KR100348717B1 - 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개시제로서 3가 이상의 다가 알코올을 사용하여 글리콜라이드와 ε-카프로락톤을 공중합 시킴으로써, 간단한 공정으로 고분자량의 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 높은 수율로 얻는 방법과 이 방법에 의해 제조된 스타형 (star-shaped) 분자 구조를 갖는 중량 평균 분자량 30,000 이상의 생분해성 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체는 동일한 분자량의 선형 공중합체에 비하여 용융 점도가 낮아 섬유 제조시 낮은 온도에서 방사할 수 있어 우수한 물성을 갖는 섬유의 제조가 가능하다. 즉, 가공성이 우수하고 유연하며 강도가 우수하기 때문에 봉합사의 재료로 사용하기에 매우 적합할 뿐만 아니라 생체흡수성 재료, 농약이나 의약, 약제의 서방성 매트릭스, 농업용 필름 등으로 광범위하게 응용될 수 있다.

Description

스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 및 그의 제조 방법 {Star-Shaped Glycolide/ε-Caprolactone Copolymers and Process for Their Preparation}
본 발명은 물성이 개량된 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세히 말하자면, 본 발명은 다가 알코올을 사용하여 글리콜라이드와 ε-카프로락톤을 공중합 시킴으로써, 간단한 공정으로 고분자량의 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 높은 수율로 얻는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 높은 인장강도 및 높은 유연성을 갖는 스타형 (star-shaped) 분자 구조의 생체 분해성 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체에 관한 것이다.
분해성 고분자 소재의 응용 중 가장 활발히 연구되고 있는 분야가 의학 분야이다. 일반 의료용 고분자가 생체의 일부를 대체하여 영구적으로 사용되는 데 반해 생체 분해성 고분자는 생체의 치유를 돕는 한시적인 재료로 사용되며 그 기능을 다한 후 생체 내에서 신진대사를 통해 소멸된다. 생체 분해성 고분자의 이와 같은 특성은 상처치유 후 별도의 제거 수술이 필요치 않으며 또한 상처가 치유됨에 따라 서서히 분해되어 새로 생성된 조직이 충분한 기능을 갖게 하는데 도움을 주게 된다.
생체 분해성 고분자는 크게 천연 생체 분해성 고분자와 합성 생체 분해성 고분자로 나누어 볼 수 있다. 천연 생체 분해성 고분자는 그 원료가 천연물이란 장점이 있어 생체 내에서 그대로 사용이 가능하나 비교적 조직 반응성과 감염률이 높고 분해 특성을 조절하기 어려운 단점이 있다. 따라서, 최근에는 합성 생체 분해성 고분자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 합성 생체 분해성 고분자의 기본 구조는 흡수가 가능한 구조와 분해가 가능한 구조로 구성되게 되며 후자의 경우 가수분해가 가능한 구조가 많이 쓰인다.
합성 생체 분해성 고분자 재료는 물리적 특성 및 가수분해 특성이 우수한 지방족 폴리에스테르를 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다. 1962년 아메리칸 시안아미드 (American Cyanamid) 사는 간단한 지방족 폴리에스테르인 폴리글리콜라이드를 원료로 덱손 (Dexon: 등록상표)이라는 흡수성 봉합사를 상품화하였는데 이는 실용화 된 최초의 합성 생체 분해성 고분자이다 (문헌 [P. H. Graiget al.,Surg. Gynecol. Obstet., 141, 1 (1975)] 참조). 이 제품은 우수한 물성을 지녔으나 높은 결정성으로 인하여 봉합사가 뻣뻣한 단점이 있었다.
