KR101693598B1 - 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 섬유 - Google Patents

미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법을 나타낸 것으로서, 상세하게는 미세유체 장치에 전구체 용액 및 주형가교 용액을 주입하여 제조하는 고분자 섬유의 제조방법에 있어서, (1) 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 제조하는 단계; (2) 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 상기 미세유체 장치에 주입하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 단계; (3) 상기 주형에 광원을 조사함으로써 상기 주형 내에서 상기 단량체를 광중합시켜, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 단계; 및 (4) 상기 제조된 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 킬레이트제와 반응시킴으로써, 상기 가교 고분자-주형으로부터 주형을 제거하여 가교 고분자 섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 고분자 섬유{preparation method of polymer fiber using microfluid device and polymer fiber by using the same method}
본 발명은 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 미세유체 장치에 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 주입함으로써, 가교 고분자 섬유를 제조함은 물론, 상기 제조된 고분자 섬유의 형상 및 크기를 제어할 수 있고 외부 자극성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
현재 조직공학과 세포생물학에 활용하기 위한 마이크로/나노 구조물을 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 마이크로/나노 구조물 제조에 있어서 대표적인 제조 방법으로는 전기방사, 습식방사 및 미세유체 방사가 있다.
상기 전기방사의 경우, 고분자를 용매에 녹여 전기적 인력을 통해 섬유 형태로 방사한 후, 용매를 증발시켜 섬유형태의 고분자를 얻는 방법이다. 상기 전기방사는 전기적 인력의 크기에 따라 제조되는 섬유형태 고분자의 크기를 조절할 수 있고, 높은 부피 대 표면적 비율(surface area-to-volume ratio)로 인해 높은 전압(5~50kV)이 적용될 수 있는 장점이 있다. 그러나 이러한 높은 전압은 용액 내에 민감한 생물학적 재료들의 로딩을 불가능하게 하며, 상기 전기방사에 의해 제조된 고분자 섬유는 크기가 너무 작아 단일적인 섬유 형태 고분자로 사용될 수 없는 문제점이 있다.
또한, 습식방사의 경우, 고분자를 높은 온도에서 용융하고 응고배스에 방사하여 응고시킨 후 열처리를 통해 건조시킴으로써 고분자 섬유를 제조하는 방법이다. 상기 습식방사의 경우, 전구체 용액이 완전히 용융되어야 하기 때문에 높은 온도가 요구됨에 따라 세포를 함께 혼합하여 제조할 수 없음은 물론이고, 가교된 고분자 섬유의 제조를 위해서는 유기용매가 사용됨에 따라 독성이 생길 수 있다는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 보완하기 위해서, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유를 제조하는 방법이 연구되고 있다. 특히, 천연고분자 물질인 알지네이트를 이용하여 고분자 섬유를 제조하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 이 경우, 일반적인 범용 단량체를 이용한 고분자 섬유 제조가 불가능함에 따라 상기 단량체가 한정된다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 점에 착안하여, 두 개의 크기가 다른 미세소관을 갖는 미세유체 장치에 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 각각 주입함으로써, 형상 및 크기를 제어할 수 있고, 외부 자극성 및 기능성을 갖도록 하는 가교 고분자 섬유 제조방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명은 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징을 하는 고분자 섬유를 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 고분자 섬유를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 지지체를 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,
미세유체 장치에 전구체 용액 및 주형가교 용액을 주입하여 제조하는 고분자 섬유의 제조방법에 있어서,
(1) 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 제조하는 단계;
(2) 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 상기 미세유체 장치에 주입하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 단계;
(3) 상기 주형에 광원을 조사함으로써 상기 주형 내에서 상기 단량체를 광중합시켜, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 단계; 및
(4) 상기 제조된 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 킬레이트제와 반응시킴으로써, 상기 가교 고분자-주형으로부터 주형을 제거하여 가교 고분자 섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면,
상기 제조방법으로 제조되는 것을 특징을 하는 고분자 섬유를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
상기 고분자 섬유를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 지지체를 제공한다.
본 발명은 미세유체 장치를 이용하여 가교된 고분자 섬유를 제조함에 있어서, 미세유체 장치에 주입되는 전구체 용액과 주형가교 용액의 위치를 달리함에 따라 제조되는 가교 고분자 섬유의 형상을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 미세유체 장치의 내부 미세소관 내측 직경 크기에 의해 제조되는 상기 섬유의 크기 또한 제어할 수 있다.
또한, 상기 가교 고분자 섬유는 하이드로겔 고분자 섬유임에 따라, 단량체로서 온도, 빛, pH, 전기장 및 자기장 감응성 물질을 포함하여, 상기와 같은 외부 자극에 감응하도록 함은 물론이고, 약물, 호르몬 및 세포와 같은 기능성 물질을 더 포함하여 기능성 가교 고분자 섬유를 제조함으로써, 상기 고분자 섬유를 약물전달, 센서 및 액츄에이터 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 미세유체 장치를 이용하고, 라디칼 중합을 통하여 가교된 고분자 섬유를 제조함에 따라, 상기 가교된 고분자를 형성하는 단량체 물질이 제한되지 않는 특징이 있다.
