KR102010993B1 - 3성분으로 구성된 pa 하이드로겔 - Google Patents
3성분으로 구성된 pa 하이드로겔 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102010993B1 KR102010993B1 KR1020180026530A KR20180026530A KR102010993B1 KR 102010993 B1 KR102010993 B1 KR 102010993B1 KR 1020180026530 A KR1020180026530 A KR 1020180026530A KR 20180026530 A KR20180026530 A KR 20180026530A KR 102010993 B1 KR102010993 B1 KR 102010993B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- hydrogel
- acid
- monomer
- dmaam
- acrylate
- Prior art date
Links
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 title claims abstract description 164
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 63
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 33
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims description 28
- WOBHKFSMXKNTIM-UHFFFAOYSA-N Hydroxyethyl methacrylate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCCO WOBHKFSMXKNTIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 claims description 13
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 11
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 10
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 7
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 7
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 6
- -1 acrylate ester Chemical class 0.000 claims description 5
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- VZCYOOQTPOCHFL-OWOJBTEDSA-N Fumaric acid Chemical compound OC(=O)\C=C\C(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-OWOJBTEDSA-N 0.000 claims description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BAPJBEWLBFYGME-UHFFFAOYSA-N Methyl acrylate Chemical compound COC(=O)C=C BAPJBEWLBFYGME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 4
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 claims description 4
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 4
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 claims description 4
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 4
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims description 4
- VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N trans-butenedioic acid Natural products OC(=O)C=CC(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- UZNHKBFIBYXPDV-UHFFFAOYSA-N trimethyl-[3-(2-methylprop-2-enoylamino)propyl]azanium;chloride Chemical group [Cl-].CC(=C)C(=O)NCCC[N+](C)(C)C UZNHKBFIBYXPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- JIGUQPWFLRLWPJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acrylate Chemical compound CCOC(=O)C=C JIGUQPWFLRLWPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 claims description 3
- PNJWIWWMYCMZRO-UHFFFAOYSA-N pent‐4‐en‐2‐one Natural products CC(=O)CC=C PNJWIWWMYCMZRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XFTALRAZSCGSKN-UHFFFAOYSA-M sodium;4-ethenylbenzenesulfonate Chemical group [Na+].[O-]S(=O)(=O)C1=CC=C(C=C)C=C1 XFTALRAZSCGSKN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- WBYWAXJHAXSJNI-VOTSOKGWSA-M .beta-Phenylacrylic acid Natural products [O-]C(=O)\C=C\C1=CC=CC=C1 WBYWAXJHAXSJNI-VOTSOKGWSA-M 0.000 claims description 2
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JAHNSTQSQJOJLO-UHFFFAOYSA-N 2-(3-fluorophenyl)-1h-imidazole Chemical compound FC1=CC=CC(C=2NC=CN=2)=C1 JAHNSTQSQJOJLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JKNCOURZONDCGV-UHFFFAOYSA-N 2-(dimethylamino)ethyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CN(C)CCOC(=O)C(C)=C JKNCOURZONDCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XHZPRMZZQOIPDS-UHFFFAOYSA-N 2-Methyl-2-[(1-oxo-2-propenyl)amino]-1-propanesulfonic acid Chemical compound OS(=O)(=O)CC(C)(C)NC(=O)C=C XHZPRMZZQOIPDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WROUWQQRXUBECT-UHFFFAOYSA-N 2-ethylacrylic acid Chemical compound CCC(=C)C(O)=O WROUWQQRXUBECT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OMIGHNLMNHATMP-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxyethyl prop-2-enoate Chemical compound OCCOC(=O)C=C OMIGHNLMNHATMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 2-vinylpyridine Chemical compound C=CC1=CC=CC=N1 KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WHNPOQXWAMXPTA-UHFFFAOYSA-N 3-methylbut-2-enamide Chemical compound CC(C)=CC(N)=O WHNPOQXWAMXPTA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WBYWAXJHAXSJNI-SREVYHEPSA-N Cinnamic acid Chemical compound OC(=O)\C=C/C1=CC=CC=C1 WBYWAXJHAXSJNI-SREVYHEPSA-N 0.000 claims description 2
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N Methacrylic acid Chemical compound CC(=C)C(O)=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N Propanedioic acid Natural products OC(=O)CC(O)=O OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N Vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N Vinyl ether Chemical compound C=COC=C QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 claims description 2
- 150000008064 anhydrides Chemical class 0.000 claims description 2
- 125000003710 aryl alkyl group Chemical group 0.000 claims description 2
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 2
- CQEYYJKEWSMYFG-UHFFFAOYSA-N butyl acrylate Chemical compound CCCCOC(=O)C=C CQEYYJKEWSMYFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229930016911 cinnamic acid Natural products 0.000 claims description 2
- 235000013985 cinnamic acid Nutrition 0.000 claims description 2
- LDHQCZJRKDOVOX-NSCUHMNNSA-N crotonic acid Chemical compound C\C=C\C(O)=O LDHQCZJRKDOVOX-NSCUHMNNSA-N 0.000 claims description 2
- 239000001530 fumaric acid Substances 0.000 claims description 2
- VZCYOOQTPOCHFL-UPHRSURJSA-N maleic acid Chemical compound OC(=O)\C=C/C(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UPHRSURJSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011976 maleic acid Substances 0.000 claims description 2
- HNEGQIOMVPPMNR-NSCUHMNNSA-N mesaconic acid Chemical compound OC(=O)C(/C)=C/C(O)=O HNEGQIOMVPPMNR-NSCUHMNNSA-N 0.000 claims description 2
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 claims description 2
- WBYWAXJHAXSJNI-UHFFFAOYSA-N methyl p-hydroxycinnamate Natural products OC(=O)C=CC1=CC=CC=C1 WBYWAXJHAXSJNI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N methylenebutanedioic acid Natural products OC(=O)CC(=C)C(O)=O LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HNEGQIOMVPPMNR-UHFFFAOYSA-N methylfumaric acid Natural products OC(=O)C(C)=CC(O)=O HNEGQIOMVPPMNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000000325 methylidene group Chemical group [H]C([H])=* 0.000 claims description 2
- OMNKZBIFPJNNIO-UHFFFAOYSA-N n-(2-methyl-4-oxopentan-2-yl)prop-2-enamide Chemical compound CC(=O)CC(C)(C)NC(=O)C=C OMNKZBIFPJNNIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QNILTEGFHQSKFF-UHFFFAOYSA-N n-propan-2-ylprop-2-enamide Chemical compound CC(C)NC(=O)C=C QNILTEGFHQSKFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PNXMTCDJUBJHQJ-UHFFFAOYSA-N propyl prop-2-enoate Chemical compound CCCOC(=O)C=C PNXMTCDJUBJHQJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- LDHQCZJRKDOVOX-UHFFFAOYSA-N trans-crotonic acid Natural products CC=CC(O)=O LDHQCZJRKDOVOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FZGFBJMPSHGTRQ-UHFFFAOYSA-M trimethyl(2-prop-2-enoyloxyethyl)azanium;chloride Chemical compound [Cl-].C[N+](C)(C)CCOC(=O)C=C FZGFBJMPSHGTRQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229920001567 vinyl ester resin Polymers 0.000 claims description 2
- DPBJAVGHACCNRL-UHFFFAOYSA-N 2-(dimethylamino)ethyl prop-2-enoate Chemical compound CN(C)CCOC(=O)C=C DPBJAVGHACCNRL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- SFPNZPQIIAJXGL-UHFFFAOYSA-N 2-ethoxyethyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CCOCCOC(=O)C(C)=C SFPNZPQIIAJXGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- HWLSFIXFJOJOAL-UHFFFAOYSA-N [F].C(C=C)(=O)OCC(F)(F)F Chemical compound [F].C(C=C)(=O)OCC(F)(F)F HWLSFIXFJOJOAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 150000008065 acid anhydrides Chemical class 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 23