본 발명의 대상인 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 이루는 폴리글리콜라이드와 폴리카프로락톤은 의약 분야에 사용되기에 알맞은 낮은 면역성과 극히 낮은 독성을 지니고 있으며 특히 폴리글리콜라이드는 우수한 기계적 물성을 가지고 있다 (문헌 [D. L. Wise et al., Drug Carries in Biology and Medicine, 1st ed., G. Gregoriadis, Ed., Academic Press, New York, 237∼270 (1979)] 참조). 따라서, 이 공중합체를 생체 분해성 의료용품 혹은 약물 전달 체계용 소재에 사용하기위한 연구가 그 동안 활발하게 진행되어 왔다. 또한 이 공중합체의 넓고 다양한 화학적·물리적 성질에 의해 관심이 모아지고 있다. 1990년대 초 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체는 그 구조적 유연성으로 인해 모노크릴 (Monocryl; 등록상표, Ethicon사 제품) 이라는 단섬유형 (monofilament) 흡수성 봉합사로 개발되었다 (문헌 [R. S. Bezwada et al., Biomaterial, 16, 1141∼1148 (1995)] 참조). 이 제품은 폴리글리콜라이드의 우수한 기계적 물성과 폴리카프로락톤의 유연성으로 인하여 봉합사에 적합한 물성을 나타내었다. 그러나, 이 제품은 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 말단에 글리콜라이드가 중합된 일종의 블록 공중합체로부터 제조된 것이다. 이 공중합체의 중합 과정은 저온에서 저분자량의 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 제조한 후 여기에 다량의 글리콜라이드를 첨가 후 고온에서 중합하여 폴리글리콜라이드 블록을 형성하는 것으로 제조 공정이 복잡한 단점이 있다. 따라서, 생체적합성이 입증된 기존의 물질들을 이용하여 제조 공정이 간단하면서 봉합사 제조에 적합한 물성을 갖는 소재의 제조 방법이 강력히 요구되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 유연한 흡수성 봉합사 소재를 개발하기 위해 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 공중합 반응을 예의 검토한 결과, 이들 공중합체의 분자 구조를 변화시켜 스타형 구조로 만들면, 제조 공정이 간단할 뿐 아니라, 고분자량의 유연한 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 얻는 데 있어서 유리하다는 사실을 알게 되었다. 일반적으로, 스타형 고분자는 다관능기를 갖는 물질에 고분자 사슬이 다수 붙어 있는 구조로서 고분자 사슬의 형태가 방사선 구조를 갖는다. 이러한 형태의 고분자는 동일한 분자량의 직쇄형 고분자에 비해 낮은 용융 점도를 나타내는 것으로 알려져 있다 (문헌 [J. E. L. Roovers,et al.,Macromolecules, 5, 385 (1972)] 참조). 따라서, 스타형 구조의 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체는 동일한 분자량의 직쇄형 공중합체에 비해 높은 분자량을 얻기가 용이하며 얻어진 공중합체는 낮은 가공온도에서 방사가 용이하다. 또한 중합과정이 직쇄형 블록 공중합체를 제조하는 것에 비하여 간단하면서 유연한 봉합사를 제조할 수 있어서 유리하다.
스타형 고분자를 만드는 방법으로는, 다관능기를 갖는 물질을 개시제로 하여 중합하는 방법과 직쇄형 고분자를 제조한 후 커플링 (coupling) 하는 방법이 있다. 일반적인 스타형 고분자의 제조에는 후자의 방법이 많이 사용되고 있으나 본 발명의 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 제조에는 전자가 유리하다. 전자의 방법에 의해 스타형 구조를 이루는 메카니즘은 다관능기를 갖는 다가 알코올과 글리콜라이드/ε-카프로락톤의 반응성 차이에 기인한다. 즉, 본 발명에 사용된 다가 알코올은 1차 알코올로서, 반응 초기에 모든 다가 알코올이 글리콜라이드/ε-카프로락톤과 먼저 반응하여 작은 스타형 구조를 이룬다. 이 이후의 반응은 스타형 구조를 계속 유지한 상태로 글리콜라이드/ε-카프로락톤 간의 반응에 의해 분자쇄가 자라나게 되며 결국 스타형 구조의 공중합체가 형성된다.