더욱이, 본 발명에 의해 제조된 고분자 섬유는 조직 공학용 지지체로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유체 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 공정의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) Ca-alginate/PNIPAm 고체원통형 섬유 및 (b) PNIPAm 고체원통형 섬유의 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ca-alginate/PNIPAm 고체원통형 섬유 및 PNIPAm 고체원통형 섬유에 대한 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-플루오레세인이소티오시안산염) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유의 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 하이드로겔 튜브형 마이크로섬유의 광학 현미경 이미지와, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-MT-Rho) 하이드로겔 튜브형 마이크로섬유에 대한 (b) SEM 이미지 및 (c) CLSM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 내부 미세소관의 크기가 (a) 590㎛, (b) 150㎛ 및 (c) 10㎛일 때의 PNIPAm 고체원통형 섬유의 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유의 온도 변화에 따른 (a) 광학 현미경 이미지 및 (b) 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유의 광 조사에 의한 형상 변화를 나타낸 광학 현미경 이미지이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-N,N'-디에틸아크릴아미드) 하이드로겔 마이크로섬유의 온도 감응성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 미세유체 장치에 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 주입함으로써, 가교 고분자 섬유를 제조함은 물론, 상기 제조된 고분자 섬유의 형상 및 크기를 제어할 수 있고 외부 자극성을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
미세유체 장치에 전구체 용액 및 주형가교 용액을 주입하여 제조하는 고분자 섬유의 제조방법에 있어서,
(1) 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 제조하는 단계;
(2) 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 상기 미세유체 장치에 주입하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 단계;
(3) 상기 주형에 광원을 조사함으로써 상기 주형 내에서 상기 단량체를 광중합시켜, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 단계; 및
(4) 상기 제조된 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 킬레이트제와 반응시킴으로써, 상기 가교 고분자-주형으로부터 주형을 제거하여 가교 고분자 섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 미세유체 장치에 전구체 용액 및 주형가교 용액을 주입하여 제조하는 고분자 섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 도 2(a) 내지 도 2(d)에 상기 공정흐름을 도시하고 있다.
본 발명에 있어서 (1) 단계는, 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하는 전구체 용액과 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 제조하는 단계이다.
먼저, 상기 전구체 용액은 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
도 2(a)는 상기 (1) 단계에 있어서, 상기 전구체 용액을 나타낸 것이다.
상세하게는, 상기 단량체는 아크릴레이트계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아미드계 단량체, 에스테르계 단량체, 스티렌계 단량체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 단량체는 N-이소프로필아크릴아미드, N,N'-디에틸아크릴아미드인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가교제는 N,N-메틸렌비스아크릴아마이드, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 테트라(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 알지네이트는 소듐알지네이트, 알지네이트-폴리-L-리신, 알지네이트-콜라겐, 알지네이트-피브린, 알지네이트-키토산 및 알지네이트-아가로스로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이고, 상기 전구체 용액에 0.1~10중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 알지네이트는 상기 미세유체 장치를 이용하여 고분자 섬유를 제조하는 본 발명에 있어서 고분자가 섬유 형태를 갖도록 주형을 제공하는 역할을 함에 따라, 상기 미세유체 장치에 주입이 용이하고 주형을 형성할 수 있도록 상기 전구체 용액에 대해 0.1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 알지네이트가 상기 전구체 용액에 0.1중량% 미만으로 포함될 경우 농도가 묽어 알지네이트가 주형의 형태를 유지할 수 없고, 10중량% 초과할 경우 알지네이트의 점도가 높아져 미세유체 장치에 균일한 속도로 주입될 수 없으므로, 상기 알지네이트는 상기 전구체 용액에 0.1~10중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 알지네이트는 소듐알지네이트인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광개시제는 벤조페논 유도체, 히드록시알킬화 벤조인 유도체, 벤질케탈, α-할로아세토페논, α-아미노알킬페논, 티오크산톤, 크산톤, 히드록시알킬페논, 안트라퀴논, 아실포스핀옥사이드, 페닐글리옥실레이트, 아세토페논, 트리아진 유도체, 비이미다졸 유도체, 옥심에스테르 유도체, 아미노케톤계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상세하게는 상기 광개시제는 이에 한정되지 아니하고, 조사되는 빛을 흡수하여 스스로 분해됨으로써 라디칼을 생성하고 상기 라디칼에 의해 상기 단량체를 중합하여 가교될 수 있도록 하는 광개시제는 본 발명에 적용할 수 있도록 한다.
다음으로, 주형가교 용액은 금속 양이온을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 주형가교 용액의 금속 양이온은 2가 금속의 양이온으로, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Cu2+, Ba2+으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 주형가교 용액은 상기 2가 금속 양이온을 포함하는 CaCl2, MgCl2, ZnCl2, FeCl2, CuCl2, BaCl2이고, 보다 바람직하게는 상기 주형가교 용액은 CaCl2인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서 (2) 단계는 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 상기 미세유체 장치에 주입하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 단계이다.
도 2(b)는 상기 (2)단계에 있어서, 상기 주형가교 용액의 2가 금속과 상기 전구체 용액의 알지네이트가 주형을 형성한, 금속-알지네이트 주형을 나타낸 것이다.
상세하게는 상기 전구체 용액과 주형가교 용액이 서로 다른 주입구를 통하여 내부 미세소관 및 외부 미세소관으로 주입되고, 상기 주입된 전구체 용액과 주형가교 용액은 각각 일정한 속도를 가지고 각각의 소관을 따라 이동하게 된다. 이때, 상기 내부 및 외부 미세소관이 교차하는 지점에서 상기 주형가교 용액의 2가 금속 양이온이 전구체 용액으로 확산됨에 따라 금속-알지네이트 주형을 제조하는 것이다. 보다 상세하게는 상기 전구체 용액에 주형가교 용액의 2가 금속 양이온이 확산됨에 따라, 상기 전구체 용액에 포함된 알지네이트의 카르복실기에 상기 주형가교 용액에 포함된 2가 금속 양이온이 이온 결합함으로써, 상기 알지네이트 고분자 구조가 상기 2가 금속 양이온을 감싸는 형태의 가교된 구조를 형성하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 것이다.
