KR101483846B1 - 플라즈마를 이용하여 내부 표면이 개질된 튜브 및 이의 제조방법 - Google Patents

플라즈마를 이용하여 내부 표면이 개질된 튜브 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 튜브의 내부 표면을 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법, 튜브를 준비하는 단계; 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 튜브 내부 표면을 반응성을 갖도록 개질시키는 단계; 상기 개질된 표면에 노화(aging)방지 또는 접착을 위한 박막층을 형성하는 단계; 및 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 이식용 고분자 튜브에 관한 것이다.
본 발명의 마이크로플라즈마를 이용하여 튜브의 내부 표면을 차례로 1) 반응성을 갖도록 개질하고, 2) 탄화수소 박막층을 도입한 후, 3) 추가적으로 세포 부착성이 향상되도록 개질한 고분자 튜브는 상기 과정을 통해 개질된 내부 표면에 대한 평활근세포의 부착능이 증가되었으므로, 생체 내 이식 가능한 인공혈관 등으로 활용될 수 있다. 특히, 마이크로플라즈마 처리에 의한 제조방법을 이용하므로 수 mm의 좁은 내경을 갖는 튜브의 내부 표면도 균일하게 개질시킬 수 있다.

Description

플라즈마를 이용하여 내부 표면이 개질된 튜브 및 이의 제조방법{A tube with modified inner wall surface and preparation method thereof}
본 발명은 플라즈마를 이용하여 튜브의 내부 표면을 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법, 튜브를 준비하는 단계; 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 튜브 내부 표면을 반응성을 갖도록 개질시키는 단계; 상기 개질된 표면에 노화(aging)방지 또는 접착을 위한 박막층을 형성하는 단계; 및 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법 및 상기 제조방법에 의해 제조된 이식용 고분자 튜브에 관한 것이다.
혈관질환은 주로 지방축적 또는 플라그(또는 죽종; plaque or atheroma)에 의한 동맥 내부의 비후로 인해 동맥이 경화되어 발생한다. 상기 동맥은 심장으로부터 전신으로 혈액, 산소 및 영양을 공급하는 혈관이다. 따라서, 좁고 경화된 동맥은 혈액의 흐름을 방해하며 상기 물질들의 각 조직으로의 공급을 원활하게 하지 못한다. 이러한 부적절한 혈액의 공급은 기능장애, 조직손상 등을 초래하며 심한 경우 죽음에 이르게 한다. 따라서, 이러한 혈관질환을 치료하기 위하여 혈관을 이완시키는 약물 등을 투여하는데, 약물에 의한 치료는 증상을 개선시킬 뿐이고 혈관질환은 완치되지 않아 평생 약물을 복용해야 하는 번거로움이 있다. 다른 치료 방법으로는 손상된 혈관을 제거하고 해당 부위에 인공혈관을 이식하는 외과적 수술방법을 이용할 수 있다.
초기에는 공여자의 동맥 또는 정맥을 채취하여 이식하는 방법을 이용하였으나, 거부반응 또는 경화 등의 발생으로 성공률이 높지 못하였다. 따라서 이를 극복하기 위하여 합성(인공)혈관을 발굴하고자 연구하였다. 상기 이식을 위한 인공혈관은 인체에 무해해야하고 생체 내 적합성이 높은 재질로 제조되어야 한다. 또한 면역계에 의해 거부되지 않고 장시간 체내에서 유지될 수 있어야할 것이다. 한편, 단백질이나 지질의 침전 또는 혈전 형성에 의해 혈관이 막히는 경우가 없어야 할 것이다.
일반적으로 고분자 소재는 생체안정성이 높아 생체재료로서, 인공혈관, 인공심장, 금속스텐트의 대체 소재 등으로 활용되고 있다. 이중 고분자 튜브는 혈액투석용 튜브, 인체순환계 이식용 튜브, 진단 바이오키트의 튜브, 주사기 등 다양하게 활용되고 있다. 상기 고분자 튜브는 사용 목적에 따라 표면을 개질하는데, 상기 표면개질은 주로 외부 표면에 대해서만 이루어지고 있으며, 그 방법으로는 진공기술과 플라즈마를 이용한 전자빔처리, 이온빔처리, 코팅과 습식법 등으로 다양하다. 이러한 표면개질을 통해 고분자 소재의 벌크와는 다르게 반응성 결합구조를 갖도록 변화시킬 수 있다.
생물반응성(biologically reactive) 외부표면에 대한 표면개질 기술로는 한국 특허등록공보 제10-1034654호, 제10-1119011호 및 제10-1161151호 등에 개시된 습식법을 이용한 인체의 순환통로 이식용 튜브의 표면개질기술 및 제10-1185835호 등에 개시된 불소계고분자에 진공 플라즈마 기술을 이용하여 표면을 초소수성으로 개질하는 기술 등이 있다.
한편, 체내에 이식하기 위한 생체재료로서 고분자는 혈전형성, 염증발생으로 인한 막힘 현상을 차단하기 위하여, 내부 표면이 내혈전성 및/또는 염증억제능을 가지는 것이 바람직하다. 또한 외부 표면의 경우 주변 세포와 적합성이 높고, 단백질 반응을 억제할 수 있으며, 염증을 억제할 수 있는 것이 바람직하다. 대표적으로 사용되는 불소계고분자 재료는 소수성이며, 다른 형질의 물질과 반응성을 나타내지 않는 비반응성(inert) 재료로서 튜브로 이용할 경우, 내부 및 외부 표면이 모두 비반응성 및 소수성을 띤다. 따라서, 상기한 표면개질 기술을 이용하여 비반응성 및 소수성인 고분자에 친수성을 부여하거나 반응성을 높인 바이오물질을 증착하는 방법을 이용하여 인체 이식에 적합한 재료로 개질할 수 있다.
이러한 공정은 대표적으로 재료표면에 초소수성을 부여하는 것으로 약물의 표면처리 기법을 통해 공정을 개발하였다. 그러나, 이러한 표면개질을 위한 공정은 튜브의 외부 표면을 개질하는 경우가 대부분이며 내부 표면을 개질하는 기술은 매우 제한적이다.
이에 본 발명자들은 불소계고분자를 포함한 다양한 고분자소재 표면의 반응성 및 친수성을 향상시키도록 개질할 수 있는 방법을 찾기 위해 예의 연구 노력한 결과, 고분자 내부 표면에 대한 표면개질 기술로서 진공 및 마이크로플라즈마 기술을 이용하여 코팅물질을 증착함으로써 반응성을 높일 수 있는 표면개질 조건을 발굴하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 하나의 목적은 플라즈마를 이용하여 튜브의 내부 표면을 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 튜브를 준비하는 단계; 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 튜브 내부 표면을 반응성을 갖도록 개질시키는 단계; 상기 개질된 표면에 노화방지 또는 접착을 위한 박막층을 형성하는 단계; 및 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 이식용 고분자 튜브를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 플라즈마를 이용하여 튜브의 내부 표면을 개질시키는 단계를 포함하는 튜브의 제조방법을 제공한다.
상기 플라즈마를 이용한 개질은 해당 반응의 조건을 다양하게 변화시킴으로써 튜브의 내부 표면의 친수성 및 소수성 정도를 조절할 수 있다. 상기 반응에 영향을 주는 반응 조건은 사용되는 반응기체의 종류, 비율 또는 플라즈마 처리 시간 등일 수 있다.
바람직하게 본 발명에 따른 튜브의 제조방법은 마이크로플라즈마를 이용하여 튜브 내부 표면의 세포 부착성이 향상되도록 표면을 개질시키는 단계를 포함하는 것인 제조방법일 수 있다.
