Calcium Carbonate와 fibrin adhesive의 병용이 성견 2급 치근분지부 치주조직 재생에 미치는 영향

서은표 전남대학교 대학원 2000 국내석사

본 실험은 성견의 하악 소구치에 2급 분지부 골 결손을 형성하고 calcium carbonate와 fibrin adhesive의 병용이 치주조직의 재생에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 실험은 잡종 성견 6마리를 이용하였으며 실험군은 모두 4개 군으로 나누었다. 대조군은 골 결손부에 외과적 처치만 시행한 군, 실험 I군은 골 결손부에 calcium carbonate를 이식 후 치주판막으로 봉합한 군, 실험 II군은 골 결손부에 외과적 처치 후 fibrin adhesive만 적용한 군, 실험 III군은 골 결손부에 calcium carbonate 이식 후 fibrin adhesive로 고정하고 치주판막으로 봉합한 군으로 하였다. 희생은 각각 술 후 2, 4, 12주에 시행하였고 광학 현미경적 관찰을 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 임상적으로 1주 째 소견에서는 모든 군에서 염증소견이 관찰되었지만 2, 4, 12주 소견에서는 전 실험기간을 통하여 모든 군에서 치유는 양호하였다. 광학 현미경적 관찰시 대조군에서는 모든 군에서 홈부위까지 상피가 하방 증식되었으며 4주, 12주 째에서는 홈부근에서 신생 치조골 형성이 관찰되었다. 실험 I군에서는 상피가 홈부위까지 하방 증식되었고 이식재는 골 결손부에서 대부분 탈락되어 관찰되지 않았다. 4주, 12주 째 소견에서는 홈부근에서 신생골 형성이 관찰되었다. 실험 II군에서는 사용된 fibrin adhesive가 2주 째 소견에서 완전히 흡수되어 관찰되지 않았으나 상피의 하방 증식은 모든 관찰시기에서 억제되었다. 결합조직성 부착은 대조군보다 증가하였고 홈부근에서 신생 백악질과 치조골 형성이 관찰되었다. 실험 III군에서는 상피의 하방 증식은 관찰되지 않았고 이식재가 골 결손부에서 계속적으로 유지되었으며 2주 째에 홈부근에서 치조골의 형성이 관찰되었다. 4주 째에서는 홈상방으로 신생 백악질과 치조골이 형성되었으며 12주 째에서는 백악질과 치조골이 치관측 2/3까지 재생되었다. 이상의 결과로 볼 때 2급 분지부 결손에서 calcium carbonate이식과 fibrin adhesive를 병용하였을 때 치유기간 동안에 이식재의 안정과 상피의 하방 증식 억제 및 신생 백악질 치조골 형성 촉진등 치주조직의 재생 효과가 우수하리라 사료된다. The purpose of this study was to evaluate the effect of combined use of fibrin tissue adhesive and porous resorbable calcium carbonate on the periodontal regeneration of the class II furcation defects in dogs. Class II furcation defect was surgically created on the second, third, and fourth premolars bilaterally in the mandibles of six mongrel dogs. The experimental sites were divided into four groups according to the treatment modalities: Control-surgical debridement only; Group I-calcium carbonate grafting; Group II-application of fibrin adhesive only; Group III-application of fibrin adhesive after calcium carbonate grafting. The animals were sacrificed at 2, 4, and 12 weeks after periodontal surgery and the decalcified specimens were prepared for histologic and histometric examination. The results are as follows : Clinically, there were no inflammatory response in all groups after 2, 4, and 12 weeks. In the Control group, junctional epithelium migrated apically to the reference notch. In Group I, graft materials exfoliated from the defect throughout the experimental periods and new bone was seen in the notch area at 4 and 12 weeks’ specimens. At 2 weeks, fibrin adhesive was indistinguishable in group II. In Group III, the graft material was maintained in the defect throughout the experimental periods and the amount of periodontal tissue regeneration was greater than other groups. These results suggest that the use of fibrin tissue adhesive in conjunction with porous resorbable calcium carbonate would improve the stability of graft material and inhibit the epithelial downgrowth and contribute to periodontal regeneration.