다음으로, 본 발명에 있어서 (3) 단계는, 상기 주형에 광원을 조사함으로써 상기 주형 내에서 상기 단량체를 광중합시켜, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 단계이다.
도 2(c)는 상기 (3)단계에 해당하는 것으로서, 상기 금속-알지네이트 주형 내에서 상기 단량체가 광중합되어 형성된, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 나타낸 것이다.
상세하게는, 상기 금속-알지네이트 주형에 광원을 조사함으로써, 상기 주형 내에 존재하는 상기 광개시제, 단량체 및 개시제가 반응하여 상기 주형 내에서 상기 단량체를 광중합시켜, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 것이다. 보다 상세하게는, 상기 광개시제가 광원으로부터 조사된 빛을 흡수하여 분해됨으로써 라디칼을 생성하고, 상기 생성된 라디칼은 이중결합을 가지는 단량체 및 가교제와 반응하여 라디칼을 가지는 단량체 및 가교제를 생성한다. 이에 따라 상기 생성된 라디칼 단량체들과 가교제들이 계속적인 결합을 형성하여 주형 내에 가교 고분자를 생성하는, 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 것이다.
마지막으로 본 발명에 있어서 (4) 단계는, 상기 제조된 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 킬레이트제와 반응시킴으로써, 상기 가교 고분자-주형으로부터 주형을 제거하여 가교 고분자 섬유를 제조하는 단계이다.
도 2(d)는 상기 (4)단계에 해당하는 것으로서, 상기 가교 고분자-주형 복합체 섬유로부터 주형이 제거된 가교 고분자 섬유를 나타낸 것이다.
상세하게는 상기 제조된 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 킬레이트제 용액에 투입함으로써, 상기 주형 내에 이온결합된 금속 성분이 상기 킬레이트제에 의해 배위결합 되어 킬레이트화합물을 형성하게 된다. 이에 따라 상기 주형 내의 이온결합은 깨어지고 상기 주형을 이루는 알지네이트가 제거되어 상기 가교 고분자-주형 복합체 섬유로 부터 주형이 제거된 가교 고분자 섬유을 제조하게 되는 것이다.
이때, 상기 킬레이트제는 에틸렌디아민테트라아세트산, 1,2-디아민시클로헥산테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 에틸렌글리콜테트라아세트산, 나이트릴로트라이아세트산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 킬레이트제는 이에 한정되지 아니하고, 상기 2가 금속 양이온과 용이하게 배위결합을 형성하여 킬레이트 화합물을 형성하는 물질은 킬레이트제로 적용할 수 있도록 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가교 고분자 섬유의 크기 범위는 특별히 한정되지 않는다. 즉, 상기 가교 고분자 섬유는 1~2000㎛의 직경을 갖는다. 다만, 상기 가교 고분자 섬유는 미세유체 장치를 이용하여 제조되는 것으로서, 상기 미세유체 장치의 내부 및 외부 미세소관의 크기에 따라, 상기 가교 고분자 섬유의 크기가 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 가교 고분자 섬유의 크기는 상기 미세유체 장치에 있어서 내부 미세소관의 내측 직경 크기에 의해 조절되는 것을 특징으로 하며, 상기 내부 미세소관의 내측 직경은 상기 내부 미세소관 토출구의 내측 직경을 의미하는 것이다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 가교 고분자 섬유는 고체원통형, 튜브형, 납작형, 다공성형, 혼합형 및 그루브형으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 본 발명은 서로 다른 크기의 미세소관 두 개를 가지는 미세유체 장치를 이용하여, 상기 미세소관 각각에 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 주입함을 특징으로 한다. 이에 따라, 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 주입하는 미세소관 위치를 변경함으로써, 다양한 형태의 상기 가교 고분자 섬유를 제조할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유체 장치의 모식도를 나타낸 것으로서, 이를 참고하면, 상기 미세유체 장치는 전구체 용액 및 주형가교 용액을 각각 주입할 수 있도록 서로 이격된 내부 미세소관 주입구(100) 및 외부 미세소관 주입구(102)를 구비하고, 상기 내부 미세소관 주입구(100)는 내부 미세소관(101)의 일측과 연결되고, 상기 외부 미세소관 주입구(102)는 외부 미세소관(103)의 일측과 연결되어 이루어지며, 상기 내부 미세소관 주입구(100)와 연결된 내부 미세소관(101)의 타측인 토출구(106)는 상기 외부 미세소관 주입구(102)와 연결된 외부 미세소관(103)의 중공부(104)의 전단 중앙에 삽입되어 위치함으로써, 미세소관 교차지점(105)을 형성하여, 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액이 혼합되도록 하고, 상기 내부 미세소관(101)의 직경은 상기 외부 미세소관(103)의 직경보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부 미세소관 주입구(102)와 이격된 외부 미세소관(103)에 자외선 조사 수단에 의해 자외선이 공급되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 상기 미세유체 장치에 있어서, 내부 미세소관 주입구(100)에 전구체 용액을 주입하여 분사하고, 상기 외부 미세소관 주입구(102)에 주형가교 용액을 주입하여 분사함으로써, 상기 각각의 주입구와 연결된 주사기 펌프를 이용하여 상기 내부 미세소관 주입구(100)에 연결된 내부 미세소관(101)으로 상기 전구체 용액이 흐르도록 하고, 상기 외부 미세소관 주입구(102)에 연결된 외부 미세소관(103)으로 상기 주형가교 용액이 흐르도록 한다. 