본 발명자들은 펜타에리트리톨과 같은 3개 이상의 다관능기를 갖는 다가 알코올을 개시제로 하여 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 제조하였으며, 이 방법에 의하면, 높은 분자량의 중합체 제조에 유리하며 직쇄형 블록 공중합체 제조 공정에 비해 간단한 제조 공정을 통해 유연한 봉합사가 제조되며 얻어진 중합체는 방사 공정시 분자량 저하가 적게됨을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 중량 평균 분자량이 30,000 이상인 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 중량 평균 분자량이 30,000 이상인 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 본 발명의 목적은 3개 이상의 1차 히드록실기를 갖는 다가 알코올로부터 글리콜라이드와 ε-카프로락톤을 개환 중합함으로써 달성된다.
본 발명에 따르면, 글리콜라이드/ε-카프로락톤의 개환 중합반응 촉매의 존재하에, 3개 이상의 히드록실기를 갖는 다가 알코올을 중합 개시제로 하여 글리콜라이드와 ε-카프로락톤을 감압 가열하여 개환 중합시키는 것을 특징으로 하는, 중량 평균 분자량이 30,000 이상인 하기 화학식 1의 스타형 (star-shaped) 분자 구조의 생분해성 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 제조 방법이 제공된다.
상기 식에서,
x 및 y는 임의의 정수이다.
상기 화학식 1의 공중합체는, 예를 들면 하기 반응식 1과 같은 공중합 반응에 의해 제조된다.
개환 중합 반응은 옥토산주석 (stannous octoate)과 같은 통상의 촉매를 사용하고, 가열 감압 방법으로 수행한다. 반응 온도는 100 ℃∼220 ℃, 바람직하기로는 150 ℃∼200 ℃ 이다. 반응시간은 5 시간 이상, 바람직하기로는 5∼100 시간, 구체적으로는 5∼50 시간이다.
본 발명에 사용되는 다가 알코올은 적어도 3개 이상의 히드록실기를 갖는 물질이다. 반복 실험의 결과, 3개 이하의 히드록실기를 갖는 물질을 사용하는 경우, 본 발명의 특징인 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 구조가 발달하지 않은 고분자가 얻어진다. 다가 알코올의 형태는 직쇄형이 바람직하며 이러한 직쇄형 구조를 갖는 다가 알코올로는 글리세롤 (glycerol), 펜타에리트리톨(pentaerythritol), 디펜타에리트리톨 (dipentaerythritol), 트리펜타에리트리톨 (tripentaerythritol), 솔비톨, 리비톨, 폴리비닐알코올, 폴리히드록시에틸 메타아크릴레이트, 폴리히드록시프로필 메타아크릴레이트 등이 사용 가능하다.
본 발명에 사용된 다가 알코올들은 가능한 한 개개의 히드록실기가 2차 히드록실기가 아닌 1차 히드록실기인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 다가 알코올은 펜타에리트리톨이다. 펜타에리트리톨을 이용하여 글리콜라이드와 ε-카프로락톤을 개환 중합하여 생성된 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체는 4개의 가지를 갖는 스타형 구조를 갖게 된다.
본 발명의 개환 중합 반응에 사용되는 다가 알코올의 양은 중합반응에 사용된 단량체의 총량에 대해 0.001∼0.5 몰% 이다. 다가 알코올의 사용량이 0.001 몰% 미만이면, 얻어진 중합체는 본 발명의 특성인 스타형 구조가 제대로 발달하지 않은 선형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체가 얻어져 모듈러스가 지나치게 커지기 때문에, 이로부터 제조된 봉합사가 너무 뻣뻣하다. 또한 다가 알코올의 사용량이 0.5 몰% 이상이면 얻어진 중합체는 분자량이 30,000 미만인 저분자량 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체가 얻어져 인장강도가 낮다 (표 2 참조).
본 발명에 사용되는 촉매로서는 일반적으로 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 개환 중합 반응에 사용되는 공지의 촉매를 모두 사용할 수 있다. 개환 중합 반응에 사용되는 촉매로는 테트라페닐주석, 주석분말, 옥토산주석, 염화 제 1주석, 염화 제 2주석, 산화주석, 아연분말, 디에틸아연, 옥토산아연, 염화아연, 산화아연 등이 있다.
