Separation Permeation Characteristics of N₂-O₂ Gas in Air at Cell Membrane Model of Skin which Irradiated by High Energy Electron

고에너지 전자선을 조사한 피부의 세포막모델에서 공기 중의 O₂-N₂ 혼합기체의 분리투과 특성

Abstract

The separation permeation characteristics of $N_2-O_2$ gas in air at cell membrane model of skin which irradiated by high energy electron(linac 6 MeV) were investigated. The cell membrane model of skin used in this experiment was a sulfonated polydimethyl siloxane(PDMS) non-porous membrane. The pressure range of $N_2$ and $O_2$ gas were appeared from $1kg_f/cm^2$ to $6kg_f/cm^2$. In this experiment(temperature $36.5^{\circ}C$), the permeation change of $N_2$ and $O_2$ gas in non-porous membrane by non-irradiation were found to be $1.19{\times}10^{-4}-2.43{\times}10^{-4}$, $1.72{\times}10^{-4}-2.6{\times}10^{-4}cm^3(STP)/cm^2{\cdot}sec{\cdot}cmHg$, respectively. That of $N_2$ and $O_2$ gas in non-porous membrane by irradiation were found to be $0.19{\times}10^{-4}-0.56{\times}10^{-4}$, $0.41{\times}10^{-4}-0.76{\times}10^{-4}cm^3(STP)/cm^2{\cdot}sec{\cdot}cmHg$, respectively. The irradiated membrane was significantly decreased about 4-10 times than membrane which was not irradiated. And ideal separation factor of $N_2$ and $O_2$ gas by non-irradiation was found to be from 1.32 to 0.42 and that of $N_2$ and $O_2$ gas by irradiation was found to be from 0.237 to 0.125. The irradiated membrane was significantly decreased about 4-5 times than membrane which was not irradiated. When the operation change(cut) and pressure ratio(Pr) by non-irradiation were about 0, One was increased to the oxygen enrichment and the other was decreased to the oxygen enrichment. The irradiated membrane was significantly decreased about 4-19 times than membrane which was not irradiated. As the pressure of $N_2$ and $O_2$ gas was increased, the selectivity was decreased. As separation permeation characteristics of $N_2-O_2$ gas in cell membrane model of skin were abnormal, cell damages were appeared at cell.

본 논문에서는 고에너지 전자선(6MeV)을 조사한 피부의 세포막 모델에서 공기의 주요 구성성분인 $N_2-O_2$ 혼합기체가 압력차에 따른 투과도차의 변화를 나타내고 결국 $N_2-O_2$ 분리투과성의 변화로 나타내어 기체분자가 분리 전달되는 특성을 연구하였다. 이 실험에 사용한 재료로 피부의 세포막 모델은 polydimethyl siloxane (PDMS)분말을 polysulfone과 결합시킨 비다공성 복합막, 압축공기와 순도 99.9%인 산소, 질소기체통, 산소분석기(LC-700H, Japan), soap-bubble flow meter, wet-test meter, pressure regulator, back-pressure regulator, permeation cell, Linac 전자선 조사기 등을 사용하였다. 실험방법으로는 $N_2-O_2$ 기체투과 장치를 이용하여 피부세포막모델의 온도는 $36.5^{\circ}C$로 고정한 후에 기체의 온도도 $15^{\circ}C$로 고정하고 조작압력법위를 $1{\sim}6kg_f/cm^2$로 하며 각각 $1kg_f/cm^2$ 단위로 측정하였다. 방사선을 조사한 피부의 고분자막(세포막모델)에서 공기를 구성한 $N_2-O_2$ 혼합기체의 분자가 압력차에 따른 투과도차가 발생하여 피부세포에 비정상적으로 전달되는 과정을 실험을 한 결과 아래와 같은 결론을 추론하게 되었다. 피부의 고분자 막(세포막모델)에서 $N_2-O_2$ 혼합기체의 투과분리특성의 변화에 대하여 알아본 결과 방사선을 조사하지 않은 때 질소와 산소의 투과도 변화는 각각 $1.19{\times}10-4{\sim}2.43{\times}10^{-4}$과 $1.72{\times}10^{-4}{\sim}2.6{\times}10^{-4}[cm^3(STP)/cm^2{\cdot}sec{\cdot}cmHg]$이며 방사선조사로 질소와 산소의 투과도 변화는 각각 $0.19{\times}10^{-4}{\sim}0.56{\times}10^{-4}$ 과 $0.41{\times}10-4{\sim}0.76{\times}10^{-4}[cm^3(STP)/cm^2{\cdot}sec{\cdot}cmHg]$이며 4~10배 정도 낮아짐을 알 수가 있었고 방사선을 조사하지 않은 때 질소에 대한 산소의 이상분리인자 ${\alpha}^*$의 값은 1.32~0.42로 나타내었으며 방사선조사로 질소에 대한 산소의 이상분리인자 ${\alpha}^*$의 값은 0.237~0.125이며 4~5배 정도 낮아짐을 나타내었다. 또한, 압력차가 $1{\sim}6kg_f/cm^2$로 증가함에 따라서 작업변수인 cut가 0에 접근할수록 투과도상의 산소부화도는 증가하지만 반면에 압력비 Pr이 0에 가까워질수록 투과도상의 산소부화도는 방사선조사로 4~19배 정도 감소하였다. 방사선의 조사 유 무에 관계없이 압력차가 $1{\sim}6kg_f/cm^2$ 로 증가함에 따라서 질소, 산소 및 공기의 투과도는 증가하였지만 질소에 대한 산소의 선택성은 감소하였다.