또한, 상기 내부 미세소관(101)에서의 전구체 용액의 흐름(10)에 따라 상기 전구체 용액은 내부 미세소관의 토출구(106)를 향해 이동하게 된다. 상기 토출구(106)는 외부 미세소관 주입구(102)와 연결된 외부 미세소관(103)의 중공부(104)의 전단 중앙에 삽입되어 위치하고 있음에 따라, 상기 토출구(106)로 이동되는 상기 전구체 용액은, 상기 외부 미세소관 주입구(102)를 통해 주입되는 상기 주형가교 용액과 상기 내부 및 외부 미세소관이 교차하는 미세소관 교차점(105)를 지나면서 혼합되어 금속-알지네이트 주형(20)을 형성하고 미세소관을 따라 흘러, 상기 외부 미세소관 주입구(102)와 이격된 외부 미세소관(103)에서 자외선이 조사되어 광중합에 의하여 가교 고분자-주형 복합체 섬유(30)을 형성하여 배출하게 되는 것이다. 이때, 상기 가교 고분자-주형 복합체 섬유는 고체원통형 섬유 형태인 것을 특징으로 하나, 상기 내부 및 외부 미세소관 주입구에 주입되는 전구체 용액과 주형가교 용액의 위치를 변경함으로써, 상기와 같은 고체원통형 섬유 외에 튜브형, 납작형, 다공성형, 혼합형 및 그루브형으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 섬유 형태로 상기 가교 고분자-주형 복합체 섬유를 제조할 수 있는 것이다. 또한 상기 가교 고분자-주형 복합체 섬유는 본 발명에 의해 킬레이트제와 반응시킴으로써, 주형을 제거한 가교 고분자 섬유를 제조할 수 있고, 상기 가교 고분자 섬유는 고체원통형, 튜브형, 납작형, 다공성형, 혼합형 및 그루브형으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 미세소관의 토출구(106)의 내측 직경에 의해 가교 고분자의 크기가 조절될 수 있으며, 상기 토출구(106)의 형상은 제한되지 않는다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 가교 고분자 섬유는 하이드로겔인 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 있어서 전구체 용액에 약물, 호르몬 및 세포와 같은 기능성 물질을 더 포함하도록 하여, 기능성을 갖는 고분자 섬유를 제조할 수 있다.
또한, 상기 전구체 용액은 그래핀, 금 나노입자 및 산화철 나노입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 광열전환물질을 더 포함하여, 상기 가교 고분자가 온도 및 광 감응성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 상기 전구체 용액의 단량체로 N-이소프로필아크릴아미드 및 N,N'-디에틸아크릴아미드를 포함하여 상기 본원발명의 제조방법에 의해 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 및 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-N,N'-디에틸아크릴아미드)의 온도 감응성 가교 고분자 섬유를 제조할 수 있다. 또한, 산화철 나노입자를 상기 N-이소프로필아크릴아미드 단량체에 더 포함하여, 온도 및 광 감응성을 갖는 가교 고분자를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 물질 외에 pH, 전기장 및 자기장과 같은 외부 감응성 및 기능성 물질을 더 포함하여 상기의 외부 감응성 및 기능성을 갖는 가교 고분자 섬유를 제조할 수 있다.
본 발명은 다른 측면에 따르면, 상기 상술한 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 고분자 섬유가 제공된다.
또한, 본 발명은 또 다른 측면에 따르면, 상기 고분자 섬유를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 조직공학용 지지체가 제공된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
<실시예>
시료
단량체로서 N-이소프로필아크릴아미드(N-Isopropylacrylamide(NIPAm))은 TCI 사 (Nihonbash-honcho, 일본), 가교제로서 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(N,N'-Methylenebis(acrylamide),BisAA)는 Bio Basic사(Markham, 캐나다) 및 광개시제로서 이르가큐어 819-DW(Irgacure 819-DW)는 BASF사(Ludwigshafen, 독일) 제품을 사용하였다.
메타크릴옥시에틸 티오카보닐 로다민 B(Methacryloxyethyl thiocarbonyl rhodamine B, MT-Rho)는 polysciences 사(warrington, PA, 미국) 제품을 사용하였다.
또한, 상기 시료를 제외하고 본 실시예에 사용되는 시료들은 Sigma-Aldrich 사(St Louis,MO,미국) 제품을 사용하였다.
미세유체 장치 제작
하이드로겔 마이크로섬유를 제조하기 위하여, 미세유체 장치를 제작하였다. 상기 미세유체 장치는 두개의 다른 직경을 가지는 둥근 유리 미세소관을 포함하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이때, 상기 미세소관은 World Precision Instruments 사(미국) 제품을 이용하였다.
먼저, 상기 두 개의 미세소관을 0.2%(v/v)의 옥타데실트리클로로실레인-톨루엔(octadecyltrichlorosilane(OTS)-toluene) 용액에 20분간 침지하고, 톨루엔으로 세척한 후, 80℃에서 1시간 동안 건조시켜 유리 미세소관 표면에 소수성을 부여하였다.
다음으로, 상기 두 개의 다른 직경을 가지는 미세소관 중, 작은 직경을 가지는 미세소관을 큰 직경을 가지는 미세소관 내의 동축을 따라 삽입되도록 한 후 기판에 고정시켰다. 또한, 각각의 상기 미세소관은 에폭시 접착제를 이용하여 주입구와 고정시키고, 주사기펌프와 연결시켜 미세유체 장치를 제작하였다. 상기 제작된 미세유체 장치는 도 1에 모식화하여 나타내었다.
이때, 상기 내부 및 외부 미세소관의 내측 직경(Inner Diameter, ID)은 0.1~1000㎛이고, 상기 내부 미세소관은 상기 외부 미세소관보다 크기가 작다.
