KR101693497B1

KR101693497B1 - 그래핀 기반의 광열화 반응을 이용한 수화겔 제조용 조성물 및 수화겔 제조방법

Info

Publication number: KR101693497B1
Application number: KR1020150056995A
Authority: KR
Inventors: 이재영; 이황재; 김세민; 정솔찬
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2017-01-09
Also published as: KR20160126208A

Abstract

본 발명은 광열 메커니즘을 통한 체내 수화젤 형성 방법으로써 근적외선 감응성 물질인 그래핀 또는 그래핀 유도체를 포함한 수화젤 전구체 혼합 용액 및 근적외선을 통한 체내 수화젤 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광열 특성을 가진 그래핀과 그래핀 유도체를 전구체에 사용하여 주사형으로 삽입한 전구체의 수화젤 형성과 물성을 외부 근적외선 조사를 통해 조절함으로써 생체 내에서 수화젤을 형성함과 동시에 수화젤의 물리적 특성 및 공간적인 특이성을 정교하게 조절할 수 있다. 또한 그래핀과 그래핀 옥사이드의 특성을 사용함으로써 물리적 성질, 흡착능을 높이려고 한다. 이러한 특성은 조직수복 치료에 더 효과적인 방법을 제시해 주며, 전구체 혼합용액에 약물이나 세포 등을 첨가하여 캡슐화함으로써 약물 및 세포전달 분야에도 응용될 수 있다.

Description

그래핀 기반의 광열화 반응을 이용한 수화겔 제조용 조성물 및 수화겔 제조방법{Graphene-based hydrogel composition via photothermal reactions for preparting hydrogel and process thereof}

본 발명은 체내 주입 후 광열반응을 통한 수화겔을 형성시키는 수화겔 조성물 및 이를 이용한 수화겔 제조방법에 관한 것이다.

수화젤은 친수성 고분자로 구성된 3차원 망상 구조체로서 다량의 물을 흡수할 수 있고 여러 가지 물질들을 선택적으로 투과시킬 수 있는 성질이 있다. 수화젤에 사용되는 고분자는 합성 고분자에서 천연고분자까지 그 종류가 다양하며 물리적, 기계적 성질을 조절하는데 용이하고, 특히 세포, 조직적합성이 뛰어나 체내에 적용하는 생체용 재료로서 매우 적합하다. 또한 특정기능을 갖는 작용기를 도입함으로써 기능성 수화젤을 설계할 수 있으며 그 제조방법 도용이하여 산업적으로도 유용하다. 대표적인 응용분야로는 콘텍트 렌즈나 드레싱 패치에서부터 미용 충진제, 조직공학용 지지체, 약물전달용 담체에 이르기까지 다양하게 이용되고 있다. 하지만 수화젤은 고체상이므로 그것을 체내로 도입하는 과정에 외과적 시술이 불가피하며, 일단 체내로 이식된 후에는 물성 및 모양 조절이 불가능하다는 단점이 있다.

이를 보완하는 방법으로 액체상의 수화젤 전구체를 주사로 삽입하여 체내에서 젤이 되게 하는 주사형 수화젤이 연구되었다. 기존의 주사형 수화젤은 체내 온도나 pH의 조건에서 젤로 변하는 온도 / pH 감응성 고분자를 이용하거나 체내 조건에서도 반응이 진행되는 화학반응, 또는 자가조립 분자 등이 이용되고 있다. 하지만 이러한 기존의 방법들은 주사 이후에 일어나는 반응에 대해서는 조절할 수 있는 여지가 없다. 즉, 수화젤은 그 전구체의 조성에 의해서만 성질이 결정되게 되고 반응의 정도나 반응 부위를 주입한 후에 조절하는 것은 불가능하다. 또한 기존의 메커니즘에 의해서 생성된 수화젤은 그 물성과 안정성에 문제점이 있다.

또 다른 수화젤 합성 방법 중의 하나로서 광중합 반응을 이용하는 방법이 있다. 이 경우 광원의 세기(intensity) 및 조사 시간의 조절이 용이하기 때문에 수화젤 형성 반응을 전반적으로 조작하는데 유리한 장점이 있다. 하지만 현재 이용되고 있는 광원인 자외선이나 가시광선은 이에 투과율이 낮은 시스템에 적용하기 어렵다. 특히, 자외선과 가시광선은 모두 생체 분자와의 상호작용으로 피부 투과율이 매우 낮아 체내의 반응 부위까지 충분히 침투하지 못한다. 특히 자외선의 경우는 돌연변이를 일으킬 수 있기 때문에 생체에 적용하기에는 어려움이 있다.