Ⅰ. INTRODUCTION

피부는 인체의 가장 외부를 둘러싸고 있은 조직으로서 표피, 진피, 피하지방층으로 구성되어 있다. 방사선을 인체에 조사를 하면 피부를 통해서 피하 내부장기와 신경, 혈관, 근육 등의 각종 결합조직을 통과하면서 방사선의 물리적 단계, 화학적 단계, 생물학적 단계를 걸쳐서 최종적으로 급성장해와 만성장해를 나타낸다.[1]

특히, 공기는 질소가 약 78%, 산소 약 21%이고 그 외 이산화탄소, 헬륨, 아르곤, 수증기, 오존 등과 각종 오염기체 등 미량기체로 구성된 혼합기체이며 인체피부의 표피와 접촉하고 있다.  이러한 특징으로 보면 피부의 표피를 구성하고 있은 편평상피세포는 세포호흡을 할 때 피부세포에 필요한 산소를 모세혈관으로부터 산소를 공급을 받지만 공기 중의 구성성분인 산소를 공급받고 질소 외 다른 혼합기체를 피부내부의 침입을 차단하는 혼합기체의 분리기능을 지니고 있다고 생각된다. 잠수부나 해녀, 가스 중독자에서 나타나는 저산소증을 치료하기 위해서 고압산소치료를 할 때 강한 산소 압력으로 피부세포를 통해서 산소를 인체내부로 침투하여 부족한 산소농도를 증가시킨다. 이러한 피부의 생리적 대사기능은 공기 중에서 대부분을 차지하는 질소기체의 유입은 차단하고 생명에 유익한 산소기체의 유입은 허용하는 것으로 보와 질소와 산소의 분리 능력을 지니고 있다고 볼 수 있다. 피부의 표피세포막이 능동적으로 산소기체는 유입하고 질소기체외 다른 공기를 구성하는 혼합기체는 차단하는 생리적 대사 기전을 통해서 생명현상을 유지하는 것으로 사료된다. 폐의 폐포를 통한 산소와 이산화산소의 교환으로 유입된 산소는 피부의 진피층에 분포하고 있은 모세혈관을 통해서 산소가 피부조직에 공급되고 피부의 표피를 구성하는 세포막에서의 확산이나 능동수송으로 세포에 필요한 적당한 산소량을 공기 중의 산소로부터 얻을 수 있다.[2,3]