하이드로겔 마이크로섬유의 제조
<실시예 1> 온도감응성을 가지는 가교 고분자 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(poly(N-Isopropylacrylamide),PNIPAm) 하이드로겔 마이크로섬유 제조
1) 전구체 용액 제조
단량체인 N-이소프로필아크릴아미드(N-Isopropylacrylamide,NIPAm) 295.7mg, 가교제인 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(N,N'-Methylenebis(acrylamide),BisAA) 16.8mg 및 소듐알지네이트(sodium alginate) 25mg를 포함하는 단량체 용액 2.5mL와 광개시제인 이르가큐어 819-DW(Irgacure 819-DW) 분산액(4wt%, 200㎕)을 혼합하여 전구체 용액을 제조하였다. 다음으로, 상기 용액 상에 용해된 산소를 감압기를 이용하여 제거하였다.
2) 칼슘-알지네이트(Ca-alginate) 주형 제조
도 1은 상기 미세유체 장치를 모식화한 것으로서 이를 참고하면, 내부 미세소관 주입구(100)로 주사기 펌프(Legate 100, KD Scientific, 미국)를 이용하여 유체의 흐름을 제어하면서 상기 전구체 용액을 주입하고, 외부 미세소관 주입구(102)로는 0.01M의 트리스 완충액(Tris buffer)에 용해된 염화칼슘 5wt%을 주입하였다.
상기 각각의 주입구를 통해 주입된 전구체 용액과 염화칼슘 용액은 각각 내부 미세소관(101) 및 외부 미세소관(103)의 미세유로를 따라 흐름으로써, 상기 미세소관이 교차되는 지점에서 상기 외부 미세소관(103)의 칼슘 이온이 내부 미세소관(101)의 유체인 전구체 용액 상으로 확산되어 들어갔다. 이에 따라 칼슘-알지네이트(Ca-alginate) 주형이 형성되었다.
3) Ca-alginate/PNIPAm 겔 고체원통형 마이크로섬유 제조
상기 칼슘-알지네이트 마이크로섬유 주형에 LED 램프 시스템(BlueWave LED DX-1000, Dymax, 미국)을 이용하여 385nm의 빛을 조사함으로써, 상기 칼슘-알지네이트 주형 내에서 N-이소프로필아크릴아미드 단량체가 광중합되어 가교된 고분자 PNIPAm를 형성하는, Ca-alginate/PNIPAm 겔의 고체원통형 마이크로섬유를 형성하였다.
4) PNIPAm 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유 제조
상기 알지네이트 주형을 포함하는 가교 고분자, Ca-alginate/PNIPAm에 대해, 인산 완축액(phosphate buffer) 0.25M에 용해된 0.1M의 EDTA 용액과 30분 동안 반응시킴으로써, 칼슘이온이 EDTA와 킬레이트하여 알지네이트 주형을 제거함에 따라, PNIPAm 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유를 제조하였다.
<실시예 1-1> 가교된 고분자 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-플루오레세인이소티오시안산염) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유 제조
상기 실시예 1의 전구체 용액에 형광표지 시약인 플루오레세인이소티오시안산염(fluorescein isothiocyanate)을 더 포함하여 단량체인 N-이소프로필아크릴아미드와 형광표지 시약 플루오레세인이소티오시안산염이 공중합되도록 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 제조방법에 의하여 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-플루오레세인이소티오시안산염)이 공중합되어 가교된 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유를 제조하였다.
<실시예 2> 온도감응성을 가지는 가교된 고분자 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 하이드로겔 튜브형 마이크로섬유 제조
상기 실시예 2는, 상기 실시예 1과 비교하여, 내부 미세소관 주입구(100)에 상기 염화칼슘 5wt%을 주입하고, 외부 미세소관 주입구(102)에 상기 전구체 용액을 주입하여 시료가 주입되는 미세소관의 위치만을 변경하였을 뿐, 이를 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 제조방법에 의해, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 하이드로겔 튜브형 마이크로섬유를 제조하였다.
<실시예 2-1> 가교 고분자 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-MT-Rho) 하이드로겔 튜브형 마이크로섬유 제조
상기 실시예 2의 전구체 용액에, 형광시약인 MT-Rho를 더 포함시켜, 단량체인 N-이소프로필아크릴아미드와 MT-Rho를 공중합시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 제조방법에 의하여 MT-Rho가 공중합되어 가교된 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-MT-Rho) 하이드로겔 튜브형 마이크로섬유를 제조하였다.
<실시예 3> PNIPAm/MNP(magnetite (Fe 3 O 4 )nanoparticles) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유 제조
상기 실시예 1의 전구체 용액에 산화철 나노입자(magnetite (Fe3O4)nanoparticles, MNP)를 더 첨가하여 혼합함으로써, 중합된 PNIPAm 하이드로겔 매트릭스 내에 상기 산화철 나노입자를 포함하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 상기 산화철 나노입자를 포함하는 가교된 고분자인 PNIPAm/MNP 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유를 제조하였다.
<실시예 4> 가교 고분자 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-N,N'-디에틸아크릴아미드) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유 제조
상기 실시예 1의 전구체 용액에 단량체로서 N-이소프로필아크릴아미드(N-Isopropylacrylamide,NIPAm)외에 N,N'-디메틸아크릴아미드를 더 첨가하여 N-이소프로필아크릴아미드와 N,N'-디에틸아크릴아미드를 공중합하도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 가교 고분자 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-N,N'-디에틸아크릴아미드) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유를 제조하였다.
<분석>
분석 장비
주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 이미지는 5.0kV에서 14.9mm의 거리로 JSM-6700F, JEOL, 일본제품을 사용하였다.
공초점 레이저 주사 현미경(Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM)은 LSM-700, Carl Zeiss, 독일 제품을 사용하였다.