본 발명에서 상기 튜브의 비제한적인 예는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화에틸렌프로필렌 공중합체(fluorinated ethylene propylene copolymer; FEP), 에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체(ethylene tetrafluoroethylene copolymer)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌(ethylene chlorotrifluoroethylene; ETFE), 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy; PEA) 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinyliden fluoride; PVDF) 재질의 초소수성의 불소탄화수소계 고분자 튜브; 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리(2-히드록시에틸메타크릴레이트)(Poly(2-hydroxyethyl methacrylate); PHEMA), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol; PEG a.k.a 폴리에틸렌산화물; polyethylene oxide; PEO 또는 폴리옥시에틸렌; polyoxyethylene; POE), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVOH, PVA 또는 PVAl), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP) 또는 폴리우레탄(Polyurethane; PU) 재질의 생체적합성 고분자; 또는 니티놀(nitinol; NiTi), 티타늄, 스테인레스 316L(SUS 316L) 또는 코발트-크롬 합금 재질의 금속 튜브일 수 있다.
본 발명의 용어 "불소탄화수소계 고분자(fluorinated hydrocarbon polymers)"는 불소원자, 탄소원자 및 수소원자만으로 구성된 고분자로서 탄소-탄소 결합이 주쇄를 구성하고 이외의 결합자리에는 수소원자, 불소원자, 알킬, 부분적으로 불소화된 알킬 또는 퍼플루오로알킬(perfluoroalkyl)이 결합하고 있다. 일반적으로 분자량이 크고 밀도가 높으나 분자간력은 낮다. 상기 고분자는 강한 탄소-탄소 결합이 주쇄 결합을 구성하므로 강도가 높으며, 강한 탄소-불소 또는 탄소-수소 결합을 포함하므로 반응성이 낮아 개질이 용이하지 않다. 균일하게 불소화된 고분자는 불소원자의 높은 전기음성도로 인한 원자 분극률의 감소로 런던 분산력(London dispersion force)에 의해 형성되는 순간 쌍극자(fleeting dipole)가 약하게 존재하므로, 분자간 인력이 낮고 비극성 및/또는 소수성을 나타낸다.
따라서, 바람직하게 본 발명은 상기 생체적합성 튜브의 내부 표면을 이식가능하도록 개질하기 위하여 마이크로플라즈마를 이용하여 튜브 내부 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 반응기체로는 수소와 아르곤 혼합기체를 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 한편, 효율적인 개질을 위하여 상기 혼합기체는 아르곤과 수소 기체를 1:3 내지 1:7의 비율로 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 튜브의 내부 표변을 개질시키는 방법은 생체재료로서 고분자뿐만 아니라 금속 및 플라스틱 등의 다양한 재료에 확대하여 적용 가능하며, 이렇게 개질된 물질은 다양한 분야에 활용될 수 있다. 상기 플라스틱류는 생체적합성 고분자와 유사하게 낮은 유전율을 갖는 재료로서 마이크로플라즈마를 이용하여 고분자 표면개질의 방법을 통하여 재료의 용도에 맞게 반응기체를 선택적으로 사용함으로서 최적화할 수 있다.
한편, 금속재료는 자체로서 내구성 및 강도를 갖는 재료로서 다양하게 활용될 수 있으나, 공기 및/또는 수분에 노출되었을 경우 산화하여 부식될 수 있다는 단점이 있다. 상기 금속재료는 전기 전도성 재료라는 점에서 마이크로 플라즈마 이외에 일반적인 DC(DC 펄스 포함), RF, MF 등의 다양한 플라즈마 발생원을 통한 튜브형 금속재료의 내부에 표면처리가 가능하다. 금속재료의 표면처리에는 반응성 표면처리와 기능성 박막을 형성하여 생체적용을 위한 바이오 부품의 표면개질 외에도 다양한 산업적 응용이 가능하여 자동차 부품, 기계부품, 전자부품의 기능향상을 위하여 활용이 가능하다. 대표적으로, 금속보다 부식적 행태가 귀(貴, noble)한 탄화수소류 박막을 튜브 내부의 증착을 통하여 금속재료 부식방지용 보호 피막, 비반응성 물질 증착을 통한 금속재료의 내화학성 증가 피막, 고윤활성 물질의 증착에 따른 반응물질의 응집방지용 피막, 고경도물질의 증착을 통한 내마모성 증가 피막 등을 유도 합성할 수 있다.
본 발명의 용어 "마이크로플라즈마(microplasma)"는 수십 내지 수천 마이크로미터 범위의 작은 차원(dimension)의 플라즈마이다. 플라즈마는 고체, 액체 및 기체 이외의 물질의 제4의 상태를 의미하는 것으로, 기체를 가열하면 분자 또는 원자가 전자를 잃거나 얻어서 이온화하고 전하를 띠는 입자를 포함하는 플라즈마가 된다. 마이크로플라즈마는 다양한 온도 및 압력 조건에서 생성될 수 있으며, 열적(thermal) 또는 비열적(non-thermal) 플라즈마로서 존재한다. 수십 밀리토르 내지 상압의 넓은 압력 범위에서 존재할 수 있으며, 따라서 표준 온도 및 압력에서 해당 상태를 유지할 수 있는 비열적 마이크로플라즈마는 표준조건 하에서 용이하게 지속되고 조작될 수 있으므로 가용성 및 접근성이 높다. 한편 고압에서는 작은 크기의 플라즈마 형성이 가능하다. 이에 따라, 상업적, 산업적 및 의료적 적용을 위한 사용될 수 있다.
구체적으로, 기체에 에너지를 가하면, 기체 분자 또는 원자의 내부 전자가 여기되고 높은 에너지 수준으로 이동한다. 이때 충분히 높은 에너지가 가해지면 최외각 전자가 분자 또는 원자로부터 벗어나 이온을 형성할 수 있다. 전자, 분자(또는 원자), 여기종(excited species) 및 이온은 상기 종들 간의 다양한 상호작용에 관여하는 종들의 혼합물(soup)을 형성하고, 외부 전기장 또는 자기장의 영향 하에서 집단행동(collective behavior)을 나타낸다. 상기 플라즈마는 항상 빛을 동반하는데, 이는 여기종이 빛의 형태로 에너지를 발산하면서 낮은 에너지 수준으로 이완되기 때문이다.
상기 마이크로플라즈마는 직류(direct current; DC) 방전, 공동음극방전(hollow cathode discharge; HCD), 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge; DBD), 코로나(corona) 방전 또는 마이크로파(microwave) 방전에 의해 생성될 수 있다. 또한 극초단파인 라디오주파수에 의해 형성되는 용량결합형 플라즈마(capacitively coupled plasma; CCP) 또는 유도결합형 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP)일 수 있다. 바람직하게는 유전체 장벽에 의해 격리된 두 전극 사이의 전기적 방전인 유전체장벽방전에 의해 생성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 튜브의 제조방법은 바람직하게 튜브 내부 표면 또는 상기 마이크로플라즈마로 처리한 표면의 노화(aging)를 방지하기 위해 튜브 내부 표면 상에 플라즈마를 이용하여 탄화수소 전구체 물질을 집적시켜 플라즈마 중합화된 박막층을 형성할 수 있다. 또한 상기 박막층은 추가적으로 도입될 수 있는 표면개질층의 접착을 향상시킬 수 있다.
바람직하게 상기 박막층은 폴리아세틸렌 필름층일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 폴리아세틸렌 필름층은 아세틸렌과 아르곤 혼합기체를 이용한 플라즈마 중합화(plasma polymerization)에 의해 형성할 수 있다. 이때, 반응시간을 조절하여 원하는 두께의 박막층이 코팅되도록 조절할 수 있다. 바람직하게 상기 폴리아세틸렌 필름층의 두께는 50 내지 250 nm일 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 아세틸렌과 아르곤 혼합기체를 이용한 플라즈마 중합화를 유도하였으며, 10분간 코팅하였을 때, 상기 개질한 표면의 에이징을 방지하면서 균일하면서도 가장 매끈한 표면을 얻을 수 있음을 확인하였다(도 5). 실리콘 웨이퍼 상에서 테스트하여, 상기 코팅된 박막층의 두께는 약 220 nm임을 확인하였다(도 7).