촉매의 첨가양은 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 총량에 대하여 0.0001∼5 몰%, 바람직하기로는 0.001∼0.5 몰% 이다. 이 촉매는 중합반응에 1회 내지 수 회로 나누어 첨가한다.
중합반응이 개시되고 나면 중합체의 분자량은 점차 증가한다. 본 발명에 의한 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 분자량 증가 속도는 직쇄형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 상승 속도에 비해 상당히 빠르게 진행된다. 중합체의 구조 분석과 분자량 측정은 광산란 분석, 시차 주사 열량 분석 및 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도인 헥사플루오로이소프로판올 (hexafluoroisopropanol, HFIP) 용액에서 고유점성도를 측정함으로써 결정한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, (글리콜라이드, ε-카프로락톤과 3가 이상의 다가 알코올로부터 제조된,) 중량 평균 분자량이 30,000 이상인 하기 화학식 1의 스타형 (star-shaped) 분자 구조의 생분해성 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체가 제공된다.
<화학식 1>
상기 식에서,
x 및 y는 임의의 정수이다.
본 발명에 의해 얻어진 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체는 30,000 이상, 구체적으로 30,000∼400,000의 분자량을 가지며, 밝은 황금색의 색상을 나타낸다.
이하, 본 발명을 다음의 비교예 및 실시예로서 상세히 설명한다.
<비교예 1
건조된 500ml유리 앰플에 글리콜라이드 40.628 g (0.35 몰)과 ε-카프로락톤 17.124 g (0.15 몰)을 넣고, 촉매로는 옥토산주석 0.027 g (0.000067 몰)을 톨루엔에 희석하여 사용하였다. 테플론으로 코팅된 마그네틱 바를 앰플에 넣고 반응물이 담긴 앰플을 0.01 mmHg에서 10 분간 진공 상태를 유지하여 톨루엔과 수분을 제거하고 건조 질소를 주입하였으며 이 과정을 3회 반복하고 앰플을 토치로 가열하여 봉합하였다. 봉합된 앰플을 100 ℃의 기름 중탕에 넣고 마그네틱 플레이트를 사용해 1 ℃/분으로 온도를 170 ℃까지 상승시키면서 교반하였다. 이 후 170 ℃에서 20 시간 동안 고상 중합을 진행하였다. 중합이 진행됨에 따라 중합계는 점도가 높아졌으며, 교반이 불가능하게 되었다. 중합계는 초기에 투명한 겔 상태였으나 반응이 진행됨에 따라 황금색의 고체로 변하였다. 반응을 종결한 후 앰플을 액체질소를 사용하여 충분히 냉각시킨 후 파괴하고 공중합체를 회수하였다. 회수된 시료는 HFIP에 용해 후 메탄올에 침전시켜 미반응 단량체를 제거하였다. 얻어진 시료는 100 ℃에서 16 시간 동안 진공 건조를 한 후 진공 포장하여 -25 ℃에서 보관하였다. 얻어진 직쇄형 중합체의 수득률은 99.4 % 이었다. 고유 점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 1.67 dL/g이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명 분석으로 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 몰비가 69/31 임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도 (Tg)와 용융 온도 (Tm)는 각각 -14.9 ℃와 222.5 ℃ 였다.
<비교예 2
비교예 1에서 얻어진 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체를 분쇄기를 이용하여 5 ㎣이하의 칩으로 만든 후 이것을 단축 압출기 (single screw extruder) 내에 일정 속도로 집어넣었다. 압출기 내의 온도는 210∼240 ℃로 유지하며 고분자 칩을 완전히 용융시켰다. 용융된 고분자는 사출 온도를 200∼230 ℃로 유지하며 -20 ℃의 메탄올을 통과시킨 후 50∼100 m/분의 속도로 권취하여 섬유를 제조하였다. 제조된 섬유의 연신을 실시하였으며 연신율, 연신 속도, 연신 온도는 각각 27 배, 70 cm/분, 70 ℃로 조절하였다. 얻어진 섬유의 지름은 0.20∼0.25 mm 였으며, 제조된 섬유의 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 측정시 1.10 dL/g 이었다. 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 48 %, 475 MPa, 3,887 MPa 이었다.