여기서 피부의 표피세포막에서 능동수송(active transport)은 산소가 저 농도에서 고농도로 이동할 때 발생하며 생화학적 에너지로는 ATP가 이용된다. 또한, 수동수송(passive transport)은 산소가 고 농도에서 저 농도로 이동할 때 발생하여 단순확산으로 에너지가 사용되지 않는다.  피부의 표피세포막에서 능동수송(active transport)과 수동수송(passive transport)은 생화학적 에너지의 사용 유·무에 따라 혼합기체에서의 산소분리방법이 달라진다.[4,5]

한편 Henry은 자유부피모형(free volume model)의 내부로 통과하는 공기의 혼합기체(산소-질소)가 분리되는 정도를 피부의 표피세포막의 기체투과에 대한 온도와 압력으로 나타낸 관계식으로 아래 식을 제안하였다.[6]

 

\(\ln \overline{P_{o}}=C(T)+\frac{B d}{\left(V_{f}^{*}\right)^{2}}\left(-\beta+\gamma S_{0}\right) P_{H} \)       (1)

 

여기서

 

\(C(T)=\ln (R T A d S o)-\left(B d / V_{f}^{*}\right) \)       (2)

 

은 투과기체 - 고분자계의 성질과 온도 의존 상수이다.

Ad와 Bd : 침투분자의 크기와 모양에 따른 변화는 매개변수, V_f* : 순수고분자의 자유부피분율, β : 등온압축, γ : 농도계수, P_H: 고압쪽 압력, So : Henry법칙영역의 용해도계수를 나타낸다.

피부 세포막 모델에서 피부세포의 외부로부터 유입되는 가스흐름과 투과한 가스흐름, 배제되는 가스흐름의 몰 흐름 비율을 G_F, G_P, G_R로 각각 나타내고 2성분의 혼합가스 중에서 가벼운 가스의 조성을 X_F, X_P, X_R로 각각 나타낸다. 피부에 유입된 기체와 배제된 기체의 압력에 다가 조성이 같은 기체의 완전혼합으로 발생하는 경우를 가정할 때의 물질 수지는 아래와 같다.

 

\(\mathrm{G}_{\mathrm{F}}=\mathrm{G}_{\mathrm{P}}+\mathrm{G}_{\mathrm{R}} \\ GF: 세포막 \ 외부로부터\ 유입되는\ 가스의\ 몰\ 흐름\ 비율 \\ GP: 세포막을\ 투과학하는\ 가스의\ 몰\ 흐름\ 비율 \\ GR: 세포막에서\ 배재되는\ 가스의\ 몰\ 흐름\ 비율 \\ \)       (3)

 

\(G_FX_F = G_PX_P+G_RX_R \\ XF: 세포막\ 외부로부터\ 유입되는\ 2서우분의\ 혼합가스\ 중\ 가벼운 \ 가스의\ 조성 \\ XP: 세포막을\ 투과하는\ 2성분의\ 혼합가스\ 중 \ 가벼운\ 가스의\ 조성 \\ XR: 세포막에서\ 배제되는\ 2성분의\ 혼합가스\ 중\ 가벼운\ 가스의\ 조성\)         (4)

 

위의 경우 2성분계의 기체 성분 a와 b의 투과율로부터 아래 식을 도입 할 수가 있다.

 

\(\frac{X_{P}}{1-X_{P}}=\mathrm{a}^{*} \frac{X_{R}-\operatorname{Pr} X_{P}}{\left(1-X_{P}\right)-\operatorname{Pr}\left(1-X_{P}\right)}\)       (5)

 

여기서 a^*는 이상분리인자로서 순수기체 a와 b에 대한 각각의 투과계수 비인 \(\frac{\bar{P}_{o} a}{\bar{P}_{o}^{b}}\)로 나타낸다.

