카르보디이미드 반응과 실란 커플링을 이용한 모발강화 효과
카르보디이미드 반응과 실란 커플링을 이용한 모발강화 효과
  • 김민주 기자 ( joo@thekbs.co.kr)
  • 승인 2019.07.22 22:58
  • 매거진 : 2019년 06월호
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LG생활건강 손성길 수석연구원(미래기반연구소 모발 손상 Project팀) et al.

Hair Strengthening Effect of Silane Coupling and Carbodiimide Chemistry

[더케이뷰티사이언스]  25년이라는 긴 시간 동안 ‘모발 연구’라는 한 길만을 걸어온 ‘진짜’ 모발 장인이 있다. LG생활건강 미래기반연구소의 손성길 수석연구원이 바로 그 주인공이다. 손성길 수석연구원은 1995년 LG화학 모발 팀으로 입사하여 LG생활건강 미래기반연구소 모발손상 프로젝트에서 근무하고 있는 지금까지 줄곧 모발 연구에만 매진해온 전문가이다. 헤어제품 개발팀 시절에는 제품 성능을 체크하고자 직접 하루에 6번씩 샴푸로 머리를 감아 두피가 다 상할 만큼 열정적으로 연구해왔다. 그동안 출원 특허만 140여건, 발표한 논문은 16편이다. 그럼에도 모발에 대해 해야 할 연구가 많다고 이야기하는 그의 얼굴에서 모발연구에 대한 애정과 자부심을 느낄 수 있었다. 그가 최근 발표한 연구논문의 내용을 직접 들어보고, 그동안의 연구인생에 대해 이야기를 나눴다.

이번 논문의 연구 시작 배경이 궁금합니다.

오랜 시간 모발에 대해 연구하면서 항상 가지고 있던 고민이 바로 ‘모발을 어떻게 원래의 건강한 상태로 되돌릴 수 있을까?’하는 부분이었습니다. 모발은 모근에서 빠져나와 자라는 순간부터 죽은 조직이 되어, 피부와는 달리 자연적으로 재생이 불가능하기 때문입니다. 컨디셔너 제품을 사용하면 일시적인 회복효과를 볼 수는 있지만 그 지속력이 오래 가지 않는 문제점이 있었습니다. 모발에 손상을 일으키는 여러 가지 환경적 요인에 노출되어 시달리다가, 결국 회복을 위해 머리카락을 잘라내어 버리는 고객들의 모습에 항상 안타까운 마음이었지요.

손성길 수석연구원
손성길 수석연구원

이러한 고민을 해결할 수 있는 방안을 고심하던 과정에서, 의약학 분야의 생체결합기술을 활용하면 손상된 모발을 건강한 상태로 회복시킬 수 있지 않을까 하는 아이디어를 얻게 되었습니다. 즉 모발의 주요 구성성분이 단백질이라는 점에 착안하여, 단백질 표면에 특정 성분을 자유롭게 공유결합 시키는 기술을 활용해보자는 것이었지요. 2006년부터 조금씩 관련 분야에 대한 스터디 및 기술 연구를 시작하여 약 10년 여 간 지금과는 다소 다른 접근방식으로 연구해오다가, 안전성 및 원료 원가, 실제 적용시의 어려움 등으로 인해 연구방향을 선회하여, 2015년 하반기부터 지금의 방식으로 수정된 연구를 수행하게 되었습니다.

논문의 주제이자 제목인 카르보디이미드(EDC) 커플링’과 ‘실란(Silane) 커플링’의 원리에 대해 설명해주세요.

우선 EDC 커플링 반응은 의약학 분야에서 일반적으로 활용되는 생체결합반응으로, 펩타이드나 단백질의 카르복실(Carboxyl) 잔기에 아민(Amine) 잔기를 갖는 다른 펩타이드, 단백질을 생체결합 시키거나 생체 아민 잔기에 카르복실 잔기를 갖는 성분을 붙이는 반응을 말합니다. 실란 커플링은 유무기 표면에 특성 잔기를 도입하기 위해 표면 개질 목적으로 이용되는 기초적인 반응입니다. 일반적으로 트리에톡시실란(Triethoxysilane)의 에톡시(Ethoxy) 부분이 물과 만나면 에탄올이 형성되어 떨어져 나가고, 하이드록실기(Hydroxyl group) 3개를 갖는 실란트리올(Silantriol) 구조를 형성합니다. 그 이후 실란트리올의 하이드록실기 3개가 가온 조건(최적온도110°C)에서 탈수축합반응(Condensation)이 일어나 실록시(Siloxy) 형태의 공유결합을 형성하는 반응입니다.