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 15
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 14
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 11
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 8
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 7
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 7
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 125000003010 ionic group Chemical group 0.000 description 4
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 6-{[2-carboxy-4,5-dihydroxy-6-(phosphanyloxy)oxan-3-yl]oxy}-4,5-dihydroxy-3-phosphanyloxane-2-carboxylic acid Chemical compound O1C(C(O)=O)C(P)C(O)C(O)C1OC1C(C(O)=O)OC(OP)C(O)C1O FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 3
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 description 3
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 3
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 3
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 3
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 3
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 3
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229940088644 n,n-dimethylacrylamide Drugs 0.000 description 3
- YLGYACDQVQQZSW-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylprop-2-enamide Chemical compound CN(C)C(=O)C=C YLGYACDQVQQZSW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010382 chemical cross-linking Methods 0.000 description 2
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- WFTWWOCWRSUGAW-UHFFFAOYSA-N 2-(2-ethoxyethoxy)ethyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CCOCCOCCOC(=O)C(C)=C WFTWWOCWRSUGAW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WNXTZVMMNCCZTP-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxyethyl 2-methylprop-2-enoate 5-hydroxy-2-methylpent-2-enoic acid Chemical compound OCCC=C(C(=O)O)C.C(C(=C)C)(=O)OCCO WNXTZVMMNCCZTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KPGXRSRHYNQIFN-UHFFFAOYSA-N 2-oxoglutaric acid Chemical compound OC(=O)CCC(=O)C(O)=O KPGXRSRHYNQIFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004971 Cross linker Substances 0.000 description 1
- 238000005698 Diels-Alder reaction Methods 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 1
- 239000002262 Schiff base Substances 0.000 description 1
- 150000004753 Schiff bases Chemical class 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 229940030225 antihemorrhagics Drugs 0.000 description 1
- 206010003549 asthenia Diseases 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 150000001244 carboxylic acid anhydrides Chemical class 0.000 description 1
- 210000000845 cartilage Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010668 complexation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002874 hemostatic agent Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000028709 inflammatory response Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 1
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N olefin Natural products CCCCCCCC=C JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000867 polyelectrolyte Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000007348 radical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 229920000247 superabsorbent polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004583 superabsorbent polymers (SAPs) Substances 0.000 description 1
- 210000002435 tendon Anatomy 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 125000002023 trifluoromethyl group Chemical group FC(F)(F)* 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F2/00—Processes of polymerisation
- C08F2/46—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation
- C08F2/48—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation by ultraviolet or visible light
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F2/00—Processes of polymerisation
- C08F2/44—Polymerisation in the presence of compounding ingredients, e.g. plasticisers, dyestuffs, fillers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
- C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
- C08F220/10—Esters
- C08F220/34—Esters containing nitrogen, e.g. N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F228/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a bond to sulfur or by a heterocyclic ring containing sulfur
- C08F228/02—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a bond to sulfur or by a heterocyclic ring containing sulfur by a bond to sulfur
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F230/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal
- C08F230/02—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal containing phosphorus
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
- C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
- C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
- C08J3/075—Macromolecular gels
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
본원 발명은 점착력이 증진된 3성분으로 구성된 PA 하이드로겔로서, 이온 가교 밀도를 감소시켜 점착력을 증진시킨 PA 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본원 발명은 3성분으로 구성된 PA(PolyAmpholyte) 하이드로겔에 관한 것으로서, 구체적으로 이온 가교 밀도를 감소시켜 점착력을 증진시킨 3성분으로 구성된 PA(PolyAmpholyte) 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 하이드로겔은 과량의 수분을 함유하는 3차원 망상구조 고분자를 말한다. 하이드로겔은 전체 질량의 20% 이상의 수분을 함유하며, 수분의 함유량이 95%이상인 경우를 고흡수성 하이드로겔이라고 한다(비특허문헌 1 참조).
고분자 하이드로겔이 과량의 수분을 함유할 수 있는 이유는 고분자 네트워크에 친수성 그룹이 존재하기 때문이다. 고분자 네트워크의 친수성 그룹은 공유결합, 수소결합, 반데르발스 결합, 물리적 응집력 등과 같은 화학적, 물리적 작용을 동반한다(비특허문헌 2 참조). 고분자 하이드로겔의 수분 함유는 친수성 그룹과 가교 밀도 등에 영향을 받으며, 열역학적 평형 상태까지 수분을 흡수하여 팽윤된다.
고분자 하이드로겔은 과량의 수분을 함유하고 있기 때문에 액체와 고체의 중간 상태를 나타내고, 이에 따라서 금속, 세라믹, 플라스틱 등과 같은 고체 소재에서는 얻기 어려운 물리, 화학적 특성을 갖는다. 전기장, 자기장, 온도, 전류, 용매 변화, 빛과 같은 물리적 자극이나 pH, 이온 및 특정 분자 등과 같은 화학적 자극에 반응하는 외부자극응답성, 충격흡수성, 저마찰성, 생체적합성, 점탄성, 투명성 등의 특성을 들 수 있다. 이와 같은 고분자 하이드로겔의 특성을 활용하기 위한 다양한 응용 연구가 진행되고 있다. 높은 함수율과 유연성을 가지며, 생체 연성 조직(bio soft tissue)과 유사하기 때문에 세포의 지지체(scaffold), 연골, 건, 인대 등의 생체 대체 소재로의 많은 관심을 받고 있다(비특허문헌 3, 4 참조).
고분자 하이드로겔은 우수한 물리화학적 특성 및 다양한 활용 가능성에도 불구하고 아직까지는 고흡수성 수지, 콘택트렌즈 등의 매우 한정된 분야에서만 사용되고 있다. 이는 일반적인 하이드로겔의 역학적 물성이 매우 낮기 때문이다. 표면적으로 과량의 수분을 함유한다는 이유도 있지만, 근본적으로는 하이드로겔의 네트워크 불균일성 때문이다.
네트워크의 불균일성은 단량체와 가교제의 반응속도 차이에 의해 가교점간에 거리 차이가 발생하여, 가교점간의 거리가 짧은(가교의 밀도가 높은 부분)과 가교점간의 거리가 비교적 먼(가교의 밀도가 낮은 부분)이 생기기 때문이다. 이와 같은 불균일한 네트워크에 외부 하중이 가해지게 되면 우선 가교의 밀도가 높은 부분으로 응력이 집중되어 먼저 균열이 생기고, 이후에는 낮은 하중에도 쉽게 파괴되는 문제점이 발생한다(비특허문헌 4 내지 9 및 도 1 참조).
하이드로겔의 응용 분야 확대를 위한 하이드로겔의 역학적 물성을 증진시키기 위해서 다양한 연구가 진행되었다(비특허문헌 10 참조). 나노복합체(nanocomposite, NC) 하이드로겔은 수중에서 정전기적 인력으로 인해 일정한 거리를 유지하는 무기물 클레이(clay)를 화학적 가교제 대신 사용하여 네트워크를 균일하게 만든 것이다(비특허문헌 11참조). 외력에 의해 유동적으로 가교점이 이동 가능한 고리형(slide-ring) 하이드로겔도 보고되었다(비특허문헌 12 참조). 이외에 정사면체의 구조를 가지는 테트라 PEG(tetra PEG)를 이용한 균일한 네트워크를 가지는 테트라-PEG 하이드로겔도 보고되었다(비특허문헌 13 참조).
이와는 반대로 오히려 고분자 네트워크를 불균일하게 제조하여 역학적 물성을 향상시킨 연구도 보고되었다. 이중 네트워크(double network, 이하 'DN') 하이드로겔은 일반적인 불균일한 하이드로겔 내부에 또 다른 불균일한 하이드로겔 네트워크를 만들어 역학적 물성을 향상시켰다(비특허문헌 4 참조).
DN 하이드로겔은 딱딱하고(hard) 깨지기 쉬운(brittle) 고분자전해질(polyelectrolytes)의 1차 네트워크 사이에 부드럽고(soft) 유연한(flexible) 중성의 고분자 사슬을 침투시켜 2차 네트워크 구조를 형성한다. 2차 네트워크의 고분자 몰농도는 1차 네트워크의 20~30배이며, 1차 네트워크는 매우 촘촘하게 가교되어 있지만 2차 네트워크는 느슨하게 가교된 비대칭적 구조를 갖는다.
도 2에는 나노복합체, 고리형, 테트라-PEG, DN 하이드로겔의 개념도를 나타내었다.
DN 하이드로겔은 IPN(Interpenetrating Polymer Network)과 구조 및 역학적 물성에서 큰 차이를 나타낸다. IPN은 두개 네트워크의 강도를 더한 정도의 강도를 나타내는데, DN 하이드로겔은 그 이상의 역학적 물성을 나타낸다. DN 하이드로겔이 임계응력이상의 외력을 받을 경우, 가교의 밀도가 높은 1차 네트워크에 응력이 먼저 집중되고 딱딱한 1차 네트워크의 공유결합이 에너지를 흡수하면서 파괴된다. 파괴된 1차 네트워크는 가교점 역할을 하고, 느슨하게 가교된 2차 네트워크는 신장하면서 다시 상당량의 파단에너지를 흡수한다. 이와 같은 고강도화 (toughening) 기작 때문에 DN 하이드로겔은 높은 파단에너지를 갖는다(비특허문헌 4, 7 내지 9 참조).
DN 하이드로겔을 이용한 생체재료로서의 응용에 대한 다양한 연구도 보고되었다. 토끼의 무릎에 인위적 손상을 가한 후, DN 하이드로겔을 이식하여 6주 후에 경과를 확인한바, 열화현상 없이 형태를 잘 유지했으며, 이식 부위에 염증 반응 또한 없었다(비특허문헌 5 참조).
역학적 물성과 피로에너지 저항이 뛰어난 DN 하이드로겔도 실제 응용과 생산 공정을 고려할 때는 큰 문제점을 가지고 있다. DN 하이드로겔은 화학적 공유결합을 통해 네트워크를 형성하는데, 화학적 공유결합은 한번 파괴되면 다시 회복이 되지 않는 비가역적인 가교다.