 

\(\mathrm{a}^{*}=\frac{\bar{P}_{o} a}{\bar{P}_{o}^{b}}\)       (6)

 

그리고 저압쪽 압력 P_L, 고압쪽 압력을 P_H로 각각 나타 낼 때 압력비는 Pr = P_L/P_H가 되며 stage cut θ는 아래와 같이 나타낼 수가 있다.

 

\(\theta=\frac{G_{P}}{G_{F}}=\frac{\text {flow rate of permeate stream}}{\text {flow rate of feed stream}}\)       (7)

 

θ는 도입기체유량과 투과기체유량의 비로 정의하는 변수이다. 피부의 세포에 대한 방사선장해를 현미경적 즉 형태학적 연구보고는 많이 진행을 하였지만 공기의 주성분인 질소와 산소에 대한 피부세포의 분리기능에 대해 방사선이 미치는 영향에 대한 연구는 미비한 실정이다.

이에 따라서 방사선이 조사된 피부의 세포막모델에서 공기의 주성분인 질소와 산소로 혼합된 기체에서 분리되는 특성의 변화를 구명하기 위하여 피부세포막과 유사한 이온투과성막을 고분자로 제조한 후 이 생물 막에 방사선조사 전․후에 혼합기체(질소와 산소)의 분리특성변화가 어떻게 변화하는가를 알아보기 위하실험을 하였다.

 

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험재료

1.1 N₂-O₂ 기체투과의 피부세포모델의 구성

기체투과 피부세포모델의 전체 직경은 17.1cm로서 재질은 SUS 316 stainless steel이며 위아래로 2개의 part로 구성되어 있고 고분자막을 삽입한 후 내부에 장착된 O-ring으로 좌우방향에서 bolt와 nut로조여 밀착 고정하였다. 고분자막의 지지체로서 stainless steel로 구성된 다공성 지지판을 이용하였다. 자세한 구조를 Fig. 1에 나타내었다.

 

Fig. 1. Diagram of the single permeation stage.

 

1.2 N₂-O₂ 기체의 분리 고분자막의 구성

N₂-O₂ 혼합기체의 투과성차이를 이용한 기체분리 특성을 측정할 수 있은 투과성 막으로서 polydimethyl siloxane(PDMS)분말을 polysulfone과 결합시킨 복합막을 사용하였다. 자세한 구조를 Fig. 2에 나타내었다.

 

Fig. 2. Gas permeation cell.

 

1.3 실험기기

압축공기와 순도 99.9 %인 산소, 질소기체통, 산소분석기(LC-700H, Japan), soap-bubble flow meter, wet-test meter, pressure regulator,  back-pressure regulator, permeation cell, Linac 전자선 조사기 등을 사용했다.

 

2. 실험 장치

본 실험에서는 방사선이 조사된 피부의 세포막모델에서 공기의 주성분인 질소와 산소로 혼합된 기체에 대한 분리 특성의 변화에 어느 정도의 영향을 미치는가를 정량화하기 위하여 Fig. 3과 같은 실험장치를 제작하여 실험하였다.

 

Fig. 3. Schematic diagram of permeation experimental system.

 

3. 실험 방법

3.1 N₂-O₂ 기체투과 장치

본 실험에서는 고압의 가스실린더로부터 방출된 기체를 line regulator로 조절하여 알정한 압력의 기체를 투과피부세포막으로 들어간다. 피부세포막모델을 통과한 기체의 유속은 soap-bubble flow meter로 액체흐름측은 큰 유속이므로 wet-test meter로 각각 분석하였다. 이 때 투과한 산소의 농도는 산소분석기(LC-700H, Japan)로 측정하였다.