본 발명에 따른 이식용 튜브 제조방법은 바람직하게 상기 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 마이크로플라즈마로 처리한 튜브의 내부 표면 또는 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 추가적인 개질 단계는 반응기체로 산소와 아르곤 또는 질소와 아르곤의 혼합기체를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 개질 단계에 있어서 반응기체로써 산소를 이용하는 경우 반응시간이 길어지면 식각(etching)이 일어나기 시작하므로 비교적 짧은 시간 내에 수행되는 것이 바람직하며, 질소를 이용하는 경우 질소는 산소보다는 표면 개질 효율이 떨어지므로 상대적으로 긴 시간 동안 반응시킴으로써, 원하는 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게 반응기체로 산소를 이용하는 경우 20 내지 80초 동안, 질소를 이용하는 경우 4 내지 8분 동안 수행될 수 있다.
상기한 바와 같이 마이크로플라즈마는 수십 밀리토르로부터 상압까지 넓은 압력범위에서 생성될 수 있다. 따라서 상기 마이크로플라즈마는 대기압 방전에 의해 형성되는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 상기 대기압 방전에 의해 마이크로플라즈마를 형성하는 경우, 펌프 등을 이용하는 진공처리 과정을 배제할 수 있으므로, 장치를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라 과정도 보다 간편하게 수행될 수 있다. 또한, 기체온도를 낮게 유지하면서도 화학적으로 활성화된 여기종, 반응종들을 용이하게 생성할 수 있으며, 진공환경을 필요로 하지 않으므로 다양한 형상물의 처리 및 플라즈마 처리면적의 확장이 용이하다.
이와 같이 본 발명의 튜브는 마이크로플라즈마를 이용하여 그 내부 표면을 1) 반응기체의 처리로 개질하거나 2) 또는 중합 반응에 의해 박막층을 형성할 수 있으며 상기 단계는 순서에 관계없이 복수번 실시될 수 있다.
바람직하게 상기 고분자 튜브의 내벽은 세포 부착성이 향상된 것일 수 있다. 일반적으로 고체에 부착하여 배양되는 세포의 경우 소수성의 표면에 대해서는 매우 낮은 부착능을 나타내는 반면, 친수성 표면에서 부착능이 향상된다. 이는 일반 세포배양접시에도 적용되는 것으로, 대부분의 부착배양되는 세포의 배양은 표면이 친수성을 띠는 배양접시를 이용하여 수행하는 반면, 부유배양되는 세포 또는 부착배양을 억제하고자 하는 세포의 배양은 표면이 소수성을 띠는 배양접시를 이용하거나 세포의 부착을 억제하는 물질을 처리한 배양접시를 이용하여 수행한다. 본 발명에 따라 제조된 고분자 튜브는 상기한 일련의 과정을 통해 튜브의 내부 표면이 친수성을 띠므로 상기 표면 상에 세포의 부착을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 고분자 튜브는 내벽에 대한 세포 부착성이 향상된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 구체적인 실시예에 의하면, 아무런 처리를 하지 않은 PTFE의 경우 매우 높은 소수성을 나타내어 상기 PTFE 표면 상에 도입된 물방울이 거의 구형을 유지하는 것을 확인하였으며, 아르곤 및 수소 혼합기체를 이용한 표면개질 및/또는 상기 표면개질 후 탄화수소 박막층 도입시 친수성이 증가되어 물방울의 접촉각이 다소 감소한 것을 확인할 수 있었다(도 21). 또한 상기 표면개질 및 박막층 형성 후 산소 또는 질소를 포함하는 반응기체를 이용하여 수 십초 또는 수 분간 마이크로플라즈마 처리한 경우 친수성이 현저히 증가한 것을 확인할 수 있었으며(도 21), 이에 따라 상기 표면개질 및 박막층 도입을 차례로 수행한 후 산소 또는 질소 마이크로플라즈마로 처리한 튜브에 세포가 부착할 수 있음을 확인하였다(도 23 및 24).
다른 하나의 양태로서, 본 발명은 튜브를 준비하는 제1단계; 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 튜브 내부 표면을 반응성을 갖도록 개질시키는 제2단계; 상기 개질된 표면에 노화(aging)방지 또는 접착을 위한 박막층을 형성하는 제3단계; 및 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 제4단계를 포함하는 튜브의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 용어 "소수성(hydrophobic)"은 고체 표면에 액체가 접촉할 때 젖게 되는 정도를 의미하는 습윤도(wettability)가 매우 낮아 표면에 존재하는 물방울이 둥근 방울을 형성하게 되는 표면의 특성을 나타내는 용어로 상기 습윤도 및/또는 소수성은 접촉각(contact angle; θ)에 의해 결정된다. 상기 접촉각은 표면과 액체의 경계면과 액체와 증기의 경계면이 이루는 각으로 정의되며 소수성이 높을수록 접촉각이 증가한다. 예컨대 접촉각이 0°인 경우는 친수성이 매우 높아 완전히 젖은 상태이며, 접촉각이 180°인 경우는 소수성이 매우 높은 완전한 비습윤 상태이다. 보통 90°를 기준으로 이보다 낮은 접촉각을 갖는 경우를 친수성, 90°보다 높은 경우를 소수성이라 하며 특히 160° 이상인 경우 초소수성이라 한다. 따라서, 본 발명의 고분자 튜브는 소수성을 나타내므로 90°를 훨씬 초과하는 접촉각을 가지므로, 상기 튜브의 표면 상에서 물방울은 거의 원형을 유지한다(도 21).
상기 소수성 불소탄화수소계 고분자는 상기한 바와 같이 다수의 탄소-불소 결합을 포함하므로 소수성을 띠며 상기 탄소-불소 결합은 반응성이 낮아 개질이 용이하지 않다. 따라서, 상기 제2단계에 의한 반응성을 갖는 표면으로의 개질은 불소탄화수소계 고분자의 불소-탄소결합을 수소-탄소결합으로 치환하여 소수성이며 비반응성인 표면을 친수성의 반응성 표면으로 변화시키는 것이다. 이때, 상기 개질은 반응기체를 이용한 마이크로플라즈마를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 소수성의 불소탄화수소계 고분자의 비제한적인 예는 전술한 바와 같다. 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌일 수 있다.
본 발명의 용어 "폴리테트라플루오로에틸렌"은 PTFE로 약칭하며, 테플론(Teflon)이라는 상품명으로 DuPont 사에 의해 상용화되어 판매되고 있는 합성 불소화(플루오르화) 고분자이다. 탄소와 플루오린만으로 구성된 높은 분자량을 갖는 화합물이다. 소수성으로 물 또는 물을 포함하는 물질에 의해 젖지 않으며, 불소(플루오린)의 높은 전기음성도로 인해 감소된 런던 분산력(London dispersion force)을 나타낸다. 또한 PTFE는 낮은 마찰계수를 갖는 고체의 일종이다. 따라서, 비부착코팅재로 다양하게 활용되고 있다. 한편 강한 탄소-불소 결합으로 매우 반응성이 낮아서 반응성 및/또는 부식성 물질과 접촉하는 용기나 관에 사용된다. 또한 마찰력이 낮으므로 윤활제로도 사용된다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 불활성 기체인 아르곤과 수소를 포함하는 혼합기체를 반응기체로 사용하여 도 2 내지 3에 나타난 다양한 방전방법에 의해 튜브 내에서 마이크로플라즈마를 발생시킴으로 활성종 형태의 수소를 생성함으로써 반응성이 낮은 고도로 불소화된 튜브의 내부 표면에서 상기 높은 에너지를 갖는 활성화된 수소가 내부로 노출된 탄소-불소 결합을 탄소-수소 결합으로 치환함으로써 친수성을 부여하고 반응성을 갖도록 할 수 있음을 확인하였다(도 10, 11 및 21).