이런 이유로 DN 하이드로겔은 피로저항성(fatigue resistance)이 매우 낮아 반복적인 하중을 받는 소재로 사용하기에는 많은 제약이 있다(비특허문헌 14, 15 참조). DN 하이드로겔은 2단계의 중합반응을 거쳐서 제조하는데 먼저 제조하는 전해질의 1차 네트워크가 깨지기 쉽기 때문에 복잡한 형상으로의 제조가 어렵다(비특허문헌 15 참조). 이 때문에 DN 하이드로겔은 비교적 단순한 시트(sheet)나 디스크 형태로만 제조가 가능하다. 또한 2차 수용액에 팽윤 시킬 때 충분히 잠길 정도의 과량의 수용액이 필요하기 때문에 많은 양의 2차 수용액을 사용된다.
비가역적인 화학적 가교 결합의 단점을 개선하기 위해 이온간 정전기적 결합, 소수성 결합, 고분자-나노복합체형 간 상호결합, 수소결합 등의 물리적 가교 결합을 도입한 많은 연구가 보고 되었다(비특허문헌 10 참조). 알지네이트-AAm(Acrylamide, 이하 AAm) 하이드로겔은 1차 네트워크를 가역적 물리 가교 결합을 하는 알지네이트로 대체하여 제조한 하이드로겔이다. 알지에이트-AAm 하이드로겔은 가역적 가교 결합을 하는 알지네이트를 도입하였기 때문에 네트워크가 가역적으로 회복된다(비특허문헌 16 참조). 이와 유사하게 알지네이트 대신 아가(agar)를 이용한 연구도 보고되었다(비특허문헌 17 참조). 한편, 양이온 단량체와 음이온 단량체 간의 이온 가교 결합만을 이용하여 제조된 양쪽성 전해질 (PolyAmpholyte, 이하 'PA') 하이드로겔도 보고되었다(비특허문헌 18, 도 3 참조).
PA 하이드로겔은 서로 다른 전하를 가지는 전해질(electrolyte) 간의 이온 결합을 통해 가역적인 물리가교 결합을 형성한다. PA 하이드로겔은 물리적 가교 결합 만으로 네트워크를 형성하기 때문에 인체에 유해한 화학적 가교제가 사용되지 않는다. 또한, 초기탄성계수 값이 DN 하이드로겔의 약 10배(1-10MPa)이며 피로 저항성이 높다.
PA 하이드로겔의 가교점은 이온 결합으로 이루어져 있으며, 이온 그룹이 응집해있는 숫자에 따라서 강한 결합(strong bond)과 약한 결합(weak bond)으로 분류한다. 이온 그룹이 수백 단위로 모이게 되면 강한 결합이 되고, 이온 그룹이 수십 단위로 모이게 되면 약한 결합이 된다. PA 하이드로겔이 외력을 받게 될 경우, 강한 결합은 쉽게 파괴되지 않고 형태를 유지하는 지지체 역할을 하고, 약한 결합은 먼저 파괴되어 외력에 따른 에너지를 소멸(dissipate)시키는 역할을 한다. 이후 약한 결합은 빠르게 다시 인접한 부분과 결합하기 때문에 PA 하이드로겔은 뛰어난 회복력(recovery)과 자가 치유 특성(self-healing property)을 가질 수 있다(비특허문헌 18, 도 4 참조).
자가 치유 현상은 크게 물리적 자가 치유와 화학적 자가 치유로 나눌 수 있다. 물리적인 자가 치유는 분자, 체인, 올리고머간의 인력 등 상호작용 등에 의해 일어난다. 수소 결합, 결정화, 자가 치유 기능을 발휘할 수 있는 무기나노 입자(clay, graphene oxide)를 첨가함으로써 물리적 자가 치유 기능을 부가할 수 있다.
화학적 자가 치유 공유결합에 의해 일어난다. 예를 들면 페닐보로네이트 에스터 결합체(phenylboronate ester complexations), 디설파이드 결합(disulfide bond), 이민 결합(imine bond, schiff base), 아크릴히드라존 결합(acylhydrazone bond), 가역적 라디칼 반응(reversible radical reaction), 딜스-알더 반응(diels-alder reaction) 등이 있다. 화학적 자가 치유 결합은 물리적 자가 치유 결합보다 결합에너지는 강하지만 자가 치유 능력은 낮다.
자가 치유 현상이 일어나기 위해서는 고분자 체인에 자가 치유를 가능하게 하는 관능기가 반응이 가능한 형태로 존재하여야 한다. 자가 치유 속도는 손상영역에서 이동상 형성이 용이 할수록 증가하는데, 과량의 수분을 함유하는 하이드로겔은 이러한 점에서 큰 장점을 가진다. 자가 치유 정도의 평가는 역학적 물성을 측정하여 파단강도와 파단 변형률이 회복되는 정도를 확인하는 방법, SEM을 이용하여 시간경과에 따른 회복 부분 관찰, AFM을 이용한 표면 스캔 등의 방법이 있다(비특허문헌 19 참조).
PA 하이드로겔은 네트워크 내에 양이온과 음이온을 모두 가지고 있기 때문에 다른 +전하 및 -전하를 가지는 하이드로겔, 소재, 표면과 점착력을 나타낸다. 인체의 피부와 같은 생물학적 표면은 양이온, 음이온, 극성, 비극성을 모두 포함하는 매우 복잡한 구조를 가지고 있다. 일반적인 하이드로겔은 습윤 상태이고 점착력을 나타내는 작용기가 없거나 결합력이 약하기 때문에 생물학적 표면에 매우 낮은 점착력을 나타낸다. 이에 반해 PA 하이드로겔은 다량의 이온을 함유하기 때문에 생물학적 표면과의 강한 점착력을 나타낼 수 있다. 이를 이용한 상처 드레싱이나 지혈제 등의 분야로 응용이 가능할 것이라고 예상된다(비특허문헌 20 참조).
하지만 PA 하이드로겔은 이온 그룹의 높은 응집력으로 인해 오히려 탄성체에 가까운 성질을 나타낸다. 이러한 점 때문에 다른 표면과 상호작용을 할 수 있는 잉여 이온 그룹이 적을 뿐만 아니라, 충분한 점착력을 가지지 못하여 실제적인 응용에 있어서 많은 제약이 있다.
김소연. 2008. 일반총설: 생체조직공학적 응용을 위한 고분자 하이드로젤의 연구동향. 조직공학과 재생의학. 5: 14-25.
Kopecek J, Yang J. 2007. Hydrogels as smart biomaterials. Polymer International. 56: 1078-1098.
Gong JP. 2010. Why are double network hydrogels so tough? Soft Matter. 6: 2583.
Gong JP, Katsuyama Y, Kurokawa T, Osada Y. 2003. Double-Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength. Advanced Materials. 15: 1155-1158.
Arakaki K, Kitamura N, Fujiki H, Kurokawa T, Iwamoto M, Ueno M, et al. 2010. Artificial cartilage made from a novel double-network hydrogel: In vivo effects on the normal cartilage and ex vivo evaluation of the friction property. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 93: 1160-1168.
Azuma C, Yasuda K, Tanabe Y, Taniguro H, Kanaya F, Nakayama A, et al. 2007. Biodegradation of high-toughness double network hydrogels as potential materials for artificial cartilage. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 81: 373-380.
Na Y-H, Kurokawa T, Katsuyama Y, Tsukeshiba H, Gong JP, Osada Y, et al. 2004. Structural characteristics of double network gels with extremely high mechanical strength. Macromolecules. 37: 5370-5374.
Tsukeshiba H, Huang M, Na Y-H, Kurokawa T, Kuwabara R, Tanaka Y, et al. 2005. Effect of polymer entanglement on the toughening of double network hydrogels. The Journal of Physical Chemistry B. 109: 16304-16309.
Haque MA, Kurokawa T, Gong JP. 2012. Super tough double network hydrogels and their application as biomaterials. Polymer. 53: 1805-1822.
Peak CW, Wilker JJ, Schmidt G. 2013. A review on tough and sticky hydrogels. Colloid and Polymer Science. 291: 2031-2047.
Haraguchi K, Takehisa T. 2002. Nanocomposite Hydrogels: A Unique Organic-Inorganic Network Structure with Extraordinary Mechanical, Optical, and Swelling/De-swelling Properties. Report of Kawamura Institute of Chemical Research. 2002: 61-64.
Okumura Y, Ito K. 2001. The Polyrotaxane Gel: A Topological Gel by Figure-of-Eight Cross-links. Advanced Materials. 13: 485-487.
Sakai T, Matsunaga T, Yamamoto Y, Ito C, Yoshida R, Suzuki S, et al. 2008. Design and Fabrication of a High-Strength Hydrogel with Ideally Homogeneous Network Structure from Tetrahedron-like Macromonomers. Macromolecules. 41: 5379-5384.
