KR101573571B1 - 방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 하이드로겔이 음전하(-)를 띄도록 하고, 하이드로겔의 내부물질은 양전하(+)를 띄도록 하여 강한 정전기적 인력에 의해 내부물질이 서서히 방출됨으로써 방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기와 같은 본 발명에 의하면, 종래 내부물질의 방출량 조절이 하이드로겔의 공극에 의해서만 조절 가능하던 문제점을 개선하여 정전기적 인력에 의해 좀 더 효과적으로 내부물질 방출속도를 조절할 수 있을 것이다.

Description

방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법{Controlled Release Hydrogel and the manufacturing method thereof}

본 발명은 방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 하이드로겔이 음전하(-)를 띄도록 하고, 하이드로겔의 내부물질은 양전하(+)를 띄도록 하여 강한 정전기적 인력에 의해 내부물질이 서서히 방출됨으로써 방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

세균 및 곰팡이 등은 음식물과 같은 유기물에 효소를 분비하여 유기물을 분해함으로써 악취를 내는 저분자량의 화합물을 생성한다. 또한, 세균 및 곰팡이는 건물의 벽이나 물체의 표면에 습기가 차고 물이 스며들면 쉽게 번식하여 인체에 유해한 물질을 분비하게 된다. 따라서 이와 같은 악취와 유해한 물질을 발생시키는 세균 및 곰팡이의 제거를 위하여 항균제를 사용하는데, 현재 이러한 항균제는 가습기, 에어컨 필터, 탈취제 등 다양한 제품에 적용하여 사용되고 있다.

그러나 최근 항균제의 오남용으로 인해 항균제 내성균이 발생하고, 폐와 안구 손상 등의 문제가 발생하여, 오히려 인체의 건강을 해할 수 있게 되었다. 또한, 항균제의 오남용으로 영/유아 사망 등의 인명피해까지 발생하고 있는 실정이다.

이와 같은 항균제의 오남용으로 인한 폐해는 항균제 자체의 독성에 의해 야기되기도 하지만, 항균제의 방출량 조절의 실패에 기인하는 경우가 많다. 즉, 일정 농도 이상의 항균제가 급격히 방출되면 항균제가 독성을 나타내어 다양한 부작용을 야기하는 것이다.

한편, 하이드로겔은 많은 양의 수분을 포함할 수 있고, 3차원의 구조를 갖는 고분자 구조체로, 보통 강도가 유연하며 수분 함유량이 높아 일반 방향필터, 항균필터, 방충제 뿐 아니라 의학, 약학 분야에서도 널리 사용되고 있는 물질이다. 건조시켜 부피가 줄어든 하이드로겔을 물상에 넣으면 다시 수분을 흡수하여 팽윤되는 성질도 가지고 있다. 또한 3차원 망상구조로서 다공성 하이드로겔로 사용이 가능한데, 다공성 하이드로겔로서 공극의 크기나 물리적 성질을 이용하면, 수분과 함께 함유된 내부의 물질을 서서히 방출시킬 수 있는 성질도 갖는다. 뿐만 아니라 사용하는 단량체, 가교제의 종류나 공정에 따라 다양한 특징을 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있다.

종래의 하이드로겔은 상기와 같은 특징을 이용하여 단량체와 가교제의 가교결합에 의해 만들어진 공극에 약물이나 단백질, 항균제를 함유하는 형태로 만들어져 주로 공극의 크기에 따른 방출량을 조절하는 효과를 발휘하는 것이 대부분이었다.

그러나, 본 발명자들은 공극의 크기 뿐만 아니라 항균제와 하이드로겔의 물리적 특성까지 결합하면 하이드로겔을 이용하여 항균제의 방출량을 보다 효과적으로 조절할 수 있을 것이라는 가정 하에 실험을 수행하여 본 발명을 완성하게 되었다.

1. 대한민국 등록특허 제10-03432930000호 2. 대한민국 등록특허 제10-00892990000호 3. 대한민국 등록특허 제10-00731600000호

