지속가능 소재 개발에 소환된 화학 소재 관점 ‘그린 케미스트리’

그린 케미스트리^{Green chemistry}를 중심으로 각 원료들의 개발 단계별로 발생할수 있는 지속가능한 개발 요소들에 대한 설명과 전략 발표가 키노트로 진행됐다. 또 새로운 캡슐형태의 손세정 정제의 제조와 항바이러스 및 피부 미생물의 항상성 유지에 대한 보호 효과, Natural origin index를 높이기 위한 PLA 기반의 새로운 지방족 알코올 공중합체의 개발과 특성에 대한 연구, 지속가능한 방법으로 재배 및 수확된 망고트리 잎을 활용한 피지 조절 소재와 임상 연구, 그린 오레가노 에센셜 오일의 제형 맞춤형 복합소재 개발과 이의 진정효과에 관한 임상 연구 발표가 있었다. 

이번 발표의 특징은 지속가능 기술의 전통적인 방식인 생물 다양성 준수를 통해 최소한의 공정으로 소재를 개발하는 방식 이외에도 화학소재 관점에서 ‘그린 케미스트리’ 개념을 도입하여 지속 가능한 기초 소재로 개발하고자 하는 적극적인 연구들이 진행이 되고 있다는 것이다. 향후 이러한 고난이도의 기술 집약적 지속가능 기술이 제형 소재의 다양한 분야에 활용되고, 기존의 플랫폼 제형 소재들을 대체해 나간다면 최종 화장품의 천연 유래 지수의 수준이 전반적으로 상승할 수 있는 기술 확산이 가능할 것이다.

1. Key note lecture: The Missing Elements 

John C. Warner: Zymergen corp., USA 

사회의 모든 부분에서 환경 친화적인 기후 중립 제품을 요구하는 세상이 되거나 모든 소비자, 모든 소매업체 및 모든 제조업체가 지속 가능한 재료만 사고파는 것을 주장한다면 현재로서는 아쉽지만 이러한 상황이 발생하더라도 우리 경제의 기반이 되는 필요한 제품과 재료의 극히 일부만 제공할 수 있을 것이다. 불행하게도 학계에서 우리가 화학 및 재료 과학을 배우고 가르치는 방식으로는 유해성 및 환경 피해의 메커니즘에 관한 정보를 거의 배우지 못한다. 그린 케미스트리^{Green chemistry}는 재료 공정의 설계 단계에서 유해 물질의 사용을 줄이거나 없애려는 과학이며 이에 기반한 재료와 제품은 시장에서 경쟁력이 있고 인간의 건강과 환경에 영향을 미치지 않도록 설계될 수 있음이 입증되었다. 그린 케미스트리를 통해 연구자들이 필요한 소재나 제품을 보다 안전하게 설계하고 지속가능한 미래를 만들수 있는 기회를 제공할 것이다. 

2. An eco-friendly handrub with superior anti-viral efficacy and

ability to maintain skin microbiome homeostasis 

Yan Liu: Shanghai Pechoin Daily Chemical Corporation, China 

손 소독은 코로나19의 확산을 예방하는 효과적인 방법이다. 미국 질병 통제 예방 센터CDC는 60% 이상의 알코올이 함유된 물이나 알코올 기반의 손 세정제^{alcohol-based hadrubs, ABHRs}를 사용할 것을 권장하고 있다. 하지만, 이런 권장 사항은 손을 자주 씻고 장갑을 장시간 착용하는 의료 종사자들의 손 피부염(손 습진)의 유병률을 증가시키고 있다. 알코올 기반의 소독제가 병원성 미생물과 유익 공생 미생물 모두를 파괴할 수 있기 때문에 이로 인해 발생한 피부 미생물의 군집 파괴와 피부 장벽의 손상이 손 피부염의 근본 원인일 수 있다. 