 

3.2. N₂-O₂ 기체의 분리특성 실험

작업변수는 피부세포막 모델의 양단간 압력차와 기체공급유량에 대한 기체투과유량의 비인 cut에 의해서 결정되며 이용되는 압력차는 가스실린더에 부착된 pressure regulator와 배제흐름측에 부착된 back-pressure regulator에 의해서 조절하였다. 피부세포막모델의 온도는 36.5℃로 고정한 후에 기체의 온도도 15℃로 고정하고 조작압력법위를 1∼6kg_f/㎠로 하며 각각 1kg_f/㎠ 단위로 측정하였다. 단일기체의 투과실험에서는 완전혼합의 유지조건으로 cut θ 󰀃 0.02로 하였으며 cut 조절은 back-pressure regulator에 의해서 조절하였다. 또한, 혼합기체의 투과실험에서는 조작압력법위를 1∼5kg_f/㎠로 하며 완전혼합의 유지조건으로 cut θ \(\leq\) 0.02로 하였다.

 

Ⅲ. RESULT

피부의 세포막모델을 사용하여 공기의 주성분인 N₂-O₂를 단일기체일 때와 혼합기체일 때 각각 압력차의 변화에 따른 투과도, 선택성, 산소부화도를 알아보기 위하여 피부세포막모델의 온도는 36.5℃로 고정한 후에 기체의 온도도 15℃로 고정하고 조작압력법위를 1∼6kg_f/㎠로 하며 각각 1kg_f/㎠ 단위로 측정한 결과 압력차가 증가할 수 록 공기, 질소, 산소의 투과도는 증가하였고 질소, 산소에 대한 선택성은 감소하였다. 또한, 작업변수로서 작용하는 cut가 0에 접근 할수록 투과상의 산소부화도는 증가하였고 압력비 Pr이 0에 가까워질수록 투과상의 산소부화도는 감소하였다.

이는 N₂-O₂가 단일기체일 때와 혼합기체일 때 각각 압력차의 변화에 따른 피부세포에 N₂-O₂ 기체분리의 투과성 전달에 변화를 줄 수 있은 에너지를 제공하였기 때문이다.

 

1. 방사선을 조사하지 않은 피부세포막 model의 고정온도 36.5℃에서 N₂-O₂ 기체의 분리투과 특성

1.1. 단일기체의 투과분석

피부의 세포막모델에 대한 N₂-O₂의 혼합기체의 분리투과 특성을 분석하기 전에 단일기체에 대한 투과실험에서 압력차가 얼마나 영향을 끼치는가를 알아보았다.

Fig. 4에서 압력차에 따른 질소와 산소의 투과도 변화는 각각 1.19 × 10-4 ∼ 2.43 × 10-4 과 1.72 × 10-4 ∼ 2.6 × 10-4[㎤(STP)/㎠ · sec · cmHg]이 며 질소보다 산소의 투과도가 크다는 것을 알 수가 있으며 질소와 산소 모두 고압측 압력 P_H가 증가할수록 투과도가 증가함을 알 수가 있었다.

자유부피모형(free volume model)을 적용하여 기체분리 특성을 해석하면은 투과기체의 압력이 커질수록 피부세포막에 대한 hydrostatic pressure가 커지므로 자유부피(free volume)가 감소하는 영향을 나타내지만 더불어 용해되는 투과기체의 농도가 커질수록 자유부피(free volume)가 증가하는 영향도 나타내었다. 이때 후자의 영향이 더 크므로 압력이 커질수록 자유부피도 커지므로 투과도도 커진다.

Fig. 5에서 압력차의 변화에 따른 질소에 대한 산소의 이상분리인자의 변화를 알 수가 있었으며 1.32 ∼ 0.42로 나타내었다. 압력차가 증가할수록 이상분리인자의 값은 감소하였다.

Fig. 4에서 보는바와 같이 질소의 투과도 증가율이 산소의 투과도 증가율보다 크므로 이상분리인자의 값이 감소하는 것으로 사료된다. 이는 압력차가 클수록 분자량이 작은 질소가 분자량이 큰 산소보다 피부세포에 투과가 쉬어 짐을 알 수가 있었다.

 

 

Fig. 4. Effect of pressure difference on permeabilities of oxygen and nitrogen by non-irradiation.

 

Fig. 5. Effect of pressure difference on selectivity by non-irradiation(O₂/N₂).