본 발명의 목적은 음전하(-)를 띄는 아크릴산(Acrylic acid)과 MBA(methylenebisacrylamide)의 광중합 반응물을 포함하고, 내부에 양전하(+)를 띄는 물질을 포함하는 서방성 하이드로겔을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 아크릴산(Acrylic acid), MBA(methylenebisacrylamide), 내부물질, 광개시제를 증류수에 용해하여 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액에 광원을 조사하여 광중합 반응을 유도하는 단계;를 포함하여 구성되는 서방성 하이드로겔 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 음전하(-)를 띄는 아크릴산(Acrylic acid)와 MBA(methylenebisacrylamide)의 광중합 반응물을 포함하고, 내부에 양전하(+)를 띄는 물질을 포함하는 서방성 하이드로겔을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 하이드로겔은 용매 1 중량부 대비 상기 아크릴산을 0.1 내지 1 중량부 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광중합 반응은 자외선 조사에 의한 광중합 반응인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 있어서 상기 내부물질은 양전하를 띄는 항균제, 화합물, 단백질 또는 세포인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 아크릴산(Acrylic acid), MBA(methylenebisacrylamide), 내부물질, 광개시제를 증류수에 용해하여 고분자 용액을 제조하는 단계; 상기 고분자 용액에 광원을 조사하여 광중합 반응을 유도하는 단계;를 포함하여 구성되는 서방성 하이드로겔 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 내부물질은 DDAC(Didecyldimethylammonium chloride) 또는 젠타마이신(gentamycine)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광개시제는 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-Hydroxy-2-methylpropiophenone)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광원은 자외선인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 종래 내부물질의 방출량 조절이 하이드로겔의 공극에 의해서만 조절 가능하던 문제점을 개선하여 정전기적 인력에 의해 좀 더 서서히 내부물질이 방출 가능할 것이다. 또한, 광중합 기술에 의하여 제조공정이 단순화되고, 단량체의 농도에 따라 다양한 공극의 크기 조절이 가능하여 항균제, 화합물, 단백질, 세포 등 다양한 내부물질로 포함하는 서방성 하이드로겔로 활용이 가능할 것이다.

따라서 본 발명은 다양한 생활용품 및 의약품에 적용 가능하여 생활환경 개선 및 건강증진에 일조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 하이드로겔로 항균제가 방출되는 것을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 자외선 조사에 의해 본 발명에 따른 아크릴산과 MBA 혼합 용액이 겔 상태로 변화되는 것을 도시한 것이다.
도 3은 단량체인 아크릴산의 농도에 따른 하이드로겔의 물성 변화를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명인 하이드로겔이 건조된 상태 및 수분을 흡수한 상태를 도시한 것이다.
도 5는 단량체인 아크릴산의 농도 및 시간에 따른 내부물질의 방출량 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 서방성 하이드로겔이 내부물질(항균제)을 방출하여 항균력을 나타내는 것을 도시한 것이다.

본 발명의 목적은 방출량 조절이 개선된 서방성 하이드로겔 및 이의 제조방법을 제공하는 것으로, 특히 방출량 조절이 개선된 자외선 가교형 하이드로겔을 제공하여 내부물질의 함유 지속시간이 연장된 서방성 하이드로겔을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이드로겔 외부로 항균제가 방출되는 것을 개략적으로 도시한 도면으로서 아크릴산 및 MBA가 자외선에 의해 광중합되어 하이드로겔을 형성하고 그 내부에 항균제가 함유되어 하이드로겔의 공극을 통하여 항균제가 외부로 방출되는 과정을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 하이드로겔은 아크릴산 및 MBA에 자외선이 조사되어 경화된 것으로 물이나 습기에 의해 하이드로겔이 팽윤할 수 있으며 이 경우 자외선 광중합 시간에 따라 다양한 물성을 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있고, 광원의 조사 부위에 따라 다양한 모양을 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있을 것이다. 예를 들면, 몰드(Mold)를 이용하여 광원을 부분적으로 차단하면 다양한 형태의 하이드로겔을 손쉽게 제조할 수 있어 범용성을 높일 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 하이드로겔은 단량체로 아크릴산(acrylic acid)을 사용하고, 가교제로 MBA(methylenebisacrylamide)를 사용하였는데, 이들 구성성분은 단순한 광중합 공정을 통해 하이드로겔 구조체를 만들 수 있어 본 발명에 있어 바람직하다.

특히 본 발명에 있어 중요한 특징은 하이드로겔 자체는 음전하(-)를 띄고, 그 내부에 함유된 내부물질은 양전하(+)를 띄어 종래 단순한 공극 크기로만 방출량을 조절하던 하이드로겔보다 더 효과적으로 내부물질의 방출량을 조절할 수 있다는 점이다. 이 경우 내부물질은 항균제, 화합물, 단백질, 세포 중 어느 것이라도 사용할 수 있으며, 하이드로겔 자체가 음전하(-)를 띄고 있기 때문에 상기와 같은 내부물질이 양전하(+)를 띄고 있다면 하이드로겔과의 정전기적 인력에 의해 더 강한 결합을 유도하여 내부물질의 방출 속도를 늦출 수 있고, 단량체의 농도 및 광중합 시간 등을 조절하여 상기 내부물질의 방출에 적합한 하이드로겔의 공극 크기를 조절함으로써 내부물질의 방출 속도를 환경에 맞춰 최적화할 수 있을 것이다.