또한 기존의 염료 또는 광학 나노물질을 사용하여 만든 수화젤은 특수한 단일 파장에서의 높은 흡광도를 보임에 따라 그 파장만 사용할 수 있다는 한계가 있다.

1. Photothermally Sensitive Poly(N-isopropylacrylamide)/Graphene Oxide Nanocomposite Hydrogels as Remote Light-Controlled Liquid Microvalves, Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4017??4022 2. Infrared-driving actuation based on bilayer graphene oxide-poly(N-isopropylacrylamide) nanocomposite hydrogels, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15633

따라서, 기존의 문제점들을 해결하고자 본 발명에서는 그래핀 또는 그래핀 유도체를 이용하여 생체침투성과 생체적합성이 우수한 근적외선과 여러 파장의 광원을 이용하여, 광중합 반응을 유도하여 체내에서 수화젤을 형성하고, 또한 광원의 모양 및 세기 조절을 통해 수화젤의 성질을 조절할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, (A) (i) 근적외선 감응성 물질, (ii) 수화겔 전구체, (iii) 열개시제를 포함하는 혼합 용액에 근적외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 근적외선 감응성 물질은 그래핀 옥사이드(GO), 환원된 그래핀 옥사이드(rGO) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수화겔 제조방법이 개시된다.

본 발명의 다른 측면은 (i) 근적외선 감응성 물질, (ii) 수화겔 전구체, (iii) 열개시제를 포함하고, 상기 근적외선 감응성 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 체내 주입용 수화겔 제조용 수화겔 조성물에 관한 것이다.

이와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명이 달성하고자 하는 바는 생체 내에서 수화젤을 형성함에 있어서 저 점도의 주사주입이 가능한 수화젤 전구체를 생체 내에 주입한 이후에 일어나는 반응을 외부에서 광 특이적으로 조절함으로써 수화젤의 모양 및 기계적 성질을 조절하는 것이며, 그래핀 또는 그래핀 유도체의 광대역 흡수 특성으로 더욱 넓은 파장대를 이용할 수 있고, 흡착능, 기계적 물성을 높이려고 한다. 나아가 이를 이용하여 세포나 생체활성 분자 또는 기타 특정한 물질을 포함시켜 이들을 운반하는 용도로도 응용하는 것이다.

본 발명이 지니는 효과는 외과적 손상을 최소화하면서 체내에서 수화젤을 형성함과 동시에 기존에는 불가능했던 주사 이후의 비파적으로 수화겔특성을 조절할 수 있는 능력을 얻을 수 있고, 근적외선을 이용하여 뛰어난 생체 적합성을 가지며 그 조작이 간편하다는 점이다. 반응을 외부에서 조절할 수 있다는 점은 약물이나 기타 물질을 운반하는 운반체로 사용되는 경우에 그들의 방출 속도를 외부에서 조작할 수 있다는 것을 의미하며 이것은 약물 등을 효과적으로 운용할 수 있는 수단이 될 수 있다. 또한 충진용 조직 수복 용도로 응용하면 한 종류의 물질을 삽입하고도 반응 위치나 모양 또는 시간을 조절함으로써 더욱 정교한 모양과 특정한 기계적 성질을 갖게 할 수 있다.

기존의 나노물질을 사용하여 만든 수화젤은 단일 파장에서의 높은 흡광도를 보임에 따라 그 파장만 사용할 수 있다는 한계가 있는 반면, 광대역 흡수 특성을 가진 그래핀을 사용함에 따라 더 넓은 파장대를 사용할 수 있고, 그래핀의 넓은 표면적으로 흡착능을 높일 수 있으며, 또한 수화겔의 기계적 특성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 근적외선을 이용한 그래핀 옥사이드 또는 환원된 그래핀 옥사이드가 담지된 폴리에틸렌글리콜을 체내에서 제작하는 모식도이다.
도 2는 다양한 근적외선 에너지를 이용한 그래핀 옥사이드가 담지된 폴리에틸렌글리콜 수화겔 합성 사진이다.
도 3은 다양한 근적외선 에너지를 이용하여 환원된 그래핀 옥사이드가 담지된 폴리에틸렌글리콜 수화겔 합성 사진

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

본 발명에서 사용되는 요소로는 근적외선(650 내지 1,100 nm), 광열 효과를 일으키는 나노물질(예: 그래핀 또는 그래핀 유도체 등), 비닐기를 갖는 전구체(예: 모노머, 올리고머, 작용기가 부착된 거대 분자), 그리고 열 개시제가 있다.