그러나 이와 같은 마이크로플라즈마 처리에 의해 개질된 표면은 별도의 처리를 하지 않는 한, 시간이 지남에 따라 다시 원래의 고분자 상태로 돌아오려는 특성이 있다. 이를 에이징이라 한다. 따라서 이러한 에이징을 방지하기 위하여, 튜브 내부 표면 상에 플라즈마를 이용하여 탄화수소 전구체 물질을 집적시켜 플라즈마 중합화된 박막층을 형성할 수 있다. 또한 상기 박막층은 추가적으로 도입될 바이오 활성층의 접착을 향상시킬 수 있다.
바람직하게 상기 마이크로플라즈마를 이용하여 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 이식용 고분자 튜브을 제공한다.
상기 고분자 튜브로는 생체적합성 고분자 재질의 튜브를 이용하므로 생체 내에 직접 이식될 수 있다. 또한 상기 제조방법에 의해 소수성의 내부 표면이 친수성으로 개질된 튜브는 상기 개질로 인해 혈관 평활근 세포의 부착능이 향상된 것이다. 따라서, 상기 고분자 튜브는 혈관 평활근 세포의 부착능이 향상되고 단백질이나 혈소판 등의 부착은 억제되도록 표면이 매끄러운 것인 고분자 튜브이므로, 인공혈관 등으로 제조되어 생체 내에 이식될 수 있다.
본 발명의 마이크로플라즈마를 이용하여 비반응성 튜브의 내부 표면을 차례로 1) 반응성을 갖도록 개질하고, 2) 탄화수소 박막층을 도입한 후, 3) 추가적으로 세포 부착성이 향상되도록 개질한 고분자 튜브는 상기 과정을 통해 개질된 내부 표면에 대한 평활근세포의 부착능이 증가되었으므로, 생체 내 이식 가능한 인공혈관 등으로 활용될 수 있다. 특히, 마이크로플라즈마 처리에 의한 제조방법을 이용하므로 수 mm의 좁은 내경을 갖는 튜브의 내부 표면도 균일하게 개질시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제조방법의 마이크로플라즈마를 이용한 각 단계의 반응에 의해 튜브 내부 표면 상에 형성되는 다양한 특성의 층을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 진공상태에서 튜브 내부에 마이크로플라즈마를 형성할 수 있는 다양한 형태의 공정장치를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 대기상태에서 튜브 내부에 마이크로플라즈마를 형성할 수 있는 다양한 형태의 공정장치를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4는 비처리 PTFE 및 수소 플라즈마 처리 튜브 내벽의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 5는 10분 동안 증착시킨 탄화수소 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 각각 (a) 20분 또는 (b) 30분 동안 증착시킨 탄화수소 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 7은 두께측정을 위하여 실리콘 웨이퍼 상에 10분 동안 증착시킨 탄화수소 박막의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 8은 산소 플라즈마 처리 시간에 따른 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 9는 동일한 시간(10분) 동안 산소 또는 질소로 개질시킨 표면의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 10은 반응기체 중 수소기체 비율의 변화에 따른 수소 플라즈마 처리 표면의 FTIR-ATR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 11은 수소 플라즈마 처리 시간에 따른 FTIR-ATR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 12는 산소 플라즈마 처리 시간에 따른 FTIR-ATR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 13은 질소 플라즈마 처리 시간에 따른 FTIR-ATR 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 14는 PTFE 튜브 내벽의 (a) XPS C1s 스펙트럼과 (b) 수소 플라즈마 처리 전후 표면 성분변화를 나타낸 도이다.
도 15는 수소 플라즈마 처리 전후 PTFE 튜브 내벽에 대한 XPS C1s 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 도이다. (a) 처리 전 및 (b) 처리 후.
도 16은 XPS로 분석한 탄화수소 박막의 C1s 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 17은 반응성 기체에 의해 표면개질된 탄화수소 박막의 조성비를 나타낸 도이다. (a)는 산소, (b)는 질소를 반응기체로 사용한 경우이다.
도 18은 산소 또는 질소를 이용한 표면개질 시간에 따른 XPS C1s 스펙트럼을 나타낸 도이다. (a) 내지 (c)는 차례로 산소로 10초, 30초 및 60초 동안 처리한 표면에 대한 것이고, (d) 내지 (f)는 차례로 질소로 3분, 5분 및 10분 동안 처리 표면에 대한 것이다.
도 19는 산소로 30초간 처리하여 개질시킨 표면의 깊이에 따른 XPS 측정에 의한 성분변화를 나타낸 도이다.
도 20은 산소로 30초간 처리하여 개질시킨 표면의 깊이에 따른 XPS C1s 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 21은 일련의 공정 조건에 따른 물 접촉 이미지를 나타낸 도이다.
도 22는 (a) 산소 및 (b) 질소로 표면을 개질한 튜브에서 공정 조건에 따른 물 접촉각 변화를 나타낸 도이다.
도 23은 세포질 염색을 통해 공정 조건에 따른 평활근 세포배양 정도를 나타낸 도이다.
도 24는 표면개질한 PTFE 튜브 내벽에 배양한 평활근 세포의 형태를 나타낸 광학현미경 이미지이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 마이크로플라즈마를 이용한 튜브 내부 표면개질
내부 표면을 개질하고자 하는 튜브로는 내부지름 4 mm, 외부지름 6 mm, 두께1 mm의 생체적합성 고분자인 PTFE 튜브를 사용하였다. 표면 개질 전 상기 튜브를 30 cm로 자르고 질소건(N2 gun)을 이용하여 잘린 면의 이물질을 제거하였다. 상기 PTFE 튜브를 마이크로플라즈마 시스템의 혼합챔버(mixing chamber)에 연결한 후, 로터리 방식의 진공펌프를 이용하여 튜브 내부를 진공상태로 만들었다. 한편 PTFE 튜브의 외부를 감쌀 수 있는 폭 1.5 cm의 구리전극을 제작하여 혼합챔버로부터 10 cm 떨어진 지점에 고정하였다. 상기 구리전극에는 교류전원을 연결하였고, 접지(ground)전극은 튜브와 혼합챔버가 연결되는 지점에 연결하였다.
PTFE 튜브 내부 표면개질을 위해 마이크로플라즈마를 이용하였고, 반응기체로는 수소(H2, 99.99%)와 아르곤(Ar, 99.99%) 기체를 이용하였다. MFC(mass flow controller)를 이용하여 수소와 아르곤 기체를 각각 50 sccm과 10 sccm의 비율로 혼합챔버에 주입하였고, 혼합기체가 PTFE 튜브의 내부로 흐르도록 하였다. 주파수 40 kHz, 최대 전압 2 kV인 교류전원을 플라즈마 발생기(plasma generator)로 사용하였고, 10분간 70 W로 PTFE 튜브 내부 표면의 플라즈마 처리 공정을 수행하였다. 플라즈마 처리 공정은 튜브 내부의 압력을 430 mTorr로 유지하였고, 이때 주파수는 40 kHz, 전압은 1.2 kV였다. 상기 플라즈마 처리 공정을 통해 PTFE 튜브 내부 표면 상의 불소 일부를 수소로 치환하였다.