본 발명에서 하이드로겔을 만들기 위한 단량체로 아크릴산을 사용하였는데, 아크릴산은 생체적합성 물질로 기존에 다양한 범위에서 적용되어 사용하고 있는 하이드로겔 재료이다. 특히, 아크릴산에는 카르복시(carboxyl)기가 있어 가교결합 시 하이드로겔의 전하가 음전하(-)를 띌 수 있기 때문에 본 발명의 취지에 적합하다 할 것이다. 한편, 본 발명에서 하이드로겔을 만들기 위한 가교제로 MBA를 사용하였는데, MBA 역시 생적합성을 띄고 있다는 점과 양쪽 말단에 이중결합이 가지고 있어 활성화된 아크릴산의 라디칼에 의해 가교결합이 가능한 가교제라는 점에서 본 발명에 적합하다 할 것이다.

아크릴 산의 구조식

MBA 의 구조식

아크릴산과 MBA 가 자외선에 의해 가교 결합되는 화학 반응식

본 발명의 특징을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 하기와 같다.

본 발명의 첫 번째 특징은 음전하(-)를 띄는 하이드로겔을 제조한 점에 있다. 본 발명은 내부물질의 방출량을 조절하기 위해 하이드로겔과 내부물질 간의 정전기적 인력을 높여 항균제의 방출이 서서히 되도록 하기 위한 방법이다. 음전하(-)를 띄는 하이드로겔과 양전하(+)를 띄는 항균제간의 정전기적 인력에 의해 수용성 환경에서 항균제가 하이드로겔로부터 방출되는 량을 줄여줄 수 있다.

본 발명의 두 번째 특징은 하이드로겔의 공극 크기 조절을 통해 방출량을 조절할 수 있다는 점에 있다. 본 발명에 따른 하이드로겔은 단량체와 용매의 비율에 따라 하이드로겔의 공극 크기와 하이드로겔의 기계적 물성을 조절할 수 있는데, 즉, 단량체의 농도가 높아질수록 하이드로겔의 망상구조의 밀도가 높아져 공극의 크기가 작아지고, 하이드로겔의 기계적 물성이 높아져 탄력이 좋은 겔 형태가 된다. 반대로 단량체의 농도가 낮아질수록 망상구조의 밀도가 낮아져 상대적으로 공극의 크기가 커지고, 하이드로겔의 기계적 물성이 낮아져 방출량이 많아지게 된다.

본 발명의 세 번째 특징은 광중합 공정을 통해 하이드로겔을 만들어 낸 점에 있다. 광 개시제를 사용하고 단량체에 자외선을 조사하여 자유 라티칼(free radical)에 의해 광중합을 했기 때문에 몰드(mold)를 이용하여 광원을 막으면 광원이 닿은 부분만 중합이 되어 다양한 형태의 하이드로겔을 만들 수 있다. 이는 사용 용도에 따라, 혹은 필요성에 따라 다양한 형태로 하이드로겔을 제조 가능하여 범용성을 높일 수 있는 특징이 된다. 또한 광중합을 하는 시간에 따라 하이드로겔의 물성을 조절 가능하다는 특징도 있다.

이하, 본 발명에 따른 서방성 하이드로겔 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 서방성 하이드로겔 제조방법은 크게 아크릴산(Acrylic acid), MBA(methylenebisacrylamide), 내부물질, 광개시제를 증류수에 용해하여 고분자 용액을 제조하는 단계, 상기 고분자 용액에 광원을 조사하여 광중합 반응을 유도하는 단계로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 아크릴산, MBA, 내부물질, 광개시제를 증류수에 용해하면 초기에는 교질 용액(sol) 상태에 있으나, 여기에 자외선을 조사하면 겔(gel) 상태로 변화하게 된다(도 2 참조).

한편, 본 발명에 있어서 단량체인 아크릴산과 용매인 증류수의 조성비에 따라 하이드로겔의 물성이 달라지는데, 단량체인 아크릴산의 농도가 증가하면 하이드로겔의 망상 구조의 밀도가 높아져 공극의 크기가 작아지고, 하이드로겔의 기계적 물성이 높아져 탄력이 좋은 겔 상태가 된다. 반대로 단량체의 농도가 낮아지면 망상 구조의 밀도가 낮아져 공극의 크기가 커지고 하이드로겔의 기계적 물성이 낮아져 내부물질의 방출량이 증가하게 된다(도 3 참조).

또한, 하이드로겔은 자외선 조사 및 기타 과정에서 건조되어 경화된 상태에 있더라도 주위의 물이나 습기에 의해 팽윤할 수 있고, 주위의 물이나 습기를 흡수하여 팽윤하면 하이드로겔 자체의 크기가 커지고 공극의 크기도 커져 내부물질을 외부로 쉽게 방출하게 된다(도 4 참조).