Calcium carbonate 생성세균의 분리와 특성 및 토목학적 응용

박수연 부산대학교 대학원 2018 국내석사

현재 전 세계는 지구온난화를 유발하는 온실가스의 감축을 위한 여러 노력을 하고 있다. 대표적인 온실가스인 CO2는 시멘트 산업에서 세계 3번째로 높은 발생량을 보이는데 점차 친환경적 기술이 요구되어지면서 토목학계에서는 광물형성 미생물을 이용한 Bio-cement 기술개발이 진행 중에 있다. Bio-cement는 미생물 유도 탄산염 침전 (Microbial induced Calcium carbonate precipitation; MICP)을 이용한 biotechnology이다. 탄산염 침전은 자연에서 쉽게 찾아볼 수 있는 biomineralization의 한가지로서 매우 다양한 기작을 통해서 이루어지며, 그 가운데 urea 분해과정을 통한 광물 형성이 가장 보편적으로 알려져 있다. 이는 광물 형성 미생물이 urease를 생성하여 urea가 대사과정에서 연쇄적으로 분해되면 ammonium과 bicarbonate 발생하고, bacteria 세포벽의 음전하에 포집된 칼슘 이온과 결합하여 세포외 광물형성 biomineralization이 이루어진다. 본 연구에서는 토양 유래 균주를 바탕으로 urea 분해 균주의 calcium carbonate 형성능을 확인 후, 이를 최대로 높일 수 있는 배지 성분을 탐색하였다. 더 나아가 확보한 calcium carbonate 형성 세균의 미세균열 보수, 토양 고결화 등 토목학적 응용가능성을 확인하고자하였다. 그 결과 여러 균주 가운데 urease activity에서 각각 88935 Unit, 112216 Unit, carbonic anhydrase activity에서도 53.793 Unit, 323.333Unit로 높은 활성을 보이며, 실제 높은 알칼리 환경에 내성을 나타내는 Strain C25, C40를 최종 calcium carbonate 형성 균주로 선정하였다. 선정된 두 균주의 calcium carbonate 생산 배지 최적화 실험을 진행한 결과 Strain C25의 경우 탄소원 무첨가, tryptone 1.5 %, urea 1.0 %, calcium formate 4 %로 최적 calcium carbonate 형성 배지를 선정되었으며, 최종적으로 calcium carbonate 4.44 g/L 생성량을 보였다. Strain C40의 경우 glucose 0.1 %, tryptone 2.0 %, urea 1.0 %, calcuim chloride 3 %로 최적 배지를 선정하였으며, 최대 calcium carbonate 형성량 4.64 g/L을 나타냈었다. 최적화 결과, 초기 배지와 비교 하였을 때 Strain C25는 7배, Strain C40은 10배 가량 높은 calcium carbonate 형성값을 보여 최적화가 적절하게 이루어짐을 확인하였다. 균주가 형성한 calcium carbonate의 결정 분석을 실시한 결과, Strain C25와 C40 균주가 형성한 결정에서 모두에서 공혈이 존재하는 구형의 결정형태를 확인하였고, 그 결정의 성분 분석결과, (EDS) Ca, C, O가 확인되어 calcium carbonate, CaCO3임을 확인하였다. XRD 분석결과에서는 calcite와 vaterite peak를 확인하여 두 균주가 생성한 calcium carbonate 결정 종류는 calcite와 vaterite가 혼재되어있는 것임을 확인하였다. 분리한 두 균주의 토목학적 응용 실험을 진행한 결과 시멘트의 균열에 해당 균주를 처리한 결과 미세 균열에 효과를 확인하였고, 결속력이 떨어지는 모래에 처리한 결과 입자 사이 calcium carbonate가 침전되어 입단화 시킴으로 사질토 개선에도 효과가 있는 것을 확인하였다. 최종 두 균주를 동정한 결과, Strain 25은 Arthrobacter sulfureus와, Strain C40은 Bacillus psychrodurans로 확인되었다.

치조골 결손부에서 Calcium carbonate와 Calcium sulfate의 혼합물이 치주조직 치유에 미치는 영향

이승범 연세대학교 대학원 2007 국내석사

치주질환의 진행을 정지시키고 이미 파괴된 치주조직을 기능적으로 재생시키는 것은 오랫동안 치주치료의 궁극적인 목표였다. 이를 달성하기 위한 대표적인 술식에는 골이식술과 치주조직유도재생술이 있다. 이번 연구는 치주질환으로 인해 상실된 치주조직의 재생에 있어서 두 술식의 혼합 이용시 임상적 효과를 알아보기 위해, 동물 및 임상 실험에서 치은상피의 치근면으로 이주와 결합조직의 유입을 방지함으로써 골결손부의 공간확보 및 창상의 안정에 기여한다고 보고된 Calcium Sulfate(CALMATRIX?)를 합성골 이식재인 Calcium Carbonate (Biocoral?)와 혼합하여 그 효과를 평가해보고자 하였다.만성 치주염으로 진단된 30명 환자의 1벽성과 2벽성 혹은 환상형 골결손부를 이용하였다. 10개의 골결손부에 치은박리소파술만을 시행한 경우에 대조군으로 정하였다. 또한 10개의 골결손부에서 치은박리소파술시 Calcium Carbonate를 이식한 군을 실험1군으로, 10개의 골결손부에 Calcium Sulfate와 Calcium Carbonate를 혼합이식한 군을 실험 2군으로 나누어 실험하였다. 대상환자에 대해 술 전에 임상지수(치주낭 탐침깊이, 치은 퇴축양, 부착 수준양, 탐침골 깊이)를 측정하고, 술 후 6개월에 재측정하였다. 각 군의 임상지수 변화량을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.1.치주낭 탐침 깊이의 6개월 후 변화량을 보면, 대조군 3.30± 1.34mm, 실험1(CC)군 4.20±1.55mm, 실험2(CS+CC)군 5.00±1.33mm로 세 군 모두 유의성있는 감소를 보였다(p<0.01). 세 군간의 비교시 실험1(CC) 군과 대조군 및 실험2(CS+CC)군과 대조군간에 유의성을 보였다 (p<0.05). 하지만 실험1(CC)군과 2(CS+CC)군간에는 유의한 차이가 없었다.2.치은 퇴축양의 6개월 후 변화량을 보면, 대조군은 1.30±1.25mm로 유의성있는 증가를 보였다(p<0.01). 하지만, 실험1(CC)군 0.50±0.53mm, 실험2(CS+CC)군 0.60±0.97mm로 유의성있는 증가는 없었다. 세 군간의 비교시 유의한 차이는 없었다.3.임상 부착수준의 6개월 후 변화량을 보면, 대조군 2.00±1.33mm, 실험1(CC)군 3.60±1.58mm, 실험2(CS+CC)군 4.40±1.17mm로 세 군 모두 유의성있는 증가를 보였다(p<0.01). 세 군간의 비교시 실험1(CC) 군과 대조군 및 실험2(CS+CC)군과 대조군간에 유의성을 보였다 (p<0.05). 하지만 실험1(CC)군과 2(CS+CC)군간에는 유의한 차이가 없었다.4.탐침골 깊이의 6개월 후 변화량을 보면, 대조군 0.60±0.52mm, 실험 1(CC)군 3.20±1.48mm, 실험2(CS+CC)군 4.60±1.43mm로 세 군 모두 유의성있는 감소를 보였다(p<0.01). 세 군간의 비교시 대조군, 실험1군(CC)군,실험2(CS+CC)군 간에 유의성을 보였다 (p<0.05).이상의 결과로 치주골 결손부의 수복 치료시 CS와 CC의 혼합물을 이식하는 술식은 상실된 치주조직 재생에 효과적이라고 할 수 있으며, 특히 2벽성 이하의 골결손부에 있어서 보다 좋을 결과를 기대 할 수 있을 것으로 사료된다. If bone grafts and guided tissue regeneration are effective individually in treating osseous defects, then the question is, what would happen when they are combined? Bone grafts using Calcium Carbonate(Biocoral?) and Guided Tissue Regeneration using Calcium Sulfate(CALMATRIX?) will maximize their advantages and show the best clinical results in intrabony defects.The purpose of this study was to compare the effects of a combination of Calcium Sulfate(CALMATRIX?) and Calcium Carbonate(Biocoral?) with control treated only with modified widman flap in a periodontal repair of intrabony defects.30 patients with chronic periodontitis were used in this study. 10patients were treated with a combination of Calcium Sulfate(CALMATRIX?) and Calcium Carbonate(Biocoral?) as the experimental groupⅡ and another 10 patients were treated with Calcium Carbonate(Biocoral?) as the experimental groupⅠ, and the remaining 10 patients, the control group were treated only with modified widman flap. Clinical parameters including probing depth, gingival recession, bone probing depth and loss of attachment were recorded 6 months later. The results are as follows:1.The probing depth changes were 3.30±1.34mm in the control group, 4.2±1.55mm in the experimental groupⅠ(CC) and 5.00±1.33mm in the experimental groupⅡ(CS+CC). They all showed a significant decrease 6 months after surgery(p<0.01). There was a significant difference(P<0.05) between the control and experimental group. However there were no significant difference(P<0.05) between the experimental groupⅠandⅡ.2.The gingival recession changes were -1.30±1.25mm in the control group, This is a significant difference(p<0.01). However, there was a -0.50±0.53mm change in the experimental groupⅠ(CC) and -0.60±0.97mm in the experimental groupⅡ(CS+CC). In addition, in terms of gingival recession, there were no significance difference(P<0.05) among the groups3.The clinical attachment level changes were 2.00±1.33mm in the control group, 3.60±1.58mm in the experimental groupⅠ(CC) and 4.40±1.17mm in the experimental groupⅡ(CS+CC). They all showed a significant decrease 6 months after surgery(p<0.01). There was a significant difference(P<0.05) between the control and experimental group. However there were no significance difference(P<0.05) between the experimental groupⅠandⅡ.4.The bone probing depth changes were 0.60±0.52 mm in the control group, 3.20±1.48mm in the experimental groupⅠ(CC group) and 4.60±1.43mm in the experimental groupⅡ(CS+CC group). All of them showed a significant decrease 6 months after sugery(p<0.01). there were significance difference(P<0.05) among the groups.On the basis of these results, it can be concluded that treatment using a combination of calcium sulfate and calcium carbonate have a potential to improve periodontal parameters in intrabony defects.

인쇄용지 첨가용 고지의 품질향상을 위한 in-situ 탄산칼슘 적용 연구

朴烔輝 忠南大學校 大學院 2012 국내석사

The biggest issue in the use of the recycled pulp is the low optical properties. This study tried to improve utilization of printing paper for optical properties of Deinked-pulp(DIP) through calcium carbonate in-situ precipitation. So, calcium carbonate in-situ precipitation make a comparison with normally calcium carbonate retention system and bleached, washed DIP. Many different types of bleaching chemicals and processes have been globally used for DIP. Bleaching chemical such as hydrogen peroxide, formamidine sulfinic acid(FAS), sodium hypochlorite is commonly used in DIP. But, DIP has small ink particles and contaminants(specks, stickies) because the bleaching effect is much smaller. Washed DIP is higher brightness and lower ERIC value than bleached pulp. However it cause a loss of more than 30% yield. Calcium carbonate in-situ precipitation improve the optical properties without loss of yield. It is similar or higher than bleached, washed pulp. Also, calcium carbonate in-situ precipitation is compared with normally calcium carbonate retention system there is no significant difference in terms of the strength. Only the strength is proportional to the amount of added calcium carbonate. Calcium carbonate in-situ precipitation is calcium oxide and carbon dioxide through a chemical reaction to produce a calcium carbonate. Therefore in this study is used a technique environmentally friendly reducing greenhouse gas emissions through the use of carbon dioxide.