Chen Y, Dong K, Liu Z, Xu F. 2012. Double network hydrogel with high mechanical strength: Performance, progress and future perspective. Science China Technological Sciences. 55: 2241-2254.
Na YH. 2013. Double network hydrogels with extremely high toughness and their applications. Korea-Australia Rheology Journal. 25: 185-196.
Sun JY, Zhao X, Illeperuma WR, Chaudhuri O, Oh KH, Mooney DJ, et al. 2012. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature. 489: 133-136.
Chen Q, Zhu L, Zhao C, Wang Q, Zheng J. 2013. A Robust, One-Pot Synthesis of Highly Mechanical and Recoverable Double Network Hydrogels Using Thermoreversible Sol-Gel Polysaccharide. Advanced Materials. 25: 4171-4176.
Sun TL, Kurokawa T, Kuroda S, Ihsan AB, Akasaki T, Sato K, et al. 2013. Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity. Nature materials. 12: 932-937.
Wei Z, Yang JH, Zhou J, Xu F, Zrinyi M, Dussault PH, et al. 2014. Self-healing gels based on constitutional dynamic chemistry and their potential applications. Chemical Society Reviews. 43: 8114-8131.
Roy CK, Guo HL, Sun TL, Ihsan AB, Kurokawa T, Takahata M, et al. 2015. Self-Adjustable Adhesion of Polyampholyte Hydrogels. Adv Mater. 27: 7344-7348.
Gong JP, Kurokawa T, Narita T, Kagata G, Osada Y, Nishimura G, Kinjo M. 2001. Synthesis of hydrogels with extremely low surface friction. Journal of the American Chemical Society. 123: 5582-5583.
Ihsan AB, Sun TL, Kurokawa T, Karobi SN, Nakajima T, Nonoyama T, et al. 2016. Self-Healing Behaviors of Tough Polyampholyte Hydrogels. Macromolecules.
Ihsan AB, Sun TL, Kuroda S, Haque MA, Kurokawa T, Nakajima T, Gong JP. 2013. A phase diagram of neutral polyampholyte - from solution to tough hydrogel. Journal of Materials Chemistry B. 1: 4555.
본원 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 자가 치유력을 가지고 있는 PA 하이드로겔의 점착력을 실제 응용 가능한 수준으로 높이는 것을 목표로 한다.
본원 발명은 오히려 이온 가교 밀도를 감소시킨다는 매우 간단하면서도 효율적인 방법으로 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있었다.
본원 발명에서는 PA 하이드로겔의 본래 특성을 유지하면서도 PA 하이드로겔의 가교 밀도를 감소시켜 점착력을 증진하기 위해 이온 가교에 오히려 결함부분을 만들었다. 결함부분 도입을 통해 이온 가교의 밀도가 감소하고 이에 점착력이 증진된다(도 5 참조).
결함 부분을 만들기 위해 PA 하이드로겔에 중성 단량체, 바람직하게는 N,N-디메틸아크릴아미드(N,N-Dimethylacrylamide, 이하 'DMAAm'), 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-Hydroxyethyl methacrylate, 이하 'HEMA')등을 첨가하여 하이드로겔을 제조하였다. 중성 단량체의 함량에 따라서 PA 하이드로겔을 제조하고, 인장 시험을 통해 중성 단량체 함량에 따른 역학적 물성을 확인하였다. 또한 기존의 PA 하이드로겔이 가지고 있던 특성인 회복력과 자가 치유 특성이 가교 밀도가 감소함에 따라서 어떠한 경향을 나타내는지 확인하였다. 그리고 중성 단량체 첨가에 따른 가교 밀도의 감소가 점착력을 얼마나 증진 시켰는지 확인하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는
PA(PolyAmpholyte) 하이드로겔을 개질하는 방법에 있어서,
1) PA 하이드로겔을 제조하기 위한 단량체를 준비하는 단계;
2) 상기 PA 하이드로겔의 일부 결합을 손상시키는 단계;를 포함하는 PA 하이드로겔을 개질하는 방법을 제공한다. 본원 발명에 따른 상기 PA 하이드로겔은 별도의 지지체가 없다.
상기 PA 하이드로겔은 이온 가교 결합만으로 제조된 양쪽성 전해질 하이드로겔이다. 구체적으로 양이온 단량체와 음이온 단량체를 포함하는 용액에 UV 또는 반응개시제를 사용하여 가교 결합을 시킨 것이다. 이때, 가교제는 사용되지 않는다.
상기 양이온 단량체는 [3-(Methacryloylamino)propyl]trimethylammonium chloride solution (MPTC), (2-(acryloyloxy)ethyl)trimethylammonium chloride(DMAEA-Q), 또는 하기 화학식 1이고, 상기 음이온 단량체로는 Sodium 4-vinylbenzenesulfonate (NaSS), 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid(AMPS), 또는 하기 화학식 2이다.
화학식 1
여기서 R1은 수소 또는 치환기로서 하이드록실기 또는 할로겐을 갖는 탄소수 1 내지 6의 알킬; R2는 -COO- 또는 -CONH-; 각각 R3과 R4는 메틸; R5는 메틸렌이다.
화학식 2
여기서, R1은 수소 또는 치환기로서 하이드록실기 또는 할로겐을 갖는 탄소수 1 내지 6의 알킬; R6은 설포닉산 또는 인산, 탄소수 1 내지 6개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 알킬, 탄소수 6 내지 12개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 아릴, 탄소수 7 내지 12개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 아르알킬, 설포닉산 또는 인산을 갖는 카르복실기, 설포닉산 또는 인산을 갖는 아미노기이다.
특히 상기 2) 단계는 중성단량체를 사용하여 이온 가교 결합의 일부 결합을 손상시키는 것이다. 대표적인 상기 중성단량체로는 N,N-Dimethylacrylamide (DMAAm) 또는 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA)가 있다. HEMA는 PA 하이드로겔의 투명성을 높이기 위해서 사용되며, DMAAm은 접착성을 높이기 위해서 사용된다. 그 외에도 사용 가능한 중성단량체로는 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 신남산, 이타콘산, 크로톤산, 에타크릴산, 시토콘산, 메사콘산, 푸마르산, β-스테릴아크릴산의 무수물 등의 올레핀계 불포화된 카르복실산 무수물, 아크릴레이트 에스테르, 아크릴아미드, 올레핀, 비닐 에스테르, 비닐 에테르, 비닐 아미드, 디메틸 아크릴아미드, 디아세톤 아크릴아미드, 히드록실 에틸 메타크릴레이트, 히드록실 에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트, 에톡시 에톡시 에틸 메타크릴레이트, 에톡시, 에톡시 에틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, N-이소프로필아크릴아미드, 비닐피리딘, 스티렌, 메틸메타크릴레이트, 불소 함유 불포화 단량체(예를 들면, 트리플루오로에틸아크릴레이트) 또는 아세트산비닐 등을 들 수 있다.
특히 상기 1) 단계 및 2) 단계가 동시에 이루어질 수 있다. 예를 들면, 양이온성 단량체, 음이온성 단량체, 중성 단량체를 포함하는 용액에 UV 또는 반응개시제를 사용하여 가교 결합을 시킬 수 있다. 상기 용액에는 분산제와 개시제가 추가로 포함될 수 있다.
본원 발명의 제2양태는 이상과 같은 개질하는 방법에 의해서 개질된 3성분으로 구성된 PA 하이드로겔을 제공한다.
본원 발명의 제3양태는 본원 발명에 따른 3성분으로 구성된 PA 하이드로겔을 포함하는 바이오 키트를 제공한다.
이상과 같이 본원 발명은 PA 하이드로겔의 고유 특성은 유지하면서 점착력을 낮출 수 있다. 이를 통해서 다양한 생물학적 분야에 응용할 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 불균일한 일반적인 하이드로겔(좌)과 이상적인 균일한 하이드로겔의 개념도이다.
도 2는 나노복합체(A), 고리형(B), 테트라-PEG(C), DN 하이드로겔(D)의 개념도이다.
도 3은 PA 하이드로겔 네트워크 구조의 모식도이다.
도 4는 PA 하이드로겔 회복 거동 메커니즘의 모식도이다.
도 5는 본원 발명에 따른 중성 단량체 첨가에 의해 PA 하이드로겔의 가교 밀도가 감소되는 모식도이다.
도 6은 본원 발명에 따른 인장시험을 통해 파단강도, 파단변형률, 초기탄성계수를 측정하는 결과의 분석 모식도이다.
도 7은 본원 발명에 따른 회복율을 구하기 위한 반복 시험 그래프의 모식도이다.
도 8은 본원 발명에 따른 자가 치유 효율의 측정 방법이다.
도 9는 본원 발명에 따른 점착력 측정 방법의 모식도이다.
도 10은 본원 발명에 따른 하이드로겔의 투명성을 측정한 결과이다.
도 11은 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 역학적 물성 측정 결과이다.
도 12는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 초기탄성계수와 팽윤도 비교 그래프이다.
도 13은 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 역학적 물성 측정 결과이다.