본 발명자들은 본 발명에 따른 제조방식으로 내부에 항균제 DDAC가 함유된 하이드로겔을 제조하여 항균 실험을 실시한 결과, 도 6에서와 같이 시간 경과에 따라 항균 효과가 서서히 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

하기 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 범주는 하기 실시예에 한정되는 것이 아니며 첨부된 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 도출되는 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형, 수정 또는 응용이 가능하다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.

<실시예 1>

항균제 DDAC(Didecyldimethylammonum chloride)를 내부물질로 함유한 서방성 하이드로겔 제조방법

1-1. 아크릴산 고분자 용액의 제조

항균제 DDAC가 내부물질로 함유된 서방성 하이드로겔을 제조하기 위하여 우선 아크릴산(Acrylic acid, Sigma-Aldrich, 147230-1L) 2g과 MBA(Methylenebisacrylamide, Sigma- Aldrich, M2022-25G) 0.4g, DDAC(Didecyldimethylammonum chloride) 0.4g을 증류수 12 g에 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다.

1-2. 광개시제에 의한 유라디칼 활성

상기 고분자 용액에 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-Hydroxy-2-methylpropiophenone, Sigma-Aldrich, 405655-50mL) 0.4g을 넣어 상기 고분자 용액 내에 있는 아크릴산의 카르복시(carboxyl)기를 활성화 시킨다.

1-3. 자외선 광원에 의한 광중합

상기 1-2에 의해 아크릴산의 카르복시기가 활성화 된 고분자 용액에 자외선 광원을 조사하여 아크릴산과 MBA가 가교되어 하이드로겔을 형성하고, 가교 과정에서 하이드로겔의 내부공극에 DDAC가 함유되도록 한다.

< 실시예 2>

젠타마이신(gentamycine)을 내부물질로 함유한 서방성 하이드로겔 제조방법

2-1. 아크릴산 고분자 용액의 제조

약물 젠타마이신(gentamycine)이 내부물질로 함유된 서방성 하이드로겔을 제조하기 위하여 우선 아크릴산(Acrylic acid, Sigma-Aldrich, 147230-1L) 2g과 MBA(Methylenebisacrylamide, Sigma- Aldrich, M2022-25G) 0.4g, 젠타마이신(gentamycine) 0.4g을 증류수 12 g에 용해시켜 고분자 용액을 제조하였다.

2-2. 광개시제에 의한 유라디칼 활성

상기 고분자 용액에 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-Hydroxy-2-methylpropiophenone, Sigma-Aldrich, 405655-50mL) 0.4g을 넣어 상기 고분자 용액 내에 있는 아크릴산의 카르복시(carboxyl)기를 활성화 시킨다.

2-3. 자외선 광원에 의한 광중합

상기 2-2에 의해 아크릴산의 카르복시기가 활성화 된 고분자 용액에 자외선 광원을 조사하여 아크릴산과 MBA가 가교되어 하이드로겔을 형성하고, 가교 과정에서 하이드로겔의 내부공극에 젠타마이신이 함유되도록 한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. 음전하(-)를 띄는 아크릴산(Acrylic acid)와 MBA(methylenebisacrylamide)의 광중합 반응물을 포함하고, 유효성분으로서 내부에 양전하(+)를 띄는 DDAC(Didecyldimethylammonium chloride) 또는 젠타마이신(gentamycine)을 포함하되,
   용매 1 중량부 대비 상기 아크릴산을 0.1-0.55 중량부 혼합하고,
   수성 환경에서 사용되는 것을 특징으로 하는 서방성 하이드로겔.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 광중합 반응은 자외선 조사에 의한 광중합 반응인 것을 특징으로 하는 서방성 하이드로겔.
4. 삭제
5. 아크릴산(Acrylic acid), MBA(methylenebisacrylamide), 광개시제와 유효성분으로서 내부에 양전하(+)를 띄는 DDAC(Didecyldimethylammonium chloride) 또는 젠타마이신(gentamycine)을 증류수에 용해하여 고분자 용액을 제조하는 단계;
   상기 고분자 용액에 광원을 조사하여 광중합 반응을 유도하는 단계;를 포함하여 구성되는 서방성 하이드로겔 제조방법.
   
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 광개시제는 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논(2-Hydroxy-2-methylpropiophenone)인 것을 특징으로 하는 서방성 하이드로겔 제조방법.
8. 제5항에 있어서,
   상기 광원은 자외선인 것을 특징으로 하는 서방성 하이드로겔 제조방법.

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