위의 비교예에서 제조된 직쇄형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 섬유는 모듈러스가 매우 높아 뻣뻣하여 봉합사로 사용하기에 부적합하였다.
<실시예 1
건조된 500ml유리 앰플에 40.628 g (0.35 몰)의 글리콜라이드와 17.124 g (0.15 몰)의 ε-카프로락톤을 넣고, 촉매로는 옥토산주석 0.027 g (0.000067 몰)을, 개시제로 펜타에리트리톨 (PEr) 0.014 g (0.0001 몰) (표 1 참조)을 톨루엔에 희석하여 사용하였다. 테플론으로 코팅된 마그네틱 바를 앰플에 넣고 반응물이 담긴 앰플을 0.01 mmHg에서 10분간 진공 상태를 유지하여 톨루엔과 수분을 제거하고 건조 질소를 주입하였으며 이 과정을 3회 반복하고 앰플을 토치로 가열하여 봉합하였다. 봉합된 앰플을 100 ℃의 기름 중탕에 넣고 마그네틱 플레이트를 사용해 1 ℃/분으로 온도를 170 ℃까지 상승시키면서 교반하였다. 이 후 170 ℃에서 20 시간동안 고상 중합을 진행하였다. 중합이 진행됨에 따라 중합계는 점도가 높아졌으며, 교반이 불가능하게 되었다. 중합계는 초기에 투명한 겔 상태였으나 반응이 진행됨에 따라 황금색의 고체로 변하였다. 반응을 종결한 후 앰플을 액체 질소를 사용하여 충분히 냉각시킨 후 파괴하고 공중합체를 회수하였다. 회수된 시료는 HFIP에 용해 후 메탄올에 침전시켜 미반응 단량체를 제거하였다. 얻어진 시료는 60∼70 ℃에서 16 시간 동안 진공건조를 한 후 진공포장하여 -25 ℃에서 보관하였다. 얻어진 스타형 중합체는 옅은 황금색을 띄었으며 수득률은 99.5 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 1.70 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로부터 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 몰비가 71/29임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 -10.9 ℃와 216.0 ℃ 였다.
이렇게 얻어진 공중합체를 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 섬유로 제조하고 가공하였다. 제조된 섬유의 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의HFIP 용액에서 1.19 dL/g 이었다. 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 73 %, 220 MPa, 1,210 MPa 이었다.
이 실시예의 방법에 의해 제조된 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 섬유는 직쇄형 섬유에 비하여 모듈러스가 매우 낮아 유연성이 높은 특성을 나타내었다.
<실시예 2
다가 알코올로서 글리세롤 (Gly) 0.014 g (0.00015 몰)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 99.3 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 1.70 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 몰비가 70/30 임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 10.1 ℃와 218.1 ℃ 였으며, 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 60 %, 295 MPa, 1,955 MPa 이었다.
<실시예 3
다가 알코올로서 디펜타에리트리톨 (dPEr) 0.05 g (0.0002 몰)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 99.3 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 1.72 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 몰비가 70/30임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 1.4 ℃와 195.6 ℃ 였으며, 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 76 %, 137 MPa, 1,173 MPa 이었다.
<실시예 4
다가 알코올로서 트리펜타에리트리톨 (tPEr) 0.06 g (0.00016 몰)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 99.1 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 1.69 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 몰비가 71/29임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 13.1 ℃와 174.3 ℃ 였으며, 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 72 %, 116 MPa, 970 MPa 이었다.
<실시예 5
다가 알코올로서 폴리히드록시에틸 메타크릴레이트 (PHEMA) 0.5 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 96.3 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL 농도의 HFIP 용액에서 1.65 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 몰비가 69/31임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 25.1 ℃와 169.2 ℃ 였으며, 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 61 %, 153 MPa, 1,450 MPa 이었다.
