KR101818815B1 - 신규한 폴리머, 이를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 신규한 폴리머, 이를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조 방법에서, 본 발명의 신규한 폴리머는 하기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112015093580522-pat00017

화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기(alkylene group)를 나타내며, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.

Description

신규한 폴리머, 이를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조 방법{NOVEL POLYMER, HYDROGEL INCLUDING THE POLYMER AND MANUFACTURING METHOD OF THE HYDROGEL}
본 발명은 신규한 폴리머, 이를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 신규한 자극-반응성 폴리머, 이를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
약물 전달 시스템(Drug Delivery System, DDS)은 약물 방출 속도를 조절하거나 약물을 목표 부위에 효율적으로 전달하는 시스템으로서, 의약품의 부작용을 최소화하고 효능과 효과를 극대화하는 기술이다. 그러나, 많은 양의 약물을 한 번에 전달하는 경우 부작용이 발생할 수 있어, 최근에는 제어된 약물을 전달할 수 있는 제어 약물 전달 시스템이 주목 받고 있다. 제어 약물 전달 시스템은 안정적으로 약물 레벨을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 단기 작용 약물의 지속 효과를 높이고, 그 부작용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이러한 제어 약물 전달 시스템의 캐리어로서, 외부 변화에 반응하는 자극-반응성 스마트 폴리머(Stimuli-responsive smart polymers)들이 많은 관심을 받고 있다. 그 중, 자극-반응성 하이드로겔(stimuli-responsive hydrogels)은 조절 약물 방출을 위한 캐리어, 조직 공학, 생의학적 센서나 작동기(actuators) 등과 같은 생의학적 분야 뿐만 아니라, 피부 영양 성분을 조절 방출하거나 보습 기능을 할 수 있는 물질로서 화장품 분야에서도 응용할 수 있는 물질이다. 또한, 자극-반응성 하이드로겔은 중금속을 흡착하여 제거하는 수질 정화에도 이용될 수 있다.
그러나, 이러한 자극-반응성 스마트 폴리머 및 하이드로겔에 대한 연구가 미흡하며, 이에 대한 연구가 더 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 가역적 CO2 반응성을 가지고, pH에 민감하며, 금속 이온을 흡착할 수 있는 신규한 폴리머를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 폴리머를 포함하는 하이드로겔을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 하이드로겔의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 신규한 폴리머는 하기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112015093580522-pat00001
화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기(alkylene group)를 나타내며, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
일 실시예에서, 화학식 1은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112015093580522-pat00002
화학식 2에서, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
본 발명의 다른 목적을 위한 하이드로겔은 하기 화학식 3으로 나타내는 반복 단위를 포함한다.
[화학식 3]
Figure 112015093580522-pat00003
화학식 3에서, R3 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타내고, R4는 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기 또는 탄소수 5 내지 14의 아릴렌기(Arylene groups)를 나타내며, R6 및 R7은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 화학식 3은 하기 화학식 4로 나타낼 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112015093580522-pat00004
화학식 4에서, R4는 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기 또는 탄소수 5 내지 14의 아릴렌기를 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 하이드로겔은 상기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 가교 결합되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하이드로겔은 수용액상에서 pH에 따라, 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 변화할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하이드로겔은 상기 하이드로겔의 팽윤 정도의 변화에 따라, 압력 센서의 감지부로 이용 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하이드로겔은 수용액상에서 CO2 반응성 가지며, CO2에 의해 pH가 감소하여 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하이드로겔은 수용액상에서 비활성 기체에 의해 pH가 증가하여, 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하이드로겔은 수용액상에서 금속 이온을 흡착할 수 있다. 이때, 상기 하이드로겔은 금속 이온을 흡착하여, 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 변화할 수 있다. 이때, 상기 하이드로겔의 팽윤 정도의 변화에 따라, 압력 센서의 감지부로 이용 가능할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 하이드로겔의 제조 방법은 폴리숙신이미드(polysuccinimide, PSI)에 히스타민(histamine)계 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계, 상기 반응시키는 단계에 아미노알코올(Aminoalcohol)계 화합물을 첨가하여, 상기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머를 포함하는 폴리머 용액을 형성하는 단계, 및 상기 폴리머 용액에 헥사메틸레디이소시아네이트를 첨가하여, 상기 폴리머를 가교 결합시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 히스타민계 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계 전에, 아스팔트산(aspartic acid)에 인산(phosphoric acid)을 첨가하고 중합시켜, 폴리숙신이미드를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 신규한 폴리머, 이를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조 방법에 따르면, 가역적 CO2-반응성을 가지고, pH에 민감하며, 금속 이온을 흡착할 수 있는 폴리머 및 하이드로겔을 제공할 수 있다. 