실시예 2: 플라즈마 중합화에 의한 박막층 도입
표면처리 후 나노 유기박막 형성을 위해 아세틸렌 기체 (C2H2, 99.99%)를 사용하였고, 원활한 방전 유도를 위해 아르곤 기체 20 sccm을 혼합챔버에 주입하였다. 로터리 펌프(rotary pump)를 이용하여 튜브의 진공을 유지하였고 아세틸렌과 아르곤 기체가 주입된 튜브 내부의 압력은 220 mTorr로 유지하였다. 나노 유기박막 형성에서 사용된 마이크로플라즈마 방전전력은 80 W, 주파수와 전압은 각각 40 kHz, 1.3 kV이며 박막 증착 시간은 10분이었다. 마이크로플라즈마 내에서 발생하는 증착 과정은 라디칼에 의한 플라즈마 중합 반응으로 비정질 탄화수소 박막을 형성하였다.
실시예 3: 마이크로플라즈마를 이용한 세포 부착성 향상 및 친수성화
나노 유기박막, 즉 비정질 탄화수소 박막이 증착된 표면에 반응성 기체를 이용하여 바이오활성을 갖는 표면개질 공정을 실시하였다. 바이오활성을 갖는 표면개질 공정을 수행하기 위해 각각 산소(O2, 99.99%)와 질소(N2, 99.99%) 기체를 사용하였다. 산소를 이용한 표면개질의 경우 MFC를 이용하여 산소와 아르곤을 각각 20 sccm씩 혼합챔버로 유입하였고, 이때 튜브 내부의 압력은 250 mTorr로 유지하였다. 질소를 이용한 표면개질 역시 MFC를 이용하여 질소와 아르곤을 각각 20 sccm으로 혼합챔버에 주입하고 260 mTorr로 유지하였다. 산소와 질소를 이용한 표면개질은 플라즈마 전력 80 W, 주파수 40 kHz, 그리고 전압 80 W 조건에서 진행되었다. 산소 처리시에는 반응시간이 길어지면 박막의 식각을 유발하므로 비교적 짧은 시간인 10, 30 ,60초로 진행하였으며, 질소는 박막 식각 문제가 적으므로 3, 5, 10분간 진행하였다. 상기 실시예 1 내지 3의 과정을 통해 생성된 튜브의 단면을 도 1에 개략적으로 나타내었다.
실험예 1: 평활근세포 ( smooth muscle cells ) 배양 및 부착 실험
랫트의 혈관 평활근세포(rat vascular smooth muscle cell)를 글루코스 4500 mg/l를 포함하는 하이글루코스 DMEM (high glucose dulbecco's modified eagle's medium, Wel GENE INC.) 배지에 FBS(fetal bovine serum) 10%를 첨가하여 FBS의 농도가 20%로 조절된 세포 배양배지(culture medium)에 배양하였다. 상기 배양배지는 오염 및 변질을 막기 위해 1% 페니실린/스트렙토마이신(penicillin / streptomycin, Wel GENE Inc.)를 포함하였다. 세포는 37℃, 5% CO2 상태로 유지된 세포배양기에서 배양하였다. 배양접시 바닥에 부착하여 배양되는 세포를 2 내지 3일 간격으로 1X PBS(phosphate buffered saline; 8% NaCl, 0.2 g KCl, 1.14 g Na2HPO4, 0.2 g KH2PO4 /L)로 세척한 후, 1X 트립신/에틸렌다이아민테트라아세트산(trypsin/EDTA, Wel GENE Inc.) 2 ml을 처리하여 배양접시에 부착되어 있는 세포를 박리하였다. 현미경으로 세포가 박리된 것을 확인하고 배양액 10 ml을 100 mm 배양접시에 첨가하여 반응을 중단시키고 회수하여 원심 분리기에 넣어 3000 rpm에서 3분 동안 회전시켜 세포만을 회수하였다. 상기 회수한 세포를 새로운 배양접시에 적절한 세포농도로 재분주하여 배양을 계속하거나, 회수한 세포를 이용하여 이후 실험을 진행하였다.
본 발명에 따른 표면이 개질된 PTFE 튜브에서 혈관 평활근세포의 부착능을 확인하기 위하여 상기 실시예 1 내지 3을 통해 친수성으로 개질한 후 탄화수소 박막을 증착시키고 산소 또는 질소로 표면을 개질한 PTFE 튜브를 반으로 잘라 양쪽을 막고 평활근 세포를 피펫을 이용하여 튜브 내부에 고루 분주하였다. 24 시간이 지난 후 배양액을 제거하고 1X PBS로 세척하여 튜브 표면에 부착되지 않은 세포들을 제거한 뒤 에오신 B(eosin B)로 세포질을 염색하여 튜브 내부 표면의 색 변화를 관찰하였다. 또한, 세포질 염색하지 않은 시료들은 광학 현미경을 이용하여 PTFE 내벽에 흡착된 세포를 직접 관찰하였다.
실험예 2: 필드방사 주사전자현미경( field emission scanning electron microscope; FE - SEM )
각 공정에 따른 내부표면의 형상 변화와 증착된 유기박막의 두께를 확인하기 위하여 FE-SEM을 이용하였다. 이로부터 공정과정에 따른 내부 표면의 형상 변화를 확인하였고, 튜브 내부에 실리콘 웨이퍼를 삽입하고 그 위에 형성된 탄화수소 박막의 두께를 측정함으로써 PTFE 튜브 내부에 형성된 박막의 두께를 측정하였다. 사용된 장비는 JSM-7001F이며 가속전압은 0.2 내지 30 kV, 분해능은 1 kV 적용시 3 nm, 30 kV 적용시 1.2 nm이고, 배율은 10배 내지 백만 배까지 확대 가능하였다.
도 4에 비처리 PTFE 및 수소 플라즈마 처리 튜브 내벽의 SEM 이미지를 나타내었다. PTFE에 수소 플라즈마 처리 공정을 수행한 결과, PTFE 튜브 내부의 기본 구조를 유지한 상태에서 표면의 평탄화가 진행된 것을 확인하였다.
도 5에는 아세틸렌 기체를 이용하여 10분 동안 비정질 탄화수소 박막을 증착시킨 표면의 SEM 이미지를 나타내었다. PTFE 내부 표면 상에 플라즈마 중합에 의해 균일한 박막이 증착되었음을 확인하였다. 또한 박막증착 시간에 따라 형성되는 박막층의 균일도가 변화하는지 확인하고 최적의 박막 두께를 찾기 위하여 박막증착 시간을 변화시키면서 가장 균일하게 박막이 증착되는 조건을 확인하였다. 도 6(a)에 20 및 도 6(b)에 30분 동안 증착시킨 비정질 탄화수소 박막의 SEM 이미지를 나타내었다. 그 결과, 10분 이상 증착시키는 경우 형성되는 박막의 표면이 균일하지 못하며 균열이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서, 최적의 증착시간을 10분으로 설정하고 이때 형성된 탄화수소 박막의 두께를 결정하기 위하여 PTFE 튜브 내부에 실리콘 웨이퍼를 잘라 넣고 동일한 조건으로 증착을 수행하고, SEM으로 박막의 두께를 측정하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, 측정된 박막의 두께는 221.6 nm이고, 알파 스텝으로 확인한 결과는 233.3 nm였다. 상기 두 결과값으로부터 PTFE 튜브 내부 표면에 증착된 박막의 두께를 예상할 수 있었으며, 추후 XPS depth profile 측정법을 이용하여 실제 증착 두께를 확인하였다.
도 8에는 산소 플라즈마로 개질한 표면의 SEM 이미지를 나타내었다. 산소를 이용한 표면개질 공정은 식각으로 진행될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 비교적 짧은 시간 단위인 30 내지 60초로 수행하였을 때, 표면의 성분결합이 변형되고 식각의 영향은 최소화 함으로써 미리 증착시킨 탄화수소 박막층을 유지할 수 있음을 확인하였다.