<실시예 6
다가 알코올로서 폴리히드록시프로필 메타크릴레이트 (PHPMA) 0.05 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 95.9 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL농도의 HFIP 용액에서 1.69 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 몰비가 71/29임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 28..4 ℃와 166.7 ℃ 였으며, 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 56 %, 166 MPa, 1,663 MPa 이었다.
<실시예 7
다가 알코올로서 폴리비닐알코올 (PVA) 0.05 g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 제조하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 96.7 % 이었다. 고유점성도는 25 ℃에서 0.5 g/dL농도의 HFIP 용액에서 1.61 dL/g 이었다. 수소 (1H) 핵자기 공명분석으로 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 몰비가 70/30임을 확인하였다. 시차주사 열분석으로 측정된 유리 전이 온도와 용융 온도는 각각 18.5 ℃와 179.4 ℃ 였으며, 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 가공된 섬유의 연신율, 인장강도, 모듈러스는 각각 64 %, 189 MPa, 1,382 MPa 이었다.
위의 비교예 1, 2와 실시예 1∼7에서 제조된 공중합체의 열적 성질 및 고유점성도와 섬유의 기계적 성질을 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.
개시제의 농도에 따른 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 변화
몰비 Tg c (℃) Tm c (℃) 연신율(%) 인장강도(MPa) 모듈러스(MPa) 고유점성도d(dL/g)
[Ma]/[개시제] [GL]/[CL]b
비교예 69/31 -14.9 222.5 48 475 3,887 1.67
실시예 1 5,000 (PEr)(0.02 몰%) 71/29 -10.9 216.0 73 220 1,210 1.70
실시예 2 3,300 (Gly)(0.03 몰%) 70/30 -10.1 218.0 60 295 1,955 1.70
실시예 3 2,500 (dPEr)(0.04 몰%) 70/30 1.4 195.6 76 137 1,173 1.72
실시예 4 3,125 (tPEr)(0.03 몰%) 71/29 13.1 174.3 72 116 970 1.69
실시예 5 PHEMA 69/31 25.1 169.2 61 153 1,450 1.65
실시예 6 PHPMA 71/29 28.4 166.7 56 166 1,663 1.69
실시예 7 PVA 70/30 18.5 179.4 64 189 1,382 1.61
a: 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 각 몰수의 합b: 수소 핵자기 공명분석법으로부터 측정된 몰비c: 승온 온도 10 ℃/분d: 0.5 g/dL, 25 ℃ HFIP 용액
<비교예 3,4 및 실시예 8∼12
다가 알코올로서 펜타에리트리톨 (PEr)의 양을 변화시키며 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법으로 공중합체를 제조 후 비교예 2에 기재된 것과 동일한 방법으로 섬유를 제조하고 가공하였다. 반응이 종료된 후 중합체의 수득률은 99 % 이상이었다. 비교예 3,4 및 실시예 8∼12에서 제조된 공중합체의 열적 성질 및 고유점성도와 섬유의 기계적 성질을 측정한 결과를 표 2에 나타내었다.
개시제의 농도에 따른 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 변화
몰비 Tg c (℃) Tm c (℃) 연신율(%) 인장강도(MPa) 모듈러스(MPa) 고유점성도d(dL/g)
[Ma]/[PEr] [GL]/[CL]b
비교예 3 100(1 몰%) 68/32 -7.2 211.9 31 54 1,047 0.44
실시예 8 200(0.5 몰%) 71/29 -10.1 214.0 57 101 1,135 1.03
실시예 9 1,000{0.1 몰%} 68/32 -9.0 217.3 66 199 1,396 1.31
실시예 10 2,000{0.05 몰%} 69/31 -12.3 216.4 61 286 2,107 1.52
실시예 11 10,000(0.01 몰%) 69/31 -10.9 201.8 70 97 766 1.65
실시예 12 100,000(0.001 몰%) 70/30 -14.8 221.2 52 387 3,316 1.66
비교예 4 200,000(0.0005몰%) 70/30 -13.5 220.7 58 574 4,916 1.67
a: 글리콜라이드와 ε-카프로락톤의 각 몰수의 합b: 수소 핵자기 공명분석법으로부터 측정된 몰비c: 승온 온도 10 ℃/분d: 0.5 g/dL, 25 ℃ HFIP 용액
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 다가 알코올의 사용량이 0.001 몰% 미만이면, 얻어진 중합체는 모듈러스가 지나치게 커지기 때문에, 이로부터 제조된 봉합사가 너무 뻣뻣하고, 다가 알코올의 사용량이 0.5 몰% 이상이면 얻어진 중합체는 분자량이 30,000 미만인 저분자량 공중합체가 얻어져 인장강도가 낮다.