본 발명의 하이드로겔은 본 발명의 폴리머를 가교 결함시킴으로서, 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 하이드로겔의 가역적 CO2-반응성, pH 민감성, 금속 이온에 대한 흡착 능력을 이용하여, 금속 이온 흡착 물질, pH 센서, CO2 반응성 및 전환성 센서 등을 구성할 수 있다. 또한, 본 발명의 폴리머 및 이를 포함하는 하이드로겔은 친수성이며, 생체적합한 물질로서, 체내의 제어된 약물 방출이 가능한 제어 약물 전달 시스템의 캐리어로서 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하이드로겔의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 하이드로겔을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 하이드로겔의 금속 이온 흡착을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 PHEA-HIS의 1H NMR 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 PSI 및 PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 FT-IR 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 CO2에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 팽윤 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 pH 조건에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 팽윤 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 가역성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 금속 이온에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 팽윤 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 시간에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 농도에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 pH에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 신규한 폴리머는 하기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112015093580522-pat00005
화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기(alkylene group)를 나타내며, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
알킬렌기는 지방족 포화 탄화수소로부터 유도된 2가의 치환기로, 메틸렌기(methylene group), 에틸렌기(ethylene group), 프로필렌기(propylene group) 등을 들 수 있다.
일례로, R1 및 R2가 에틸렌기인 경우, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112015093580522-pat00006
화학식 2에서, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
이때, 상기 폴리머는 2종 이상의 단량체로 형성된 코폴리머로서, 폴리(2-하이드록시에틸 아스팔트아미드-코-히스타민 아스팔트아미드) (poly(2-hydroxyethyl aspartamide-co-histamine aspartamide)로 구성될 수 있다.
상기 폴리머는 폴리아스팔트계 유도체일 수 있다. 폴리아스팔트아미드계 유도체는 폴리숙신이미드와 아미노분해 반응(aminolysis reactions) 또는 폴리아스팔트산의 펜던트 카르복실기들(carboxylic pendant groups)의 이차 반응을 이용하여 제조할 수 있는 넓은 범위의 폴리아스팔트산 아미드 유도체를 포함한다.
본 발명의 하이드로겔은 하기 화학식 3으로 나타내는 반복 단위를 포함한다.
[화학식 3]
Figure 112015093580522-pat00007
화학식 3에서, R3 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타내고, R4는 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기 또는 탄소수 5 내지 14의 아릴렌기(Arylene groups)를 나타내며, R6 및 R7은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타낸다.
아릴렌기는 방향족 탄화수소로부터 유도된 2가의 치환기로서, 페닐렌기(phenylene group), 나프틸렌기(naphtylene group), 안트라세닐렌기(anthracenylene group) 등을 들 수 있다.
일례로, R3, R5, R6 및 R7이 에틸렌기인 경우, 상기 화학식 3은 하기 화학식 4로 나타낼 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112015093580522-pat00008
화학식 4에서, R4는 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기 또는 탄소수 5 내지 14의 아릴렌기를 나타낸다.
상기 하이드로겔은 상기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머를 포함하되, 상기 폴리머들이 헥사메틸렌디이소시아네이트(Hexamethylenediisocyanate, HMDI)에 의해 가교 결합되어 형성될 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 하이드로겔의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 하이드로겔의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하이드로겔의 제조하기 위해서, 먼저 폴리숙신이미드(polysuccinimide, PSI)에 히스타민(histamine)계 화합물을 첨가하여, 반응시킨다(단계 S310).
이 때, 상기 단계 전에, 아스팔트산(aspartic acid)에 촉매겸 용매로서 인산(phosphoric acid)을 첨가하고 중합시키는 단계를 더 포함하여, 폴리숙신이미드를 형성할 수 있다.
그 다음, 아미노알코올(Aminoalcohol)계 화합물을 첨가하고 반응시켜, 상기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머를 포함하는 폴리머 용액을 형성한다(단계 S320).
이때, 상기 폴리머는 단계 S310 및 S320를 통해, 폴리숙신이미드와 히스타민 및 에탄올아민과의 연속적인 아미노분해 개환반응(ring-open reaction)에 의해 형성될 수 있다.