적외선흡수분광법(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR) 스펙트럼은 Nicolet 380(Thermo Scientific, 미국)을 사용하였다.
도립현미경(inverted microscope)은 DMI-3000B, Leica사(독일) 제품을 사용하였다.
청색 여기 필터(450~490nm, I3, Leica, 독일)를 통해 고압 수은 쇼트 아크 램프(EL-6000, Leica, 독일)의 빛을 하이드로겔 마이크로 섬유 샘플에 조사하고, ACCU-CALTM 50-LED 라디오미터(Dymax, 미국)로 강도를 측정함으로써, 하이드로겔 마이크로 섬유의 빛에 의한 체적 변화를 측정하였다.
칼슘-알지네이트(Ca-alginate) 주형 제거 확인
상기 실시예는 미세유체 장치를 이용한 하이드로겔 가교 고분자 마이크로섬유 제조에 관한 것으로서, EDTA 용액 처리를 통하여 칼슘-알지네이트 주형을 완전히 제거함으로써, 단량체가 가교된 고분자를 제조하였다.
이에, 상기 알지네이트 주형이 완전히 제거되었음을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에 대하여 광학현미경 및 FT-IR을 이용한 분석을 실시하였다. 이에 따른 결과는 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다.
도 3은 상기 실시예 1에 대한 EDTA 용액 처리를 통한 알지네이트 주형 제거 전(a)과 제거 후(b)를 나타낸 이미지이다. 이를 참고하면, 알지네이트 주형을 제거하더라도 하이드로겔 마이크로섬유상의 가교 고분자에 있어서, 가교 고분자의 형태, 길이 및 직경에는 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 알지네이트 주형을 제거함으로써, 상기 하이드로겔 마이크로섬유상의 가교 고분자는 광학적으로 투명해진 색상으로 변화됨을 확인할 수 있었다.
또한, 도 4는 실시예 1에 대한 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것으로서, 이를 참고하면, 칼슘-알지네이트가 나타내는 1029cm-1에서의 C-O 스트레칭이 EDTA 용액 처리를 통한 칼슘-알지네이트 주형 제거 전인 PNIPAm/algiante에서는 관찰됨을 확인할 수 있었다. 반면, EDTA 처리 후인 PNIPAm(EDTA treatment)에서는 상기 1029cm-1에서의 C-O 스트레칭이 관찰되지 않음에 따라, 상기 칼슘-알지네이트 주형이 완전히 제거된, 단량체가 가교된 고분자 하이드로겔 마이크로섬유를 형성하고 있음을 확인할 수 있었다.
미세유체 장치의 시료 주입 위치에 따른 가교 고분자 섬유 형태 확인
상기 실시예는 미세유체 장치에 있어서 시료 주입 위치에 따라 가교 고분자 섬유의 형태가 변화되었다. 이를 확인하기 위하여, 형광표지 시약을 함유하는 실시예 1-1 및 실시예 2-1에 대하여 광학현미경(optical microscope), 주사전자현미경(SEM) 및 공초점 레이저 현미경(CLSM)을 이용하여 형태를 분석하였다.
상기 실시예 1-1 및 실시예 2-1은, 시료 주입 위치만을 달리하여 제조된 실시예 1 및 실시예 2에 대하여 보다 용이한 형태 관찰을 위해 각각의 전구체 용액에 형광표지 시약인 플루오레세인이소티오시안산염 및 MT-Rho을 첨가하여 제조한 것이다.
(1) 고체원통형 섬유 형태 확인
도 5는 상기 실시예 1-1의 플루오레세인이소티오시안산염이 공중합된 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유에 대해 광학현미경 이미지를 나타낸 것으로서, 이를 참고하면, 형광 단량체인 플루오레세인이소티오시안산염이 공중합되어 응집없이 고체원통형의 가교 고분자 마이크로섬유에 골고루 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 튜브형 섬유 형태 확인
도 6(a)는 실시예 2에 대한 광학현미경 이미지를 나타낸 것으로서, 이를 통해 중심부가 비어있는 튜브형 가교 고분자 섬유가 제조되었음을 확인할 수 있었다.
특히, 도 6(b) 및 도 6(c)는 실시예 2의 형태를 보다 용이하게 관찰하기 위하여, 상기 실시예 2에 형광표지 시약 MT-Rho를 포함하도록 한 실시예 2-1에 대한 SEM 및 CLSM의 이미지를 나타낸 것이다. 이를 참고하면, 상기 실시예 2-1은 MT-Rho에 의해 상기 마이크로튜브의 벽면은 빨간색 형광을 나타내고, 중심부는 검은색으로 나타남에 따라 중심부가 비어있는 공동의 구조를 가지는 튜브형상의 마이크로섬유임을 확인할 수 있었다.
내부 미세소관의 ID에 따른 가교 고분자 섬유의 크기 측정
미세유체 장치에 있어서, 내부 미세소관의 내측 직경(Inner Diameter, ID) 크기에 따라 제조되는 가교 고분자 섬유의 크기가 변화됨을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에 대해 내부 미세소관 ID 및 유체 속도를 달리하여 PNIPAm 가교 고분자 섬유를 제조하고, 이들의 직경을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
또한, 이들의 직경을 광학 현미경으로 측정하여 도 7에 나타내었다.
유체 속도(㎛/min) 내부 미세소관의
내측 직경(㎛)		 실시예 1의 직경(㎛)
전구체 용액 CaCl2 용액
600 900 590 590
100 200 150 160
10 1800 10 15
상기 표 1 및 도 7을 참고하면, 내부 미세소관의 내측 직경 크기가 590, 150 및 10㎛일 때, 실시예 1은 590, 160 및 15㎛로 나타남에 따라 내부 미세소관의 내측 직경 크기는 제조되는 가교 고분자 섬유의 크기와 유사함을 알 수 있었다.
