KR100273169B1

KR100273169B1 - 기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 제조방법

Info

Publication number: KR100273169B1
Application number: KR1019980020286A
Authority: KR
Inventors: 이재석; 이진희
Original assignee: 김효근; 광주과학기술원
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 2000-12-01
Also published as: KR20000000603A

Abstract

본 발명은 기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 제조방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 폴리올과 이소시아네이트를 고온에서 반응시키는 새로운 제조방법과 조건에 따라 생체적합성이 우수하며 물리적, 기계적 특징으로 인하여 의료용 소재로 응용이 가능한 기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법은 폴리올과 과량의 디이소시아네이트를 고온에서 반응시킴에 있어서 이소시아네이트로는 수팽윤도가 우수하고 LCST(Lower critical solution temperature)특성을 가진 MDI(Methylenebis-Phenyl-Isocynate), 폴리올로는 분자량이 3,400 및 4,600인 PEG(Polyethylen Glycol), 용매로는 THF(Tetrahydrofuran)와 DMF(Dimethylformamide)가 9:1의 부피비율로 된 혼합용매를 이용하였다.

본 발명에 의해서 얻어진 기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 특성은 온도에 따라 수팽윤도가 변화하는 한편 열적 자극에 민감하고 가역적인 수팽윤도를 나타내는 특징을 지닌다.

Description

기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 제조방법

본 발명에서는 새로운 제조 공정을 통하여 우수한 생체적합성을 가지고 합성 방법 및 조건에 따라 다양한 물리적, 기계적 특성을 지니며 폭넓은 의료용 소재로 응용 가능한 기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 제조방법에 관한것으로 특히, 생체 재료에 이용하기 위해서 폴리올은 무독성이고 면역 반응이 일어나지 않으며 친수성을 지님으로서 수분흡수력이 뛰어난 PEG(Polyethylene Glycol)을 이용하는 방법에 관한 것이다.

우레탄은 1849년 독일의 Wurtz와 Hoffman이 최초로 이소시아네이트와 히드록시 화합물의 반응을 발표하면서부터 알려지게 되었다. 1937년에 이르러서는 Otto Bayer에 의해 상업적인 용도로 사용되었고 나일론과 경쟁하기 위해서 폴리에스테르계 우레탄이 공업적으로 생산되기 시작하였다. 2차 대전이 시작되면서 섬유, 도료, 발포체용 우레탄의 개발이 활성화되었으며 2차 세계 대전이 종식된 후에는 독일의 기술이 알려지면서 미국, 영국, 독일에서 광범위한 연구와 개발이 시작되었다. 초기에는 디이소시아네이트와 폴리에스테르계 폴리올로 한정되었지만 가공성, 비용, 폼의 물성 등의 문제로 대체 가능한 다른 히드록시 화합물로 눈을 돌리게 되었으며 1957년에 이르러서는 가격적인 이점뿐만 아니라 폼의 물성을 향상시킨 아주 다양한 용도의 폴리에테르계 폴리올이 생산되었다.

현재 폴리우레탄은 기간 산업의 필수 불가결한 고분자 재료로써 건물 단열재로부터 시작하여 자동차, 일반 기계, 선박, 가구, 신발, 의류 등의 넓은 제품 영역을 이루고 있으며 접착제, 코팅, 고무, 엔지니어링 플라스틱 등의 형태로 산업분야에서 널리 사용되는 재료이다. 특히 장기간 혈액 내에서 안정한 특성을 지님으로 인공 장기, 인공 혈관, 요도용 카테테, 약물 방출 체계, 필름이나 폼 형태의 상처치료용 드레싱 등의 다양한 의료용 소재로 이용되기도 한다. 이러한 광범위한 분야를 갖게 된 원인은 폴리우레탄 합성시 사용되는 폴리올과 디이소시아네이트의 특성에 따라 물성 및 기계적 성질이 다양한 고분자 재료를 합성할 수 있는 장점 때문이다. 즉 분자량, 연질 분절(soft segment)과 경질 분절(hard segment)의 형태와 상호작용, 그리고 결정화도에 의해서 원하는 물성을 지닌 폴리우레탄 제품을 만들 수 있다. 일반적으로 폴리올의 분자량이 증가할수록 상분리도와 결정화도가 증가하여 어느 정도의 한계 분자량까지는 기계적 물성이 우수한 것으로 보고된 바가 있고 경질 분절의 함량이 증가할수록 응력은 증가하고 변형은 감소하는 것으로 알려져 있다.