그림 1. Coupling Scheme. 실란 커플링 반응으로 케라틴1에 공유결합을 형성시키고, 이에 이어서(또는 동시에) 카르보디이미드를 매개로 하는 EDC 커플링 반응을 통해 다른 케라틴2에 존재하는 카르복실 잔기와 APTES 분자의 말단에 존재하는 아민 잔기 간에 공유 결합을 형성시켜 두 개의 케라틴 사이에 공유-공유결합 형태의 가교결합(Cross-linking) 형성.
그림 1. Coupling Scheme. 실란 커플링 반응으로 케라틴1에 공유결합을 형성시키고, 이에 이어서(또는 동시에) 카르보디이미드를 매개로 하는 EDC 커플링 반응을 통해 다른 케라틴2에 존재하는 카르복실 잔기와 APTES 분자의 말단에 존재하는 아민 잔기 간에 공유 결합을 형성시켜 두 개의 케라틴 사이에 공유-공유결합 형태의 가교결합(Cross-linking) 형성.

EDC 커플링과 실란 커플링을 어떻게 응용하신건가요?

모발을 구성하는 단백질 간에는 반데르발스결합(Van der Waals interaction), 이온결합(Ionic bond), 수소결합 (Hydrogen bond), 시스틴결합(Disulfide bond) 등 다양한 화학적 결합을 통해 구조와 강도를 유지하고 있습니다. 이때 염색, 펌과 같은 손상 요인으로 모발 표면의 지질막이 소실되어 수분 침투가 일어나면 이 화학적 결합이 끊어지거나 결합력이 약화됩니다. 염색 한번만 하더라도 지질막의 80~90%가 소실되기 때문에 이로 인한 공극(Air gap)이 발생하게 되는 것이지요. 이전에도 로레알(L’Oreal)에서 일반적인 APTES(3-Aminopropyltriethoxysilane)를 이용한 실란커플링을 통해 실란올(Silanol)의 공유결합 부분과 아민부분의 이온결합으로 일부 모발 구조 강화 효과를 보이는 제품을 선보인 사례가 있었는데요, 저희가 응용하고자 했던 점은 실란올의 공유결합 부분과 더불어 나머지 아민 부분 또한 EDC 커플링으로 모발 케라틴의 카르복실기와 공유결합을 형성하는 것이었습니다. 기존에 이온결합으로만 이어져 있던 아민 부분을 공유-공유결합 형태로 결합력을 현저히 향상시키고 케라틴의 강도와 지속력 역시 강화하는 것이지요. 2016년에는 모발에 공유결합을 형성하는 기술을 선행적으로 도입한 제품을 선보이기도 했습니다.

그림2. Blank, APTES, APTES/EDC-HCI 처리된 모발의 FT-IR 결과
그림2. Blank, APTES, APTES/EDC-HCI 처리된 모발의 FT-IR 결과
모발의 인장시험 그래프를 설명하고 있는 손 수석연구원.
모발의 인장시험 그래프를 설명하고 있는 손 수석연구원.

커플링 반응이 잘 일어났는지 어떻게 알 수 있나요?

FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy)을 이용하여 분석한 결과(그림 2)로 알 수 있는데요, APTES와 EDC-HCI 커플링 반응의 경우 Si-O-Si band 영역인 파장 1250~1000 cm-1(오른쪽)에서 피크(Peak)가 현저히 높게 나옴으로써 실란 커플링 반응이 잘 일어났음을 확인했습니다. 또한 C-O stretching band 영역인 1320~1210 cm-1영역(왼쪽)에서는 카복실 잔기가 줄어드는 변화로 실란의 아민 잔기가 카복실기와 EDC 커플링을 하는 것을 확인한 것이지요.

그림3. 인장시험 결과 값. 정상상태의 모발을 손상시키면 영스 모듈러스, 고원응력, 인장강도가 전체적으로 작아지지만, APTES를 처리하는 경우 물리적 성질이 일부 강화됨. APTES/EDC-HCL을 처리하는 경우 특성이 보다 강화되어 정상모발에 근접한 수준으로 회복되는 경향을 보임.
그림3. 인장시험 결과 값. 정상상태의 모발을 손상시키면 영스 모듈러스, 고원응력, 인장강도가 전체적으로 작아지지만, APTES를 처리하는 경우 물리적 성질이 일부 강화됨. APTES/EDC-HCL을 처리하는 경우 특성이 보다 강화되어 정상모발에 근접한 수준으로 회복되는 경향을 보임.

실제 회복 효과가 얼마나 지속되는지 궁금합니다.