한편 도 9에는 동일한 시간(10분) 동안 각각 산소 및 질소 플라즈마를 이용하여 표면개질 공정을 수행한 PTFE 튜브 내벽의 SEM 이미지를 나타내었다. 그 결과, 질소를 이용한 공정은 미리 증착시킨 박막표면을 유지하고 있었으나, 산소를 이용한 경우 증가된 처리시간으로 인해 식각이 진행되어 일부 박막이 손상됨으로써 불균일한 표면을 제공하는 것을 확인하였다. 이는 산소 플라즈마를 이용하여 표면개질 공정을 수행하는 경우 10분 이내의 짧은 시간에 공정을 완료해야 함을 시사한다.
실험예 3: 푸리에 변환 적외선 분광법( Fourier transform infra - red spectroscopy; FT - IR )
각 공정에 따른 개질 후 PTFE 튜브 내부 표면의 화학적 결합 상태를 확인하기 위하여 FT-IR을 사용하였다. PTFE 튜브 내벽 측정에 사용된 장비는 Bruker vertex 70이며, 감쇠전반사(attenuated total reflection)를 이용하여 반사되는 값으로부터 흡수 스펙트럽을 측정하였다. 분석 영역은 4000 내지 400 cm-1이고, 광분할기(beam splitter)로는 KBr 재질의 것을 사용하였다. 데이터 분석은 OPUS 프로그램을 사용하였다.
먼저, 수소 플라즈마 처리한 PTFE 튜브의 스펙트럼을 측정하여 화학적 조성을 확인하였다. 반응기체로 사용한 아르곤과 수소의 혼합기체에서 두 가지 기체의 비율을 변화시키면서 스펙트럼을 측정하고 이를 중첩하여 도 10에 나타내었다. 플라즈마 처리 시간은 10분, 아르곤 기체의 양은 10 sccm으로 동일하게 유지하면서 수소 기체의 양을 10에서 50 sccm까지 10 sccm 간격으로 변화시키면서 각 농도에서 표면의 CH2 성분 변화를 확인하였다. 50 sccm을 초과하는 경우는 방전 발생이 불가능하여 최대 50 sccm까지만 수행하였다. 도 10의 FT-IR 스펙트럼을 분석한 결과, 1143 cm-1 및 1200 cm-1에서의 피크는 PTFE의 CF2 신장(stretching), 1575 cm-1 및 1725 cm-1에서의 피크는 C=C와 C=O 결합, 2850 cm-1에서의 피크는 CH2의 대칭(symmetric) 신장 및 2920 cm-1에서의 피크는 CH2의 비대칭(asymmetric) 신장에 해당하는 것으로, 특히 2850 cm- 1와 2920 cm-1의 CH2 결합의 생성과 값의 변화로부터 50 sccm 조건이 가장 효과적인 수소 치환 조건임을 확인하였다.
다음으로 처리 시간에 대한 효과를 확인하기 위하여 아르곤과 수소기체의 비율을 1:5로 유지하면서 시간에 따른 조성 변화도를 확인하였다. 플라즈마 처리시간을 5분에서 30분까지 5분 간격으로 증가시키면서 각각에 대해 FT-IR 스펙트럼을 기록하여 도 11에 나타내었다. 그 결과, 플라즈마 처리시간이 10분 이상 진행되어도 표면에서 추가적인 조성변화는 관찰되지 않았다. 이로부터 탈불소화(defluorination) 또는 수소화(hydrogenation)에 요구되는 플라즈마 처리시간은 10분이 최적임을 확인하였다. 따라서, 아르곤과 수소를 1:5로 혼합한 반응기체를 이용하여 10분간 플라즈마 처리한 PTFE 튜브를 이후 추가적인 표면 개질실험에 이용하였다.
상기 수소 플라즈마 처리한 PTFE 튜브에 아르곤과 아세틸렌 기체를 1:2(10 sccm:20 sccm)의 비율로 주입하여 플라즈마 증착에 의해 탄화수소 박막을 증착시키고, 이어서 산소(Ar:O2=20 sccm:20 sccm) 또는 질소(20 sccm) 플라즈마 처리하여 표면을 개질시킨 박막표면의 화학적 결합 변화를 확인하였다.
도 12 및 13에는 각각 산소 및 질소 플라즈마 처리시간에 따른 탄화수소 박막 표면의 FT-IR 스펙트럼을 나타내었다. 산소 플라즈마를 이용하여 표면개질한 경우, C=C 및 C=O 결합에 해당하는 1575 cm-1 및 1725 cm-1에서의 피크가 증가하는 반면, CH2의 대칭 및 비대칭 모드 결합에 해당하는 2850 cm-1 및 2920 cm-1에서의 피크가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 탄화수소 박막표면에 존재하던 수소 대신 산소원자가 결합하였음을 시사한다. 한편, 질소 플라즈마를 이용하여 표면개질한 경우, 처리시간이 증가함에 따라 C=C 및 C=O 결합에 해당하는 1575 cm-1 및 1725 cm-1에서의 피크와 C=N-H 결합에 해당하는 3300 cm-1 내지 3400 cm-1 영역에서의 피크가 증가하는 경향을 나타내었다. 반면, 상기 산소 플라즈마로 처리한 경우와 마찬가지로 CH2의 대칭 및 비대칭 모드 결합에 해당하는 2850 cm-1 및 2920 cm-1에서의 피크가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 이는 탄화수소 박막표면에 존재하던 수소 대신 질소원자가 결합하였음을 시사한다. 구체적인 화학성분의 정량분석은 XPS 측정으로 수행하였다.
실험예 4: X-선 광전자 분광법(X- ray photoelectron spectroscopy ; XPS )
상기 실험예 3에서 실시한 FT-IR 분석으로는 박막의 결합상태를 측정할 수 있으나 정량적인 분석은 어렵다. 한편 XPS 측정은 박막표면의 화학적 조성을 정량화할 수 있는 강력한 수단이다. 본 발명에서는 일반적인 XPS 측정법과 depth profile 측정법을 사용하여 박막표면의 조성과 깊이에 대한 정보를 획득하였다.
XPS를 이용하여 플라즈마 처리, 나노 유기박막 형성, 친수성 표면개질 공정에 대한 PTFE 튜브 내부 표면의 조성 변화를 확인하였다. XPS는 X-선 광원으로 monochromatic Al-Kα(15 kV, large spot size: 800 μm, small spot size: 10 μm)를 구비한 PHI 5000 versaprobe II 모델을 사용하였다. 표면전하축적(surface charge up)에 의해 발생하는 오류를 보정하기 위하여 C1s 스펙트럼에 C-H 피크를 284.5 eV로 보정하였다. 측정결과는 Shirley 법을 이용하여 바탕신호 표준화하였고, 데이터 피팅은 시그마플롯 프로그램의 피크피트 4.0(peakfit 4.0, Sigmaplot)과 오리진 8.1(Origin lab) 소프트웨어를 사용하였다.
XPS 전체 스캔을 이용하여 확인한 각 공정에 따른 성분함량을 표 1에 나타내었다.
Figure 112013020238058-pat00001
상기 표 1에 나타난 바, 수소 플라즈마 처리 이후 불소의 함량이 감소하고 박막이 증착되면 불소 성분이 증착된 박막에 의해 사라진 것을 확인할 수 있고 산소와 질소를 이용한 표면개질 공정을 통한 박막 표면 상의 산소 또는 질소 결합의 생성도 확인하였다.