폴리우레탄은 기존에 알려진 제품군 이외에도 앞으로 새로운 형태의 제품으로 개발될 수 있는 가능성이 매우 큰 고분자 재료라 볼 수 있다.

폴리우레탄 합성의 기본을 이루는 이소시아네이트의 반응은 활성 수소를 포함하는 화합물과 이소시아네이트기를 갖고 있는 화합물 사이에서 일어나고 주반응으로는 먼저 이소시아네이트와 알코올과의 우레탄 결합의 형성 및 이소시아네이트와 아민과의 우레아 결합의 형성이다. 그리고 때때로 반응 중에 물의 존재가 최종 생성물의 분자량과 기계적 물성에 나쁜 영향을 미치기도 하지만 폼의 생성에 중요한 매개체로 작용하기도 한다. 대부분의 반응은 반응성이 우수한 방향족 이소시아네이트를 제외하고는 거의 50℃ 이상에서 주반응이 일어나고 이소시아네이트와의 반응성은 1차 알코올 보다 아민이 10정도 우수하다.

부반응으로는 높은 온도에서 우레탄 결합과 우레아 결합이 각각 이소시아네이트와 친핵성 부과 반응을 일으킴으로써 알로판네이트와 비우렛 결합을 일으키는데 이들은 결과적으로 고분자 사슬 내에 화학적 가교 구조를 이루기도 한다. 흔히 폴리우레탄 반응시 폴리올 보다 이소시아네이트의 몰비를 약간 과량으로 삽입하고 최종 생성물을 형성 후에 높은 열을 가함으로써 가교 결합을 일으키기도 한다. 특히 알로판네이트 반응은 높은 온도에서 가역적이기 때문에 소량의 알로판네이트 결합을 가진 폴리우레탄을 녹인 후 식히면서 다시 알로판네이트를 재형성함으로써 성형이 가능하다. 흔히 이런 알로판네이트 결합은 일반적으로 80℃ 이상에서 형성된다.

그밖에 부반응으로는 이소시아네이트의 이합체(dimer)와 삼량체(trimer)의 형성을 들 수 있는데 이합체는 지방족 이소시아네이트으로부터 형성되고 150℃ 이상에서 가역적이며 삼량체는 지방족과 방향족 이소시아네이트로부터 형성되고 상대적으로 높은 온도에서도 안정된다.

뛰어난 물리적, 기계적 특성과 상대적으로 우수한 혈액 적합성, 장기간 동안 생체 내에서의 안정성 등으로 의료용 소재로 널리 이용되는 폴리우레탄을 이용하여 하이드로겔 형태의 소재를 개발하고자 하는 연구는 오래 전부터 실시되어 왔다.

지금까지 연구되어진 폴리우레탄 하이드로겔은 이소시아네이트와 가교제를 이용하여 PEG(polyethylene glycol)를 그라프트시켜 생체적합성과 수팽윤도를 향상시킨 하이드로겔, 기능성기가 2개 이상인 이소시아네이트를 이용한 하이드로겔, L-lysine과 PEO(polyethylene oxide)을 이용하여 만든 수용성 폴리에테르우레탄을 기본으로 하는 하이드로겔 등이 있다. 이들은 주로 인공 장기나 카테터, 약물전단을 위한 소재 등과 같은 의료용 분야뿐만 아니라 효소나 생체(biomass) 등의 고정화에도 이용되었다.

본 발명에서는 기존의 폴리우레탄 탄성체의 제조 공정보다 반응 시간이 단축되고 성형이 용이한 새로운 제조 공정을 통하여 기존의 폴리우레탄겔의 물성치와는 다른 새로운 소재를 합성하고자 한다.