폴리숙신이미드는 다양한 아미노분해 반응(aminolysis reactions)을 통해, 백본(backbone)을 쉽게 변형시킬 수 있어, 친수성-소수성 코폴리머와 같은 기능성 폴리머를 형성할 수 있다. 예를 들어, 폴리숙신이미드로부터 아미노분해 반응을 통해, 폴리아스팔트산(polyaspartic acid, PASP)을 형성할 수 있다. 폴리아스팔트산은 중화 및 가교 결합되어 물과 체액에서 pH 및 전해질에 민감성을 가지고, 흡착 특성이 증가할 수 있다.
히스타민(histamine)은 폐렴쌍구균(pneumococci)이나 대장균(E. coli)과 같은 세균의 히스티딘(histidine) 분해 생성물 중 하나로서, 이미다졸 고리(imidazole ring)를 갖는 이미딘(imidine)이다. 이미딘 또는 구아니딘 작용기를 갖는 물질의 경우, 금속 이온과 금속-리간드 상호작용을 형성할 수 있다.
그 다음, 상기 폴리머 용액에 헥사메틸레디이소시아네이트를 첨가하여, 상기 폴리머를 가교 결합시킨다(단계 S330).
상기 폴리머는 헥사메틸레디이소시아네이트에 의해 가교 결합되어 겔화됨으로써, 하이드로겔을 형성할 수 있다.
또한, 상기 하이드로겔은 상기 화학식 2로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 헥사메틸렌디이소시아네이트에 의해 가교 결합되어 형성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 하이드로겔을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서, "cross-linked gel"은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔은 나타내고, "dry gel"은 건조된 하이드로겔을 나타내며, "swelling gel"은 팽윤된 하이드로겔을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 가교 결합된 하이드로겔은 pH 변화나 중금속의 존재 여부에 따라 팽윤 특성을 갖는다.
구체적으로, 상기 하이드로겔은 수용액상에서 pH 민감성을 가질 수 있으며, 수용액의 pH가 증가할수록 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 증가할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 하이드로겔은 수용액상에서 CO2 반응성 및 가역성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 하이드로겔은 CO2를 포함하는 수용액에서 팽윤 정도가 감소, 즉 수축할 수 있으며, 상기 수축된 하이드로겔은 수용액에 비활성 기체를 공급하는 경우, 다시 팽윤함으로써 가역될 수 있다. 비활성 기체는 화학적으로 활발하지 못하여 화합물을 쉽게 형성하지 못하는 기체로서, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 등의 주기율표 18족에 속하는 기체나 질소 등을 의미한다.
상기 하이드로겔의 가역성에 대한 보다 자세한 설명은 하기에서 후술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 하이드로겔의 금속 이온 흡착을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 M은 금속 이온을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 하이드로겔은 금속 이온을 흡착할 수 있다.
구체적으로, 상기 하이드로겔에 포함된 폴리머 백본의 이미다졸기(imidazole group)를 가지고 있어, 이미다졸기와 금속 이온의 다가 배위결합을 통해 금속 이온을 흡착할 수 있다. 상기 금속 이온은 구리(Cu2+), 납(Pb2+), 니켈(Ni2+) 등과 같은 중금속 이온일 수 있다. 또한, 금속 이온을 흡착한 하이드로겔은 팽윤 정도가 변화할 수 있다.
이러한 본 발명의 하이드로겔의 가역적 CO2-반응성, pH 민감성, 금속 이온에 대한 흡착 능력을 이용하여, 하이드로겔의 팽윤에 의한 부피 팽창 여부에 따라, 압력 센서의 감지부로 이용이 가능할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 하이드로겔은 특정 pH 변화나 중금속의 존재 여부에 따라, 하이드로겔이 팽윤 또는 수축할 수 있으며, 이러한 부피 변화에 따른 압력의 변화를 감지함으로써 압력 센서의 감지부로서 이용 가능할 수 있다.
또한, 상기 하이드로겔은 친수성 및 생체적합성을 가지므로, 상기 하이드로겔의 특성을 이용하여, 약물, 피부 영양 성분 등에서 이용할 수 있는 제어 전달 시스템의 캐리어를 구성할 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예들을 통해 본 발명의 신규한 폴리머, 폴리머를 포함하는 하이드로겔, 및 하이드로겔의 제조 방법을 상세히 설명하도록 한다.
