환경을 위한 고분자

생분해성 플라스틱

 

박테리아나 살아 있는 유기체에 의해 분해될 수 있는 플라스틱을 생분해성 플라스틱이라고 합니다. 화학적 분해에 의해 이산화탄소, 질소, 물, 생물유기자원, 무기 염류 등의 천연 부산물이 발생하는 고분자 종류의 하나입니다. 생분해성 플라스틱은 기존 플라스틱의 처리에 대한 환경적 대안으로 등장하였습니다. 생분해성 플라스틱은 근본적으로 지속 가능한 순환형 재료 생산 시스템 구축을 목표로 하고 있습니다. 이 플라스틱이 실용화되면, 자연계에 있는 생물유기자원을 이용하여 생산이 이루어지고, 사용 후에는 물과 이산화탄소로 분해되어 다시 생물유기자원의 원료로 활용됨으로써 플라스틱 폐기물에 대한 환경 문제와 자원 부족 문제를 상당 부분 해결할 수 있다고 전문가들은 예측하고 있습니다. 폴리에틸렌과 같은 기존 플라스틱에 생분해성 물질을 섞어서 가공하는 것이 1세대 제품이라면, 자체 생분해성 플라스틱 가공이 2세대 제품이라고 할 수 있습니다. 2세대 제품인 생분해성 플라스틱은 원료 면에서부터 주로 천연자원을 사용하여 기존의 석유계 플라스틱과 확연히 구분될 뿐 아니라, 미생물에 의해 완전히 분해되는 청정한 특성을 지니고 있습니다. 최근 환경 보호의 중요성이 대두됨에 따라 생분해성 플라스틱 개발과 사용이 주를 이루고 있습니다. 현재 생분해성 고분자 종류로는 천연 화합물을 원료로 한 천연 고분자계, 생합성 고분자, 화학적 합성 고분자가 있습니다.

 

천연 고분자계는 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 펙틴, 리그닌, 식물에서 유래하는 전분 등, 새우, 게 등의 껍질을 포함한 키틴질을 기초로 한 동물 유래의 것들이 있습니다. 이 중 전분은 생분해도가 가장 우수하고, 가격이 저렴하며, 자원이 풍부하고 공급이 용이하며, 무독성 등의 특성을 가지고 있어 주원료로 부각되고 있습니다. 또한 전분의 물리적, 화학적 변성 기술이 다양화되어 플라스틱 가공에 적합한 물성을 갖출 수 있도록 발전하고 있으며, 생분해성 필름으로의 활용은 물론, 다른 생분해성 고분자와 혼합하여 사용하거나 전분만으로도 다양한 제품을 제조할 수 있어 향후 주원료로 활용 가치는 더욱 높아질 것입니다. 그러나 천연 고분자를 이용하여 제조된 생분해성 플라스틱은 분해성은 우수하지만 품질이 균일하지 않은 단점이 있습니다.

 

생합성 고분자는 미생물 생산 고분자라고도 하며, 미생물이 만들어내는 바이오폴리머를 활용하여 플라스틱과 비슷한 특성을 갖도록 만드는 것으로, 지방족 에스터로 이루어진 폴리하이드록시알카노에이트가 이에 속합니다. 예를 들어, 폴리하이드록시뷰티레이트, 폴리하이드록시발레레이트 등이 있습니다. 이들은 석유화학 제품으로부터 만들어지지 않으며, 미생물에 의해 이산화탄소와 산소로 분해됩니다. 이들 중합체는 열가소성이며, 통상적인 가공 장비로 가공될 수 있고, 그 조성에 따라 연성 및 약간의 탄성을 보입니다. 발레레이트 비율이 높을수록 가공성, 충격 강도 및 유연성이 향상됩니다. 폴리하이드록시발레레이트는 폴리프로필렌과 재료적 성질이 유사하며, 수분 및 아로마 배리어 특성이 우수한 장점을 가지고 있습니다.

 

화학적 합성 고분자는 발효 기술에 의해 낮은 가격으로 제조된 아미노산, 당, 폴리에스터 등의 원료로 만들어진 고분자로 미생물에 의해 분해되는 특징을 가지고 있습니다. 이 고분자는 미생물 생산 고분자가 가지고 있는 기술적 어려움을 보완할 수 있어 기능 조절이 쉽고, 다양한 변화를 줄 수 있는 이상적인 생분해성 고분자로 평가받고 있습니다. 이러한 고분자들의 예로는 폴리카프로락톤, 플로글리코산, 폴리락트산, 폴리오소에스터, 포스파진, 폴리펩타이드 등의 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있으며, 주로 의료용 재료 등 고부가가치 제품에 한해 이용되고 있습니다. 폴리락트산의 경우 대량 생산이 가능하고 장기적으로 범용 플라스틱을 대체할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한 이들 고분자는 다른 바이오플라스틱에 비해 자외선에 안정적인 장점도 가지고 있습니다.

 

생분해성 고분자의 응용 분야에 대해 알아보겠습니다. 생분해성 고분자는 의약, 농업, 포장 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 

 

의료 분야를 먼저 살펴보면, 생분해성 고분자는 다양하게 활용되고 있으며, 특히 조직 공학이나 약물 전달 시스템에서 널리 이용되고 있습니다. 이러한 목적으로 이용되는 생분해성 고분자가 충족해야 할 몇 가지 기준은 다음과 같습니다:

1. 독성이 없어야 한다.

2. 생분해성 고분자의 분해에 걸리는 시간은 치료에 필요한 시간에 비례해야 한다.

3. 생분해 과정에서 생성된 물질은 세포 독성이 없어야 하며, 신체에서 쉽게 제거되어야 한다.

4. 물질은 쉽게 가공되어야 한다.

5. 살균 소독이 쉬워야 한다.

6. 분해 시간이 길지 않아야 한다.

 

생분해성 약물 전달 시스템의 가장 큰 장점은 신체에서 필요로 하는 장소에서 약물을 방출시킬 수 있도록 타겟팅하는 약물 전달 능력을 가지고 있으며, 약물 방출 후 자연스럽게 제거될 수 있다는 점입니다. 

 

폴리글리콜산으로 만든 봉합사는 흡수가 가능하며 시간이 지남에 따라 분해됩니다. 생분해성 고분자 및 생체 적합 물질은 재생과 조직 공학에 관심을 모으고 있습니다. 조직 공학은 인공 재료의 도움으로 조직을 재생시켜야 하며, 조직 및 세포를 성장시키거나 생체 분해성 인공 지지체를 사용하여 생체 외에서 새로운 구조 및 기관을 구축하는 데 사용될 수 있습니다. 아직 인간 치료제에 대한 준비가 되어 있지는 않지만, 동물 연구에서는 긍정적인 결과들이 나타나고 있습니다. 조직 공학 외에도 생분해성 고분자는 뼈 및 관절 치환술과 같은 정형외과에서 사용되고 있습니다. 예를 들어, 실리콘 고무, 폴리에틸렌, 아크릴 수지, 폴리우레탄, 폴리프로필렌 및 PMMA 등의 생분해성 중합체가 사용되고 있습니다. 이러한 중합체의 주요 역할은 보철의 고정 및 관절의 고정장치로 사용하는 것입니다.