도 1 는 분자량이 3,400인 PEG를 이용한 폴리우레탄 하이드로겔의 온도에 따른 수팽윤도의 변화를 나타낸 그래프

도 2 은 분자량이 4,600인 PEG를 이용한 폴리우레탄 하이드로겔의 온도에 따른 수팽윤도의 변화를 나타낸 그래프

도 3 는 폴리우레탄 하이드로겔의 열적자극에 대한 수팽윤도의 변화(MDI : PEG = 3 : 1)를 나타낸 그래프

도 4 는 SEM을 이용한 폴리우레탄 겔의 단면 분석(MDI : PEG = 3 : 1)사진

도 5 은 SEM을 이용한 폴리우레탄 겔의 단면 분석(MDI : PEG = 5 : 1)사진이

다.

본 발명에서는 친수성을 지닌 선형(고분자 사슬 엉킴포함) 폴리우레탄만으로는 하이드로겔의 수팽윤도와 기계적 물성에 한계가 있기때문에 열적 가교에 의해서 우레탄 결합에 알로판네이트를 도입하여 화학적 가교 구조를 지닌 폴리우레탄 하이드로겔을 합성하였다. 기존의 폴리우레탄 탄성체의 제조에서는 폴리우레탄 프리폴리머를 합성하고 사슬연장제를 이용하여 사슬을 확장시킨 후 고온에 의한 가교(curing)를 시켰지만 본 실험에서는 사슬연장제를 사용하지 않고 폴리올과 과량의 디이소시아네이트를 고온에서 반응시킴으로써 우레탄 결합과 알로판네이트를 동시에 형성시켰으며 반응식은 다음과 같다.

열적 가교에 의한 폴리우레탄 하이드로겔의 합성.

단량체로는 친수성을 지닌 선형 폴리우레탄의 결과를 바탕으로, 수팽윤도가 우수하고 LCST(lower critical solution temperature) 특성을 가지는 것으로 관찰되어진 디이소시아네이트로는 MDI(Methylenebis-Phenyl-Isocynate), 폴리올로는 분자량이 3,400과 4,600인 PEG(Polyethylene Glycol), 용매로는 THF(Tetrahydrofuran)와 DMF(Dimethylformamide)를 9:1의 부피비율로 된 혼합용매를 이용하였다.

본 발명의 대한 설명을 다음의 실시예와 시험예로 더욱 자세히 설명하고자 한다. 그러나 아래의 실시예와 시험예가 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

< 실시예 1 > 반응물의 정제

폴리우레탄 하이드로겔의 합성시 사용한 디이소시아네이트 MDI (4,4'- methylenebis-phenyl-isocyanate; ACORS)는 50℃로 1∼2시간 보관하여 냉각으로 인해 결정화되지 않도록 가열하면서 침전되어진 이합체(dimer)를 걸러낸 후 정제한 핵산에 침전하고 3∼4일 동안 진공 오븐에서 건조하여 사용하였다. 폴리올로 이용한 PEG(polyethyleneglycol; Aldrich Chemical Co.)는 30분 동안 100℃에서 감압하여 수분을 제거후 사용하였다. 용매로 사용한 THF(tetrahydrofuran; Fisher Scientific Co. GR grade)은 CaH₂존재 하에서 4시간 동안 환류시킨 뒤 증류하여 사용하였고 DMF(dimethylformamide; J. T. Baker, 99.9%)는 나트륨을 사용하여 실온에서 24시간 반응시킨 후 감압 증류로 정제한 뒤 4A 분자체를 넣어 일주일 동안 보관후 사용하였다.

수분을 제거하여 위해 사용한 Na(Fluka Chemika), CaH₂(Sigma Chemical Co. 95%), 분자체(4A, 4-8 mesh; ACROS)는 별다른 처리 없이 사용하였다.

< 실시예 2 > 열적 가교에 의한 폴리우레탄 하이드로겔의 합성

먼저 잘 정제된 THF와 DMF를 9:1의 부피 비율로 된 혼합용매를 만든 다음 1시간 동안 가스를 제거(degassing)시킨 후 50ml에, 100℃에서 감압하여 수분을 제거한 PEG 10g을 녹인 후 80℃로 온도가 고정된 반응조에 넣고 콘덴서를 이용하여 환류시켰다. 모든 장치가 완료되면 MDI와 PEG의 몰비(2:1, 3:1, 4:1, 5:1)와 PEG의 분자량에 따라 PEG 10g에 상응하는 MDI를 50ml 혼합용매에 80℃ 온도로 녹이며 촉매는 사용하지 않는다. 반응 시간은 용액의 점도와 제조한 하이드로겔의 물성을 조절하기 위해 1∼3 시간 범위 내에서 조절한다.

합성이 완료된 후 점성을 가진 용액은 테프론 필름이 코팅된 샤알레에 부어 3일 동안 상온에서 건조시켰고 반응 용매를 완전히 제거하기 위해 80℃에서 4일 동안 감압 하에서 건조시킨 후 고른 필름을 얻기 위해 캐스팅(casting)시 샤알레의 가장자리에 붙어 있는 필름을 칼로 떼어내고 주사기를 이용하여 기포를 제거한다.

< 시험예 1 > 수팽윤도 측정

하이드로겔의 수팽윤도 측정 시에는 캐스팅의 방법으로 필름을 제조하는데, 이렇게 제조된 소재를 넓이 1cm²정도로 손상이 가지 않게 잘라서 pH가 7.4인 완충 용액에서 시간과 온도의 조건을 달리하면서 측정한 후 수팽윤된 상태의 시편을 거즈에 잘 닦아서 표면에 물기가 없도록 한다. 그리고 수팽윤도는 흡수된 물의 무게를 고분자 매트릭스의 무게로 나눈 값으로 정의한다.

PEG의 분자량이 1000, 2000, 3400, 4600 별로 몰비를 고정시키고 화학적 가교반응을 한 결과 PEG의 분자량이 3,400과 4,600에서 수팽윤도가 각각 9배, 10배 정도의 우수한 수팽윤도가 관찰되었고 PEG의 분자량이 2,000 이하는 수팽윤도가 극히 작은 필름 형태의 소재를 얻었으며 PEG의 분자량이 증가할수록 수팽윤도의 증가함을 알 수 있었다. 그리고 MDI와 PEG의 몰비에 따라 다른 수팽윤도를 가지는데 그 이유는 PEG에 대한 MDI의 몰비가 증가할수록 폴리우레탄 겔 내의 PEG의 함량이 줄어들고 상대적으로 친수성도가 떨어지기 때문으로 해석된다.

PEG의 분자량의 각각 3,400과 4,600에서 MDI와 PEG의 몰비를 변화시키면서 합성한 하이드로겔의 수팽윤도를 측정한 결과 온도가 증가함에 따라 수팽윤도가 감소하는 현상을 나타냈으며 또한 온도에 따라 수팽윤도가 가역적으로 변화하였다.

< 시험예 2 > 기계적 물성 측정

폴리우레탄 하이드로겔의 기계적 물성시험은 Instron testing machine을 사용하고 ASTM D638M-V type으로 시편을 잘랐다. 필름의 준비는 합성후 캐스팅하여 일주일동안 상온에서 보관하였으며 수팽윤된 하이드로겔의 측정시에는 상온에서 48시간 증류수에 담가두었다. 필름의 두께는 0.1∼0.3mm이고 50mm/min속도로 시편을 당겼다.

전체적인 경향으로는 PEG의 분자량이 3,400 보다 4,600의 경우에, 기존의 논문과 같이 결정화도와 상분리도의 증가로 인한 전단 응력과 탄성계수, 변형이 모두 증가함이 관찰되었다. 또한 MDI와 PEG의 몰비에 따른 효과는 몰비가 증가할수록 전단 응력과 탄성계수, 변형이 모두 감소하는 경향을 보였다(표 1). 이는 기존의 폴리우레탄 겔의 경우 경질 분절의 양이 증가할수록 전단 응력과 탄성계수는 증가하고 변형은 감소하는 경향과는 대조적인 결과이다. 이것은 합성 방법에 있어서 MDI의 몰비가 증가할수록 폴리우레탄 프리폴리머의 합성과 더불어 알로판네이트 형성이 활발히 일어나므로 선형 고분자의 합성이 어려워지게 된다. 따라서 전체 가교 구조 중에 선형적인 우레탄 결합이 차지하는 비율이 작아지므로 폴리우레탄의 분절 형태가 사라지고, 대신 불규칙한 가교 구조를 이루는 알로판네이트 결합이 많이 분포하기 때문으로 보인다.

< 시험예 3 > SEM(Scanning electron microscope)측정

폴리우레탄 하이드로겔의 단면을 SEM(Scanning electron microscope)을 통해서 관찰하기 위해 시료의 표면에 직선으로 약한 자국을 낸후 액체질소하에서 5분정도 얼린 후 부러뜨리고 금으로 코팅하여 1500 배로 관찰하였다.

SEM을 통한 폴리우레탄 겔의 단면 측정에 의한 전체적인 형태로부터 MDI와 PEG의 몰비가 5:1인 경우에는 3:1의 경우보다 MDI의 몰비가 많음으로써 알로판네이트가 형성되어질 가능성이 높은 것으로 추정된다. 그리고 이런 알로판네이트의 형성이 사다리꼴 형태로 선형 프리폴리머를 연결시켜 주는 역할이 아니라, 우레탄 결합이 생성되면 바로 알로판네이트 결합이 생성됨으로 해서 가교 구조를 예측하지 못하는 방사 형태로 사슬이 이루어지리라 추측된다. 따라서 캐스팅시 고분자 사슬이 충전될 때 형태상으로 몰비가 3:1의 경우에 좀더 촘촘한 거미줄 형태로 구성되어 있음을 확인하였다. 또한 이러한 영향으로 MDI와 PEG의 몰비가 3:1인 경우에 5:1의 경우 보다 기계적 물성이 우수하고 더욱 수팽윤되어지는 것으로 보인다.

수팽윤된 하이드로겔의 기계적 물성 측정에 있어서는 건조된 겔과 차이점은 MDI와 PEG의 몰비가 증가함에 따라 탄성계수가 겔에 함유된 물의 영향으로 오히려 증가하는 경향이 나타났고 전체적인 전단 응력과 변형의 값은 건조된 겔에 비교해서 상당량 감소하였다(표 2).

표 1. 폴리우레탄겔의 기계적 특성

고분자	전단응력(MPa)	변형율(%)	탄성(MPa)
PEG 분자량	전단응력(MPa)	변형율(%)	탄성(MPa)	MDI : PEG
3400	2 : 1	8.13	1240	19.46
3400	3 : 1	7.28	856	13.54
3400	4 : 1	5.28	591	5.17
3400	5 : 1	2.85	158	2.73
4600	2 : 1	16.71	1856	32.87
4600	3 : 1	13.51	1533	25.49
4600	4 : 1	8.68	954	14.47
4600	5 : 1	6.66	674	10.50

표 2. 폴리우레탄 하이드로겔의 기계적 물성

고분자	전단응력(MPa)	변형율(%)	탄성(MPa)
PEG 분자량	전단응력(MPa)	변형율(%)	탄성(MPa)	MDI : PEG	수팽윤도(시간)
3400	2 : 1	9.04	0.7235	434.56	0.2998
3400	3 : 1	6.15	0.6486	253.90	0.4189
3400	4 : 1	4.35	0.3976	86.43	0.6021
3400	5 : 1	3.23	0.2678	32.33	0.8460
4600	2 : 1	10.20	0.9756	687.45	0.2576
4600	3 : 1	7.27	0.8304	463.80	0.3097
4600	4 : 1	5.35	0.6596	118.70	0.5107
4600	5 : 1	3.51	0.5676	93.16	0.8040

본 발명은 새로운 제조공정을 통하여 합성한 기능성 폴리우레탄 하이드로겔이 온도에 따라 수팽윤도가 변화하며 열적자극에 민감한 감온성 및 가역적인 수팽윤도를 나타냄으로써 기존의 폴리우레탄 겔과 다른 기계적 물성을 갖는 폴리우레탄 하이드로겔을 합성할 수 있다.

Claims

폴리우레탄을 이용한 하이드로겔에 있어서, 폴리올과 디이소시아네이트를 고온에서 열적가교시켜 우레탄 결합과 알로판네이트를 동시에 형성시키는 것을 특징으로 하는 기능성 폴리우레탄 하이드로겔의 제조방법.
제 1항에 있어서, 폴리올은 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol) 분자량이 3,400과 4,600인 것을 사용하고, 디이소시아네이트는 메틸렌비스페닐이소시아네이트(Methylenebis-Phenyl-Isocyanate)를 사용하여 80℃의 온도에서 반응시키는 것을 특징으로 하는 기능성 폴리우레탄 하이드로 겔의 제조방법.