실시예 1에 따른 PHEA-HIS의 제조
폴리(2-하이드록시에틸 아스팔트아미드-코-히스타민 아스팔트아미드) (poly(2-hydroxyethyl aspartamide-co-histamine aspartamide, 이하 PHEA-HIS)를 제조하기 위해, 먼저 폴리숙신이미드(이하, PSI)를 제조하였다.
L-아스팔트산(L-aspartic acid) 20 g 및 o-인산(o-phosphoric acid) 20 g을 둥근 바닥 플라스크에 첨가하고, 200 ℃에서 5시간동안 감압 교반하였다. 반응 혼합물을 냉각한 후, DMF(N,N-dimethylformamide)에 첨가하여 용해하였다. 그 후, 과량의 물에 침전시키고, 침전물은 잔류 인산을 제거하기 위해 물로 수회 세척하였다. 세척 후, 80 ℃의 진공 하에서 건조하여, PSI를 제조하였다.
그 다음, 제조한 PSI 0.5 g을 DMSO 15 mL에 용해하여 폴리머 용액을 제조하였다. 히스타민 디하이드로클로라이드(Histamine dihydrochloride) 50 mL% 및 1.8 mL Et3N을 바이알(vial)에 혼합한 후, 70 ℃로 가열하여, 그 혼합물을 폴리머 용액을 첨가하였다. 그 다음, 4일 동안 교반하였고, 폴리머를 상온으로 냉각하였다. 과량의 에탄올아민을 첨가한 후 1일 동안 교반하고, 생성된 최종 용액은 잔존 용매를 제거하기 위해 며칠 동안 투석하였다. 그 후, 진공 하에서 동결 건조하여 80 내지 85%의 수율로, 본 발명의 실시예 1에 따른 PHEA-HIS를 제조하였다.
PHEA-HIS의 특성
PHEA-HIS의 특성을 확인하기 위해, 1H NMR 스펙트럼 및 FT-IR 스펙트럼을 확인하였고, PSI와 비교하였다. 1H-NMR 스펙트럼은 D2O를 용매로서 사용하는 브루커 AMX-500 분광계로 기록하였다. FT-IR 스펙트럼은 전체 감쇠 반사(ATR FT-IR) 분광학을 사용하여 측정하였다(브루커 IFS 66/S, 독일). 그 결과를 각각 도 4 및 도 5에 나타낸다.
도 4는 PHEA-HIS의 1H NMR 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, PHEA-HIS에서 나타나는 메틸렌 프로톤 피크(proton peaks) E 및 F는 펜던트 하이드록시에틸(pendent hydroxyethyl)에 할당된 것임을 확인할 수 있다. 피크 A 및 B는 이미다졸 고리의 두 개의 헤테로방향족(heteroaromatic) 프로톤 단일선(singlet)에 할당되었고, 피크 C 및 D는 히스타민기의 두 개의 메틸렌 프로톤에 할당된 것임을 확인할 수 있다.
PHEA-HIS의 각 그룹의 조성은 D (δ=3.28-3.45) 및 E (δ=3.15-3.28)사이의 통합비(integration ratio)로부터 결정되었으며, 폴리머 백본(backbone)에 약 30.3%의 히스타민기(Histamine group)가 결합되었음을 확인할 수 있다.
도 5는 PSI 및 PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서, A는 PSI의 FT-IR 스펙트럼을 나타내고, B는 PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
도 5를 참조하면, PSI의 스펙트럼에서, 1726 cm-1에서 강한 밴드 특성을 나타내며 이것은 이미드(imide)의 흡착을 나타낸다. 반면, 1726 cm-1에서의 강한 밴드는 PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼에서 사라진다. 즉, PSI 및 PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼의 차이를 통해, PSI 및 PHEA-HIS 각각에 포함된 히스타민기의 함량이 다른 것을 확인할 수 있다.
PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼에서, 1633 cm-1에서 강한 밴드가 나타나며, 이것은 아미드(amide)의 C=O 스트레치(stretch) 및 결합된 C=C를 포함하는 고리의 C=N 스트레칭 모드(stretching mode)를 나타낸다. 또한, 1256 cm-1에서도 강한 밴드가 나타나며, 이것은 C-H 고리 평면상 휨(in-plane bending) 및 C-N 고리 스트레칭 모드를 나타낸다. 뿐만 아니라, 1522 cm-1에서의 밴드는 아미드의 NH 스트레치에 할당되고, 이것은 아스팔트아미드(aspartamide) 백본 구조에 대응하는 것을 알 수 있다. 1061 cm-1 근처의 강한 밴드는 히스타민의 C-N 결합을 나타낸다.
PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼의 B의 3500 내지 3200 cm-1 범위의 넓은 밴드는 PHEA-HIS 코폴리머의 -OH에 기인하는 것임을 나타낸다.
실시예 2에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 제조
PHEA-HIS 가교 하이드로겔을 제조하기 위해, 상기 실시예 1에 따라 제조된 PHEA-HIS 0.2 g(10 중량/부피%)을 DMSO(Dimethyl sulfoxide)가 포함된 바이알에 용해하였다. 그 다음, 20 mol%의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 첨가하고, 상온에서 현저하게 교반하였다. 2시간 후, 형성된 겔 생성물을 밀폐 스틸 메쉬(steel mesh)에 넣고, 미반응 성분 및 DMSO를 완전히 제거하기 위해 하루 동안 과량의 증류수로 세척하였다. 이어서, 세척된 겔 생성물은 진공 하에서 3일 동안 동결-건조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔(이하, 하이드로겔)을 제조하였다.
하이드로겔의 특성
하이드로겔의 특성을 확인하기 위해, CO2에 따른 FT-IR 스펙트럼을 확인하였다. FT-IR 스펙트럼은 상기 PHEA-HIS의 특성에서 수행한 것과 실질적으로 동일한 장비 및 방법으로 수행하였다. 그 결과를 도 6에서 나타낸다.
도 6은 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 FT-IR 스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서, A는 CO2 존재하의 하이드로겔 FT-IR 스펙트럼을 나타내고, B는 A는 CO2 비존재하의 하이드로겔 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다.
도 6을 참조하면, CO2가 존재하지 않는 용액(이하, 비 CO2 용액)에서 하이드로겔의 FT-IR 스펙트럼은 상기 도 5에서 도시한 PHEA-HIS의 FT-IR 스펙트럼과 동일한 피크를 나타냄을 확인할 수 있다. 반면, CO2가 존재하는 용액(CO2 용액)에서하이드로겔의 FT-IR 스펙트럼은 1026 cm-1 및 956 cm-1에서 각각 피크를 나타내며, 이것은 하이드로겔의 짝산(conjugate acid) 이미다졸리움(imidazolium) 형태의 이미다졸 고리를 의미한다.
하이드로겔의 팽윤 능력: CO 2
본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 하이드로겔의 CO2 유무에 따른 팽윤 능력(Swelling capacity)을 확인하였다.
하이드로겔의 팽윤 능력은 팽윤비(swelling ratio, SR)로 나타내며, 티백 방법(tea bag method)을 이용하여 측정하였다. 먼저, 정량된 하이드로겔 분말을 정량된 티백에 넣고, 고유온도(specific temperature)에서 수용성 용매(aqueous medium)인 증류수(distilled water) 200 mL에 침지시키고, 일정 간격을 두고 용매로부터 하이드로겔을 회수하였다. 회수된 하이드로겔의 표면을 여과지를 이용하여 과잉수(excess water)로 세척하고, 그 중량을 측정하여 팽윤비를 계산하였다. 팽윤비는 하기 반응식 1과 같이 정의된다;
[반응식 1]
Figure 112015093580522-pat00009
상기 반응식 1에서, Wd 및 Ws는 각각 평형상태에서 건조 하이드로겔의 중량 및 팽윤 하이드로겔의 중량이다.
그 다음, 증류수에 CO2를 도입하고, CO2 도입 후의 하이드로겔의 팽윤비를 측정하였다. 그 흡착율은 시간의 함수(function of time)로서 측정하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다.
도 7은 CO2에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 팽윤 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 하이드로겔의 팽윤비는 CO2 용액에서, 비 CO2 용액인 증류수보다 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 이것은 히스타민기의 이미다졸 고리가"프로톤 뱅크"로서 참여하고, 유리 염기 형태에 프로톤을 수용하며, 프로톤화 될 때 그들을 기부하는, 양쪽성 화합물인 것을 의미한다.
또한, 증류수에 CO2가 도입되면 탄산(carbonic acid, H2CO3)을 형성하고, 증류수의 pH는 약 3.35로 감소하게 된다.
pH 4 이하의 산 용액에서, PHEA-HIS 펜던트들의 이미다졸 모이에티들은 프로톤화되고, 프로톤화는 인접한 이미다졸 단위들 사이의 분자간/분자내 수소 결합 상호작용을 통해 사슬 강성을 유도한다.