전생명체^Holobiont는 사람을 규정할 때 사람이라는 한 개체만 생각하는 것이 아닌 사람 몸에 같이 공생해서 살고 있는 미생물을 합쳐서 사람을 규정할 때 사용하는 새로운 개념이다. 따라서 이번 연구에서는 holobiont를 유지하며 항바이러스 효과를 갖는 프리바이오틱스와 프로바이오틱스 소재가 혼합된 새로운 손세정 정제^{handrub tablet}를 개발하였다. 손세정 정제는 약 0.5~1ml 정도의 물에 빠르게 분산되어 손바닥에 박막으로 유지되는 저점도 수분산액을 생성하도록 설계되었고 사용후 씻어낼 필요가 없는 리브온^leaveon 제품으로 지속 적인 살균 및 영양 공급 기능을 할수 있는 형태로 제조되었다. 

개발 제품의 바이러스 살균 효과를 확인하기 위해 바이러스를 인공피부에 주입하고 이를 회수하여 바이러스 입자를 정량 분석하였다. SARs-CoV-2 계열 중의 하나인 alpha-coronavirus(CCoV-VR809)에 대한 보호 작용을 확인하기 위해 VERO 세포의 단층 및 동등한 모델에 대한 in vitro 항바이러스 활성 시험을 수행하였다. 손세정 정제는 70% 알코올군(99.90%)을 능가하는 99.96%의 알파-코로나바이러스 입자 감소를 나타내었다. 또한, 손세정 정제는 알파-코로나바이러스로부터 케라티노사이트를 보호하는 효과를 보였다. 바이러스는 각질형성세포의 형태를 변형시키는데 반해 손세정 정제는 바이러스에 의한 세포의 변형을 보호하는 효과를 보이는 것으로 확인되었다. 

피부 장벽 기능과 관련된 인자들에 대한 변화를 확인하기 위해 피부 보습 및 장벽 기능 마커들에 대한 변화를 확인하였다. RTq-PCR 기법을 활용해 보습 관련 인자인 aquaporin-3의 상대적 발현량을 비교했다. 손세정 정제는 대조군 대비 42.3% 증가된 값을 나타내었고 양성대조군인 D-판테놀(39% 증가) 대비 통계적으로 유의한 효과를 나타냈다. 피부 장벽 기능에 중요한 2가지 인자인 involucrin과 filaggrin의 발현량 또한 손세정 정제 군에서 증가를 보였는데 각각 대조군 대비 10.4% 및 2.84 배의 증가량을 나타냈다. 

세정 제품군의 사용에 따른 미생물 군집 변화를 비교 하기 위해 임상 실험을 진행했다. 참가자의 피부에서 면봉을 활용하여 채취된 미생물을 동정하기 위해서 NGS 기법을 활용하였다. 제품 사용군은 G1의 경우 손세정 정제와 70% 알코올 사용군, G2의 경우 손세정 정제 단독 사용군 그리고, G3의 경우에는 70% 알코올 사용군으로 구성하였다. 미생물의 양적 변화량을 측정하였는데 T1은 초기 측정, T2는 제품 사용후 5분뒤, T3는 제품 사용후 2시간 이후, T4는 각 제품을 8일간 사용한 직후, T5는 제품 사용후 2시간 이후에 각각 측정하였다. 결과적으로 T1 측정의 경우 모든 지원자의 손에서 미생물의 존재가 확인되었다. T2에서는 미생물이 확인되지 않았는데 이는 손세정 제품과 70% 알코올 모두 미생물 제거효과가 있음을 보여주는 결과이다. T3에서는 G1과 G2는 미생물이 확인되었으나 G3군에서는 미생물이 확인되지 않았다. 이는 손세정 정제의 사용이 미생물의 재집락화와 항상성 유지에 도움이 된다는 것을 보여주는 결과이다. 각 제품 사용후인 T4 단계에서 미생물 군집 평가를 진행하였을 때를 T1 단계와 비교하였을 때 미생물 검출량이 증가되었고 이는 손세정 정제의 지속적인 사용이 미생물 군집의 균형과 다양성에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 의미한다. 제품 사용 후 2시간 이후인 T5 단계에서는 G1과 G2군에서는 미생물이 확인되었으나 G3군의 경우 미생물이 확인되지 않았다. 결과적으로 미생물 풍부도 분석을 통해 알코올 기반의 세정제 적용 시 2시간 이내에는 회복될수 없는 피부 마이크로바이옴에 파괴적인 영향을 끼치는 반면 손세정 정제의 경우 사용 2시간 이후 피부 마이크로바이옴이 회복되는 것으로 확인되었고, 이는 피부 미생물 군집을 강화하는 것으로 확인되었다. 피부 미생물 군집과 관련하여 손세정 정제가 S. aureus를 감소 또는 제거하고 S. epidermidis 및 S. warneri와 같은 Firicutes 문의 박테리아 및 기타 피부 공생 미생물을 유지한다고 판단하였다. 이번 연구를 통해 개발된 손세정 정제는 기존의 알코올 기반 세정제 대비 바이러스는 제거하는 효과를 가지면서 양호한 미생물 군집을 유지하는 것으로 피부의 균형과 건강을 유지할 수 있는 holobiont 제품임을 확인하였다. 