따라서, 미세유체 장치에 있어서, 내부 미세소관의 내측 직경을 변화시킴으로써, 가교 고분자 섬유의 크기를 조절할 수 있을 것으로 판단된다.
PNIPAm/MNP(magnetite (Fe 3 O 4 )nanoparticles) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유의 온도 및 빛 감응성 확인
폴리(N-이소프로필아크릴아미드)는 온도 감응성 고분자로서, 실시예 3에서 산화철 나노입자(Fe3O4)를 상기 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 하이드로겔 매트릭스 내에 포함하도록 하여 온도 감응성은 물론, 빛 감응성을 나타내도록 하였다.
(1) 온도 감응성 (temperature-responsive)확인
온도 감응성을 확인하기 위하여, 상기 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유에 대하여 24~36℃로 온도 변화에 따른 형상 및 크키 변화를 측정하였다. 이 때, 온도는 10분에 걸쳐 점진적으로 1 또는 2℃를 상승시켰으며, 온도가 상승된 후에는 10분동안 그 온도로 유지시킨 후 온도 변화에 따른 형상 및 크기 변화를 측정하였다.
도 8(a)는 광학 현미경으로 측정한, 온도 변화에 따른 상기 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유의 형상 및 크기 변화를 나타낸 이미지이다.
이를 참고하면, 상기 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유는 온도가 증가함에 따라 직경의 크기가 감소함을 알 수 있었다.
또한, 도 8(b)는 온도 변화에 따른 상기 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프로서, 27℃에서 310㎛, 31℃에서 286㎛를 나타내어 온도가 상승함에 따라, 상기 마이크로 섬유의 직경이 감소함을 알 수 있었다. 특히, 34℃에서는 직경이 156㎛로, 이는 초기 24℃에서 320㎛의 직경을 나타낸 것과 비교하여 직경이 약 반으로 감소한 것에 해당함을 알 수 있었다.
따라서, 상기와 같이 하이드로겔 마이크로 섬유의 직경이 50% 감소함은 체적이 88% 감소함에 상응하는 것으로 판단된다.
또한, 이들 마이크로 섬유는 33℃ 근처에서 빠른 체적 상 변화를 나타내는 것으로 판단된다.
또한, 상기 도 8(b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유는 PNIPAm 하이드로겔 마이크로 섬유와 거의 동일한 온도 반응성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 상기 하이드로겔 마이크로섬유에 포함되는 MNP는 PNIPAm 하이드로겔의 열 반응성에 영향을 주는 것으로 판단된다.
(2) 빛 감응성 (light-responsive)확인
빛 감응성을 확인하기 위하여, PNIPAm의 낮은임계용해온도(Lower Critical Solution Temperature, LCST) 보다 낮은 온도인 30℃에서 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유 일 부분에 380mW/cm2 세기의 가시광선을 25초간 조사하여 빛에 의한 부피 변화를 광학현미경으로 관찰하여, 도 9에 나타내었다.
도 9를 참고하면, PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유는 빛이 조사되기 전 810㎛의 고른 직경을 가지나, 빛이 상기 섬유 일부분에 조사되면, 빛이 조사된 그 일부분에 한하여 572㎛로 직경이 변화되어 65%의 체적감소를 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유는 빛이 조사된 부분이 허리(waist)형상을 나타냄에 따라, 마이크로 섬유의 특정 영역에 빛을 조사함으로써 상기 특정 영역의 체적을 제어할 수 있는 것으로 판단된다.
또한, 상기에서 조사하였던 빛을 제거하면 상기 일부분이 허리형상으로 변한 PNIPAm/MNP 하이드로겔 마이크로 섬유가 본래의 형상으로 변화됨을 알 수 있었다.
따라서, 상기 마이크로 섬유는 빛 감응성을 가짐에 따라 완전히 가역적으로 체적을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 수회 이를 반복할 수 있는 것으로 판단된다.
폴리(N-이소프로필아크릴아미드-N,N'-디에틸아크릴아미드) 하이드로겔 고체원통형 마이크로섬유의 열적 특성 분석
상기 실시예 4에서는 온도 감응성 물질로, N-이소프로필아크릴아미드 외에 N,N'-디메틸아크릴아미드를 더 첨가함으로써, 열적 특성이 조절된 마이크로섬유를 제조하였다. 즉, 열적 특성을 가진 단량체들의 공중합을 통해 열적 특성을 조절하고자 하였다.
이를 확인하기 위하여, 상기 폴리(N-이소프로필아크릴아미드-N,N'-디에틸아크릴아미드) 하이드로겔 마이크로섬유에 포함되는 상기 N,N'-디메틸아크릴아미드의 몰 함량 비율에 따른, 열적 특성을 분석하여 도 10에 나타내었다.
이를 참고하면, 상기 N,N'-디에틸아크릴아미드의 함량이 증가함에 따라 온도 감응성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 가교 고분자 섬유를 형성하는 단량체로서 온도 감응성 물질을 포함하여 온도 감응성을 나타낼 뿐만 아니라, 이의 함량을 조절함으로써 열적 특성을 제어할 수 있는 것으로 판단된다.