따라서, 용액으로 CO2 도입함에 따라, 하이드로겔의 수축을 유도할 수 있음을 확인할 수 있다.
하이드로겔의 팽윤 능력: pH
하이드로겔의 pH-자극(pH-stimulation)을 나타내는 pH 조건들에 따른 하이드로겔의 팽윤 정도(swelling degree)를 측정하였다. 그 결과를 도 8에서 나타낸다.
도 8은 pH 조건에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 팽윤 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 8에서 A는 하이드로겔의 시간에 따른 pH 3, pH 7, 및 pH 11에서의 팽윤 곡선을 나타내고, B는 하이드로겔의 pH에 따른 팽윤 곡선을 나타낸다.
도 8의 A를 참조하면, 하이드로겔의 평형 팽윤은 수용액에서 약 2시간 이내였으며, pH 3일 때의 하이드로겔의 팽윤 정도가 가장 낮았고, pH 11일 때의 하이드로겔의 팽윤 정도가 가장 높았다. 즉, 높은 pH에서 높은 하이드로겔의 팽윤 정도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8의 B를 참조하면, pH가 증가할수록 하이드로겔의 팽윤정도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 중성 및 알칼리성 환경에서, 하이드로겔이 실질적으로 중립이거나 pH 값이 증가됨에 따라 이온화되고, 이로 인해 더 높은 팽윤 비를 제공하기 위해 하이드로겔이 확장되어, 하이드로겔의 팽윤 정도가 증가하는 것을 의미한다.
하이드로겔의 가역성
하이드로겔의 가역성을 확인하기 위해, 일정 시간 동안 용액에 이산화탄소(CO2) 및 질소(N2) 처리를 반복하여, 하이드로겔의 전환 상태(switching state)를 확인하였다. 그 결과를 도 9에 나타낸다.
도 9는 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 가역성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에서 A는 CO2 및 N2 처리의 반복에 따른 하이드로겔의 팽윤비 변화를 나타내고, B는 pH 변화에 따른 하이드로겔의 팽윤비 변화를 나타낸다.
도 9의 A 및 B를 참조하면, 하이드로겔의 팽윤비는 CO2 처리시 감소하고, N2 처리시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, CO2 및 N2 처리를 반복하여도 각각의 팽윤비의 변화가 없음 확인할 수 있다.
이것은 상기 도 7에서 설명한 것과 같이, 용액으로 CO2가 도입되면 용액의 pH가 3.35로 감소하고, 이로 인해 하이드로겔의 부피가 감소되는 것을 나타내는 것을 의미한다. 또한, 단순한 N2 버블링을 통해 용액에 N2를 도입하면, 용액의 pH가 pH 7.56으로 증가하고, 이로 인해 하이드로겔의 부피가 확장, 즉 팽윤됨을 나타낸다.
즉, 하이드로겔의 팽윤 정도는 가역적이고 수회 반복되며, 이것은 하이드로겔의 가역성이 CO2/N2를 용액으로 반복하여 도입하고, pH를 조절함으로써 얻어질 수 있음을 의미한다.
하이드로겔의 팽윤 능력: 금속 이온
하이드로겔의 금속 이온에 대한 팽윤 능력을 확인하였다. 이온수가 같은 금속 이온들인 구리 이온(Cu2+), 납 이온(Pb2+), 및 니켈 이온(Ni2+)을 이용하여, 하이드로겔의 팽윤비를 측정하였다. 그 결과를 도 10에서 나타낸다.
도 10은 금속 이온에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 팽윤 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 각각 증류수, 구리, 납, 및 니켈 이온 함유 용액에서의 하이드로겔의 팽윤비를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 증류수에서의 하이드로겔의 팽윤비가 가장 높았으며, 그 다음, 니켈, 납, 구리 순으로 나타난다. 증류수와 비교하여, 상대적으로 금속 이온 함유 용액에서 낮은 팽윤 정도를 보이며, 이것은 하이드로겔에 포함된 폴리머 백본의 이미다졸기와 금속 이온의 다가 배위결합에 기인한 것을 알 수 있다.
즉, 따라서, 하이드로겔이 금속 이온을 흡착하였음을 확인할 수 있다.
하이드로겔의 흡착도
하이드로겔의 금속 이온에 대한 흡착도를 확인하기 위해, 구리 이온(Cu(II), Cu2+) 및 니켈 이온(Ni(II), Ni2+)에 대한 배치 흡착(Batch adsorption) 실험을 수행하였다. 흡착 실험은 각각 황산구리 5수화물(copper sulfate pentahydrate, CuSO4·5H2O) 및 황산니켈 6수화물(nickel sulfate hexahydrate)을 사용하여 평형 실험으로 수행하였다.
하이드로겔의 구리 이온에 대한 배치 흡착 실험은 CuSO4ㅇ5H2O을 50 mL의 탈이온수에 용해한 다음, 용액의 40 mL는 흡착 용액, 10 mL는 초기 용액으로 분리하였다. 분리 후, 흡착 용액을 포함하는 바이알(vial)에 하이드로겔 20 mg을 첨가하여 수행하였다.
하이드로겔의 니켈 이온 대한 배치 흡착 실험은 상기 구리 이온에 대한 배치 흡착 실험과 실질적으로 동일한 방법으로 수행하였다.
배치 흡착 실험 결과, 하이드로겔은 구리 용액에서 백색에서 밝은 청색(light blue)으로 컬러가 변화하였고, 니켈 용액에서 백색에서 밝은 녹색(light green)을 나타낸다. 이것은 하이드로겔이 용액 내의 구리 이온 및 니켈 이온과 반응하여 흡착함으로써, 컬러가 변화하였음을 나타낸다.
또한, 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 확인하였다. 하이드로겔의 흡착도는 각각 초기 및 최종 구리 및 니켈 용액의 각 이온의 농도 차이로부터 계산하였으며, 초기 및 최종 구리 및 니켈 용액은 각각 용액 1 mL를 99 mL의 탈이온수에 첨가하여 희석하여 준비하였다.
흡착도는 용액의 부피 40 mL, 흡착제의 중량 20 mg, 용액에서 초기 및 평형 금속 이온 농도의 차이에 기초하여 하기 반응식 2와 같이 정의할 수 있다.
[반응식 2]
Figure 112015093580522-pat00010
상기 반응식 2에서, Cin은 초기 금속 농도(ppm), Ceq는 평형 금속 농도(ppm), V는 금속 용액의 부피(mL) 및 m은 겔 흡수체의 중량을 나타낸다.
구리 및 니켈 이온의 농도는 불꽃 원자 흡착 분광계(flame atomic adsorption spectrometer) (AAS; Buck Scientific 210VGP, 미국)를 사용하여 측정하였다. 탈이온수의 부피는 25 mL의 뷰렛으로 정밀하게 측정하였다. 용액의 pH는 HCl (0.1N 및 0.01N) 및 NaOH (0.05N) 용액으로 조절하였다. 그 결과를 도 11에서 나타낸다.
도 11은 시간에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 구리 및 니켈 이온의 흡착률은 초기에 높고, 각각 약 80 분 및 120분 후 최대 평형 값에 도달하는 것을 나타낸다. 이것은 초기 하이드로겔이 금속 이온 흡착을 위한 많은 표면자리를 가지고 있어, 접촉 시간이 증가할수록 흡착도가 증가하는 것을 의미한다. 또한, 일정 접촉 시간 후에는 하이드로겔의 흡착 자리의 고갈로 인해, 흡착도가 더 이상 증가하지 않고 평형을 이루는 것을 확인할 수 있다.
그 다음, 금속 이온의 농도에 따른 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 확인하였다. 그 결과를 도 12에 나타낸다.
도 12는 농도에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 하이드로겔의 흡착도는 농도가 50 내지 500 ppm으로 증가함에 따라, 구리 용액에서 약 6 mg/g에서 42.35 mg/g으로 증가하였고, 니켈 용액에서 약 27 mg/g에서 78 mg/g으로 증가한 것을 확인할 수 있다. 이것은 니켈 이온이 구리 이온과 비교하여 하이드로겔에 더 빠르고 많이 흡착되는 것을 나타내며, 이것은 상기 도 10에서 설명한 것과 같이 하이드로겔의 니켈 이온에 대한 팽윤비가 구리 이온 보다 높았던 것과 동일한 결과이다. 한편, 높은 농도에서는 하이드로겔의 사용가능한 흡착 자리가 적기 때문에, 금속 이온의 흡착도가 약간 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이어서, pH에 따른 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 확인하였다. 구리 및 니켈 용액의 각각의 금속 이온 농도는 400 ppm이었으며, pH는 3 내지 5의 범위에서 흡착도를 측정하였다. 그 결과를 도 13에 나타낸다.
도 13은 pH에 따른 PHEA-HIS 가교 하이드로겔의 금속 이온 흡착도를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 하이드로겔의 흡착도는 구리 이온 및 니켈 이온에서 모두 pH가 증가할수록 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 낮은 pH에서는 하이드로겔 구조의 히스타민기와 구리 및 니켈 이온의 배위 복합체로 인해, 흡착도가 낮게 나타났음을 의미한다. 또한, 낮은 pH에서는 더 많은 H+가 존재하므로, H+가 금속 이온과 하이드로겔의 흡착 자리를 경쟁할 수 있어, 결과적으로 하이드로겔과 금속 이온의 결합의 감소를 야기할 수 있다. 때문에, 낮은 pH에서는 상대적으로 낮은 흡착도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
즉, 용액의 pH가 하이드로겔의 표면 전하 및 이온화 정도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 수용액으로부터 중금속의 흡착에 강한 영향을 미치며, 따라서, 하이드로겔은 높은 pH 조건에서 더 많은 금속 이온을 흡착할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 하기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 가교 결합되어 형성되고, 수용액 상에서 이산화탄소(CO2)와 반응하거나 금속 이온을 흡착하여 팽윤 정도가 변화하는 것을 특징으로 하는, 하이드로겔;
    [화학식 1]
    Figure 112017106395837-pat00011

    화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기(alkylene group)를 나타내며, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서,
    화학식 1은 하기 화학식 2로 나타내는 것을 특징으로 하는, 하이드로겔;
    [화학식 2]
    Figure 112017106395837-pat00012

    화학식 2에서, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
  3. 제1항에 있어서,
    하기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 가교 결합된 하기 화학식 3으로 나타내는 반복 단위를 포함하는, 하이드로겔;
    [화학식 3]
    Figure 112017106395837-pat00013

    화학식 3에서, R3 및 R5는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타내고, R4는 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기 또는 탄소수 5 내지 14의 아릴렌기(Arylene groups)를 나타내며, R6 및 R7은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서,
    화학식 3은 하기 화학식 4로 나타내는 것을 특징으로 하는, 하이드로겔;
    [화학식 4]
    Figure 112015093580522-pat00014

    화학식 4에서, R4는 탄소수 1 내지 12의 알킬렌기 또는 탄소수 5 내지 14의 아릴렌기를 나타낸다.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔의 팽윤 정도의 변화에 따라, 압력 센서의 감지부로 이용 가능한 것을 특징으로 하는,
    하이드로겔.
  8. 제1항에 있어서,
    수용액상에서 CO2와 반응한 경우, 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 감소하는 것을 특징으로 하는,
    하이드로겔.
  9. 제8항에 있어서,
    CO2와 반응한 하이드로겔은, 수용액상에서 비활성 기체와 반응한 경우 팽윤 정도가 증가하는 것을 특징으로 하는,
    하이드로겔.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    금속 이온을 흡착한 경우, 상기 하이드로겔의 팽윤 정도가 감소하는 것을 특징으로 하는,
    하이드로겔.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속 이온은 구리, 납, 니켈 및 수은 중 적어도 어느 하나를 포함하는 중금속 이온인 것을 특징으로 하는,
    하이드로겔.
  13. 폴리숙신이미드(polysuccinimide, PSI)에 히스타민(histamine)계 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계;
    상기 반응시키는 단계에 아미노알코올(Aminoalcohol)계 화합물을 첨가하여, 하기 화학식 1로 나타내는 반복 단위를 포함하는 폴리머를 포함하는 폴리머 용액을 형성하는 단계; 및
    상기 폴리머 용액에 헥사메틸레디이소시아네이트를 첨가하여, 상기 폴리머를 가교 결합시키는 단계를 포함하는, 하이드로겔의 제조 방법;
    [화학식 1]
    Figure 112015093580522-pat00016

    화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 6의 알킬렌기를 나타내며, n 및 m은 각각 독립적으로 10 내지 10,000의 정수를 나타낸다.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 히스타민계 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계 전에,
    아스팔트산(aspartic acid)에 인산(phosphoric acid)을 첨가하고 중합시켜, 폴리숙신이미드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이드로겔의 제조 방법.
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