 

 

1.2. 작업변수에 대한 영향

질소와 산소의 혼합기체가 피부세포막에 투과할 때 작업변수인 압력비 Pr와 cut의 변화에 따른 투과측의 산소농도의 변화를 Fig. 6에 나타내었다.

단일기체성분의 실험결과로부터 얻은 이상분리인자의 값이 증가할수록 선택성이 증가함을 나타내었고 압력비 Pr가 작아질수록 즉 고압쪽의 압력이 높을수록 산소의 부화도가 작아짐을 알 수 있었다.

그리고 cut가 1에 접근할수록  산소부화도가 발생하지 않음을 보여 주며 Fig. 7에서는 cut의 변화에 따른 배제측에서의 산소농도를 나타내었으며 cut가 1에 접근할수록 산소의 농도가 감소하였다.

 

Fig. 6. Effect of cut( θ ) on the oxygen enrichment of air in the permeate by non-irradiation.

 

Fig. 7. Effect of cut( θ ) on the oxygen stripping of air in the reject by non-irradiation.

 

2. 5Gy로 조사한 피부세포막 model의 고정온도 36.5℃에서 N₂-O₂ 혼합기체의 분리투과 특성

2.1. 단일기체의 투과분석

5Gy로 조사한 피부의 세포막모델에 대한 N₂-O₂의 혼합기체의 분리투과 특성을 분석하기 전에 단일기체에 대한 투과실험에서 압력차가 얼마나 영향을 끼치는가를 알아보았다.

Fig. 8에서 압력차에 따른 질소와 산소의 투과도 변화는 각각 0.19 × 10_-4 ∼ 0.56 × 10_-4 과 0.41 × 10-4 ∼ 0.76 × 10_-4[㎤(STP)/㎠ · sec · cmHg]이 며 질소보다 산소의 투과도가 크다는 것을 알 수가 있으며 질소와 산소 모두 고압측 압력 P_H가 증가할수록 투과도가 증가함을 알 수가 있었다. 자유부피모형(free volume model)을 적용하여 기체분리 특성을 해석하면은 투과기체의 압력이 커질수록 피부세포막에 대한 hydrostatic pressure가 커지므로 자유부피(free volume)가 감소하는 영향을 나타내지만 더불어 용해되는 투과기체의 농도가 커질수록 자유부피(free volume)가 증가하는 영향도 나타내었다. 이때 후자의 영향이 더 크므로 압력이 커질수록 자유부피도 커지므로 투과도도 커진다.

Fig. 9에서 압력차의 변화에 따른 질소에 대한 산소의 이상분리인자의 변화를 알 수가 있었으며 0.237 ∼ 0.125로 나타내었다. 압력차가 증가할 수 록 이상분리인자의 값은 감소하였다. Fig. 8에서 보는바와 같이 질소의 투과도 증가율이 산소의 투과도 증가율보다 크므로 이상분리인자의 값이 감소하는 것으로 사료된다. 이는 압력차가 클수록 분자량이 작은 질소가 분자량이 큰 산소보다 피부세포에 투과가 쉬어 짐을 알 수가 있었다.

 

2.2. 작업변수에 대한 영향

질소와 산소의 혼합기체가 피부세포막에 투과할 때 작업변수인 압력비 Pr와 cut의 변화에 따른 투과측의 산소농도의 변화를 Fig. 10에 나타내었다. 단일기체성분의 실험결과로부터 얻은 이상분리인자의 값이 증가할수록 선택성이 증가함을 나타내었고 압력비 Pr가 작아질 수 록 즉 고압쪽의 압력이 높을수록 산소의 부화도가 작아짐을 알 수가 이었다. 그리고, cut가 1에 접근할수록  산소부화도가 발생하지 않음을 보여 주며 Fig. 7에서는 cut의 변화에 따른 배제측에서의 산소농도를 나타내었으며 cut가 1에 접근할수록 산소의 농도가 감소하였다.