본 발명에 의하여 제공된 스타형 구조의 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체 제조 방법은 직쇄형 공중합체 제조 방법에 비해 높은 분자량을 얻기가 용이하다. 또한 얻어진 스타형 공중합체는 동일한 분자량의 선형 공중합체에 비하여 용융점도가 낮아 섬유 제조 온도를 낮출 수 있어 열분해로 인한 물성의 저하를 방지할 수 있다. 스타형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체로부터 제조된 섬유는 구조적 특성상 직쇄형 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체로부터 제조된 섬유에 비하여 가공성이 우수하고 유연하며 강도가 우수하기 때문에 봉합사의 재료로 사용하기에 적합하며 또한 중합 과정이 직쇄형 블록 공중합체를 제조하는 것에 비하여 간단하여 봉합사를 제조하는데 경제적으로 유리하다. 또한, 생체흡수성 재료, 농약이나 의약, 약제의 서방성 매트릭스, 농업용 필름 등으로 광범위하게 응용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 주성분으로서 글리콜라이드와, 부성분으로서 ε-카프로락톤, 그리고 개시제로서 3가 이상의 다가 알코올로부터 제조된, 중량 평균 분자량이 30,000 이상인 하기 화학식 1의 스타형 (star-shaped) 분자 구조의 생분해성 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체.
    <화학식 1>
    상기 식에서,
    x 및 y는 임의의 정수이다.
  2. 글리콜라이드/ε-카프로락톤의 개환 중합반응 촉매의 존재하에, 중합 개시제로서 3개 이상의 히드록실기를 갖는 다가 알코올을 글리콜라이드와 ε-카프로락톤 단량체의 총량에 대해 0.001~0.5 몰％의 양으로 사용하여 주성분으로서 글리콜라이드와 부성분으로서 ε-카프로락톤을 감압 가열하여 개환 중합시키는 것을 특징으로 하는, 중량 평균 분자량이 30,000 이상인 하기 화학식 1의 스타형 (star-shaped) 분자 구조의 생분해성 글리콜라이드/ε-카프로락톤 공중합체의 제조 방법.
    <화학식 1>
    상기 식에서,
    x 및 y는 임의의 정수이다.
  3. 제2항에 있어서, 다가 알코올의 각 히드록실기가 1차 히드록실기인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 글리세롤, 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 트리펜타에리트리톨, 솔비톨, 리비톨, 폴리비닐알코올, 폴리히드록시에틸 메타아크릴레이트 및 폴리히드록시프로필 메타아크릴레이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 방법.
  5. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 글리세롤인 방법.
  6. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 펜타에리트리톨인 방법.
  7. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 디펜타에리트리톨인 방법.
  8. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 트리펜타에리트리톨인 방법.
  9. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 폴리히드록시알킬 메타아크릴레이트인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 폴리히드록시알킬 메타아크릴레이트의 알킬기가 에틸기 혹은 프로필기인 방법.
  11. 제2항에 있어서, 다가 알코올이 폴리비닐알코올인 방법.
  12. 삭제
  13. 제2항에 있어서, 중합 반응이 150 ℃∼200 ℃의 온도에서 5∼50 시간 수행되는 방법.
  14. 제2항 또는 제13항에 있어서, 중합 촉매가 염화 제1 주석, 염화 제2 주석, 옥토산주석, 황산 제1 주석, 테트라페닐주석, 이소프로필티타네이트, 사염화티탄, 삼산화안티몬, 디에틸아연, 옥토산아연으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 방법.
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