따라서, 본 발명은 미세유체 장치를 이용하여 가교된 고분자 섬유를 제조함에 있어서, 미세유체 장치에 주입되는 전구체 용액과 주형 가교제 용액의 위치를 달리함에 따라, 제조되는 가교 고분자 섬유의 형상을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 미세유체 장치의 미세소관 내부 직경 크기에 의해 제조되는 상기 섬유의 크기 또한 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가교 고분자 섬유는 하이드로겔 고분자 섬유임에 따라, 단량체로서 온도 감응성 물질 또는 빛 감응성 물질을 포함함으로써, 온도와 빛과 같은 외부 자극에 감응하도록 하여, 약물전달, 센서 및 액츄에이터 등 다양한 분야에서 응용하여 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 내부 미세소관 주입구
101: 내부 미세소관
102: 외부 미세소관 주입구
103: 외부 미세소관
104: 외부 미세소관의 중공부
105: 미세소관 교차지점
106: 내부 미세소관의 토출구
10: 전구체 용액 또는 주형가교 용액이 흐르는 단계
20: 금속-알지네이트 주형을 제조하는 단계
30: 광중합하여 가교고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 단계

Claims (14)

  1. 내부 미세소관 및 상기 내부 미세소관과 교차점을 형성하는 외부 미세소관을 포함하는 미세유체 장치를 이용하여 제조하는 고분자 섬유의 제조방법에 있어서,
    (1) 단량체, 가교제, 알지네이트 및 광개시제를 혼합하여 전구체 용액을 제조하고, 상기 전구체 용액 100중량%에 대해 상기 알지네이트는 0.1~10중량%로 포함하는 단계;
    (2) 금속 양이온을 포함하는 주형가교 용액을 제조하는 단계;
    (3) 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액을 상기 내부 미세소관 및 외부 미세소관으로 순서대로 각각 주입하거나 또는 역순으로 각각 주입하여, 상기 금속 양이온과 알지네이트가 이온 결합된 금속-알지네이트 주형을 제조하는 단계;
    (4) 상기 금속-알지네이트 주형에 광원을 조사함으로써 상기 주형 내에서 상기 단량체를 광중합시켜, 상기 단량체가 가교된 하이드로겔 고분자-주형 복합체 섬유를 제조하는 단계; 및
    (5) 상기 제조된 하이드로겔 고분자-주형 복합체 섬유를 킬레이트제와 반응시킴으로써, 상기 복합체 섬유로부터 주형을 제거하여 하이드로겔 고분자 섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (3) 단계에서, 상기 전구체 용액을 내부 미세소관으로 주입하고 상기 주형가교 용액을 외부 미세소관으로 주입하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 경우, 상기 (5) 단계에서 내부가 채워진 형상의 하이드로겔 고분자 섬유가 제조되고,
    상기 (3) 단계에서, 상기 전구체 용액을 외부 미세소관으로 주입하고 상기 주형가교 용액을 내부 미세소관으로 주입하여, 금속-알지네이트 주형을 제조하는 경우, 상기 (5) 단계에서 중공 형상을 갖는 하이드로겔 고분자 섬유가 제조되는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 용액은 그래핀, 금 나노입자 및 산화철 나노입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 광열전환물질을 더 포함하여, 상기 하이드로겔 고분자 섬유가 온도 및 광 감응성을 갖는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단량체는 아크릴레이트계 단량체, 아크릴아미드계 단량체, 아미드계 단량체, 에스테르계 단량체, 스티렌계 단량체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가교제는 N,N-메틸렌비스아크릴아마이드, 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 디메타크릴레이트, 1,6-헥산디올디아크릴레이트, 테트라(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광개시제는 벤조페논 유도체, 히드록시알킬화 벤조인 유도체, 벤질케탈, α-할로아세토페논, α-아미노알킬페논, 티오크산톤, 크산톤, 히드록시알킬페논, 안트라퀴논, 아실포스핀옥사이드, 페닐글리옥실레이트, 아세토페논, 트리아진 유도체, 비이미다졸 유도체, 옥심에스테르 유도체, 아미노케톤계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주형가교 용액의 금속 양이온은 2가 금속의 양이온으로, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe2+, Cu2+, Ba2+으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 알지네이트는 소듐알지네이트, 알지네이트-폴리-L-리신, 알지네이트-콜라겐, 알지네이트-피브린, 알지네이트-키토산 및 알지네이트-아가로스로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 킬레이트제는 에틸렌디아민테트라아세트산, 1,2-디아민시클로헥산테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 에틸렌글리콜테트라아세트산, 나이트릴로트라이아세트산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유체 장치는 전구체 용액 및 주형가교 용액을 각각 주입할 수 있도록 서로 이격된 내부 미세소관 주입구 및 외부 미세소관 주입구를 구비하고, 상기 내부 미세소관 주입구는 내부 미세소관의 일측과 연결되고, 상기 외부 미세소관 주입구는 외부 미세소관의 일측과 연결되어 이루어지며,
    상기 내부 미세소관 주입구와 연결된 내부 미세소관의 타측인 토출구는 상기 외부 미세소관 주입구와 연결된 외부 미세소관의 중공부의 전단 중앙에 삽입되어 위치함으로써, 미세소관 교차지점을 형성하여, 상기 전구체 용액 및 주형가교 용액이 혼합되도록 하고,
    상기 내부 미세소관의 직경은 상기 외부 미세소관의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 외부 미세소관 주입구와 이격된 외부 미세소관에 자외선 조사 수단에 의해 자외선이 공급되는 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이드로겔 고분자 섬유는 고체원통형, 튜브형, 납작형, 다공성형, 혼합형 및 그루브형으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는, 미세유체 장치를 이용한 고분자 섬유의 제조방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되어, 고체원통형, 튜브형, 납작형, 다공성형, 혼합형 및 그루브형으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나의 형상으로 제조되는 하이드로겔인 것을 특징으로 하는, 고분자 섬유.
  14. 제 13 항에 따른 고분자 섬유를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 조직공학용 지지체.
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