[한국기술뉴스] 연세대학교 노영훈 교수(생명공학과) 연구팀이 국내 기능성 원료 개발 중소기업인 ㈜뉴트렉스테크놀러지(Nutrex, 대표 김성한, 연구소장 박지용)와 공동연구를 통해 나노버블이 도입된 광 가수분해를 이용한 저분자 히알루론산 제조 방법을 최초로 개발했다. 이번 연구로 생체 내 부작용을 최소화하면서 추가 공정이 필요 없는 저분자 제조의 산업 활용 가능성이 학문적으로 제시됐다.

우리 몸의 구성 성분인 히알루론산은 보습효과, 윤활효과, 세균에 대한 보호효과 등 다양한 효능과 우수한 물성을 가지고 있어서, 화장품 첨가제, 관절염 치료제, 안과용 수술보조제 등 화장품, 의약품 및 의료기기의 소재, 식품 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근 고령화 인구 증가, 미용 시술에 관한 관심 증대, 미적 의식 증가로 인해 히알루론산 소재는 점차 시장성이 확대되고 있다. 높은 분자량의 히알루론산은 체내 흡수 및 피부 내로의 흡수가 용이하지 않아 그 효과를 충분히 발휘하지 못하는 단점이 제기되고 있어, 피부 조직 투과도가 높고 사용이 용이한 저분자 히알루론산에 대한 관심이 증대되고 있다. 고분자량 히알루론산의 저분자량화 방법으로는 산에 의한 가수분해 방법, 히알루로니다아제 효소를 사용하는 방법 등이 대표적으로 많이 사용되고 있다.

그러나 산성 조건에서의 가수분해는 단당이 많이 생성돼 분자량 분포가 넓고, 변환 효율이 낮으며, 중화 과정에서 수반되는 염 생성으로 인해 투석 또는 한외여과 등 탈염 공정이 추가로 필요하고 더욱이 당의 고리열림 반응이 진행돼 부산물이 생성된다고 보고돼 안전성에 문제가 있을 수 있다. 또한 효소 가수분해를 이용하면 사용되는 효소 활성 및 반응시간을 선택함으로써 분자량 분포가 좁은 저분자 히알루론산을 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 엔도톡신에 의한 오염, 높은 비용과 효소 반응이 장시간 소요되는 단점이 있다. 따라서 고분자 히알루론산의 분자량을 낮추거나 고분자 히알루론산으로부터 저분자 히알루론산을 생산하는 효율적인 방법의 개발이 필요한 실정이다.

연구팀은 이런 한계점을 극복하기 위해 나노버블이 도입된 광촉매 방법을 사용했다. 먼저 대기 및 수질 정화, 의료기기 살균 등에 사용되고 있는 TiO2 광촉매는 TiO2 입자 표면에 자외선(UV)을 조사하면 TiO2 촉매 역할에 의한 연속 반응으로 수산화 라디칼(hydroxyl radical, ·OH)이 생성된다. 이 수산화 라디칼은 염소나 산 처리 공정 시 추가되는 탈염공정이 필요하지 않기 때문에 히알루론산의 점도 조절 및 물성 개량에 적합했다.

또한 수산화 라디칼의 반응을 촉진시키기 위해 나노버블을 도입했다. 사용된 나노버블(~130㎚)은 표면적 증대를 통해 라디칼 반응성을 향상하는 방법으로 광촉매 처리 효율을 높여 반응시간을 획기적으로 줄이면서 엔도톡신이 거의 없고 높은 항산화능을 보유한 저분자량의 히알루론산을 제조할 수 있었다. 선행연구를 통해 나노버블보다 상대적으로 손쉽게 만들 수 있는 마이크로버블(~30㎛)을 광촉매 장치의 반응을 이용해 나노버블화시킬 수 있는 결과를 얻어 설비 비용을 절감할 수 있는 장점도 있었다.

이 기법은 히알루론산을 고농도로 함유하면서도 분자량과 점도가 낮은 초저분자 히알루론산 화장품 원료나 피부 외용제를 만드는 데 활용될 수 있으며, 식품 및 화장품 소재로 이용 가능한 자원을 광분해 기술을 이용해 친환경적으로 대량생산할 수 있는 기술적 기반을 확립했다. 또한 기능성 물질을 함유한 식품 및 화장품 원료에 첨단 나노공학 기술을 접목시켜 고부가가치 제품을 창출할 수 있는 소재 개발이 가능하므로, 원료의 활용도를 끌어올리고 해외 기술 의존도를 낮추는 데 기여할 것으로 보인다.

연세대 노영훈 교수와 ㈜뉴트렉스테크놀러지 박지용 연구소장은 “추가 공정 없이 간편하고 엔도톡신이 저감화된 저분자 히알루론산을 제조할 수 있도록 한 연구”라며, “본 기법은 경제성 및 안전성이 매우 높기 때문에 다양한 식품 및 화장품 소재를 친환경적으로 대량생산하는 데 산업적으로 적용 가능할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 그 우수성과 독창성을 인정받아 고분자 분야의 국제 학술 권위지 ‘Carbohydrate Polymers (IF 10.7)’ 온라인판에 10월 1일 게재됐다. 연세대 조성연 연구원, 이석재 연구원이 제1저자로, 연세대 양경직 연구원, 김영민 연구원, 김정운 박사, 중앙대 이동언 교수, 경북대 최덕영 교수가 공동저자로 참여했다.