도 14에는 XPS 측정을 통해 결정한 PTFE 및 수소 플라즈마 처리에 의한 표면 성분변화를 나타내었다. 상기 FT-IR에서와 마찬가지로, 플라즈마 처리 후 PTFE로부터 일부 탈불소화가 발생하고 표면의 수소성분이 증가함을 확인하였다. 이를 자세히 확인하기 위하여 C1s 스펙트럼을 분석하고 그 결과를 도 15에 나타내었다. CF2 (291.4 eV), CH2 (283.5 eV), C-C, C-H (284.5 eV), C-C-H (285.5 eV), C-O (286.6 eV)에서 전체적인 샘플에 대한 분석을, CHF (290 eV)에서 성분 분석을 진행하였다. 수소 플라즈마 처리 후 불소와 결합한 탄소의 성분이 감소하며 수소와 결합한 탄소의 성분이 생성되며 증가하는 것을 확인하였다.
상기 수소 플라즈마 처리로 표면을 개질한 튜브에 아세틸렌 기체를 이용하여 플라즈마 중합된 비정질 탄화수소 박막을 도입한 후, CH2 (283.5 eV), C-C, C-H (284.5 eV), C-C-H (285.5 eV) 성분에 대하여 상기 탄화수소 박막표면에 대한 XPS 분석을 수행하였다. 그 결과는, 도 16에 나타난 바와 같이, 탄화수소 박막의 증착으로 PTFE의 불소성분이 더 이상 검출되지 않고 단순 탄화수소 성분만이 검출되었다. 또한 박막의 대부분은 CH2 결합 상태인 것을 확인하였다.
상기 아세틸렌 기체의 플라즈마 중합에 의해 도입한 탄화수소 표면을 산소 또는 질소 플라즈마를 이용하여 개질한 후 그 표면 변화를 XPS로 분석하였다. 결과로 도출한 표면개질된 탄화수소 박막의 조성비를 도 17에 나타내었다. 구체적으로 도 17(a)에는 산소 플라즈마를 처리한 시료의 조성을, 도 17(b)에는 질소 플라즈마를 처리한 시료의 조성을 나타내었다. 이로부터 C1s 비율의 감소를 확인하였으며, 박막표면에 산소 또는 질소가 각각 결합하고 있음을 확인하였다.
반응성 기체에 의한 표면개질 공정시간에 따른 차이를 확인하기 위하여 C1s 스펙트럼을 기록하고 이를 도 18에 나타내었다. 산소로 표면개질한 경우는 CH2 (283.5 eV), C-C, C-H (284.5 eV), C-C-H (285.5 eV), C=O (286.8 eV) 및 O-C=O (288.1 eV) 성분 분석을 진행하였고, 질소로 표면개질한 경우는 CH2 (283.5 eV), C-C, C-H (284.5 eV), C-C-H (285.5 eV), C=O (286.8 eV) 및 O=C-N (288.1 eV) 성분 분석을 진행하였다. 산소에 의한 박막 표면개질의 진행에 따라 C-C 성분이 증가하며 산소결합이 생성되는 것을 확인하였다. 한편, C-C 성분의 증가경향은 탄화수소 박막이 산소 플라즈마에 의해 일부 식각됨을 시사한다.
산소 및 질소 표면개질 공정시간에 따른 C1s 스펙트럼의 조성비를 각각 표 2 및 3에 요약하였다.
Figure 112013020238058-pat00002
Figure 112013020238058-pat00003
산소 표면개질의 경우 C=O 성분의 증가를 통해 박막 표면이 친수성을 나타냄을 확인하였다. 한편, C-C 및 C-H 성분의 증가는 산소 플라즈마에 의해 CH2로 이루어진 박막이 식각되었음을 시사한다. 질소에 의한 박막 표면개질 공정으로부터 질소결합이 생성되는 것을 확인하였으며, C-C 및 C-H 성분의 변화가 적은 것은 질소 표면개질 공정은 박막 표면의 화학적 결합만 변화시킬 뿐 식각과 같은 현상은 발생하지 않음을 시사한다. 질소 표면개질의 경우 산소의 결합이 존재하지만 소수성을 갖는 탄화수소 계열이 산소 처리에 비해 높게 유지되기 때문에 친수성 정도는 산소보다 낮을 것으로 유추하였다.
산소로 표면개질된 박막의 깊이에 따른 화학조성을 분석하기 위해 XPS depth profile 방법을 이용하였다. 10분 (50 cycle) 동안 Ar 이온건 (3 kV)을 이용하여 박막 표면을 스퍼터링(sputtering)하여 깊이에 따른 조성 분포를 확인하였다. 3 kV인 경우, 1 cycle 당 약 30 nm씩 박막의 스퍼터링이 진행되었다. 스퍼터링 시간에 따른 각 성분의 변화를 측정하여 도 19에 나타내었다. 상기 측정은 산소로 30초간 표면개질을 수행한 시료에 대하여 실시하였다.
XPS depth profile의 깊이에 따른 조성비로부터 1 cycle만에 산소 성분이 감소하였으며, 이 결과를 토대로 표면부터 30 nm 깊이까지 산소가 결합되어 있고, 박막표면에 결합된 산소 성분이 친수성을 나타냄을 확인하였다. 또한, 약 8분 (40 cycle) 후부터 불소 성분이 검출되었다. 앞서 언급한 바와 같이 1 cycle 당 30 nm씩 박막이 스퍼터링 되므로 40 cycle의 경우 그 깊이가 약 240 nm에 해당하며, 이로부터 PTFE 튜브 내부 표면에 실제로 증착된 비정질 탄화수소 박막의 두께가 약 240 nm임을 확인하였다. 이것은 SEM과 알파스텝으로 실리콘 웨이퍼에 증착된 비정질 탄화수소 박막의 두께를 측정한 값과 유사한 수준이다.
XPS depth profile의 C1s 스펙트럼에 대한 waterfall 그래프를 도 20에 나타내었다. 3 kV Ar 이온건으로 10분 (50 cycle) 동안 진행한 결과, C1s 스펙트럼에서 비정질 탄화수소 박막성분 중 가장 많이 존재하는 CH2 성분이 스퍼터링이 진행됨에 따라 점차 감소하고, 수소에 의해 일부 불소 성분이 치환된 CHF 성분이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. CHF 성분이 검출되는 부분은 수소 플라즈마 처리에 의해 수소로 치환된 PTFE 튜브의 표면인 것을 알 수 있다. 이와 같은 변화는 도 14에 나타난 바와 같이 박막과 튜브 사이 일부 표면에 불소가 수소로 치환되며 나타나는 수소 표면처리 층을 의미한다.
실험예 5: 물 접촉각 ( water contact angle ; WCA ) 측정
상기 실시예에 의해 제작된 표면의 표면에너지 변화에 대해 친수성/소수성을 물 접촉각을 측정하여 확인하였다. 편평하지 않은 내경이 작은 튜브의 내부 표면을 테스트하는 것이므로 정확한 각도 측정은 어려우나, 상대적인 값의 변화를 통해 표면 에너지를 확인하였다. 기판 위에 앉은 방울 방법(sessile drop method)을 이용하여 기판 표면 위에 탈이온수(deionized water)를 3 μl 떨어뜨린 후, CCD 카메라를 이용하여 물방울의 접촉각을 측정하였다. 획득한 영상과 이로부터 결정된 물 접촉각을 각각 도 21 및 22에 나타내었다.
산소 표면개질에 관한 물 접촉각 변화 결과는 XPS 조성비와 연관 지을 수 있으며, XPS의 조성비를 보면 산소 표면개질 시간이 증가함에 따라 산소의 비율이 증가하였고, 물 접촉각이 감소하는 경향을 나타내었다. 이것은 박막 표면에 산소 결합이 많을수록 친수성을 나타냄을 의미한다. 또한, 질소 표면개질의 경우 약 10%의 산소를 포함하고 있지만, 질소의 비율이 증가하여도 친수성 효과에 큰 영향을 주지 않는 것을 확인하였다. 따라서 박막 표면에 포함되어 있는 산소의 비율에 따라 물 접촉각의 변화가 발생함을 확인하였다.