회복효과의 지속성을 확인하기 위해서는 샴푸로 여러 번 모발을 세척하여 몇 회 까지 일정한 효과를 보이는지 확인합니다. 가시적으로 확인할 수 있는 결과로는 형광물질 검출 실험을 활용하여 약 30회까지 세정을 하는 조건 속에서도 형광이 발현되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이는 지속력 부분에 있어 상당한 효과가 있다는 것을 의미합니다. 물론 염색이나 펌 등 모발 손상이 더 심하게(Harsh) 일어나는 화학처리 시에는 공유결합 역시 약화되어 일시적으로 회복효과가 떨어질 수 있겠지만, 본 기술이 접목된 샴푸와 컨디셔너를 매일 사용하면 다시 그 효과를 복구 할 수 있음을 확인하였습니다.

모발의 인장시험은 어떤 부분을 평가하는 건가요?

보통 인장시험은 영스 모듈러스(Young’s modulus), 고원응력(Plateau stress), 인장강도(Tensile strength)의 세 가지 지표로 나뉘게 됩니다(그림3). 영스 모듈러스는 모발이 굽혀지거나 당겨지도록 힘을 가한 후 놓았을 때 원래대로 되돌아오려는 힘을 나타내는 탄성 영역으로, 기울기가 급할수록 모발 탄성이 더 강하다고 볼 수 있습니다. 고원응력은 모발 내부 구조가 알파 헬릭스(α-helix)에서 베타시트(β-sheet)나 랜덤코일(Random-coil) 구조로 펴지는 구간인데요, 이 부분의 수치가 높으면(알파 헬릭스 구조를 유지하는 것) 모발이 본래의 구조를 유지하는 힘이 더 강하다고 볼 수 있습니다. 논문에 소개된 인장강도 실험은 모발을 당겼을 때 끊어지는 힘을 보는 구간입니다. 모발의 탄력과 구조변화에 대한 저항력도 중요하지만, 결국 빗질을 통해 머리카락이 덜 끊어지는 것을 확인하는 것을 중심으로 했기 때문에 이번 논문에서는 인장강도에 대한 데이터를 대표적인 결과로 소개한 것이지요.

실제 제품개발 적용 사례도 궁금합니다.

2015년에 처음 모발 표면 지질을 복구하는 기술을 적용한 ‘엘라스틴 바이오 테라피’와 모발내부를 강화하는 기술을 적용한 ‘리엔 강모라인’을 각각 출시한 바 있습니다. 이후에도 펩타이드로 모발을 강화시키는 기술을 적용한 ‘엘라스틴 아미노펩타이드’, ‘엘라스틴 프로폴리테라’, ‘실크리페어‘, ’엘라스틴 미라클17‘과 수분 강화를 위한 ’닥터그루트 더마솔루션’ 등 많은 제품에 본 기술을 적용해왔습니다. 사용하고 계시는 LG생활건강 헤어 제품의 설명 문구에 생체결합 특허가 적혀져 있으면 이 기술을 적용한 제품이라고 보시면 됩니다. 본 기술을 근간으로 하여 다양한 분야에 응용이 가능하다고 생각합니다. 모발 강화 효과뿐만 아니라 염모제 등 모발의 다른 분야에도 적용할 수 있으며, 피부 각질이나 천연 단백질 성분으로 이루어진 섬유(울, 실크) 등에도 적용이 가능할 것으로 생각하여 관련 특허를 출원해 놓았습니다. 이처럼 모발 이외의 다른 분야까지 본 기술을 확장 및 적용하는 것이 저의 가장 큰 포부이자 꿈이기도 합니다.

그림 4. APTES, APTES/EDC-HCL 처리한 모발 끝 갈라짐 예방 결과 값. 자동 빗질 장치를 이용해 APTES/EDC-HCL 처리시 모발 끝의 갈라짐 현상 개선 효과 확인
그림 4. APTES, APTES/EDC-HCL 처리한 모발 끝 갈라짐 예방 결과 값. 자동 빗질 장치를 이용해 APTES/EDC-HCL 처리시 모발 끝의 갈라짐 현상 개선 효과 확인

논문 발표 이후 연구를 추가적으로 해오셨나요?

최근에는 생체결합기술을 이용하여 보습 강화, 염색 손상 저감 등 추가적인 효능 발굴과 더불어 또 다른 인체에 안전한 신규 반응 메커니즘을 발굴하고 있습니다. 염색을 하면서 필연적으로 발생하는 모발의 손상을 감소시키는 기술, 모발에 특이적으로 잘 반응하는 신규 반응 메커니즘 등을 확인했습니다. 이에 대한 특허화 및 논문 투고, 제품화 적용을 위한 제형화 등의 연구를 저희 모발손상 프로젝트 동료들과 함께 진행해왔습니다.

모발 전문가란 어떤 사람이라고 생각하시나요?

후배들에게도 가끔 얘기하기는 하지만, 특정 샴푸나 컨디셔너 제품에 대한 전문적인 지식을 가진 사람을 모발 전문가라고 이야기할 수는 없다고 봅니다. 진정한 모발 전문가란 고객이 찾아와 자신의 모발 문제에 대한 고민을 털어 놓으면 언제나 가장 적합한 처방과 제형을 제안해줄 수 있을 만큼의 지식과 경험을 갖춘 자를 의미한다고 생각합니다. 이러한 전문가가 되기 위해서는 모발의 구조부터 시작해서 수많은 작용메커니즘을 연구하고 직접 다양한 제형으로 만들 줄도 알아야한다고 생각하는데, (기반 연구와 제품 개발을 모두 해낸다는 것은) 매우 어려운 일이지요. 저 역시 더 공부하고 발전해야 할 부분이 아직 도 무궁무진하다고 생각하고 있습니다.

모발 연구에 있어 어려운 점이 있다면 어떤 부분이 있을까요?

모발에 대해서만 25년 가까이 연구하다 보니 (기반 연구도 어렵지만) 제품 개발하는 분들이 참 대단하다는 생각이 듭니다. 처방의 중용을 찾는 것이 어렵기 때문이지요. 100인의 고객이 있으면 100가지 색을 나타내는 것이 고객의 특성인데, 이를 표준화(Normalize)시켜 대부분의 많은 사람들이 만족하고 쓸 수 있게끔 만들어내야 합니다. 일례로 요즘도 제품 개발하는 분들은 하루에 최소 3~4번은 샴푸로 머리를 감고 계실 거예요. 실제로 손으로 머리를 감을 때의 느낌이 가장 중요하기 때문이지요. 그렇다 보니 연구원이 마케터의 입장이 되어 소비자의 생각을 읽지 못하면 제품개발을 하기 어려워집니다. 이러한 부분도 연구원들이 꼭 인지해야 할 매우 중요하면서도 어려운 점입니다.

마지막으로 전하고 싶은 말이 있다면.

오랜 시간동안 모발 연구에만 전념해 오다 보니 스스로 사고의 폭이 좁아진 것 같다는 생각이 가끔씩 들기도 합니다. 그럼에도 모발은 동서고금을 막론하고 사람의 첫 인상을 결정짓는 데 매우 중요한 기준으로 여겨져 왔기 때문에, 누군가는 꼭 연구해야 하는 핵심 분야라고 자부하고 있습니다. 사람에게 더욱 아름다워지고 싶은 욕구가 있는 한 모발연구와 헤어 케어 시장은 무한히 성장할 것이라고 생각합니다. 한국의 모발 연구는 다른 세계적 기업들에 비해서 다소 늦게 출발한 감이 있지만, 그 동안의 연구노력을 통해 이제는 기술적인 부분에서도 많이 따라잡아 상대적으로 더 뛰어난 기술 수준을 갖게 된 영역도 생겨나고 있습니다. 화장품과 더불어 헤어 케어 분야가 K뷰티를 선도하고 세계화의 주역이 될 수 있도록 많은 노력을 하고 있습니다. 앞으로도 세계 최고 수준의 효능을 가진 제품 개발을 위해 열심히 노력해 나갈 테니, 모발-헤어 케어 분야도 많이 응원해주시면 감사하겠습니다.


ABSTRACT

Chemically damaged hair is vulnerable to external stimuli in daily life due to the weakened physical properties of the hair strand itself. The purpose of this work was to determine whether chemical conjugation between hair keratin proteins restores tensile strength and thus results inpreventing further deterioration under repeated combing. A model damaged hair tress was produced by a typical perm-process. Then, it was internally crosslinked by the bifunctional crosslinker

(3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), via both silane coupling and carbodiimide chemistry. Physical properties, including tensile strength, Young’s modulus, and plateau stress, were measured to verify the effect of internal crosslinking, and the existence of crosslinking was verified by Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The degrees of hair breakage and split ends were evaluated by repeated combing–drying tests. Physical properties of chemically damaged hair were restored by internal crosslinking. Successful crosslinking of APTES via both silane coupling and carbodiimide chemistry was verified by FT-IR spectra. Prevention of breakage and split ends after repeated combing with heat was observed. Human hair can be weakened by chemical damage including perm-processing, so restoring such properties is a major issue in the hair care industry. This work shows that internal crosslinking of damaged hair via chemical conjugation would be a potent method to restore the healthy hair.

KEYWORDS

Silane coupling and carbodiimide chemistry, Hair treatment, Damaged hair, Restoration, Internal crosslinking

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