도 1에 제시한 것과 같이, 열 개시제와 비닐기의 올리고머, 광열 효과를 일으키는 그래핀 또는 그래핀 유도체를 함유한 수화젤 전구체는 주사를 통해 체내에 주입될 수 있고, 주입된 부분의 피부 위로 근적외선을 조사하면 피부를 투과하여 주입된 수화젤 전구체에 도달한며, 체내로 침투한 근적외선은 광열 나노 물질로부터 국소적으로 열을 발생시킨다.

발생된 열은 열 개시제를 활성화시켜(화학식 1), 작용기를 갖는 전구체의 가교반응이 일어나 수화젤을 형성한다(화학식 2).

본 발명의 일 측면에 따르면, (A) (i) 근적외선 감응성 물질, (ii) 수화겔 전구체, (iii) 열 개시제를 포함하는 혼합 용액에 근적외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 근적외선 감응성 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수화겔 제조방법이 개시된다.

본 발명의 다른 측면은 (i) 근적외선 감응성 물질, (ii) 수화겔 전구체, (iii) 열 개시제를 포함하고, 상기 근적외선 감응성 물질은 그래핀 옥사이드, 환원된 그래핀 옥사이드 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 체내 주입용 수화겔 제조용 수화겔 조성물에 관한 것이다.

이 중에서도 특히 환원된 그래핀 옥사이드만을 사용하는 것이 더욱 낮은 근적외선 세기에 의해서도 수화젤 형성이 가능할 수 있다는 점에서 가장 바람직하다.

또한, 본 발명에서와 같이 근적외선 감응성 물질인 그래핀 옥사이드 또는 환원된 그래핀 옥사이드를 사용하는 경우, 근적외선 감응성 물질로 금(Au)를 사용한 경우와 달리 넓은 파장 범위의 빛을 이용할 수 있다는 점에서 바람직하다.

일 구현예에 따르면, 상기 혼합 용액은 체내에 주입되어 있는 혼합 용액이고, 상기 근적외선은 상기 혼합 용액이 주입되어 있는 부위의 피부에 조사된다.

다른 구현예에 따르면, 상기 수화겔 전구체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 아크릴화 젤라틴, 아크릴화 콜라겐, 아크릴화 알지네이트 등 아크릴화 고분자 즉, 광가교가 가능한 작용기를 가진 고분자를 2종 이상의 혼합물 중에서 선택되고; 상기 열 개시제는 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디하이드로클로라이드, 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디설페이트 디하이드레이트, 2,2'-아조비스(2-메틸프로피온아미딘)디하이드로클로라이드, 4,4'-아조비스(4-싸이아노발레릭산) 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된다.

