Adhikari, S. (2020). Use of biomaterials for 3D printing by fused deposition modeling technique: A Review. Frontiers in Chemistry, 8. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00315
Chiulan, I., Frone, A., Brandabur, C., & Panaitescu, D. (2017). Recent advances in 3D printing of aliphatic polyesters. Bioengineering, 5(1), 2. https://doi.org/10.3390/bioengineering5010002
ASTI MARKET INSIGHT 바이오플라스틱, 탄소중립 선도로 지속가능 사회 구축, 신종원, 2021년 3월
정희영 기자, 『매일경제』, 2022.12.06, “눅눅해져 불편했는데… 젖지 않는 친환경 빨대 개발”
이재림 기자, 『연합뉴스』, 2019.04.04, “잘 안 찢어지면서 땅속에서 100% 녹는 비닐봉지 개발”
허재구 기자, 『머니투데이』, 2021.10.13, “화학연, 미세 플라스틱 걱정없는 세안용 생분해 마이크로비즈 개발”
1
2
3
4
5
6
7
8
9