본 실험을 통해서 종합해 보면 피부의 세포막모델에 대한 N₂-O₂의 혼합기체의 분리투과 특성을 분석한 결과 산소의 압력차에 따른 산소의 투과도에서는 방사선을 조사할 때가 안 할 때보다 4배 정도 낮아짐을 알 수가 있었고 이는 방사선조사가 피부세포막의 산소투과도를 감소시커 산소가 피부세포에 유입되는 것을 방해하여 방사선에 의한 피부장해를 증가하는 요인으로 작용한다고 볼 수가 있었다. 또한, 질소도 질소의 압력차에 따른 질소의 투과도에서는 방사선을 조사할 때가 안 할 때보다 4배 ∼ 10배정도 낮아짐을 알 수가 있었고 이는 방사선조사가 피부세포막의 질소투과도를 감소시킴을  알 수가 있었다. N₂-O₂ 의 압력차에 따른 이상분리인자는 방사선을 조사할 때가 안 할 때보다 4배 ∼ 5배정도 낮아짐을 알 수가 있었고 이것은 N₂-O₂ 의 압력차에 따른 피부세포막에서의 선택성이 낮아짐에 따른 정상적으로 산소와 질소를 분리 투과도도 낮아져 피부의 장해를 가져 올 수가 있음을 생각된다. cut θ와 산소투과도에서 압력비 Pr가 감소할수록 피부세포막의 산소투과도는 감소하는 되 방사선을 조사할 때가 안 할 때보다 Pr-0.5에서 4배 ∼ 5배정도, Pr-0.34에서 4배 ∼ 9배 정도, Pr-0.27에서 6배 ∼ 10배 정도,  Pr-0.22에서 10배 ∼ 20배 정도 낮아짐을 알 수가 있었고 cut θ와 산소의 비투과도에서 압력비 Pr가 감소할수록 피부세포막의 산소의 비투과도는 감소하는 되 방사선을 조사할 때가 안 할 때보다 Pr-0.5에서 7배 정도, Pr-0.34에서 7배 정도, Pr-0.27에서 6배 ∼ 19배 정도,  Pr-0.22에서 6배 ∼ 15배 정도 낮아짐을 알 수가 있었고 이것은 N₂-O₂의 압력차에 따른 피부의 산소의 비투과도가 감소함으로서 투과도와 같이 산소의 부화도가 감소함으로서 결과적으로 방사선조사가 피부세포막의 산소의 부화도를 감소시커서 산소가 피부세포에 유입되는 것을 방해하여 방사선에 의한 피부장해를 증가하는 요인으로 작용한다고 볼 수가 있었다.

 

Fig. 8. Effect of pressure difference on permeabilities of oxygen and nitrogen by irradiation.

Fig. 9. Effect of pressure difference on selectivity by  irradiation (O₂/N₂).

 

Fig. 10. Effect of cut( θ ) on the oxygen enrichment of air in the permeate by irradiation.

 

Fig. 11. Effect of cut( θ ) on the oxygen stripping of air in the reject by irradiation.

 

Ⅳ. DISCUSSION

고분자막에 의한 기체의 분리공정은 작은 분자의 기체가 압력의 차에 따라서 고분자막의 투과도차로 나타내어 그 결과로 인하여 고분자막을 통과하는 기체의 부피의 차이로 나타내게 된다. 이러한 것은 생체고분자인 인지질과 단백질로 구성된 세포막에서도 나타내어서 공기와 접촉하고 있은 피부의 세포막에서도 N₂-O₂ 의 압력차에 따른 투과도의 차이를 생리적 대사로 적절히 조절하여 인체에서 필요한 산소포화도를 얻을 수가 있으며 정상적은 피부세포로서의 역할을 할 것으로 사료된다.