도 14는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 초기탄성계수와 팽윤도 비교 그래프이다.
도 15는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 지연 시간에 따른 반복 시험 결과이다.
도 16의 a)는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 잔류 변형 결과이며, b)는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 잔류 변형 결과이다.
도 17의 a)는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 회복율 결과이며, b)는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 회복율 결과이다.
도 18은 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 자가 치유 한 인장 그래프와 자가 치유 하지 않은 인장 그래프를 보여주다.
도 19는 점착 특성을 나타내는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 점착력 테스트 결과이다.(DMAAm의 함량: ~0.3M 이상)
도 2는 나노복합체(A), 고리형(B), 테트라-PEG(C), DN 하이드로겔(D)의 개념도이다.
도 3은 PA 하이드로겔 네트워크 구조의 모식도이다.
도 4는 PA 하이드로겔 회복 거동 메커니즘의 모식도이다.
도 5는 본원 발명에 따른 중성 단량체 첨가에 의해 PA 하이드로겔의 가교 밀도가 감소되는 모식도이다.
도 6은 본원 발명에 따른 인장시험을 통해 파단강도, 파단변형률, 초기탄성계수를 측정하는 결과의 분석 모식도이다.
도 7은 본원 발명에 따른 회복율을 구하기 위한 반복 시험 그래프의 모식도이다.
도 8은 본원 발명에 따른 자가 치유 효율의 측정 방법이다.
도 9는 본원 발명에 따른 점착력 측정 방법의 모식도이다.
도 10은 본원 발명에 따른 하이드로겔의 투명성을 측정한 결과이다.
도 11은 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 역학적 물성 측정 결과이다.
도 12는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 초기탄성계수와 팽윤도 비교 그래프이다.
도 13은 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 역학적 물성 측정 결과이다.
도 14는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 초기탄성계수와 팽윤도 비교 그래프이다.
도 15는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 지연 시간에 따른 반복 시험 결과이다.
도 16의 a)는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 잔류 변형 결과이며, b)는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 잔류 변형 결과이다.
도 17의 a)는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 회복율 결과이며, b)는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 회복율 결과이다.
도 18은 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 자가 치유 한 인장 그래프와 자가 치유 하지 않은 인장 그래프를 보여주다.
도 19는 점착 특성을 나타내는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 점착력 테스트 결과이다.(DMAAm의 함량: ~0.3M 이상)
이하 본원 발명에 대한 구체적인 내용을 도면을 참조하여 설명한다.
<시료의 준비>
중성 단량체를 첨가한 PA 하이드로겔 제조를 위해 양이온 단량체로는 [3-(메타크릴오일아미노)프로필]트리메틸암모늄 클로라이드([3-(Methacryloylamino)propyl]trimethylammonium chloride, 이하 'MPTC') 용액을 Sigma-aldrich Ltd.로부터 입수하였다. 음이온 단량체로는 4-비닐벤젠술포네이트 나트륨(Sodium 4-vinylbenzenesulfonate, 이하 'NaSS')을 Sigma-aldrich Ltd.로부터 입수하였다. 중성 단량체로는 N,N-디메틸아크릴아미드(N,N-Dimethylacrylamide, 이하 'DMAAm')와 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-Hydroxyethyl methacrylate, 이하 'HEMA')를 Tokyo Chemical Industry Co. Ltd.로부터 입수하였다. 분산제로 염화나트륨(NaCl)을, 광 개시제로는 2-옥소글루타릭 산(2-Oxoglutaric acid)을 Tokyo Chemical Industry Co. Ltd.로부터 입수하였다.
<PA 하이드로겔의 제조>
양이온 단량체, 음이온 단량체, 중성단량체를 분산제와 개시제를 녹인 증류수에 분산시킨다. 글러브 박스에서 진공시스템을 이용해 용존 산소를 제거해주었다. 유리판과 스페이서를 이용하여 반응용기를 만든 후 용액을 채우고, 365㎚ 파장의 UV 램프를 10시간이상 조사하였다. 중합을 완료한 하이드로겔을 과량의 증류수에 팽윤시켜 잔존 단량체, 개시제를 제거해주었다. PA 하이드로겔 제조에 사용한 총 단량체의 몰수를 Cm(M)이라 하며, 음이온 단량체의 비율(음이온 단량체 몰 / 양이온 + 음이온 단량체 몰)을 f 값이라 한다. 본원 발명에서 중성 단량체의 함량을 0.1M ~ 0.4M로 증가시키면서 PA 하이드로겔을 제조하였으며, Cm(M) 값과 f 값은 각각 2와 0.52로 고정하였다.
<역학적 물성 및 팽윤도 측정>
제조한 PA 하이드로겔의 역학적 물성(파단강도, 파단변형률, 초기탄성계수)을 측정하기 위해 인장 시험을 하였다(도 6참조). 시험에 앞서 시료를 덤벨 모양으로 절단하였다. 절단한 시편을 만능재료시험기를 이용하여 인장시험을 실시하였으며, 시험 속도는 1㎜/sec로 측정하였다. 측정한 데이터를 이용하여 응력-변형률 곡선을 도식화하고, 파단점에서 파단 강도와 파단 변형률 값을, 초기 변형률 0.15까지의 기울기 값을 구하여 초기탄성계수 값을 구하였다. 팽윤도의 측정은 평형상태의 PA 하이드로겔의 질량(wswell)을 측정한 후에 오븐에서 5일간 건조하고, 이후 건조 된 PA 하이드로겔의 질량(wdry)을 측정하여 다음의 공식을 통하여 그 값을 구하였다.
팽윤도(q, swelling ratio) = wswell/wdry (1)
<회복율 측정>
중성 단량체가 첨가됨에 따른 PA 하이드로겔의 회복율을 측정하기 위해 반복 시험을 진행하였다(도 7 참조). 반복 시험은 PA 하이드로겔을 덤벨 모양으로 절단 한 후에 만능재료시험기를 이용하여 변형률 2까지 1㎜/sec의 속도로 시편을 로딩하고, 다시 원점으로 복귀시켰다. 그리고 시간 경과 (waiting time : 0.25min, 1min, 5min, 10min)에 따라 다시 로딩, 언로딩하였다. 시험을 통해 얻은 데이터를 도식화하여 잔류변형(residual strain) 값을 구하였다. 그리고 피로 에너지(fatigue energy) 값은 시간에 따른 사이클 커브의 면적 값(B)을 통해 피로 에너지 값을 구하였으며, 다음의 공식(비특허문헌 18 참조)을 통해 회복율(recovery ratio) 값을 구하였다.
회복율(Recovery ratio)(%) = B/AFirst loading area (2)
<자가 치유 특성 측정>
중성 단량체의 첨가에 따른 자가 치유 특성을 확인하기 위해 자가 치유실험을 진행하였다(도 8 참조). 먼저 PA 하이드로겔을 인위적으로 절단하였다. 그리고 절단된 시편을 고농도의 염화나트륨(NaCl) 수용액에 3분간 침지시켰다(비특허문헌 22 참조). Na와 Cl 이온은 이온 결합을 하는 PA 하이드로겔 네트워크 내에서 카운터 이온 효과(counter ion effect)를 나타내어 이온 가교 결합을 느슨하게 하므로 자가 치유 효율과 자가 치유 시간이 감소된다. 3분이 경과한 후에 시편을 상온으로 꺼내 절단면을 접촉시키고 상온에서 24시간동안 자가 치유 하였다. 그리고 자가 치유된 시료를 과량의 증류수에 팽윤시켜 하이드로겔 내부의 잔존 NaCl을 제거하여 네트워크가 다시 응집되도록 하였다. 그리고 자가 치유의 정도를 확인하기 위해 자가 치유한 시료와 자가 치유하지 않은 시료의 파단 점에서의 파단 강도, 파단 변형률을 측정하여 다음의 공식을 이용하여 자가 치유 효율을 확인하였다.
자가 치유 효율(Self-healing efficiency (%)) : μσ=σhealing/σvirgin
με = εhealing/εvirgin (3)
σhealing은 자가 치유된 하이드로겔의 파단 강도이고, σvirgin은 자가 치유 하지 않은 샘플의 파단 강도이다. 이와 마찬가지로 εhealing은 자가 치유한 하이드로겔의 파단 변형률이고, εvirgin은 자가 치유 하지 않은 하이드로겔의 파단 변형률이다.
<점착 특성 측정>
중성 단량체 첨가에 따른 점착력 증진 효과를 확인하기 위해 점착력 측정 실험을 진행하였다(도 9 참조). 점착력 측정은 전단 점착력 실험 방법(shear adhesion method)을 사용하였다. 전단 점착력 실험 방법은 시편을 유리에 붙이고 전단력을 가하여 이에 따른 점착력을 측정하는 방법(비특허문헌 20 참조)으로, 본 연구에서는 유리보다 생물학적 표면에 보다 가까운 젤라틴 표면에서의 점착력을 확인하였다. 젤라틴 30wt% 하이드로겔을 제조하여 유리판에 순간접착제를 이용하여 접착시켜 젤라틴 표면을 만들었으며, PA 하이드로겔 시편을 25㎜ X 25㎜ 크기로 절단하고, 젤라틴 표면 사이에 시료를 넣고 5초간 압착하여 시편을 제작하였다. 제조한 시편은 만능재료시험기를 이용하여 점착력을 측정하였으며, 실험을 통해 최대 점착력 값을 확인하였다.