위에 수화겔 전구체 중에서도 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트를 사용하는 경우 다른 열거된 수화겔 전구체를 사용하는 경우와 달리 광가교가 가능한 작용기를 가지고, 분자량 조절이나 가교 밀도를 조사하기 쉬운 효과를 보일 수 있어서 유리하다.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 근적외선 감응성 물질은 그래핀 옥사이드이고, 상기 근적외선은 0.1 내지 2 W/cm²의 세기로 조사된다. 이와 같이 근적외선 조사는 0.1 내지 2 W/cm², 바람직하게는 0.4 내지 1.3 W/cm², 더욱 바람직하게는 0.5 내지 0.9 W/cm²의 세기로 조사되며, 특히 상기 더욱 바람직한 범위 내의 세기로 근적외선을 조사하는 경우에는, 위 범위 밖의 경우와 달리, 적정한 온도 상승 범위에서 빠른 시간 내에 수화겔을 형성할 수 있는 효과를 보일 수 있어서 유리하다.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 혼합 용액 내 상기 근적외선 감응성 물질의 농도는 0.5 내지 6 mg/mL 이고, 상기 혼합 용액 내 상기 수화겔 전구체의 농도는 0.1 내지 0.35 g/mL 이며, 상기 혼합 용액 내 열 개시제의 농도는 1 내지 20 mg/mL이다. 상기 범위 내에서 근적외선 감응성 물질과 수화겔 전구체 및 열 개시제의 농도를 조절하여 본 발명을 실시하는 경우, 위 수치 범위 중 어느 하나라로 만족하지 못하는 경우와 달리, 체내 수화겔 형성에 있어서 형성 시간 조절 및 모양, 위치 조절이 용이하며 기계적 물성이 뛰어난 수화겔을 형성할 수 있다는 효과를 보일 수 있어서 유리하다.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 혼합 용액 내 상기 근적외선 감응성 물질 : 상기 수화겔 전구체 : 상기 열 개시제의 중량 비율은 1 : 58 내지 700 : 0.17 내지 40 이다. 상기 범위 내에서 근적외선 감응성 물질과 수화겔 전구체 미 열 개시제의 농도 비율을 조절하여 본 발명을 실시하는 경우, 위 수치 범위 중 어느 하나라로 만족하지 못하는 경우와 달리, 넓은 범위의 물성을 갖는 수화겔을 형성시킬 수 있는 효과를 보일 수 있어서 유리하다.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 근적외선 감응성 물질은 환원된 그래핀 옥사이드이고, 상기 근적외선은 0.1 내지 2 W/cm²의 세기로 조사된다. 이와 같이 근적외선 조사는 0.1 내지 2 W/cm², 바람직하게는 0.15 내지 1 W/cm², 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7 W/cm²의 세기로 조사되며, 특히 상기 더욱 바람직한 범위 내의 세기로 근적외선을 조사하는 경우에는, 위 범위 밖의 경우와 달리, 반응 온도를 최소로 상승시키면서 수화겔을 형성할 수 있는 효과를 보일 수 있어서 유리하다.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 옥사이드를 환원시킬 수 있는 환원제의 선택이 특정 반응 조건 하에서는 중요할 수 있으며, 특히 근적외선 감응성 물질로서 환원된 그래핀 옥사이드를 전체 혼합 용액 중 1 내지 5 mg/mL로 사용하고, 수화겔 전구체로서 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트를 전체 혼합 용액 중 0.15 내지 0.3 g/mL로 사용하며, 열 개시제로서 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디하이드로클로라이드를 전체 혼합 용액 중 1 내지 20 mg/mL로 사용하고, 근적외선 조사 세기를 0.5 내지 0.9 W/cm²로 하는 경우에, 상기 환원제로 비타민 C를 사용해야만, 수화겔을 형성시킬 수 있는 근적외선 세기가 감소하고, 형성된 수화겔이 탄성도가 증가할 뿐만 아니라, 특히 탄성도 균일성이 현격하게 향상되는 것을 확인하였다.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

실시예

실시예 1: 근적외선을 이용한 그래핀 옥사이드가 담지된 폴리에틸렌글리콜 수화젤 제작

그래핀 옥사이드의 특성인 광열 반응으로 그래핀 옥사이드가 담지된 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Sunbio사, 이하 "PEGDA") 단량체를 이용한 수화젤을 다음과 같이 제조하였다. 1.5 mL 튜브에 그래핀 옥사이드 수용액 (2 mg/mL, Graphene supermarket) 100 μL 넣고 원심분리기를 이용해 8,000 rpm에서 10 분간 분리한 후, 맑은 상층액 60 uL 를 제거하고 남은 용액 40 μL를 다른 1.5 mL 튜브에 옮겼다. 그후 45 중량% PEGDA (2 kDa) 50 μL를 넣었으며, 열 개시제(2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디하이드로클로라이드, Wako사, 이하 "AIPH")는 3 중량%로 0.5 M의 NaOH 수용액에 녹여 10 μL를 혼합하였다.

체내 주입을 모사하기 위하여, 그후 36 ℃로 플레이트에 온도를 맞춘 후 상기 혼합 용액 18 μL를 PDMS 틀에 넣고 커버 글라스로 덮어준 후 1 내지 3분 정도 대기한 후 785 nm 파장의 근적외선 레이저를 조사하여 수화젤을 제조하였고, 근적외선 세기를 각각 1, 0.75, 0.65 W/cm²로 하여 각각 5 분간 조사하였다. 도 2에 제시한 바와 같이, 조사한 세기에 따라 수화겔이 PDMS 틀에 맞춰져서 형성되는 것을 확인하였다.