3. A Polylactic Acid-based raw materials ecosystem enables the formulation of

novel high Natural Origin Index formulas 

Gaetano Distefano: Intercos SPA, Italy 

개발된 화장품 제형이 높은 NOI^{Natural Origin Index, ISO16128}를 유지하고 있음을 표현하는 것은 해당 화장품 기업이 얼마나 지속가능한 기업인지를 나타내는 좋은 방법 중 하나라 할 수 있다. 화장품에 사용된 유기농, 유기농 유래, 천연, 그리고 천연 유래 원료의 함량을 명확하고 투명하게 NOI를 통해 고객에게 제시할 수 있게 된다. 제품내의 성분을 NOI를 활용하여 화석에서 유래하지 않은 성분의 양을 간단한 숫자로 요약하여 제공하게 되면 해당 제품을 사용하는 소비자는 자연스럽게 환경 관련 이슈에 연계가 되는 소비를 하게 된다. 높은 NOI 제형을 개발하기 위해서는 천연 유래의 추출물 소재를 활용하는 것 이외에도 중요한 제형내의 기본 원료가 친환경적인 방법을 통해 얻어지거나 재생 가능한 공급 원료에서 완전히 또는 부분적으로 활용되는 화학 공정에서 얻은 합성 성분을 활용할 수도 있다. 

PLA^{Polylactic acid는 L-lactide}의 중합을 통해 쉽게 얻을수 있는 다용도 폴리머이며 생분해성이 장점인 물질이다. 저자들의 연구를 통해 PLA는 안료와 결합하여 파우더 컴팩트 내에서 선명한 색상을 제공하는 무광택의 특징을 가진 미세 물질로 개발되어 제품에 적용 되었다. L-lactide의 경우 다른 고분자 물질과 공중합 또는 하이브리드 반응을 통해 다양한 점도나 사용감을 제공하는 새로운 원료로 개발되었다. 하지만, 가수분해에 대한 에스테르 결합의 불안정성으로 인해 PLA 기반 성분은 주로 물이 없는 무수제형에 사용 되었다. 또한, PLA 사슬의 극성은 롱웨어 립스틱류에서 다양한 텍스쳐의 발현에 중요한 영향을 미치는 탄화수소 성분들의 사용을 방해하게 된다. PLA 기반 원료들에 맞추어서 탄화수소 원료들을 선택적으로 사용해야 한다면 제품에 적용하는데 많은 제약이 따를 수밖에 없다. 

이번 연구의 목적은 이러한 사항을 고려하여 NOI가 높은 무수 제형의 개발을 쉽게하고 PLA 기반의 원료가 제공하는 장점을 활용할 수 있게 만드는 새로운 원료를 제공하는 것이다. 이를 위해 다양한 지방족 알코올류와 L-lactide의 공중합을 통해 몇가지 새로운 원료를 설계하고 합성하였다. 지방족 PLA 공중합체는 myristyl 알코올 등 5가지 알코올을 개시제로 사용하여 L-lactide의 개환 중합에 의해 합성 되었다. 5가지 PLA 기반 지방족 올리고머는 성공적으로 합성된 것을 확인하였고 이들의 NOI는 0.5에서 1을 나타내었다. 이들을 활용한 프로토타입의 립스틱 제형은 기존에 존재하는 PLA 기반 성분을 활용할 때 최대 90%의 천연 유래로 구성되는 제형임을 확인할 수 있었다. 

4. Sebum harmonizer dedicated to all skin types 

De Tollenaere, Morgane: R&D Department, Givaudan, Pomacle, France 

피지는 우리 피부의 건강을 유지하는 기본 구성 요소로서 표피의 수분, 유연성과 부드러움을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 또한, 피부 공생 미생물의 균형적 성장에도 영향을 미치는 것으로 알려져있다. 피지는 세포 분화의 다른 단계에서 피지 세포로 구성된 피지선에 의해 생성되는데 피지 조성은 인종 및 성별에 따라 양과 조성이 약간 다를 수 있다. 주로 여성보다 남성이 피지의 양이 많고 아프리칸 피부가 피지선이 크고 더 많은 양의 피지를 생성하는 것으로 알려져 있다. 

피지의 구성 성분의 비율과 양에 조금이라도 변화가 생기면 피부 항상성에 영향을 미치고 피부 질환의 발현으로 이어질 수 있다. 실제 여드름 경향이 있는 피부는 포화·불포화 유리 지방산 비율의 교란 및 스쿠알렌의 과산화로 인해 발생하며 이로인한 피지 조성이 영향을 받는다. 최근 피지 조성의 교란은 친유성‧피지가 풍부한 조건에서 자라는 것으로 잘 알려진 박테리아인 C.acnes의 증식과 관련이 있는 것으로 보고되었다. C.acnes의 증식은 최종적으로 전체 피부 미생물 구성 비율의 이상으로 이어진다. 실제로 C.acnes는 트리글리세리드를 에너지원으로 사용하고 유리 지방산을 방출하여 피부에 산성 pH를 제공하고 이를 통해 다른 미생물 종의 증식을 제한한다. 또한, 피부에 면포 생성을 유발하는 대사 산물을 유리하여 영구적인 염증 상태를 유지하게 된다. 이번 연구를 통해 일반적으로 망고 잎으로 알려진 Mangifera indica LAnacardicaceae의 천연 추출물을 개발하였다. 생물다양성 보전을 위해 망고트리가 훼손 되지 않는 범위에서 잎을 손으로 직접 수확하였고 햇빛에 노출된 부위의 잎이 활성성분이 더 많은 것을 확인하여(+29%) 이를 활용하였다. 지속가능성 측면에서 사회적 기여를 위해 여성들이 주도하여 망고트리 잎의 수확과 건조 등의 공정에 참여할 수 있게 하였고 이를 통해 매일 2~3유로의 급여를 제공 받을 수 있도록 하였다. 

Mangifera indica 추출물은 폴리페놀과 크산톤이 풍부하다. 표적화된 in silico 연구를 활용하여 활성 화합물이 지방 생성 경로, 특히 PPARγ 경로에 작용할 수 있음을 확인했다. 활성 물질이 피지 조절에 미치는 영향을 확인하기 위해 인간 피지 세포를 사용하여 지방 생성에 대한 시험관 내 분석을 수행했고 코카시안, 아시아인, 아프리카인의 hiPSC 유래 피지 세포에 대한 활성이 지방 생성 억제에 미치는 영향을 추가로 조사했다. 피지 세포의 분화 및 지방 생성을 유도하기 위해 아라키돈산(AA5) 을 처치하였다. 이를 통해 미처리군 대비 지질 생성량이 증가하였고 양성 대조군인 레티노익산 10 μM(RA10)를 처치하였을 때 지질 합성의 유의미한 감소를 관찰할 수 있었다. Mangifera indica 추출물을 0.3% 수준으로 처치하였을 때 지질 합성이 크게 감소하는 것으로 나타났는데 코카시안 피지 세포에서 지질 생성이 90%까지 감소했고 아시아인 피지 세포에서 88% 감소를 관찰했으며 마지막으로 아프리카인 피지 세포에서 합성이 46%까지 억제되는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 전반적으로 모든 인종에 대해 Mangifera indica 추출물이 피지의 생성을 상당히 감소 시킬수 있음을 확인할수 있었다. 

피지 생성 억제는 피지선 부피의 감소와 관련이 있다. 피부 엑스플랜트에 피지 과잉 상태를 유도하기 위해 10% 리놀레산으로 처리하였다. 이후 피지선의 부피를 3D 방식으로 분석하여 Mangifera indica 추출물의 효과를 확인하고자 하였다. 10% 리놀레산 처리 시 대조군 대비 부피가 37% 증가하는 것으로 확인되었고 Mangifera indica 추출물을 1% 처리하였을 때 피지선의 부피가 50% 감소하여 피지 생성 억제에 대한 추출물의 효과를 보여주었다. 

피지를 구성하는 성분들의 종류 및 비율은 이미 잘 알려져 있다. 만일 이들 구성상에 장애가 발생하면 여드름 등의 피부 트러블을 발생시킨다. 추출물 적용시 피지를 구성하는 다양한 지질 성분들의 변화가 어떻게 나타나는지를 확인하기 위해 다음 실험을 진행하였다. 과잉 피지 상태를 유도하기 위해 디하이드로테스토스테론^{dihydrotestosterone, DHT}을 피부 엑스플랜트에 처리하고 여기에 Mangifera indica 추출물을 1% 처리하였다. 배양이 끝난후 엑스플랜트로부터 피지선을 채취하여 파쇄하고 피지 구성 성분을 GC/MS와 LC/MS로 분석하였다. DHT 자극을 통해 스쿠알렌, 자유지방산^FFA 및 트리글리세라이드 양이 증가하는 것을 확인하였고 양성 대조군인 POB^{dibenzoyle peroxide}를 처리한 군에서는 자극으로부터 유발된 지질양이 감소되는 것을 확인하였다. Mangifera indica 추출물군의 경우 스쿠알렌은 18%, 트리글리세라이드는 12% 감소한 반면 FFA와 콜레스테롤의 양에는 영향을 미치지 않았다. 스쿠알렌과 트리글리세라이드는 여드름성 피부에서 증가하기 때문에 이의 감소 효과는 추출물이 여드름 피부에 긍정적인 효과를 발휘할수 있음을 알수 있다. 또한, 콜레스테롤의 양에 영향을 미치치 않는 것은 피부 생리학적으로 의미 있는 결과로 정상적인 피부 지질 대사에는 추출물이 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 

피지 분비의 관점에서 임상 실험을 진행하였다. 코카시안, 아시안, 아프리칸 시험자를 대상으로 Mangifera indica 추출물이 함유되어 있는 크림과 함유되어있지 않은 크림을 하루 2번씩 28일동안 사용하게 하고 피지 분비 수준을 측정하였다. 

도포 28일 후, 활성 성분이 함유된 크림을 도포한 코카시안 패널의 경우 피지 수준이 13.2% 감소한 반면 위약군에서는 피지 수치가 6% 감소하는데 그쳐 Mangifera indica 추출물을 적용한 그룹에서 2.2배 더 높은 효능을 나타내었다. 아시안 패널에서 활성 성분이 포함된 크림을 적용한 지원자는 피지 수준이 4% 감소했으나 대조적으로, 위약 그룹은 피지 수준이 약간 증가하여 추출물을 적용한 그룹에서 1.8배 더 높은 효능을 보여주었다. 마지막으로 아프리칸 패널과 관련하여 위약 그룹에서 7.3%의 상당한 감소가 관찰되었고 활성 물질을 적용한 그룹에서는 피지량이 15.9% 감소하여 2.2배의 효과를 나타내었다. 결론적으로 이러한 임상 연구를 통해 가장 대표적인 피부 타입에 대한 Mangifera indica 추출물의 피지 조절 활성을 확인할 수 있었다. 피부 장벽 개선 관련 효능 평가에 있어서도 활성 추출물이 함유된 1% 크림을 적용한 그룹에서 TEWL 수치를 12.7% 감소시키는 것으로 확인되어 효과가 있음을 확인하였다. 또한 C.acnes의 활성을 2.4배 감소시키며 피부 미생물의 생태계를 효과적으로 보호하고 있음을 추가적으로 확인하였다. 이번 연구를 통해 개발된 Mangifera indica 추출물은 지속가능성 관점에서의 원료 재배 및 채취 원칙을 준수하였고 유기 용매가 사용되지 않은 100% 천연 원료이다. 인종별 피부에서의 피지선 형태와 피부 장벽 기능을 방해하지 않으면서 피지 분비를 효과적으로 억제하고 피부 미생물 생태계 보호 및 C.acnes의 대사 억제에 영향을 미치는 것으로 확인되어 건강한 피부를 위해 좋은 원료가 될것으로 판단된다. 