<실시예>
기존의 PA 하이드로겔 양이온 단량체, 음이온 단량체에 중성 단량체 DMAAm을 첨가하여 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔을 제조하였다. 아울러 PA 하이드로겔 양이온 단량체, 음이온 단량체에 중성 단량체 HEMA를 첨가하여 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔을 제조하였다. P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm)하이드로겔은 일반적인 PA 하이드로겔과 마찬가지로 불투명한 흰색을 띄었다. 이에 반해 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 경우에는 도 10과 같이 투명성을 나타내는 것을 확인하였다.
<역학적 물성 및 팽윤도 측정>
DMAAm과 HEMA의 함량에 따른 역학적 물성을 측정했다. 도 11은 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 역학적 물성 측정 결과이다. DMAAm의 함량이 증가함에 따라 파단 강도는 감소하였고, 파단 변형률은 증가하였다. 그리고 DMAAm의 첨가량이 0.4M 이상에서는 10이상의 높은 파단 변형률을 나타내었다.
도 12는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 초기탄성계수와 팽윤도 비교 그래프이다. DMAAm의 함량이 증가함에 따라 초기탄성계수는 감소하였고, 팽윤도는 증가하는 경향을 보였다. P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 경우, 예상했던 것과 같이 중성 단량체 첨가에 의한 이온 가교 결합의 밀도 감소에 기인하여 역학적 물성이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 역학적 물성이 감소하는 정도는 중성 단량체 DMAAm의 함량이 증가할수록 점차 감소하는 것으로 보아 DMAAm의 함량증가와 역학적 물성의 의존성을 확인하였다.
도 13은 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 역학적 물성 측정 결과이다. HEMA의 함량이 증가함에 따라 역학적 물성이 감소하였지만, 0.1~0.3M까지는 역학적 물성이 함량에 의존하지 않았으며, 0.4M이상부터 역학적 물성이 감소하였다. 도 14는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 초기탄성계수와 팽윤도 비교 그래프이다. HEMA의 함량이 증가함에 따라 초기탄성계수는 감소하였지만, 팽윤도는 HEMA의 함량에 의존하지 않았다.
도 11 내지 도 14에서 볼 수 있듯이 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔은 서로 다른 역학적 거동을 나타냈다. P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔은 DMAAm이 소량 첨가되어도 뚜렷한 역학적 물성의 감소가 나타났으나, P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 경우에는 HEMA의 함량이 0.1~0.3M일 경우에는 기존의 PA 하이드로겔보다는 역학적 물성이 감소하였지만, 함량이 0.1에서 0.3M로 증가하여도 뚜렷한 강도의 변화는 나타나지 않았다. 이보다 높은 함량인 0.4M부터는 다시 역학적 물성이 감소하는 경향을 나타냈다.
PA 하이드로겔에 중성 단량체 DMAAm가 부가되었을 때가 HEMA가 부가되었을 때보다 이온 가교의 밀도를 보다 빠르게 감소시키는 것으로 해석된다. 이와 같이 중성 단량체인 DMAAm과 HEMA는 같은 함량일 때, PA 하이드로겔의 이온 가교 결합에 미치는 영향이 다른 것을 확인하였다.
<회복율 측정>
중성단량체 DMAAm과 HEMA의 함량에 따른 잔류 변형, 피로 에너지, 회복율 값을 측정하기 위해 반복 시험을 진행했다. 반복 시험을 통해 도 15의 사이클 커브를 얻었고, 이 커브를 이용하여 잔류 변형, 피로 에너지, 회복율 값을 구하였다.
도 16 a는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 잔류변형 그래프이며, b는 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 잔류변형 그래프이다. P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 경우에는 DMAAm의 함량이 0.2M일 경우, 시간이 경과함에 따라 잔류 변형은 0.15, 0.085, 0.01, 0으로 순차적으로 감소하였다. 0.25M과 0.4M의 경우에도 마찬가지로 시간 경과에 따라 잔류 변형은 감소하였다. P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔도 유사한 거동을 나타냈다. HEMA의 함량이 0.2M인 경우, 시간이 경과함에 따라 잔류 변형은 0.5, 0.44, 0.21, 0.12 순으로 감소하였다.
P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔 모두 시간이 경과함에 따라 잔류 변형이 감소한 것으로 보아 네트워크는 회복되었다. 하지만 회복되는 속도는 차이가 있는 것으로 생각된다. 중성 단량체의 함량이 0.2M인 경우를 비교해 보면, P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 경우에는 0.25min일 때 0.15이지만 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔은 0.5로 3배의 차이를 나타내었다. 이와 같이 같은 함량의 중성단량체를 첨가하였음에도 불구하고 DMAAm이 HEMA 보다 뛰어난 회복력을 나타내었다.
응력을 인가하고 제거하기를 반복하는 사이클 테스트로부터 피로에너지를 측정했다. P(NaSS-co-MPTC-co-dMMAAm) 하이드로겔의 경우에는 DMAAm의 함량이 증가함에 따라 피로에너지는 급격히 감소하였으며, 대체적으로 낮은 피로에너지 값을 나타내었다. P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 경우에도 DMAAm과 마찬가지로 HEMA의 함량이 증가함에 따라 피로 에너지는 감소하였다. HEMA 0.1M의 경우에는 3번째 사이클만에 파단 되었다. HEMA를 첨가한 경우, DMAAm을 첨가한 경우보다 월등히 높은 피로에너지 값을 나타냈다. DMAAm의 함량이 0.2M 일 경우 90.4kJ/㎥의 피로 에너지 값을 나타내는 반면, HEMA 0.2M의 경우에는 약 10배인 843 kJ/㎥의 피로 에너지 값을 나타냈다.
측정한 피로에너지 값을 통해 회복율 값을 구하였다(도 17). DMAAm의 함량이 0.2M일 경우에는 시간이 0.25min, 1min, 5min, 10min으로 경과함에 따라 각각 70.7%, 82.5%, 100%, 100%의 뛰어난 회복율 값을 나타내었다(도 17 a 참조). HEMA의 경우에는 함량이 0.2M일 때, 시간이 경과함에 따라 각각 42.8%, 46.4%, 56.5%, 57.7%의 회복율을 나타냈다(도 17 b 참조). 같은 함량의 중성 단량체를 첨가하였을 경우에는 DMAAm를 첨가하였을 때가 HEMA를 첨가하였을 때보다 회복율이 높았다. 또한 기존의 PA 하이드로겔의 경우 짧은 지연 시간에서는 빠른 회복을, 긴 지연 시간에서는 느린 회복거동을 나타낸다(비특허문헌 23 참조).
P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔도 기존의 PA 하이드로겔과 마찬가지로 0.25min, 1min의 비교적 짧은 지연 시간일 경우에 회복되는 속도가 빨랐으며, 5min, 10min의 비교적 긴 지연 시간에서는 회복되는 속도가 느렸다.
<자가 치유 특성 측정>
중성 단량체를 첨가하여 제조한 하이드로겔의 자가 치유 실험을 진행한 후에 인장 강도 측정을 하였다(도 18 참조). P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 경우에는 이온 가교의 밀도가 같은, 동일한 M수의 함량일 때 HEMA 보다 역학적 물성이 큰 폭으로 감소하는 것으로 볼 때 이온 가교의 응집력이 HEMA보다 낮은 것으로 생각된다. 그러므로 DMAAm의 경우에는 0.3M이상의 NaCl수용액에서 하이드로겔의 형태를 유지하기 힘들었으며, 이에 따라서 자가 치유 실험에 어려움이 있었다. 그러므로 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔은 0.2M이하의 시료만을 사용하여 실험을 진행하였다.
P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 경우에는 실험에 사용한 함량에서는 연화가 크지 않아 0.1M ~ 0.4M 모두 실험을 진행하였다. 자가 치유 실험 후에 자가 치유 효율을 측정하기 위해 자가 치유한 샘플과 자가 치유 하지 않은 샘플의 인장 시험을 통해 파단 강도와 파단 변형률을 측정하였다. 시편은 자가 치유 하지 않은 샘플과 자가 치유하는 샘플을 동일하게 고농도의 NaCl 수용액에 침지시킨 후에 동일한 환경에서 제작하였다. P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔과 P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔 모두 자가 치유된 것을 확인하였으며, 자가 치유 효율은 파단 강도는 68.1% ~ 85.7%의 회복을, 파단 변형률은 46.7% ~ 96.1%의 회복을 나타냈다. 기존의 PA 하이드로겔의 경우에는 파단강도 54.5% 회복, 파단 변형률 100% 회복과 비교하면, 파단 강도는 보다 회복되었고, 파단 변형률은 보다 낮게 회복되었다.