칼슘 이온 및 굴껍질에 의한 인산 이온의 제거 모델에 관한 연구

김운회 연세대학교 대학원 2004 국내석사

The characteristics for the removal of phosphate by calcium ion and the adsorption removal model by oyster shell powder were investigated on the basis of chemical principles and systematic experiments. First, the precipitation reaction of calcium and phosphate ions was evaluated by comparing the chemical equilibrium model. Second, the removal of phosphate ion by the addition of calcium carbonate was attempted. Third, the practical adsorption model for the removal of phosphate ion by oyster shell powder was established. After adding a series of different concentrations of calcium ion to solutions containing 2, 20 and 200 ppm phosphate ions, the concentrations of removed phosphate ion were compared with the values predicted by the chemical equilibrium model. When calcium chloride was added to the solutions containing 2 and 20 ppm phosphate ions, phosphate ions were not removed at all, while the predicted values were 0.72 and 8.44 ppm. When an excess amount of calcium chloride was added to a solution containing 200 ppm, the experimental value approached the theoretical value(86 ppm PO43-). The pH study showed that the pH of 10.5 or higher and the initial phosphate concentration of 20 ppm were required for the formation of the stoichiometric amount of hydroxyapatite. To remove 2 ppm phosphate ion, an excess amount of calcium ion was required. When calcium hydroxide was added, the stoichiometric amount of hydroxyapatite was formed at 60 ppm phosphate or higher. Therefore, the removal of phosphate ion by the precipitation between calcium and phosphate ions would not be modeled by the chemical equilibrium theory when both the initial concentration of phosphate and pH are low. The chemical equilibrium model predicts that when calcium carbonate is added to the phosphate solution, the hydroxyapatite is formed by the reaction of dissolved calcium ion with phosphate ion, resulting in the further dissolution of calcium carbonate. This process continues until all phosphate ions are removed. This theoretical aspect was investigated experimentally and evaluated. When an excess calcium carbonate was added to pure water, the concentration of calcium ion and pH became 4.5 ppm and 9.9, which were also predicted by the theory. A series of different amounts of calcium carbonate were added to solutions containing 2, 20, 200, 400 ppm phosphate ions and the removed concentrations of phosphate ion were measured. The results showed that the experimentally removed phosphates were significantly lower than the values predicted by the chemical equilibrium model. When a 10 g calcium carbonate was added to each solution containing 2, 20, 200, and 400 ppm phosphate ions, the removed phosphate ions were 2, 10, 48, 110 ppm, respectively. This indicates that the chemical equilibrium model was not practically applicable and the removal of phosphate ion by calcium carbonate was mainly due to adsorption rather than the precipitation. The above results imply that the removal of phosphate ion by oyster shell powder is due to the adsorption. It is known that the oyster shell is composed of more than 90% of calcium carbonate. The equilibrium time for the completion of adsorption was less 3 hours. The adsorption isotherm was evaluated after the addition of 1 g oyster shell powder to a series of concentrations of phosphate ions up to 600 ppm. The data showed that Freundlich isotherm was applicable. Based on this results, the removal model for phosphate ion was established by modifying the equation of Freundlich isotherm as follows: The proposed model was successfully applied to the solutions containing phosphate ions in the range of 10-90 ppm. The model also showed that the amount of oyster shell powder can be estimated for the desirable removal efficiency, depending on the initial phosphate concentration. Overall, this research provides practical information for the application of chemical equilibrium model for the precipitation reaction and suggests a new adsorption removal model for the adsorption of phosphate ion onto oyster shell powder. 본 논문에서는 화학적인 원리와 체계적인 실험을 통하여 칼슘 이온 및 굴껍질을 이용한 인산 이온의 제거 현상을 규명하고 제거 모델을 제시하였다. 첫째, 칼슘 이온과 인산 이온의 반응을 통해 화학 평형론에 의거한 정량적인 침전 여부를 살펴보았다. 둘째, 탄산칼슘의 용해도와 hydroxyapatite의 용해도 차이에 의한 인산 이온의 제거 현상을 살펴보았다. 셋째, 대부분이 탄산칼슘으로 알려진 굴껍질을 적용하여 흡착에 의한 인산 이온의 제거 모델을 완성하였다.인산 이온이 각각 2, 20, 200 ppm을 포함된 용액에 칼슘 이온을 첨가한 후, 인산 이온의 제거량을 측정하여 화학 평형 모델에서 예측되는 수치와 비교하였다. 중성 염인 염화칼슘을 첨가한 경우, 2 ppm과 20 ppm에서는 전혀 제거가 이루어지지 않아 모델 예측치와 현저한 차이를 보였다. 200 ppm의 인산 이온인 경우는 과량의 염화칼슘을 첨가하였을 때 모델에서 예측되는 최대 제거 수치(86 ppm PO43-)에 접근하였다. 또한, pH를 조절한 실험 결과, 정량적인 칼슘 이온을 첨가하여 인산 이온을 완전히 제거하기 위해서는 초기 인산 이온의 농도가 20 ppm 이상이고, pH가 10.5 이상인 것으로 나타났다. 초기 농도가 2 ppm의 인산 이온을 제거하기 위해서는 이론에서 예측되는 수치보다 높은 pH와 과량의 칼슘 이온이 필요한 것으로 나타났다. 염기성인 수산화칼슘을 첨가한 경우, 혼합액의 pH는 정량적인 침전 반응이 일어나기에 충분히 높았으며, 초기 인산 이온의 농도가 60 ppm 이상인 경우 정량적인 hydroxyapatite의 형성이 이루어졌다. 따라서, 칼슘 이온의 첨가에 의해 인산 이온의 제거는, 초기 인산 이온의 농도 또는 pH가 낮을 경우 화학 평형 모델을 적용할 수 없었다.화학 평형론에 의거하면, 탄산칼슘을 인산 이온이 포함된 용액에 첨가할 경우, 용해된 칼슘 이온과 인산 이온이 반응으로 hydroxyapatite를 생성하고, 침전 반응에 소모된 칼슘 이온의 결핍은 탄산칼슘의 용해를 유도하여, 결국 탄산칼슘이 과량으로 존재하는 한 모든 인산 이온의 제거를 가져올 수 있다. 본 연구는 이를 입증하기 위한 실험을 수행하였다. 칼슘 이온의 농도(용해도)는 화학 평형론에서 예측되는 수치에 접근하는 4.5 ppm, pH는 9.9였으며, 이 조건에서는 인산 이온과의 침전이 형성되지 않았다. 첨가된 탄산칼슘의 양이 증가할수록 인산 이온의 제거량이 증가함을 나타냈다. 10 g의 탄산칼슘을 첨가하였을 때, 초기 인산 이온의 농도가 2 ppm은 모두 제거되었으며, 20, 200, 400 ppm은 각각 10, 48, 110 ppm이 제거되었다. 따라서, 탄산칼슘에 의한 인산 이온의 제거는 침전이 아닌 흡착이 주 제거 메커니즘으로 작용하였기 때문으로 판단한다. 위의 결과를 통해, 굴껍질(탄산칼슘이 90% 이상)에 의한 인산 이온의 제거는 흡착이라 판단되었으며, 이를 입증하고 흡착 등온식에 관한 연구를 진행하여 인산 이온의 흡착 제거 모델을 완성하였다. 흡착 평형에 도달하는 시간은 3시간 이내였다. 600 ppm까지의 초기 인산 이온 농도 범위에 1 g의 굴껍질을 첨가하여 등온 흡착식을 적용해 본 결과, Freundlich 등온식에 적합하게 나타났다. 본 연구에서는 Freundlich 흡착 등온식을 변형하여, 굴껍질의 양에 따른 인산 이온의 제거량을 예측할 수 있는 제거 모델을 완성하였으며, 그 모델식은 다음과 같다. 초기 농도가 10-90 ppm인 인산 이온 용액에 이 모델식이 성공적으로 적용됨을 입증하였다. 따라서, 본 연구에서 제시한 모델은 초기 인산 이온의 농도가 주어진 경우, 인산 이온의 제거량에 대한 굴껍질의 양을 산출하는 데 사용될 수 있다. 종합적으로, 본 연구에서는 용액 중 인산 이온의 초기 농도를 주 인자로 하여 칼슘 이온의 첨가에 의한 화학 침전 제거와 굴껍질에 첨가에 의한 흡착 제거를 위한 실질적인 자료 및 모델을 제공하였다는 데 큰 의의가 있다.

Calcium carbonate precipitation by alkaliphilic Bacillus sp. AK13 for self-healing concrete

정윤희 Graduate School, Korea University 2019 국내석사

The use of bacteria resistant to high temperature and alkaline environments is essential for the biological repair of damaged concrete. Alkaliphilic and halotolerant Bacillus sp. AK13 was isolated from the rhizosphere of Miscanthus sacchariflorus. Unlike other tested Bacillus species, the AK13 strain was capable of growing at pH 13 and can withstand 11% NaCl concentration. Increased pH in urea-minus condition during the growth of the AK13 strain promoted calcium carbonate (CaCO3) formation. Irregular vaterite-like CaCO3 minerals tightly attached to cells were observed using field emission scanning electron microscopy. Energy dispersive X-ray spectrometry profile, confocal laser scanning microscopy and X-ray diffraction analysis confirmed the presence of CaCO3 around the cell or on the surface. Isotope ratio mass spectrometer was analyzed to confirm most of CO32- ions in CaCO3 were produced by cell respiration rather than from atmospheric carbon dioxide. The minerals derived from calcium acetate were formed into small spherical crystals and irregular rod-shaped vaterite-like shape, but the minerals originated from the calcium lactate were observed as irregular vaterite plate-like particles in addition to some spherical vaterite-like particle clusters. By surface treatment to mortar species, strain AK13 was confirmed to have ability to heal the crack on actual building structure. Alkaliphilic Bacillus sp. AK13 is a promising candidate for application as a self-healing agent in concrete. 콘크리트 내부의 환경은 연성 과정 및 그 후의 시기까지도 미생물이 살아가기에 알맞지 않다. 고온 및 고알칼리성, 적은 영양분, 낮은 수분 함량 등이 이러한 환경에 속한다. 이를 극복하고 자가 치유 콘크리트의 한 방식으로써 적용하기 위해서, 고온 및 알칼리성 환경에 내성을 가지는 박테리아를 사용하는 것이 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 호알칼리성 및 내염성 균주인 Bacillus sp. AK13을 miscanthus sacchariflorus의 근권으로부터 분리해 실험을 진행하였다. 다른 실험실 bacillus 균주들과는 달리, AK13 균주는 pH 13에서 성장할 수 있었고 11% 이상의 NaCl 농도를 견딜 수 있었다. 또한, AK13 균주의 성장 과정에서 요소가 없는 배지에서도 pH가 증가되어 탄산 칼슘 (CaCO3) 형성이 촉진될 수 있었다. FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy)을 사용해 세포에 부착된 불규칙한 vaterite-like CaCO3 광물 및 amorphous calcium carbonate (ACC)를 관찰하였다. EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometry profile)와 confocal laser scanning microscopy, 그리고 XRD (X-ray diffraction analysis)를 이용해 세포 주위 혹은 표면에 부착된 CaCO3의 존재를 확인했다. 또한, IRMS (Isotope Ratio Mass Spectrometer)를 이용, 탄산칼슘의 CO32- 이온이 어느 탄소 근원에서 유래했는지를 알아보았다. Calcium acetate를 포함한 배지에서 형성된 미네랄은 작은 구형의 결정체와 불규칙한 막대 모양의 vaterite-like 모양으로 형성되었고, calcium lactate에서 유래한 미네랄은 구형의 vaterite형 입자와 함께 불규칙한 판형 vaterite 입자 모양을 보였다. 콘크리트 모르타르 표본에 대한 표면 처리를 통해, AK13 균주가 실제 건축 구조물에서 균열을 치유할 수 있는 능력을 갖는 것을 확인하였다. 따라서, 알칼리성 균주인 Bacillus sp. AK13은 콘크리트의 자가 치유제로 응용될 수 있는 유망한 후보재료이다.

Bacterial calcium carbonate formation and its application for self-healing concrete

이윤석 Graduate School, Korea University 2018 국내석사

Microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) has been widely explored and applied in the fields of Microbiology and Environmental Engineering over the last decade. CaCO3 is naturally precipitated as a byproduct of various microbial metabolic activities under the presence of calcium, while biological function of Ca2+ among prokaryotes is far from clear. Physiology and ecology of CaCO3 precipitating (CCP) bacteria are also poorly illuminated given the fact that they prevail in environment. MICP has been extensively examined for applications in self-healing concrete. Biogenic crack repair helps mitigate the high maintenance costs of concrete in an eco-friendly manner. In this paper, metabolic pathways that result in conditions favorable for CaCO3 precipitation, current and potential applications in concrete, and the remaining biological challenges are reviewed. Moreover, a novel CCP bacterium Lysinibacillus boronitolerans YS11 that induced an alkaline environment by non-ureolytic mechanism is characterized. Then, coculture between strain YS11 and alkaliphilic Bacillus sp. AK13 was conducted to unravel interspecies interaction of alkali generating CCP bacteria. Alkalization by YS11 facilitated the growth of AK13, which enabled co-occurrence of two species. Enhanced Biofilm and attached CaCO3 formation in coculture was observed using confocal laser scanning microscopy. CaCO3 analyzed by field emission scanning electron microscopy showed compact morphology in coculture compared to YS11 alone. Finally, using L. boronitolerans YS11 as a model species for CCP bacteria, whole genome sequencing and transcriptomics in Ca2+ poor and rich conditions were conducted as to understand genetic characteristic and differential gene expressions during CaCO3 precipitation. Genes involved in branched chain amino acid and branched chain fatty acid syntheses were highly upregulated with multi-drug efflux pump and membrane protein related genes when in provided with Ca2, suggesting modification in membrane during Ca2+ contact. Various phenotypes; growth, biofilm formation, sporulation, swimming motility, and stress response, were altered under Ca2+ provision. The results provide comprehensive insight into CCP bacteria; from its molecular physiology and ecology to application in self-healing concrete.

성견의 3면 골내낭에서 자가골과 calcium carbonate 이식의 치주조직 치유효과

김태균 연세대학교 대학원 2005 국내석사

The ultimate goal of periodontal therapy is the regeneration of periodontal tissue and reapir of function. For more than a decade there have been many efforts to develop materials and bioactive molecules to promote periodontal wound healing.The purpose of this study was to examine the effect of autograft and coralline calcium carbonate on the epithelial migration, gingival connective tissue adhesion, cementum formation, alveolar bone regeneration in intrabony defects of dogs. 4mm deep and 4mm wide 3-wall defects were surgically created in the mesial and distal aspects of the 2nd premolars and mesial aspects of the 4th premolars. Following the flap procedure, two test groups with 6 defects each received either coralline calcium carbonate (group 1), autograft (group 2). The rest of the 6 defects received the flap procedure-only as the control group. Histologic analysis after 8 weeks of healing revealed the following results :1. The length of epithelial growth ( the distance from alveolar crest to the apical end of JE) was 0.03±0.43mm in the control group and 0.20±0.36mm in the group 1 and -0.06±0.18mm in the group 2. There was no statistically significant difference between the three groups.2. The length of connective tissue adhesion was 1.46±0.18mm in the control group and 1.58±0.13mm in the group 1 and 0.38±0.16mm in the group 2. The group 2 showed significantly difference (P<0.01)3. The length of new cementum was 2.83±0.85mm in the control group and 2.60±0.98mm in group 1 and 4.11±0.10mm in the group 2. The group 2 showed significantly difference (P<0.01)4. The length of new bone height was 3.11±0.63mm in the control group and 3.36±0.56mm in the group 1 and 3.81±0.22mm in the group 2. The group 2 showed significantly difference compared to the control groupThese results suggest that the use of autograft in 3-wall intrabony defects has a significant effect on new cementum and new bone formation height. 치주 치료의 목표는 치주질환에 의하여 상실된 치주조직의 재생과 기능회복에 있으며 이를 위하여 다양한 치료법과 재료의 개발에 많은 노력을 기울여 왔다.이에 본 연구는 성견의 3면 치조골 결손이 있는 경우, 자가골과 coralline calcium carbonate를 적용했을 때 접합상피, 결합조직, 백악질, 치조골 등 치주조직 재생과 치유에 미치는 영향을 평가하기 위해 실시하였다. 성견의 하악 제 2소구치의 근,원심과 제 4소구치의 근심면에 4mm 깊이, 4mm 근원심폭, 4mm의 협설측 폭의 3면 골내낭을 실험적으로 형성한 후 치은박리 소파술만 시행한 군을 대조군으로, 치은박리 소파술 후 coralline calcium carbonate을 적용한 군을 실험 1군으로, 치은박리 소파술 후 자가골을 적용한 군을 실험 2군으로 설정하여 실험하고, 술 후 8주에 치유결과를 조직학적으로 비교 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.1. 접합 상피 치근단 이동량은 대조군에서 0.03±0.43mm, 실험 1군에서 0.20±0.36mm, 실험 2군에서 -0.06±0.18mm로 나타났으나, 대조군과 실험1,2군간에 유의성 있는 차이는 없었다.2. 결합조직 유착은 대조군에서 1.46±0.18mm, 실험 1군에서 1.58±0.13mm, 실험 2군에서 0.38±0.16mm로 나타났으며 대조군, 실험 1군에 비해 실험 2군에서 유의성 있는 차이를 보였다(P<0.01).3. 백악질 형성량은 대조군에서 2.83±0.85mm, 실험 1군에서 2.60±0.98mm, 실험 2군에서 4.11±0.10mm로 나타났으며 대조군과 실험1군에 비해 실험 2군에서 유의성 있게 많은 형성을 보였다(P<0.01).4. 신생골 형성 높이는 대조군에서 3.11±0.63mm, 실험 1군에서 3.36± 0.56mm, 실험 2군에서 3.81±0.22mm로 나타났으며, 대조군과 실험 2군간에 유의성 있는 차이를 보였다(P<0.05).이상의 결과에서 볼 때, 성견의 3면 골내낭에 자가골을 이식한 경우 상피억제 효과와 신생 백악질, 신생골 형성 높이에 유의성 있는 개선을 보였으며 치근흡수나 유착없이 치주조직 재생을 위해 안전하게 사용할 수 있으리라 사료된다.

Evaluation of shear strength and stiffness in soils stabilized by enzyme induced carbonate precipitation

Song, Junyoung Graduate School, Yonsei University 2019 국내석사

기존 지반개량에 이용되는 시멘트와 화학약액이 지구온난화, 토양환경 및 지하수 오염의 원인이 되며 친환경적 지반개량법이 사회적으로 대두되고 있다. 탄산칼슘에 의한 지반개량은 기존 지반개량제의 대체하기 위한 방법으로, 미생물 및 효소를 통해 탄산칼슘을 생성하여 흙의 입자간 결합을 유도하는 방식이다. 미생물을 통한 탄산칼슘의 생성은 미생물 배양시 시간과 인력의 소모가 있는 반면, 효소를 이용한 탄산칼슘 생성은 효소의 분말을 이용한 것으로 불필요한 소모를 줄일 수 있다. 본 연구에서는 효소 분말을 이용하여 탄산칼슘 생성을 도모 하였으며 고순도의 약액을 이용하여 탄산칼슘의 생성 효율을 극대화시킬 수 있는 배합비율을 산정하였다. 최적의 배합비율을 통해 개량된 사질토의 강성도와 강도를 각각 전단파 측정 및 삼축압축시험을 통하여 평가하였다. 탄산칼슘의 특성상 산성의 용액에 취약하기 때문에, 산성비와 동일한 산도의 용액에 대한 저항성을 평가하였으며 다양한 외력의 조건에 대한 강성의 변화를 평가하였다. 여기서 탄산칼슘의 형상, 배치, 크기를 시각화 및 정량화하여 전단강성에 영향을 미치는 탄산칼슘의 비율을 산정하였다. 현장에 대한 적용성을 평가하기 위해, 공사장 현장의 흙을 채취하여 실내에서 용액이 처리된 시료의 강도, 강성도, 미세먼지 억제의 효율을 평가하였으며, 고가의 고순도 약액 대체를 위해 저순도 약액을 처리한 시편과의 처리 효율을 비교하였다. 사질토에서 탄산칼슘의 양에 따라 상이한 전단강도 특성을 보이며 강성도 및 강도는 탄산칼슘에 의해 크게 개선되었다. EICP 용액으로 개량된 사질토는 산성 용액 및 외력에 대한 저항성을 보였다. EICP 용액은 기존의 비산먼지 억제방법보다 비산먼지 억제 및 지반 개량에 더 효과적이며 고순도 및 저순도 용액으로 처리된 시편은 유사한 효율을 보였다. Environmentally benign methods to improve the soil have been on the rise because traditional methods (e.g. cement and chemical products) have caused global warming, devastation of the soil environment, and groundwater pollution. Altering traditional methods by binding between the soil particles, calcium carbonate is generated through microorganisms (e.g. sporosarcina pasteurii) and enzymes (e.g. urease). The production of calcium carbonate using microorganisms can take time when culturing them. Yet the production of calcium carbonate using an enzyme is performed by an enzyme powder, which can eliminate unnecessary processes. In this study, calcium carbonate was produced by using an enzyme powder, and the mixing ratio was calculated to maximize calcium carbonate production efficiency using a highly purified solution. The stiffness and strength of the solution-treated sand were evaluated by shear wave measurements and triaxial compression tests, respectively. Since calcium carbonate is vulnerable to acidic solutions, the resistance to acid rain was evaluated and the changes in stiffness under various scenarios of external force were also evaluated. From these specimens, the calcium carbonate was visualized and quantified to calculate the portion of contact cementation affecting the shear stiffness. For applicability to the field, the soil was extracted from construction sites and the mechanical properties and efficiency to suppress fine dust of the treated soil were evaluated. Also, the efficiency of treatment was compared between highly and lowly purified solutions because of the economical feasibility of the Enzyme Induced Carbonate Precipitation (EICP) solution treatment. The results highlighted that the sand is highly improved by calcium carbonate in stiffness and strength that the shear strength properties showed different trends with the amount of calcium carbonate. Also the treated sand had resistance to the acid solution and external forces. The EICP solution was more effective in dust suppression and soil improvement than the traditional method and the highly and lowly purified solutions showed similar effectiveness to the unpaved soil.