5. Green Oregano Essential Oil: 

from In Vivo soothing efficacy to efficient cosmetic products

BREDOUX Catherine: L’OREAL Research and Innovation, Chevilly-Larue, France

그린 오레가노 에센셜 오일^{Green oregano essential oil, GO-EO}은 Origanum heracleoticum L.의 지상부의 꽃으로부터 증기 증류에 의해 제조가 되며 주로 carvacrol, thymol과 같은 페놀류와 모노테르펜 성분으로 구성되어 있다. 기존 연구에 따르면 GO-EO는 PGE2 억제에 기인한 항염 효과가 있는 것으로 알려져 있어 우수한 천연 진정 성분이지만 이를 피부에 전달하기 위한 제형기술은 여전히 부족한 실정이다. 이번 연구에서는 제형내에서의 GO-EO의 특성 메커니즘을 조사하고 적절한 비히클을 탐색하여 피부 진정 효과를 입증할 다양한 제형을 개발하였고 추가적인 임상 연구를 통해 효과를 확인했다. 임상 연구에 사용된 수성 제형은 아미노메틸프로판올로 중화된 Pemulen 수용액을 기반으로 스쿠알란, 올리브 오일 및 프로필렌 글리콜을 포함하며 여기에 β-cyclodextrin^β-CD으로 포접된 GO-EO 및 순수 GO-EO가 0.5 또는 1% 농도로 포함되어 젤 형태로 제조됐다. 포접 GO-EO는 GO-EO를 스쿠알란에 혼합하여 10배의 β-CD를 혼합하여 균질을 통해 제조 되었다. 유성 제형은 0.5 또는 1% 농도의 GO-EO를 스쿠알란 또는 올리브 오일에 혼합하여 제조하였다. 상기 제형에는 UV를 흡수하는 추가 성분이나 방부제, 향료 등은 포함되지 않았다.

진정 효과에 대한 임상 평가를 위해 몇가지 염증 유도 모델을 적용하였다. 첫번째는 메틸니코티네 이트^{Methyl nicotinate, MN}로 유도한 염증에서의 진정 효과를 확인하였다. 시험은 4단계로 진행되었는데 MN 민감성 확인, 제품 적용, MN 처치 그리고 다양한 시점에서의 홍반 평가 순으로 진행됐다. 실험 결과 GO-EO 1%가 함유된 pemulen gel과 10% 스쿠알란이 혼함된 EO-GO 1%가 함유된 gel의 경우 비처치군 대비 상당한 홍반 생성의 감소를 보여주었다. 

다음으로 UV로 유도된 염증 모델에서의 진정 효과를 확인하였다. 시험은 MED 결정, UV 노출 및 제품 적용, 24시간, 48시간 후 비색 측정 및 육안 평가순으로 수행되었다. 결과적으로 GO-EO가 함유된 젤을 사용한 시험군에서 5시간 후 홍반 생성이 현저하게 감소하는 것으로 확인되었고 추가 GO-EO 농도별 시험에서는 낮은 농도인 0.5% 함유 수준에서 가장 좋은 효과를 나타내었다.

이같은 결과를 기반으로 에센셜 오일이 수딩 효과를 기반으로 애프터 쉐이빙 제품 및 데일리 제품에 좋은 응용 원료가 될수 있음을 확인했다.