자유부피(vt)는 어떤 특정한 분자를 함유하고 있은 모형(cage)에서 그 분자의 부피를 제거한 후 남은 모형의 부피로 정의 되는데 자유부피를 기본적으로 적용한 비다공성 고분자막의 내부에서 기체의 온도와 압력이 투과도에 얼마만큼의 영향을 미치는가에 대해서 구명하는 것은 공기와 접촉하고 있은 피부세포막의 N₂-O₂ 혼합기체의 분리기능을 구명하는데 중요한 이론적 및 실험적 접근 방법이라고 할 수가 있다. 인체의 체온은 36.5℃이므로 주로 N₂-O₂ 혼합기체의 압력차로 인한 투과도의 차로 나타내어 피부세포막을 통과하여 발생하는 혼합기체의 분리특성에 관한 연구가 되고 있다.

Mitchell[7]는 다양한 기체들이 고무막을 통해서 각각 다른 속도로 투과 전달하였다는 보고 Weller와 Steiner[8]등에 의해 Ethylene Cellulose 평막을 기체분리막소재로 사용하여 5단계를 걸쳐서 투과한 91%의 산소를 함유한 공기를 발생시키는데 성공하였지만 막 두께가 2㎛로 얇아서 투과량이 미미했다는 보고 Thorman[9]등에 의해 외경 600㎛, 내경 245㎛의 두께로 구성된 silicone 관을 여려 개로 묶어서 산소-질소 투과실험을 한 결과 28%의 산소농도가 포함된 공기를 얻는데 성공하였다는 보고 Cohen과 Turnbull[10] 등은 자유부피와 확산계수사이의 새로운 관계를 실험과 이론적으로 보고  Meares과 Fujita[11-12]은 고분자막에서 고분자내부로의 작은 분자들이 확산되는 기전을 해석하는데 자유부피개념이 아주 유용하게 적용하였다는 보고 Stern과 Fang[13] 등은 기체의 압력 변화에 대한 투과도의 변화를 알아보기 위해서 자유부피모델을 적용하였다는 보고 Park[14] 은 정상성인과 신생아 피부의 섬유모세포와 정상섬유 모세포주를 배양한 후 저산소상태로 유발하여 관찰한 결과 유도산화질소효소(iNOS) mRNA의 활성화에 따른 피부세포내의 NO의 증가와 동시에 교원질의 합성증가를 가져왔다는 연구보고가 있다. 본 실험은 polydimethyl siloxane(PDMS)분말을 polysulfone과 결합시킨 비다공성 복합막으로 구성된 피부의 세포막 모델에서 N₂-O₂ 혼합기체의 압력차에 따른 투과도차의 변화로 N₂-O₂ 분리투과성에 의한 기체분자의 전달을 알아보는 실험이다.

방사선이 조사된 피부의 세포막모델에서는 비정상적으로 N₂-O₂ 혼합기체의 분자가  피부세포에 전달이 이루어지므로 실제로 피부세포의 기능에 커다란 영향을 미쳐서 세포사, 세포기능과 구조적변화 등 다양한 형태의 장해를 유발하는 것으로 사료된다.

 

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 방사선을 조사한 피부의 고분자막(세포막모델)에서 공기를 구성한 N₂-O₂ 혼합기체의 분자가 압력차에 따른 투과도차가 발생하여 피부세포에 비정상적으로 전달되는 과정을 실험 하였다. 방사선 5Gy의 조사로 피부의 세포막모델(고분자막)에서 공기의 주성분인 N₂-O₂ 혼합기체의 투과분리특성이 비정상적으로 압력차에 따른 투과도차이, 이상분리인자, cut, Pr로 나타내었다.

압력차로 인해서 공기의 주성분인 N₂-O₂ 혼합기체의 투과도차가 발생하고 피부의 세포막모델(고분자막)을 통과하는 기체부피의 차이가 발생하는데 분자량이 큰 산소가 질소보다 피부의 세포막모델(고분자막)의 통과하는 부피의 증가를 가져 왔다.

이는 기체의 압력차가 피부의 세포막을 투과하는 차이를 나타내는 동력으로 작용하는데 방사선조사로  인해 세포막의 기능이 정상적으로 작동을 하지 못하므로 낮은 부피의 산소부화도가 피부세포에 기능적 장해를 발생하여 다양한 형태의 세포장해를 발생할 것으로 사료된다.[15]