Carbon dioxide capture and utilization technologies applying indirect carbonation method using seawater-based metal cations

강동우 Graduate School, Yonsei University 2018 국내박사

인류의 에너지 사용이 증가함에 따라 화석연료의 사용이 비약적으로 증가하였다. 화석연료의 연소생성물로 생성되는 이산화탄소의 경우, 지구온난화지수 자체가 높지는 않으나 온실가스 총배출량 중 차지하는 비중이 가장 크기 때문에 지구온난화기여도는 가장 크다고 알려져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 탄소저감기술이 연구개발되고 있으며 그 중 산업시설에서 발생하는 배가스 내 이산화탄소를 포집하고 저장하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 기술은 일반적으로 CCS (Carbon Capture and Storage) 기술이라고 알려져 있으며, 이산화탄소의 대량 포집 및 처리를 위한 흡수제 개발연구가 중요시 되고 있다. 본 논문의 제 1장에서는 아미노산염 흡수제에 대한 이산화탄소 흡수능 평가에 관한 연구를 다루었으며, 제 2장에서는 고온고압에 사용가능한 Potassium Carbonate 기반 흡수제에 속도촉진제와 부식방지제가 첨가되었을 때의 이산화탄소 흡수능 및 흡수속도에 관하여 다루었다. CCS 기술의 경우 포집된 이산화탄소를 지층이나 심해서 지층에 저장하여 처리하는데 지질활동이 활발한 지역이나 석회질 기반 지층에는 이러한 저장이 적합하지 않은 경우가 많으며, 지하 공동(Underground Cavity)이 형성되어 있지 않은 경우에도 저장이 적합하지 않다. 따라서 포집된 이산화탄소를 유용물질로 전환하여 시멘트 산업 및 제지 산업을 비롯한 다양한 산업 원료로 사용할 수 있는 “이산화탄소 포집 및 재이용 기술”이 최근 각광받고 있다. 이에 본 논문의 제 3장에서는 산화칼슘(Calcium Oxide)를 이용한 이산화탄소의 화학적 전환 가능성에 대해 다루었으며, 제 4, 5장에서는 해수기반 산업폐수 내에 포함된 금속양이온을 이용하여 이산화탄소를 금속탄산염으로 전환하는 연구에 대해 다루었다. 또한 제 6장에서는 고순도 금속탄산염의 생성을 위한 새로운 공정을 제시하였으며, 해수기반 산업폐수 내 포함된 칼슘 이온을 먼저 분리한 후 탄산화하는 기법을 적용하였다. 결과적으로 고순도 탄산칼슘을 생성이 가능하였다. Since Industrial Revolution, fossil fuel became one of the most important energy sources. In these days, majority of the industrial facilities are operated using the energy produced from fossil fuels. When fossil fuels are combusted, carbon dioxide is produced as a product. The carbon dioxide itself shows the lowest Global Warming Potential (GWP) among six types of greenhouse gases (GHGs). However, the amount of its emission occupies about 90% of total GHGs emission. Hence, the level of contribution of carbon dioxide towards greenhouse effect become highest and it is thought to be the main cause for the climate change. In order to prevent further CO2 emission, variety of carbon capture technologies were studied and developed. Core concepts of those technologies is to capture carbon dioxide contained in the industrial flue gas and then store it in the stable places such as underground cavities. These technologies are commonly called CCS (Carbon Capture and Storage) technologies. Among various methods in CCS technologies, wet absorption method as post-combustion capture process is considered as the most developed and ready to be commercialized. In this method, liquid type absorbent is used for carbon dioxide capture. When considering large scale CO2 capture process, outstanding absorbents which shows high absorption performance have to be made. In Chapter 1 and 2, research regarding absorbent development is demonstrated using amino acid salt solutions and potassium carbonate solutions, respectively. Amino acid salt solutions were investigated to have possibilities to replace common alkanolamine absorbent. Also, reaction kinetics and absorption performances for potassium carbonate-based solutions which were designed for high temperature condition were suggested. Considering the limitations of CO2 storage, chemical conversion of carbon dioxide to metal carbonate precipitate were investigated after absorbent development. For the nations where geological structure is unstable or not having underground cavities, captured carbon dioxide have to be treated in a different way, not as underground storage process. When carbon dioxide can be converted to useful materials, it can be used as materials for various industries. However, carbon dioxide itself is stable and not easy to trigger reactions. Hence, wet absorption method is applied and carbon dioxide can be converted into metal carbonate such as calcium carbonate. For carbonation reaction, metal cations have to be supplied. In Chapter 3, possibility of chemical conversion of CO2 was investigated using calcium oxide as metal cations sources and the result indicated that metal carbonate can be produced in ambient temperature and pressure conditions since ionic species are involved in the reaction. In Chapter 4 and 5, seawater-based solutions were used as metal cation supplying source. Characteristics for absorption and conversion step were demonstrated. In Chapter 6, the conceptual process for high purity calcium carbonate formation for industrial application were studied. Calcium cation in the seawater-based solution was separated as form of precipitate first and followed by carbonation step. As a result, formation of high purity calcium carbonate that can be used for the raw materials for various industries including cement industries was possible.