실험예 6: 광학현미경법과 세포염색
친수성으로 개질한 튜브 내부 표면에서의 세포 배양을 확인하기 위하여 광학현미경으로 관찰하고 세포질 염색을 통하여 육안으로 확인하였다. 상기 표면 상에 배양된 세포를 광학현미경(GX41, 배율 ×10, Olympus)으로 관찰하여 내부 표면 상에 평활근의 흡착 여부를 확인하였다. 또한 세포 부착여부를 용이하게 육안으로 확인하기 위하여 에오신 B(eosin B, Sigma Aldrich)으로 세포질을 염색하였다.
각 표면개질 공정에 따라 제조된 튜브에 세포를 분주하고 인큐베이터에서 24시간 동안 배양하였다. 실제 세포의 흡착정도를 육안으로 확인하기 위하여 에오신 B로 세포질을 염색한 뒤, PTFE 튜브 내벽의 색 변화를 관찰하고 카메라로 찍어 도 23에 나타내었다. 사진상으로 튜브 내부가 붉은 색으로 변한 것이 세포 흡착이 일어난 것이다. 특히 산소를 처리한 튜브에서 강한 붉은 색(특히, 30초 및 60초)이 나타났으며, 질소를 처리한 튜브도 다소간의 붉은 색을 띠는 것(5분 및 10분)을 확인하였다. 이로부터, 평활근 세포 흡착능을 향상시키기 위해서는 PTFE 튜브 내벽에 산소함량 및 친수성 정도를 증가시키는 것이 바람직함을 확인하였다.
상기 붉은 색으로 염색된 튜브 내벽에 실제로 세포가 흡착되었는지 확인하기 위하여 광학현미경으로 흡착된 세포의 형태를 확인하였으며, 그 결과는 도 24에 나타내었다. 에오신 B를 이용한 세포질 염색을 통해 튜브 내벽이 붉은 색으로 변한 것이 확인된 산소 또는 질소로 처리한 튜브들에 대하여 광학현미경 사진을 도시하였다. 도 24에 나타난 바와 같이, 산소를 처리한 튜브 내벽에는 다수의 평활근 세포가 흡착되어 있는 것을 확인하였으며, 질소를 처리한 튜브에서도 일부 평활근 세포가 부착되어 있는 것을 확인하였다. 상기 현미경사진으로 확인한 바, 산소 플라즈마로 60초간 처리한 튜브에 대한 평활근 세포의 부착능이 가장 높은 것으로 확인되었다. 이는 본 발명에 따른 내부 표면이 친수성으로 개질된 튜브는 평활근 세포의 흡착이 향상되었으므로, 혈관벽 내피세포를 부착배양할 수 있으므로 인공혈관을 모사할 수 있으며, 다양한 분양에 응용될 수 있음을 시사한다.

Claims (21)

  1. 내부지름이 4 mm 이하인 고분자 튜브의 내부 표면 전체가 플라즈마로 개질된 고분자 튜브의 제조방법으로서,
    고분자 튜브의 일부에 전극을 설치하고, 튜브 내부를 진공상태로 만드는 제1단계; 및
    진공상태의 튜브 내부에 반응기체를 흐르게 하면서, 상기 전극이 설치된 부분에 대응되는 튜브 내부 지점을 포함하여 튜브의 내부 전체에 플라즈마를 발생시키는 제2단계
    를 포함하는 것이 특징인, 내부 표면 전체가 플라즈마로 개질된 고분자 튜브의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마를 이용한 개질은 반응 조건을 변화시킴으로써 튜브의 내부 표면의 친수성 및 소수성 정도를 조절할 수 있는 것인 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    플라즈마를 이용하여 튜브 내부 표면의 세포 부착성이 향상되도록 표면을 개질시키는 것인 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화에틸렌프로필렌 공중합체(fluorinated ethylene propylene copolymer; FEP), 에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체(ethylene tetrafluoroethylene copolymer)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌(ethylene chlorotrifluoroethylene; ETFE), 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy; PEA) 및 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinyliden fluoride; PVDF)로 구성된 군으로부터 선택되는 재질의 초소수성의 불소탄화수소계 고분자 튜브, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리(2-히드록시에틸메타크릴레이트)(Poly(2-hydroxyethyl methacrylate); PHEMA), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP), 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol; PEG a.k.a 폴리에틸렌산화물; polyethylene oxide; PEO 또는 폴리옥시에틸렌; polyoxyethylene; POE), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol; PVOH, PVA 또는 PVAl), 폴리프로필렌(Polypropylene; PP) 및 폴리우레탄(Polyurethane; PU)으로 구성된 군으로부터 선택되는 재질의 생체적합성 고분자 인 것인 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 개질은 반응기체로 수소와 아르곤 혼합기체를 이용하여 수행하는 것인 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 혼합기체는 아르곤과 수소 기체를 1:3 내지 1:7의 비율로 포함하는 것인 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 개질은 불소탄화수소계 고분자의 불소-탄소결합을 수소-탄소결합으로 치환하는 것인 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    튜브의 개질된 내부 표면을 플라즈마를 이용하여 반응성을 갖도록 개질시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    제2단계 이후, 튜브 내부 표면의 노화(aging) 방지 또는 접착을 위한 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 박막층을 형성하는 단계는 플라즈마를 이용하여 탄화수소 전구체 물질을 집적시켜 플라즈마 중합화된 박막층을 형성하는 것인 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 박막층은 폴리아세틸렌 필름층인 것인 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리아세틸렌 필름층은 아세틸렌과 아르곤 혼합기체를 이용한 플라즈마 중합화(plasma polymerization)에 의해 형성된 것인 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 폴리아세틸렌 필름층의 두께는 50 nm 내지 250 nm인 것인 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    튜브 내부 표면에 형성된 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 단계를 추가로 포함하는 것인 제조방법.
  15. 제8항 또는 제14항에 있어서,
    상기 표면을 개질시키는 단계는 반응기체로 산소와 아르곤, 또는 질소와 아르곤의 혼합기체를 이용하여 수행되는 것인 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 표면을 개질시키는 단계는 반응기체로 산소를 이용하는 경우 20 내지 80초 동안, 질소를 이용하는 경우 4 내지 8분 동안 수행되는 것인 제조방법.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마는 대기압 방전에 의해 형성되는 것인 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 튜브의 내벽은 세포 부착성이 향상된 것인 제조방법.
  19. 내부지름이 4mm 이하인 고분자 튜브의 일부에 전극을 설치하고, 튜브 내부를 진공상태로 만드는 제1단계;
    진공상태의 튜브 내부에 반응기체를 흐르게 하면서, 상기 전극이 설치된 부분에 대응되는 튜브 내부 지점을 포함하여 튜브의 내부 전체에 플라즈마를 발생시켜, 상기 튜브 내부 표면 전체가 반응성을 갖도록 개질시키는 제2단계;
    상기 개질된 표면에 노화(aging)방지 또는 접착을 위한 박막층을 형성하는 제3단계; 및
    플라즈마를 이용하여 상기 박막층의 표면을 세포 부착성이 향상되도록 개질시키는 제4단계를 포함하는 튜브의 제조방법.
  20. 제1항 또는 제19항에 기재된 제조방법에 의해 제조되고, 내부지름이 4mm 이하인 고분자 튜브의 내부 표면 전체가 플라즈마로 개질된 이식용 튜브.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 튜브의 내벽은 혈관 평활근 세포의 부착능이 향상된 것인 이식용 튜브.
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