<점착력 측정>
중성 단량체 첨가에 따른 점착력 증진을 확인하기 위해 점착력 실험을 하였다. 도 19는 P(NaSS-co-MPTC-co-DMAAm) 하이드로겔의 점착력 측정 그래프이다. DMAAm의 함량이 0.1~0.2M일 때에는 점착 성질이 나타나지 않았으며, 0.3M 이상부터 점착 성질이 나타났다. 하지만 0.5M이상에서는 역학적 물성이 너무 낮아(응집력이 매우 낮은) 점착면에서의 파단이 아닌 하이드로겔 샘플 자체에서의 파단이 발생하였다. P(NaSS-co-MPTC-co-HEMA) 하이드로겔의 경우에는 이번에 제조한 HEMA 0.1~0.4M의 함량 구간 내에서는 점착 성질을 나타내지 않았다.
상기 기술적 특징과 관련된 사항 이외에 본 발명을 실시함에 필요한 부수적인 요소들은 이 출원이 속하는 기술 분야에서 통상적인 기술 내용에 따라 가감이 가능한 것이므로 이에 대한 구체적인 사항은 기재를 생략하며, 이 출원이 속하는 기술 분야에서 일반적으로 알려진 주지 또는 관용의 기술이 필요에 따라 본 발명에 적용될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 통상의 기술자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (11)
1) PA(PolyAmpholyte) 하이드로겔을 제조하기 위한 단량체를 준비하는 단계;
2) 상기 PA 하이드로겔의 일부 결합을 손상시키는 단계;를 포함하는 PA 하이드로겔을 개질하는 방법에 있어서,
상기 PA 하이드로겔은 이온 가교 결합만으로 제조된 양쪽성 전해질 하이드로겔이고,
상기 양쪽성 전해질 하이드로겔은 양이온 단량체와 음이온 단량체를 포함하는 용액에 UV 또는 반응개시제를 사용하여 가교 결합을 시킨 것이며, 이때 가교제는 사용되지 않고,
상기 2) 단계는 중성단량체를 사용하여 이온 가교 결합의 일부 결합을 손상시키는 것이며,
상기 PA 하이드로겔은 별도의 지지체가 없는 것인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
2) 상기 PA 하이드로겔의 일부 결합을 손상시키는 단계;를 포함하는 PA 하이드로겔을 개질하는 방법에 있어서,
상기 PA 하이드로겔은 이온 가교 결합만으로 제조된 양쪽성 전해질 하이드로겔이고,
상기 양쪽성 전해질 하이드로겔은 양이온 단량체와 음이온 단량체를 포함하는 용액에 UV 또는 반응개시제를 사용하여 가교 결합을 시킨 것이며, 이때 가교제는 사용되지 않고,
상기 2) 단계는 중성단량체를 사용하여 이온 가교 결합의 일부 결합을 손상시키는 것이며,
상기 PA 하이드로겔은 별도의 지지체가 없는 것인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 양이온 단량체는 [3-(Methacryloylamino)propyl]trimethylammonium chloride solution (MPTC), (2-(acryloyloxy)ethyl)trimethylammonium chloride(DMAEA-Q), 또는 하기 화학식 1이고, 상기 음이온 단량체로는 Sodium 4-vinylbenzenesulfonate (NaSS), 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid(AMPS), 또는 하기 화학식 2인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
화학식 1
여기서 R1은 수소 또는 치환기로서 하이드록실기 또는 할로겐을 갖는 탄소수 1 내지 6의 알킬; R2는 -COO- 또는 -CONH-; 각각 R3과 R4는 메틸; R5는 메틸렌이다.
화학식 2
여기서, R1은 수소 또는 치환기로서 하이드록실기 또는 할로겐을 갖는 탄소수 1 내지 6의 알킬; R6은 설포닉산 또는 인산, 탄소수 1 내지 6개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 알킬, 탄소수 6 내지 12개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 아릴, 탄소수 7 내지 12개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 아르알킬, 설포닉산 또는 인산을 갖는 카르복실기, 설포닉산 또는 인산을 갖는 아미노기이다.
상기 양이온 단량체는 [3-(Methacryloylamino)propyl]trimethylammonium chloride solution (MPTC), (2-(acryloyloxy)ethyl)trimethylammonium chloride(DMAEA-Q), 또는 하기 화학식 1이고, 상기 음이온 단량체로는 Sodium 4-vinylbenzenesulfonate (NaSS), 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid(AMPS), 또는 하기 화학식 2인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
화학식 1
여기서 R1은 수소 또는 치환기로서 하이드록실기 또는 할로겐을 갖는 탄소수 1 내지 6의 알킬; R2는 -COO- 또는 -CONH-; 각각 R3과 R4는 메틸; R5는 메틸렌이다.
화학식 2
여기서, R1은 수소 또는 치환기로서 하이드록실기 또는 할로겐을 갖는 탄소수 1 내지 6의 알킬; R6은 설포닉산 또는 인산, 탄소수 1 내지 6개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 알킬, 탄소수 6 내지 12개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 아릴, 탄소수 7 내지 12개의 설포닉산 또는 인산을 갖는 아르알킬, 설포닉산 또는 인산을 갖는 카르복실기, 설포닉산 또는 인산을 갖는 아미노기이다.
삭제
제1항에 있어서,
상기 중성단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 신남산, 이타콘산, 크로톤산, 에타크릴산, 시토콘산, 메사콘산, 푸마르산, β-스테릴아크릴산의 무수물을 포함하는 올레핀계 불포화된 카르복실산 무수물, 아크릴레이트 에스테르, 아크릴아미드, 비닐 에스테르, 비닐 에테르, 비닐 아미드, 디메틸 아크릴아미드, 디아세톤 아크릴아미드, 히드록실 에틸 메타크릴레이트, 히드록실 에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트, 에톡시 에틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, N-이소프로필아크릴아미드, 비닐피리딘, 스티렌, 트리플루오로에틸아크릴레이트를 포함하는 불소 함유 불포화 단량체, 아세트산비닐, N,N-Dimethylacrylamide (DMAAm), 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) 중 적어도 1개 이상인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
상기 중성단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 신남산, 이타콘산, 크로톤산, 에타크릴산, 시토콘산, 메사콘산, 푸마르산, β-스테릴아크릴산의 무수물을 포함하는 올레핀계 불포화된 카르복실산 무수물, 아크릴레이트 에스테르, 아크릴아미드, 비닐 에스테르, 비닐 에테르, 비닐 아미드, 디메틸 아크릴아미드, 디아세톤 아크릴아미드, 히드록실 에틸 메타크릴레이트, 히드록실 에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트, 에톡시 에틸 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, N-이소프로필아크릴아미드, 비닐피리딘, 스티렌, 트리플루오로에틸아크릴레이트를 포함하는 불소 함유 불포화 단량체, 아세트산비닐, N,N-Dimethylacrylamide (DMAAm), 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) 중 적어도 1개 이상인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 1) 단계 및 2) 단계가 동시에 이루어지는 것인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
상기 1) 단계 및 2) 단계가 동시에 이루어지는 것인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
제7항에 있어서,
양이온성 단량체, 음이온성 단량체, 중성 단량체를 포함하는 용액에 UV 또는 반응개시제를 사용하여 가교 결합을 시킨 것인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
양이온성 단량체, 음이온성 단량체, 중성 단량체를 포함하는 용액에 UV 또는 반응개시제를 사용하여 가교 결합을 시킨 것인 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 용액에는 분산제가 추가로 포함되는 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
상기 용액에는 분산제가 추가로 포함되는 PA 하이드로겔을 개질하는 방법.
제1항, 제4항, 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 개질하는 방법에 의해서 개질된 3성분으로 구성된 PA 하이드로겔.