실시예 2: 근적외선을 이용한 그래핀이 담지된 폴리에틸렌글리콜 수화젤 제작

환원된 그래핀 옥사이드가 담지된 폴리에틸렌글리콜 수화젤을 제작하였다. 그래핀 옥사이드를 환원시키기 위하여 6 mg/mL 농도의 그래핀 옥사이드 수용액 5 mL에 비타민 C (L-ascorbic acid, SigmaAldrich) 10 mg를 넣어 혼합한 후 37 ℃에서 3시간 동안 환원시켰다. 그 후, 비타민 C를 제거하고 환원된 그래핀 옥사이드만 정제하기 위하여 증류수 10 mL를 더 넣고 혼합한 후 8,000 rpm에서 10 분간 원심분리하여 환원된 그래핀 옥사이드를 가라 앉히고 상층액 (환원된 그래핀 옥사이드는 없고 L-ascorbic acid만 녹아있음) 10 mL을 제거하였다. 이 과정을 3회 반복하여 수용액 상에 L-ascorbic acid가 거의 남지 않도록 정제하고 마지막 정제 과정 후 10 mL의 물을 넣어 환원된 그래핀 옥사이드의 농도가 2 mg/mL이 되도록 한다. 그 후 1.5 mL 튜브에 환원된 그래핀 옥사이드 수용액 100 μL을 넣고, 원심분리기를 이용해 8,000 rpm에서 10 분간 분리한 후, 상층액을 60 μL 만큼 제거하고 남아 있는 용액 40 μL를 다른 1.5 mL 튜브에 옮겨 담았다. 그 후 45 중량% 2k PEGDA 50 μL, 3 중량% AIPH 10 μL를 넣어 혼합하였다.

체내 주입을 모사하기 위하여, 그후 36 ℃로 플레이트에 온도를 맞춘 후 상기 혼합 용액 18 μL를 PDMS 틀에 넣고 커버 글라스로 덮어준 후 1~3분 정도 대기한 후에 785 nm 파장의 근적외선 레이저를 조사하여 수화젤을 제조하였다. 근적외선 세기를 각각 0.5, 0.25, 0.2 W/cm²로 하여 각각 5 분간 조사하였으며, 도 3에 제시한 바와 같이, 조사한 세기에 따라 수화겔이 PDMS 틀에 맞춰져서 형성되는 것을 확인하였다. 또한 도 2와 비교하여 볼 때, 그래핀 옥사이드를 사용했을 때에 비하여 환원된 그래핀 옥사이드를 사용할 경우, 더 낮은 세기에서 수화겔이 만들어지는 것을 확인할 수 있다.

Claims

(A) (i) 근적외선 감응성 물질, (ii) 수화겔 전구체, (iii) 열 개시제를 포함하는 혼합 용액에 근적외선을 조사하는 단계를 포함하고,
상기 근적외선 감응성 물질은 환원된 그래핀 옥사이드이고, 상기 혼합 용액 중에 1 내지 5 mg/mL로 포함되며,
상기 수화겔 전구체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트이고, 상기 혼합 용액 중 0.15 내지 0.3 g/mL로 포함되며,
상기 열 개시제는 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디하이드로클로라이드이고, 상기 혼합 용액 중 1 내지 20 mg/mL로 포함되며,
상기 근적외선은 0.5 내지 0.9 W/cm²의 세기로 조사되고,
상기 환원된 그래핀 옥사이드는 L-아스코르보산으로 환원된 것을 특징으로 하는 수화겔 제조방법.
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삭제
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제1항에 있어서, 상기 혼합 용액 내 상기 근적외선 감응성 물질 : 상기 수화겔 전구체 : 상기 열 개시제의 중량 비율은 1 : 58 내지 700 : 0.17 내지 40인 것을 특징으로 하는 수화겔 제조방법.
삭제
(i) 근적외선 감응성 물질, (ii) 수화겔 전구체, (iii) 열 개시제를 포함하는 혼합 용액으로서,
상기 근적외선 감응성 물질은 환원된 그래핀 옥사이드이고, 상기 혼합 용액 중에 1 내지 5 mg/mL로 포함되며,
상기 수화겔 전구체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트이고, 상기 혼합 용액 중 0.15 내지 0.3 g/mL로 포함되며,
상기 열 개시제는 2,2'-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판]디하이드로클로라이드이고, 상기 혼합 용액 중 1 내지 20 mg/mL로 포함되며,
상기 환원된 그래핀 옥사이드는 L-아스코르보산으로 환원된 것을 특징으로 하는 체내 주입용 수화겔 제조용 수화겔 조성물.
삭제
삭제
제8항에 있어서, 상기 수화겔 조성물 내 상기 근적외선 감응성 물질 : 상기 수화겔 전구체 : 상기 열 개시제의 중량 비율은 1 : 58 내지 700 : 0.17 내지 40인 것을 특징으로 하는 체내 주입용 수화겔 제조용 수화겔 조성물.