제10항의 PA 하이드로겔을 포함하는 바이오 키트.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180026530A KR102010993B1 (ko) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | 3성분으로 구성된 pa 하이드로겔 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180026530A KR102010993B1 (ko) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | 3성분으로 구성된 pa 하이드로겔 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102010993B1 true KR102010993B1 (ko) | 2019-08-14 |
Family
ID=67621919
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180026530A KR102010993B1 (ko) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | 3성분으로 구성된 pa 하이드로겔 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102010993B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726705C1 (ru) * | 2019-12-31 | 2020-07-15 | Надежда Андреевна Морев | Способ получения абляционного прозрачного гидрогеля для изготовления огнестойкого стекла |
| CN112898597A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 湖北工业大学 | 离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶及其制备方法 |
| KR20220072784A (ko) | 2020-11-25 | 2022-06-02 | 숙명여자대학교산학협력단 | 디펩티드를 포함하는 하이드로겔 조성물 |
| CN114736397A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-07-12 | 中山大学附属第八医院（深圳福田） | 一种用于硬膜损伤修复的湿性粘合水凝胶的制备方法和应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017531737A (ja) * | 2014-08-19 | 2017-10-26 | 国立大学法人北海道大学 | 布地と両性高分子電解質ハイドロゲルとを含む複合材料及びその作製方法 |
-
2018
- 2018-03-06 KR KR1020180026530A patent/KR102010993B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017531737A (ja) * | 2014-08-19 | 2017-10-26 | 国立大学法人北海道大学 | 布地と両性高分子電解質ハイドロゲルとを含む複合材料及びその作製方法 |
Non-Patent Citations (23)
| Title |
|---|
| Arakaki K, Kitamura N, Fujiki H, Kurokawa T, Iwamoto M, Ueno M, et al. 2010. Artificial cartilage made from a novel double-network hydrogel: In vivo effects on the normal cartilage and ex vivo evaluation of the friction property. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 93: 1160-1168. |
| Azuma C, Yasuda K, Tanabe Y, Taniguro H, Kanaya F, Nakayama A, et al. 2007. Biodegradation of high-toughness double network hydrogels as potential materials for artificial cartilage. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 81: 373-380. |
| Chen Q, Zhu L, Zhao C, Wang Q, Zheng J. 2013. A Robust, One-Pot Synthesis of Highly Mechanical and Recoverable Double Network Hydrogels Using Thermoreversible Sol-Gel Polysaccharide. Advanced Materials. 25: 4171-4176. |
| Chen Y, Dong K, Liu Z, Xu F. 2012. Double network hydrogel with high mechanical strength: Performance, progress and future perspective. Science China Technological Sciences. 55: 2241-2254. |
| Gong JP, Katsuyama Y, Kurokawa T, Osada Y. 2003. Double-Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength. Advanced Materials. 15: 1155-1158. |
| Gong JP, Kurokawa T, Narita T, Kagata G, Osada Y, Nishimura G, Kinjo M. 2001. Synthesis of hydrogels with extremely low surface friction. Journal of the American Chemical Society. 123: 5582-5583. |
| Gong JP. 2010. Why are double network hydrogels so tough? Soft Matter. 6: 2583. |
| Haque MA, Kurokawa T, Gong JP. 2012. Super tough double network hydrogels and their application as biomaterials. Polymer. 53: 1805-1822. |
| Haraguchi K, Takehisa T. 2002. Nanocomposite Hydrogels: A Unique Organic-Inorganic Network Structure with Extraordinary Mechanical, Optical, and Swelling/De-swelling Properties. Report of Kawamura Institute of Chemical Research. 2002: 61-64. |
| Ihsan AB, Sun TL, Kuroda S, Haque MA, Kurokawa T, Nakajima T, Gong JP. 2013. A phase diagram of neutral polyampholyte - from solution to tough hydrogel. Journal of Materials Chemistry B. 1: 4555. |
| Ihsan AB, Sun TL, Kurokawa T, Karobi SN, Nakajima T, Nonoyama T, et al. 2016. Self-Healing Behaviors of Tough Polyampholyte Hydrogels. Macromolecules. |
| Kopecek J, Yang J. 2007. Hydrogels as smart biomaterials. Polymer International. 56: 1078-1098. |
| Na Y-H, Kurokawa T, Katsuyama Y, Tsukeshiba H, Gong JP, Osada Y, et al. 2004. Structural characteristics of double network gels with extremely high mechanical strength. Macromolecules. 37: 5370-5374. |
| Na YH. 2013. Double network hydrogels with extremely high toughness and their applications. Korea-Australia Rheology Journal. 25: 185-196. |
| Okumura Y, Ito K. 2001. The Polyrotaxane Gel: A Topological Gel by Figure-of-Eight Cross-links. Advanced Materials. 13: 485-487. |
| Peak CW, Wilker JJ, Schmidt G. 2013. A review on tough and sticky hydrogels. Colloid and Polymer Science. 291: 2031-2047. |
| Roy CK, Guo HL, Sun TL, Ihsan AB, Kurokawa T, Takahata M, et al. 2015. Self-Adjustable Adhesion of Polyampholyte Hydrogels. Adv Mater. 27: 7344-7348. |
| Sakai T, Matsunaga T, Yamamoto Y, Ito C, Yoshida R, Suzuki S, et al. 2008. Design and Fabrication of a High-Strength Hydrogel with Ideally Homogeneous Network Structure from Tetrahedron-like Macromonomers. Macromolecules. 41: 5379-5384. |
| Sun JY, Zhao X, Illeperuma WR, Chaudhuri O, Oh KH, Mooney DJ, et al. 2012. Highly stretchable and tough hydrogels. Nature. 489: 133-136. |
| Sun TL, Kurokawa T, Kuroda S, Ihsan AB, Akasaki T, Sato K, et al. 2013. Physical hydrogels composed of polyampholytes demonstrate high toughness and viscoelasticity. Nature materials. 12: 932-937. |
| Tsukeshiba H, Huang M, Na Y-H, Kurokawa T, Kuwabara R, Tanaka Y, et al. 2005. Effect of polymer entanglement on the toughening of double network hydrogels. The Journal of Physical Chemistry B. 109: 16304-16309. |
| Wei Z, Yang JH, Zhou J, Xu F, Zrinyi M, Dussault PH, et al. 2014. Self-healing gels based on constitutional dynamic chemistry and their potential applications. Chemical Society Reviews. 43: 8114-8131. |
| 김소연. 2008. 일반총설: 생체조직공학적 응용을 위한 고분자 하이드로젤의 연구동향. 조직공학과 재생의학. 5: 14-25. |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2726705C1 (ru) * | 2019-12-31 | 2020-07-15 | Надежда Андреевна Морев | Способ получения абляционного прозрачного гидрогеля для изготовления огнестойкого стекла |
| KR20220072784A (ko) | 2020-11-25 | 2022-06-02 | 숙명여자대학교산학협력단 | 디펩티드를 포함하는 하이드로겔 조성물 |
| CN112898597A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 湖北工业大学 | 离子键与配位键协同增强聚两性电解质水凝胶及其制备方法 |
| CN114736397A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-07-12 | 中山大学附属第八医院（深圳福田） | 一种用于硬膜损伤修复的湿性粘合水凝胶的制备方法和应用 |
| CN114736397B (zh) * | 2022-04-13 | 2023-01-13 | 中山大学附属第八医院（深圳福田） | 一种用于硬膜损伤修复的湿性粘合水凝胶的制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102010993B1 (ko) | 3성분으로 구성된 pa 하이드로겔 | |
| Song et al. | Rheological behavior of tough PVP-in situ-PAAm hydrogels physically cross-linked by cooperative hydrogen bonding | |
| Wang et al. | Adhesive and tough hydrogels promoted by quaternary chitosan for strain sensor | |
| Wang et al. | Hydrogels | |
| Liu et al. | Recoverable and self-healing double network hydrogel based on κ-carrageenan | |
| Wang et al. | Ultrastiff and tough supramolecular hydrogels with a dense and robust hydrogen bond network | |
| Zhang et al. | Fatigue of double-network hydrogels | |
| Zhao et al. | Versatile Hydrogel Dressing with Skin Adaptiveness and Mild Photothermal Antibacterial Activity for Methicillin‐Resistant Staphylococcus Aureus‐Infected Dynamic Wound Healing | |
| Su et al. | Hydrophilic/hydrophobic heterogeneity anti-biofouling hydrogels with well-regulated rehydration | |
| Liu et al. | Tough and responsive oppositely charged nanocomposite hydrogels for use as bilayer actuators assembled through interfacial electrostatic attraction | |
| Sun et al. | Bulk energy dissipation mechanism for the fracture of tough and self-healing hydrogels | |
| Cipriano et al. | Superabsorbent hydrogels that are robust and highly stretchable | |
| Ihsan et al. | A phase diagram of neutral polyampholyte–from solution to tough hydrogel | |
| Hu et al. | Dynamics of dual networks: strain rate and temperature effects in hydrogels with reversible H-bonds | |
| Xu et al. | Nanocomposite hydrogels with high strength cross-linked by titania | |
| Hao et al. | Viscoelastic and mechanical behavior of hydrophobically modified hydrogels | |
| Chen et al. | Fracture of the physically cross-linked first network in hybrid double network hydrogels | |
| Song et al. | Self-healing materials: A review of recent developments | |
| Xia et al. | Self-healing of polymer in acidic water toward strength restoration through the synergistic effect of hydrophilic and hydrophobic interactions | |
| Li et al. | Polyelectrolyte-based physical adhesive hydrogels with excellent mechanical properties for biomedical applications | |
| CN108440772A (zh) | 一种自修复导电双网络结构水凝胶及其制备方法 | |
| Li et al. | Water‐Induced Phase Separation for Anti‐Swelling Hydrogel Adhesives in Underwater Soft Electronics | |
| Puza et al. | Physical entanglement hydrogels: ultrahigh water content but good toughness and stretchability | |
| CN113563611B (zh) | 一种生物相容性水凝胶干粉及其制备方法和应用 | |
| Yang et al. | Tough and conductive dual physically cross-linked hydrogels for wearable sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |