KR102098078B1 - Hydro gel and glucose sensor including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수화겔 및 수화겔을 포함하는 글루코스 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogel and a glucose sensor comprising the hydrogel.
당뇨병은 인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이루어지지 않는 등의 대사질환의 일종으로서, 당뇨병의 증상은 주로 혈중 글루코스의 농도가 높아지는 고혈당과 관련되어 나타난다. 당뇨병으로 인한 만성적 고혈당은 신체 각 기관의 손상과 기능 부전을 초래할 뿐만 아니라, 망막, 신장, 신경에 나타나는 미세혈관 합병증과 관상동맥 질환, 말초동맥 질환, 뇌혈관 질환과 같은 거대혈관 합병증을 유발하여 환자를 사망에 이르게 할 수 있다.Diabetes mellitus is a type of metabolic disease, such as lack of insulin secretion or normal function, and the symptoms of diabetes are mainly related to high blood sugar levels, which increase the concentration of glucose in the blood. Chronic hyperglycemia due to diabetes not only causes damage and dysfunction of the organs of the body, but also causes microvascular complications such as coronary artery disease, peripheral artery disease, cerebrovascular disease, etc. Can lead to death.
당뇨병이 유발하는 합병증을 예방하거나 치료 방법을 선정하고 예후를 개선하기 위해서는 지속적인 혈당 측정을 통해 치료의 적절성을 평가하고 그 결과를 치료 과정에 빠르게 적용하는 것이 중요하다. 이러한 관점에서 자가 혈당 측정의 역할이 점차 커지고 있다.In order to prevent complications caused by diabetes, select treatment methods, and improve prognosis, it is important to evaluate the appropriateness of treatment through continuous blood glucose measurement and apply the results quickly to the treatment process. From this perspective, the role of self-blood glucose measurement is gradually increasing.
그러나 기존의 자가 혈당 측정기들은 대부분 침습적인 방식으로 혈액을 채취하여 혈당을 측정하기 때문에 환자에게 고통과 불편함을 주는 한계가 있다. 또한 혈액을 샘플링하여 샘플 혈액 내 글루코스 농도를 측정하는 방식은 비연속적인 측정 방법이기 때문에 혈당 수치의 중요한 변동을 간과할 가능성이 존재한다. 따라서 비침습적인 방식으로 환자의 혈중 글루코스 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있는 자가 혈당 측정용 글루코스 센서의 개발이 요구되는 실정이다.However, most of the existing self blood glucose meters have limitations that cause pain and discomfort to the patient because blood glucose is measured by taking blood in an invasive manner. In addition, since the method of measuring the concentration of glucose in the sample blood by sampling the blood is a discontinuous measurement method, there is a possibility of overlooking the significant fluctuation in blood sugar level. Therefore, there is a need to develop a glucose sensor for autologous blood glucose measurement that can continuously monitor a patient's blood glucose concentration in a non-invasive manner.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주위의 글루코스 농도 변화를 연속적으로 감지할 수 있는 수화겔을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a hydrogel capable of continuously detecting changes in the surrounding glucose concentration.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 비침습적인 방식으로 환자의 혈중 글루코스 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있는 글루코스 센서를 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a glucose sensor capable of continuously monitoring a patient's blood glucose concentration in a non-invasive manner.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수화겔은 고분자 매트릭스를 포함하는 수화겔로서, 상기 매트릭스는 하기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조를 포함한다.The hydrogel according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a hydrogel comprising a polymer matrix, and the matrix includes a unit structure represented by the following formula 1A.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 센서는 베이스, 및 상기 베이스 상에 배치되고 고분자 매트릭스를 포함하는 수화겔로서, 상기 매트릭스는 하기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조를 포함하는 수화겔을 포함한다.A glucose sensor according to an embodiment of the present invention for solving the above other problems is a hydrogel comprising a base and a polymer matrix disposed on the base, wherein the matrix is a hydrogel comprising a unit structure represented by the following formula 1A It includes.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 센서의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절개한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 수화겔의 체적 변화를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 수화겔의 반사색을 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a perspective view of a glucose sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG. 1.
3 and 4 are views for explaining the change in volume of the hydrogel of FIG. 1.
5 and 6 are views for explaining the reflection color of the hydrogel of FIG. 1.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and have ordinary knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 '위(on)'로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 '직접 위(directly on)'로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. An element or layer being referred to as the 'on' of another element or layer includes all cases in which another layer or other element is interposed immediately above or in between. On the other hand, when a device is referred to as 'directly on', it indicates that no other device or layer is interposed therebetween.
또, '및/또는'는 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.Also, 'and / or' includes each and every combination of one or more of the items mentioned. Numeric ranges indicated by using 'to' indicate numerical ranges that include the values described before and after them as the lower limit and the upper limit, respectively. 'About' or 'approximately' means a value or numerical range within 20% of the value or numerical range described thereafter.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 센서의 사시도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절개한 단면도이다.1 is a perspective view of a glucose sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 글루코스 센서(1000)는 베이스(200) 및 베이스(200) 상에 배치된 수화겔(100)을 포함할 수 있다. 베이스(200)는 수화겔(100)이 지지되는 공간을 제공할 수 있다. 베이스(200)는 투명하거나 불투명한 필름 또는 플레이트일 수 있다.1 and 2, the
수화겔(100)은 고분자 매트릭스를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 수화겔(100)은 내부에 형성된 복수의 기공(100v)들을 가질 수 있다. 기공(100v)은 주변의 수화겔(100)에 비해 저굴절 영역을 형성할 수 있다. 기공(100v)은 실질적으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들어 기공(100v)들은 X축 방향, Y축 방향 및 Z 축 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 격자 형태를 이룰 수 있다. The
예를 들어, 수화겔(100)은 복수의 기공(100v)에 의해 형성된 역-오팔(inverse-opal) 구조를 가질 수 있다. 일반적으로 수화겔의 고분자 매트릭스 내에 구 형상의 다른 물질이 충진된 형태의 오팔 구조를 갖는 광 결정은 다른 파장의 빛이 서로 상이한 각도로 회절되며 가시광선 전체 파장 대역에 걸친 색 패턴을 발생시킬 수 있다. 본 명세서에서, 용어 '역-오팔 구조'는 상기 오팔 구조가 반전된 구조, 구체적으로 고분자 매트릭스 내에 대략 구 형상의 공극 내지는 보이드가 형성되어 투과광의 적어도 일부를 회절시킬 수 있는 구조를 의미한다.For example, the
초기 상태에서 수화겔(100)의 기공(100v)은 실질적으로 구 형상일 수 있다. 본 명세서에서, '초기 상태'라 함은 주변에 글루코스가 존재하지 않는 상태를 의미한다. 또, '실질적으로 구 형상'이라 함은 대략 완전한 구 형상을 의미하며, 구 형상의 임의의 단면에서 최대 직경과 최소 직경 간의 차이가 10% 미만인 형상을 의미한다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 초기 상태에서 기공(100v)은 찌그러진 구 형상일 수도 있다.In the initial state, the
수화겔(100)의 기공(100v)은 투과광 또는 반사광의 적어도 일부를 굴절 및/또는 회절시킬 수 있다. 투과광 또는 투과광이 굴절 및/또는 회절되는 정도는 기공(100v)의 크기 및/또는 인접한 기공(100v)들 간의 이격 거리에 따라 달라질 수 있다. 기공(100v)이 실질적으로 구 형상인 예시적인 실시예에서, 기공(100v)의 직경은 약 200nm 내지 330nm, 또는 약 270nm 내지 310nm일 수 있다. 기공(100v)의 직경을 상기 범위 내에 있도록 하여 수화겔(100)의 초기 상태에서 반사색을 제어할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수화겔(100)의 초기 상태에서 반사색의 피크 파장은 약 450nm 내지 465nm 범위 내에 존재할 수 있다.The
수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 복수의 고분자 주쇄들이 서로 가교되어 내부 망상 구조를 가질 수 있다. 수화겔(100)의 매트릭스는 기공(100v)과는 별개로, 매트릭스 자체의 망상 구조에 기인하여 다공성 구조를 가질 수 있다. 이를 통해 수화겔(100)의 매트릭스는 액상 매질을 가역적으로 흡수 및 방출할 수 있다. 또, 수화겔(100)의 매트릭스의 액상 매질의 흡수/방출 속도가 빠르기 때문에 수화겔(100)이 글루코스 센서(1000)에 적용될 경우 센서의 응답 속도를 향상시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 수화겔(100)은 글루코스 존재 하에서 액상 매질의 가역적인 흡수와 방출 및 그에 따른 수화겔(100)의 체적 변화를 이용하여 기공(100v)의 크기 및/또는 기공(100v)들 간의 이격 거리(d)를 변화시킬 수 있다. 나아가 기공(100v)의 크기 및/또는 기공(100v)들 간의 이격 거리(d)의 변화는 수화겔(100)에 의한 반사색의 변화를 유도할 수 있다. 즉, 수화겔(100)은 주위의 글루코스 농도에 따라 가시광선 영역에서의 색 변화를 구현할 수 있다. 상기 반사색의 변화는 광의 회절에 의한 것일 수 있다.The polymer matrix of the
예시적인 실시예에서, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 하기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the polymer matrix of the
<화학식 1A><Formula 1A>
상기 화학식 1A에서, R1은 수소 또는 메틸기이고, n2는 1 또는 2의 정수이다.In Formula 1A, R 1 is hydrogen or a methyl group, and n2 is an integer of 1 or 2.
본 명세서의 화학식에서, 대괄호는 고분자의 주쇄의 단위 구조의 반복을 의미하고, 기호 ''는 인접한 단위 구조 간의 결합 사이트 내지는 연결 사이트를 의미한다.In the formula of the present specification, square brackets mean repetition of the unit structure of the main chain of the polymer, and the symbol ' 'Means a bonding site or a linking site between adjacent unit structures.
평면 삼각 구조의 보론산기(-B(OH)2)는 염기 조건 하에서 디올기와 공유 결합될 수 있다. 예를 들어, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스의 측쇄에 도입된 보론산기는 글루코스의 비시날디올기(vicinal diol group)와 가역적으로 결합/해리하여 디옥사보로란(dioxaborolane) 구조 또는 디옥사보리난(dioxaborinane) 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 측쇄로 도입된 보론산기가 글루코스의 비시날디올기와 결합할 경우 주쇄 간의 상호 작용힘을 증가시켜 주쇄 간의 인접 거리를 줄일 수 있고 결과적으로 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 액상 매질을 흡수하고 팽윤 거동할 수 있다. 반면, 보론산기가 글루코스의 비시날디올기와 해리될 경우 주쇄 간의 상호 작용힘이 감소되어 결과적으로 수화겔(100)의 고분자 매트릭스가 흡수했던 액상 매질을 방출하고 다시 수축 거동할 수 있다.The boronic acid group (-B (OH) 2 ) having a planar triangular structure may be covalently bonded to a diol group under basic conditions. For example, the boronic acid group introduced into the side chain of the polymer matrix of the
또, 플루오린기는 보론산기와 비시날디올기 간의 결합과 해리를 용이하게 할 수 있다. 즉, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스가 보론산기와 함께 플루오린기를 포함하여 수화겔(100)의 수축 거동과 팽윤 거동을 용이하게 할 수 있고, 수축 시의 수화겔(100) 체적과 팽윤 시의 수화겔(100) 체적의 차이를 극대화할 수 있다. 이를 통해 수화겔(100)의 글루코스에 대한 민감도를 현저하게 개선할 수 있다. 나아가 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장 천이를 단조(monotone) 형태로 구성할 수 있다.In addition, the fluorine group can facilitate bonding and dissociation between the boronic acid group and the bisinaldiol group. That is, the polymer matrix of the
비제한적인 일례에서, 상기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조는 하기 화학식 1B로 표현되는 단위 구조일 수 있다.In a non-limiting example, the unit structure represented by Chemical Formula 1A may be a unit structure represented by Chemical Formula 1B.
<화학식 1B><Formula 1B>
상기 화학식 1B에서, R1은 각각 화학식 1A에서 정의한 바와 동일하다.In Formula 1B, R 1 is the same as defined in Formula 1A, respectively.
보론산기와 플루오린기를 인접 배치하여 보론산기와 비시날디올기 간의 결합과 해리를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 보론산기와 플루오린기는 각각 벤젠링의 메타 위치와 파라 위치에 도입될 수 있다.The boronic acid group and the fluorine group may be disposed adjacent to facilitate bonding and dissociation between the boronic acid group and the bisinaldiol group. For example, boronic acid groups and fluorine groups can be introduced at the meta-position and para-position of the benzene ring, respectively.
몇몇 실시예에서, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 하기 화학식 1C, 하기 화학식 1D 및/또는 하기 화학식 1E로 표현되는 단위 구조를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the polymer matrix of the
<화학식 1C><Formula 1C>
<화학식 1D><Formula 1D>
<화학식 1E><Formula 1E>
. .
상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E에서, R1 및 n2는 각각 화학식 1A에서 정의한 바와 동일하다.In Formula 1C, Formula 1D, and Formula 1E, R 1 and n2 are the same as defined in Formula 1A, respectively.
상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E로 표현되는 단위 구조는 전술한 화학식 1A로 표현되는 단위 구조와 결합 내지는 연결될 수 있다. 상기 화학식 1C, 화학식 1D 및 화학식 1E로 표현되는 단위 구조는 각각 상기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조의 적어도 일부가 화학 결합을 형성한 단위 구조를 의미할 수 있다. 또한, 상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E는 수화겔(100)이 글루코스 존재하에서 고분자 매트릭스에 포함된 상기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조의 적어도 일부가 상기 글루코스와 화학 결합을 통해 형성된 단위 구조일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.The unit structure represented by Chemical Formula 1C, Chemical Formula 1D, and Chemical Formula 1E may be combined or connected to the unit structure represented by Chemical Formula 1A. The unit structures represented by Chemical Formula 1C, Chemical Formula 1D, and Chemical Formula 1E may refer to a unit structure in which at least a part of the unit structure represented by Chemical Formula 1A forms a chemical bond. In addition, in Chemical Formula 1C, Chemical Formula 1D and Chemical Formula 1E, a unit structure formed by chemically bonding the glucose to at least a portion of the unit structure represented by Chemical Formula 1A in which the
몇몇 실시예에서, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 고분자 주쇄에 결합된 히드록실기 함유 측쇄를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 하기 화학식 2로 표현되는 단위 구조를 더 포함할 수 있다. 하기 화학식 2로 표현되는 단위 구조는 전술한 화학식 1A 내지 화학식 1E로 표현되는 단위 구조와 결합 내지는 연결될 수 있다.In some embodiments, the polymer matrix of the
<화학식 2><Formula 2>
상기 화학식 2에서, R3은 수소 또는 메틸기이다.In Chemical Formula 2, R 3 is hydrogen or a methyl group.
상기 화학식 2으로 표현되는 단위 구조를 갖는 수화겔(100) 매트릭스는 전술한 보론산기와 비시날디올기 간의 결합/해리에 영향을 주지 않으면서도 액상 매질에 대한 흡수능과 방출능이 우수할 뿐만 아니라 넓은 생체 적합성을 가질 수 있다.The
예시적인 실시예에서, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 카르복실기(-COOH) 함유 측쇄를 포함하지 않을 수 있다. 수화겔(100) 고분자 매트릭스의 고분자 주쇄에 카르복실기가 도입될 경우 글루코스 농도에 따른 수화겔(100)의 수축 거동 또는 팽윤 거동이 단조(monotone) 형태를 나타내지 않을 수 있다. 즉, 수화겔(100)의 고분자 매트릭스의 고분자 주쇄에 카르복실기가 도입될 경우 글루코스 농도에 따른 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장 천이가 단조 형태를 갖지 않을 수 있다. 이에 대하여는 실험예와 함께 후술한다.In an exemplary embodiment, the polymer matrix of the
이하, 도 3 내지 도 6을 더 참조하여, 본 실시예에 따른 글루코스 센서(1000) 및 수화겔(100)의 수축/팽윤 거동 및 그에 따른 광학 특성 변화에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the contraction / swelling behavior of the
도 3은 저농도의 글루코스 조건 하에서 수화겔의 체적을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 고농도의 글루코스 조건 하에서 수화겔의 체적을 설명하기 위한 도면이다. 또, 도 5는 저농도의 글루코스 조건 하에서 수화겔의 반사색의 피크 파장을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 고농도의 글루코스 조건 하에서 수화겔의 반사색의 피크 파장을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the volume of the hydrogel under low concentration of glucose conditions, and FIG. 4 is a view for explaining the volume of the hydrogel under high concentration of glucose conditions. 5 is a view for explaining the peak wavelength of the reflection color of the hydrogel under low concentration of glucose conditions, and FIG. 6 is a view for explaining the peak wavelength of the reflection color of the hydrogel under high concentration of glucose conditions.
우선 도 3 및 도 4를 더 참조하면, 본 실시예에 따른 수화겔(100)은 주위의 글루코스 농도가 증가할수록 점차 팽윤될 수 있다. 즉, 주변의 글루코스에 의해 수화겔(100)의 부피가 증가하여, 수화겔(100)의 기공(100v)간 이격 거리(d)가 증가할 수 있다.First, referring to FIGS. 3 and 4, the
글루코스 용액은 수화겔(100)의 매트릭스의 팽윤을 유도할 수 있다. 예를 들어, 약 pH 7.4 조건의 글루코스 존재 하에서 수화겔(100)의 두께(t1, t2)는 글루코스가 존재하지 않는 초기 상태에서의 수화겔(100)의 두께(t0) 보다 클 수 있다. 글루코스 존재 하에서 수화겔(100) 내 기공(100v)의 두께 방향 직경 및 길이 방향 직경은 증가하여 기공(100v)은 실질적으로 구 형상, 또는 찌그러진 구 형상, 또는 실질적으로 타원구 형상, 또는 찌그러진 타원 구 형상으로 변형될 수 있다. 또, 글루코스 존재 하에서 두께 방향 및 길이 방향으로의 인접한 기공(100v)들 간의 이격 거리(d1, d2)는 초기 상태에서의 두께 방향 및 길이 방향으로의 인접한 기공(100v)들 간의 이격 거리(d0)보다 증가할 수 있다.The glucose solution can induce swelling of the matrix of the
또, 약 pH 7.4 조건의 상대적으로 고농도의 글루코스 용액은 상대적으로 저농도의 글루코스 용액에 비해 수화겔(100)의 매트릭스의 팽윤을 더 유도할 수 있다. 예를 들어, 고농도의 글루코스 존재 하에서 수화겔(100)의 두께(t2)는 저농도의 글루코스 존재 하에서 수화겔(100)의 두께(t1) 보다 클 수 있다. 고농도의 글루코스 존재 하에서 두께 방향및 길이 방향으로의 인접한 기공(100v)들 간의 이격 거리(d2)는 저농도의 글루코스 존재 하에서 두께 방향 및 길이 방향으로의 인접한 기공(100v)들 간의 이격 거리(d1)보다 증가할 수 있다.In addition, a relatively high concentration of glucose solution at a pH of about 7.4 may induce swelling of the matrix of the
몇몇 실시예에서, 주변의 글루코스 농도 증가에 따른 수화겔(100)의 부피는 단조 증가할 수 있다. 즉, 수화겔(100)은 동일한 pH 조건 하에서, 하기 조건 (1) 및 조건 (2)를 항상 만족할 수 있다.In some embodiments, the volume of the
조건 (1): 0mM ≤ C1 < C2 ≤ 20mMCondition (1): 0mM ≤ C1 <C2 ≤ 20mM
조건 (2): VC1 < VC2 Condition (2): V C1 <V C2
상기 조건 (1) 및 조건 (2)에서, C1 및 C2는 수화겔(100) 주변의 글루코스 농도로서, 0mM 내지 20mM의 농도 구간을 의미하고, VC는 글루코스 농도 C에서의 수화겔의 체적을 의미한다.In the conditions (1) and (2), C1 and C2 are the concentrations of glucose around the
상기 조건 (1) 및 조건 (2)를 항상 만족하도록 함으로써 수화겔(100)을 글루코스 센서로 이용할 경우에 글루코스 센서의 신뢰성을 확보할 수 있다.By always satisfying the conditions (1) and (2), the reliability of the glucose sensor can be secured when the
본 실시예에 따른 수화겔(100)이 갖는 액상 매질의 흡수/방출 특성 및 그에 따른 팽윤/수축 거동은 가역적인 동시에 즉각적일 수 있다. 따라서 수화겔(100)은 주변의 글루코스 농도를 연속적으로 검출할 수 있다. 이는 환자의 혈당 수치의 지속적인 변동을 반영한 결과를 검출할 수 있다는 점에서 환자의 국부적인 혈액을 샘플링하여 혈중 글루코스 농도를 측정하는 비가역적인 방법과 큰 차이를 갖는다.The absorption / release characteristics of the liquid medium possessed by the
다음으로, 도 5 및 도 6을 더 참조하면, 본 실시예에 따른 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장은 주위의 글루코스 농도가 증가할수록 증가할 수 있다.Next, referring to FIGS. 5 and 6 further, the peak wavelength of the reflected color of the
수화겔(100)의 매트릭스의 체적 변화, 수화겔(100)의 매트릭스의 기공(100v)의 크기/형상 변화 및/또는 기공(100v)들 간의 이격 거리(d)의 변화는 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장 변화를 야기할 수 있다. 예를 들어, 약 pH 7.4 조건의 글루코스 존재 하에서 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장(λ1, λ2)은 글루코스가 존재하지 않는 초기 상태에서의 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장(λ0) 보다 클 수 있다.The volume change of the matrix of the
또, 약 pH 7.4 조건의 상대적으로 고농도의 글루코스 존재 하에서 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장(λ2)은 약 pH 7.4 조건의 상대적으로 저농도의 글루코스 존재 하에서 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장(λ1) 보다 클 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 수화겔(100)은 글루코스 농도가 증가할수록 역오팔 구조의 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장이 증가하며 적색 천이(red shift)를 나타낼 수 있다.In addition, the peak wavelength (λ 2 ) of the reflected color of the
몇몇 실시예에서, 주변의 글루코스 농도 증가에 따른 수화겔(100)의 반사색의 피크 파장은 단조 증가할 수 있다. 즉, 수화겔(100)은 동일한 pH 조건 하에서, 하기 조건 (3) 및 조건 (4)를 항상 만족할 수 있다.In some embodiments, the peak wavelength of the reflection color of the
조건 (3): 0mM ≤ C1 < C2 ≤ 20mMCondition (3): 0mM ≤ C1 <C2 ≤ 20mM
조건 (4): λC1 < λC2 Condition (4): λ C1 <λ C2
상기 조건 (3) 및 조건 (4)에서, C1 및 C2는 수화겔(100) 주변의 글루코스 농도로서, 0mM 내지 20mM의 농도 구간을 의미하고, λC는 글루코스 농도 C에서의 수화겔의 반사색의 피크 파장을 의미한다.In the conditions (3) and (4), C1 and C2 are the concentrations of glucose around the
본 실시예에 따른 수화겔(100)은 글루코스 농도가 증가할수록 반사색이 적색 천이, 예를 들어 단조 적색 천이를 나타내도록 함으로써 글루코스 센서(1000)의 반응 속도를 향상시키고 활용도를 다양하게 할 수 있다. 예를 들어, 주변의 글루코스 농도가 감소하는 경우에 나타나는 수축 거동에 비해, 주변의 글루코스 농도가 증가하는 경우에 팽윤 거동이 더 빠른 속도를 나타낼 수 있다. 즉, 수화겔(100)이 팽윤 거동 시에 더 급격한 변화를 나타내도록 함으로써 환자로 하여금 혈당 수치의 증가를 빠르게 인지하도록 할 수 있다.The
여기서, 상술한 글루코스 농도에 따른 수화겔(100)의 팽윤 거동 및 적색 천이는 상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E로 표현되는 단위 구조에 포함된 수산화기(-OH)가 결합된 보론(B)의 음전하에 의해 유발될 수도 있다. Here, the swelling behavior and red transition of the
보론산기(Boronic acid)는 글루코스와 결합하여 보로닉 에스터(Boronic ester)를 형성할 수 있다. 여기서, 보로닉 에스터기의 보론(B)에는 수산화기(-OH)가 결합되는데, 수화겔(100)은 삼투압 현상에 의해 글루코스가 용해된 수용액의 물과 음전하의 상대전하(Counter charge)를 흡수할 수 있다. 수분을 흡수한 수화겔(100)은 팽윤 거동을 보이게 되고, 이격 거리(d)가 증가하여 적색 천이가 일어날 수 있다. Boronic acid can combine with glucose to form a boronic ester. Here, the boron (B) of the boronic ester group is combined with a hydroxyl group (-OH), the
한편, pH 7.4의 환경에서 글루코스와 보론산기의 반응은 역방향의 반응, 즉 보로닉 에스터가 분해되는 방향으로 우세하다. 종래의 보론산기를 이용한 글루코스 센서는 pH 9 이상의 염기성 조건에서 구동되어 보로닉 에스터를 형성하였다. 또는, 글루코스 센서 내의 보론(B)의 음전하를 상쇄시키기 위한 별도의 양이온 단량체를 첨가하였다. On the other hand, in the environment of pH 7.4, the reaction of glucose and boronic acid groups is dominant in the reverse reaction, that is, in the direction in which the boronic ester is decomposed. The glucose sensor using a conventional boronic acid group was driven under a basic condition of pH 9 or higher to form a boronic ester. Alternatively, a separate cationic monomer was added to counteract the negative charge of boron (B) in the glucose sensor.
반면에 본 발명의 수화겔(100)의 경우, 상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E로 표현되는 단위 구조가 보로닉 에스터와 결합된 벤젠기에 플루오린기(F)를 포함하기 때문에, pH 7.4의 생리적 환경에서도 보로닉 에스터 결합을 안정화 시킬 수 있다. 플루오린기(F)는 전기음성도가 4.0의 강한 전자 끌게(Electron withdrawing group)이기 때문에, pH 7.4의 환경에서도 보로닉 에스터 형성반응이 우세하다. 또한, 보론(B)의 음전하를 안정화 시킬 수 있어, 별도의 양이온 단량체를 첨가하지 않을 수 있다. On the other hand, in the case of the
일 실시예에 따르면, 글루코스 존재하에서 수화겔(100)에 포함된 상기 화학식 1A 또는 1B로 표현되는 단위 구조는 상기 글루코스와 공유 결합을 형성하여 상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E를 형성할 수도 있다. 상기 글루코스와의 반응에 의해 형성되는 상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E는 보론(B)에 수산화기가 결합하여 음전하를 형성할 수 있다. 이로 인해 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 주쇄 간의 상호 작용힘이 증가함과 동시에, 음전하에 의해 친수성이 증가하여 상기 글루코스가 용해되어 있는 액상 매질을 빠르게 흡수 할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 액상 매질을 흡수한 수화겔(100)의 고분자 매트릭스는 팽윤 거동을 나타나고, 그 결과 적색 천이가 나타날 수 있다. 이는 검출 대상인 글루코스와 수화겔(100)의 고분자 매트릭스 간의 화학 결합을 통한 변화이므로, 변화 속도가 빠르다. 또한, 소량의 글루코스 농도, 예를 들어 0mM 내지 20mM의 농도에서도 상기의 변화를 일으킬 수 있으며, 특히, 상기 화학식 1A 또는 1B에 포함된 플루오린기(F) 존재하에서, 상술한 변화는 극대화될 수 있다. According to one embodiment, the unit structure represented by the formula 1A or 1B contained in the
따라서, 본 실시예에 따른 수화겔(100)은 상술한 메커니즘을 통해 글루코스 존재 하에서 빠르게 적색 천이를 나타낼 수 있기 때문에, 글루코스 검출 센서로서 민감도를 확보할 수 있다.Therefore, since the
또, 본 실시예에 따른 수화겔(100)을 포함하는 글루코스 센서(1000)는 샘플 중의 검체를 검출할 수 있다. 검체를 검출하는 방법은 비침습적인 방법, 예를 들어 글루코스 센서(1000)의 수화겔(100)을 샘플에 노출시키는 것에 의해 달성할 수 있다. 상기 샘플은 눈물, 땀 등의 체액이고 검체는 글루코스일 수 있다.In addition, the
이러한 관점에서 체액 내에 포함된 미소량의 글루코스를 검출하기 위해서는 글루코스 센서(1000)의 민감도가 매우 중요하다. 특히, 당뇨병 환자의 지속적인 혈당 측정을 위해서는 환자의 체액 내에 포함된 약 0mM 초과 20mM 이하, 특히 1mM 이상 10mM 이하 범위의 농도의 글루코스의 정성적 및 정량적 분석이 가능한 수준의 민감도를 갖는 글루코스 센서가 요구된다. 본 실시예에 따른 수화겔(100)과 검체 간의 상호 작용에 의해 야기되어 발현되는 광학 특성 변화, 즉 반사색의 피크 파장 천이는 적어도 가시 광선 영역에서 나타나며 인간에게 시인될 수 있는 명확한 변화일 수 있다. 이를 통해 체액 내 관심 글루코스 농도 범위에 대한 정성적 및 정량적 분석을 가능케 하고 당뇨병 환자의 지속적이며 정확한 혈당 측정을 달성할 수 있다. 이는 후술할 실험예에서 상세히 설명하도록 한다.In this regard, the sensitivity of the
한편, 본 실시예에 따른 글루코스 센서(1000)는 사용자의 눈물, 땀 등의 체액과 용이하게 접촉할 수 있는 형태, 예컨대 콘택트 렌즈, 피부 부착용 패치 또는 웨어러블 디바이스 형태로 구현될 수 있다. 글루코스 센서(1000)의 수화겔(100)의 반사색 변화는 사용자에 의해 직접 육안으로 확인되거나, 또는 피크 파장의 천이를 분석할 수 있는 어플리케이션을 사용함으로써 확인할 수 있다.On the other hand, the
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수화겔의 제조 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a hydrogel according to an embodiment of the present invention will be described.
예시적인 실시예에서, 수화겔의 제조 방법은 하기 화학식 4A로 표현되는 제1 단량체를 포함하는 단량체 조성물을 중합시키는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the method for preparing a hydrogel may include polymerizing a monomer composition including a first monomer represented by the following Chemical Formula 4A.
<화학식 4A><Formula 4A>
상기 화학식 4A에서, R1은 수소 또는 메틸기이고, n2는 1 또는 2의 정수이다. 상기 제1 단량체는 전술한 화학식 1A로 표현되는 단위 구조를 형성할 수 있다.In Formula 4A, R 1 is hydrogen or a methyl group, and n2 is an integer of 1 or 2. The first monomer may form a unit structure represented by Formula 1A described above.
몇몇 실시예에서, 상기 단량체 조성물은 하기 화학식 4B로 표현되는 제2 단량체 및/또는 하기 화학식 4C로 표현되는 제3 단량체를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the monomer composition may further include a second monomer represented by the following Formula 4B and / or a third monomer represented by the following Formula 4C.
<화학식 4B><Formula 4B>
<화학식 4C><Formula 4C>
상기 제2 단량체는 전술한 화학식 2으로 표현되는 단위 구조를 형성할 수 있다. 또, 상기 제3 단량체는 인접한 고분자 주쇄 간을 결합시키는 가교제일 수 있다.The second monomer may form a unit structure represented by Formula 2 described above. In addition, the third monomer may be a crosslinking agent that bonds between adjacent polymer main chains.
또, 상기 단량체 조성물은 상기 제2 단량체 100 몰부(mol part)를 기준으로, 상기 제1 단량체 2 몰부 이상 10 몰부 이하를 포함할 수 있다. 또, 상기 제3 단량체 0.5 몰부 이상 5 몰부 이하를 포함할 수 있다.In addition, the monomer composition may include 2 mole parts or more and 10 mole parts or less of the first monomer, based on 100 mole parts of the second monomer. In addition, the third monomer may include 0.5 mol part or more and 5 mol part or less.
본 실시예에 따른 수화겔의 제조 방법에 따르면, 글루코스와의 화학적 결합을 형성할 수 있는 보론산기 및 플루오린기를 포함하는 제1 단량체(예컨대, 화학식 1A로 표현되는 단위 구조를 형성하는 단량체), 액상 매질의 원활한 흡수/방출을 가능케 하는 매트릭스를 형성하는 제2 단량체(예컨대, 화학식 2으로 표현되는 단위 구조를 형성하는 단량체)를 포함하는 단량체 조성물을 중합시키는 방법으로 수화겔을 제조함으로써, 각 단량체의 몰비 및 수화겔의 매트릭스의 고분자 주쇄에 결합된 측쇄들의 비율을 명확하게 제어할 수 있다. 또, 수화겔의 매트릭스의 고분자 주쇄에 결합된 측쇄의 종류를 명확하게 제한할 수 있다.According to the method of manufacturing a hydrogel according to the present embodiment, a first monomer (for example, a monomer forming a unit structure represented by Formula 1A) comprising a boronic acid group and a fluorine group capable of forming a chemical bond with glucose, liquid By preparing a hydrogel by polymerizing a monomer composition comprising a second monomer (for example, a monomer forming a unit structure represented by Chemical Formula 2) forming a matrix that enables smooth absorption / release of a medium, the molar ratio of each monomer And the ratio of side chains bound to the polymer main chain of the matrix of the hydrogel. In addition, the type of side chain bound to the polymer main chain of the matrix of the hydrogel can be clearly limited.
보론산기 및 플루오린기를 갖는 측쇄, 히드록실기를 갖는 측쇄들 간의 비율 및 측쇄의 종류는 수화겔의 반사색의 피크 파장의 천이 정도, 천이 속도에 영향을 미칠 수 있다. 뿐만 아니라, 측쇄들 간의 비율 및 측쇄의 종류는 수화겔의 반사색의 피크 파장의 천이 경향에도 영향을 미칠 수 있다. 즉, 측쇄들의 비율과 종류에 따라 청색 천이가 나타나거나, 적색 천이가 나타나거나, 또는 관심 글루코스 농도 범위에서 청색 천이와 적색 천이가 함께 나타날 수도 있다. The ratio between side chains having boronic acid groups and fluorine groups, side chains having hydroxyl groups, and the type of side chains may affect the degree of transition of the peak wavelength of the reflection color of the hydrogel, and the transition speed. In addition, the ratio between the side chains and the type of side chains may affect the tendency of the shift of the peak wavelength of the reflection color of the hydrogel. That is, depending on the proportion and type of side chains, a blue transition may appear, a red transition may appear, or a blue transition and a red transition may appear together in a glucose concentration range of interest.
특히 관심 글루코스 농도 범위에서 청색 천이와 적색 천이가 함께 나타날 경우, 사용자로 하여금 혈당의 증가 또는 감소를 파악할 수 없게 할 수 있다. Particularly, when the blue transition and the red transition appear together in the glucose concentration range of interest, the user may not be able to detect an increase or decrease in blood sugar.
예를 들어, 히드록실기를 함유하는 수화겔을 제조한 후 후처리, 예컨대 가수분해(hydrolysis) 및 카르복실화(carboxylation)을 통해 히드록실기를 카르복실기로 전환하고, 아미드화 반응(amidation)을 통해 카르복실기를 아미드기로 전환하는 등의 반응을 통해 수화겔을 제조할 경우, 그 재현성이 극히 낮을 뿐만 아니라, 수화겔 내에 잔존하는 카르복실기 및/또는 측쇄들의 비율, 종류의 완전한 제어가 어려워 원하는 파장 천이를 달성할 수 없다.For example, after preparing a hydrogel containing a hydroxyl group, the hydroxyl group is converted to a carboxyl group through post-treatment, such as hydrolysis and carboxylation, through amidation reaction (amidation). When a hydrogel is prepared through a reaction such as conversion of a carboxyl group to an amide group, not only its reproducibility is extremely low, but it is difficult to completely control the ratio and type of carboxyl groups and / or side chains remaining in the hydrogel, thereby achieving desired wavelength transition. none.
반면, 본 실시예에 따른 수화겔의 제조 방법은 상술한 단량체들의 함량을 조절하며 중합하여 수화겔을 제조하기 때문에, 수화겔 내에 잔존하는 작용기 및/또는 측쇄들의 비율과 종류를 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 수화겔의 제조 방법은 글루코스의 농도에 따라 수화겔의 반사색의 피크 파장을 명확히 제어할 수 있고, 민감도가 우수한 수화겔을 제조할 수 있다.On the other hand, the method of manufacturing the hydrogel according to the present embodiment controls the content of the above-mentioned monomers and polymerizes to prepare the hydrogel, so that the ratio and type of functional groups and / or side chains remaining in the hydrogel can be controlled. Therefore, in the method of manufacturing the hydrogel according to the present embodiment, the peak wavelength of the reflected color of the hydrogel can be clearly controlled according to the concentration of glucose, and a hydrogel excellent in sensitivity can be produced.
이하, 본 발명의 실험예들을 더 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with further reference to experimental examples of the present invention.
<제조예 1-1: 4-아크릴아미도-3-플로오로페닐보론산 제조><Production Example 1-1: 4-acrylamido-3-fluorofluorophenylboronic acid production>
하기 반응을 통해 4-아크릴아미도-3-플로오로페닐보론산(4-acrylamido-3-fluorophenylboronic acid)(이하, 화합물 (1))을 합성하였다.4-acrylamido-3-fluorophenylboronic acid (hereinafter, compound (1)) was synthesized through the following reaction.
<제조예 1-2: 수화겔의 제조><Production Example 1-2: Preparation of hydrogel>
상기 화합물 (1) 0.07g, 아크릴아마이드(arcylamide, AAm, 이하, 화합물 (2)) 0.12g, N,N'-메틸렌비스아크릴아마이드(N,N'-Methylenebis(acrylamide), 이하, 화합물 (3)) 0.01g, 2,2-다이에톡시아세토페논(2,2-Diethoxyacetophenone, 이하, 화합물 (4)) 0.003g 및 DMSO(Dimethylsulfoxide) 0.5g을 포함하는 단량체 조성물을 이용하여 역오팔 구조를 갖는 수화겔을 제조하였다. Compound (1) 0.07 g, acrylamide (arcylamide, AAm, hereinafter, compound (2)) 0.12 g, N, N'-methylenebisacrylamide (N, N'-Methylenebis (acrylamide), hereinafter, compound (3 )) 0.01g, 2,2-diethoxyacetophenone (2,2-Diethoxyacetophenone, hereinafter, compound (4)) having a reverse opal structure using a monomer composition containing 0.003g and DMSO (Dimethylsulfoxide) 0.5g A hydrogel was prepared.
<비교예 1><Comparative Example 1>
상기 제조예 1-2에 대한 비교예로, 4-아크릴아미도-3-플로오로페닐보론산을 사용하지 않고, 3-아크릴아미도페닐보론산(3-acrylamido phenylboronic acid)를 사용하여 수화겔을 제조한다. 3-아크릴아미도페닐보론산(이하, 화합물 (5)) 0.084g, 2-하이드록시에틸렌메타크릴레이트(2-Hydroxyethylene methacrylate, HEMA, 이하, 화합물 (6)) 0.916g, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트(Ethylene glycol dimethacrylate, 이하, 화합물 (7)) 0.015g, 2,2-다이메톡시-1,2-다이페닐에탄-1-온(2,2-Dimethoxy-1,2-diphenylethan-1-one, 이하, 화합물 (8)) 0.019g 및 증류수 0.229g을 포함하는 단량체 조성물을 이용하여 수화겔을 제조한다.As a comparative example for Preparation Example 1-2, without using 4-acrylamido-3-floorophenylboronic acid, 3-acrylamido phenylboronic acid was used as a hydrogel. To manufacture. 3-acrylamidophenylboronic acid (hereinafter compound (5)) 0.084 g, 2-hydroxyethylene methacrylate (HEMA, compound (6)) 0.916 g, ethylene glycol dimethacryl Rate (Ethylene glycol dimethacrylate, hereinafter, compound (7)) 0.015 g, 2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethan-1-one (2,2-Dimethoxy-1,2-diphenylethan-1- one, hereinafter, compound (8)) A hydrogel was prepared using a monomer composition comprising 0.019 g and 0.229 g of distilled water.
<비교예 2><Comparative Example 2>
상기 비교예 1과 동일하게, 3-아크릴아미도페닐보론산(3-acrylamido phenylboronic acid)를 사용하여 수화겔을 제조한다. 3-아크릴아미도페닐보론산 0.076g(화합물 (5)), 아크릴아마이드(화합물 (2)) 0.47g, N,N'-메틸렌비스아크릴아마이드(화합물 (3)) 0.038g, 2,2-다이메톡시-1,2-다이페닐에탄-1-온(화합물 (7)) 0.022g 및 증류수 0.47g을 포함하는 단량체 조성물을 이용하여 수화겔을 제조한다.In the same manner as in Comparative Example 1, 3-acrylamido phenylboronic acid was used to prepare a hydrogel. 3-acrylamidophenylboronic acid 0.076 g (Compound (5)), acrylamide (Compound (2)) 0.47 g, N, N'-methylenebisacrylamide (Compound (3)) 0.038 g, 2,2- A hydrogel was prepared using a monomer composition comprising 0.022 g of dimethoxy-1,2-diphenylethan-1-one (Compound (7)) and 0.47 g of distilled water.
<비교예 3><Comparative Example 3>
상기 제조예 1-2와 달리, 아크릴아마이드를 포함하는 수화겔을 제조한 후, 가수분해(Hydrolysis) 및 아미데이션(Amidation)을 통해 화합물 (1)의 4-아크릴아미도-3-플로오로페닐보론산을 포함하는 수화겔을 제조한다.Unlike Preparation Example 1-2, after preparing a hydrogel containing acrylamide, 4-acrylamido-3-fluorofluorophenyl boron of Compound (1) is obtained through hydrolysis and amidation. A hydrogel comprising an acid is prepared.
아크릴아마이드 0.1 g, N,N'-메틸렌비스아크릴아마이드 0.0025g, 에틸렌글리콘 0.02g, 2,2'-다이에톡시아세토페논 7μL 및 입자의 크기가 170 nm인 CCA 3g(14wt%)를 포함하는 단량체 조성물을 이용하여 수화겔을 중합한다. 여기서, 수화겔은 파장이 365 nm인 자외선에서 90분동안 광중합(Photopolymerization) 시켜 중합한다. 그리고, 이를 150mM의 염화나트륨 수용액으로 세척하고, 가수분해 및 아미데이션 공정을 수행한다. Contains 0.1 g of acrylamide, 0.0025 g of N, N'-methylenebisacrylamide, 0.02 g of ethylene glycol, 7 μL of 2,2'-diethoxyacetophenone, and 3 g (14 wt%) of CCA having a particle size of 170 nm. The hydrogel is polymerized using the monomer composition described above. Here, the hydrogel is polymerized by photopolymerization for 90 minutes in ultraviolet light having a wavelength of 365 nm. Then, it is washed with an aqueous sodium chloride solution of 150 mM, and a hydrolysis and animation process is performed.
이때, 가수분해 및 아미데이션 공정을 조건을 달리하여 하기와 같이 총 3개의 수화겔을 제조한다. At this time, a total of three hydrogels were prepared as follows, by varying the conditions of the hydrolysis and the amination process.
먼저, 상기 중합된 수화겔을 0.1mmol/L 의 수산화나트륨(NaOH) 및 100mL의 테트라메틸렌디아민(TEMED) 혼합 용액을 이용하여 16시간 동안 가수분해 시키고, 25mmol/L의 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카보디이미드(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide, EDC) 및 25mmol/L의 아미노테트라플로로벤조산(Aminotetrafluorobenzoic acid, AFBA) 혼합용액을 이용하여 3시간 동안 아미데이션 시켜 수화겔을 제조한다. 이와 같이, 아미데이션 공정을 3시간 동안 수행하여 제조한 수화겔을 이하, 비교예 3-1이라 지칭한다.First, the polymerized hydrogel was hydrolyzed for 16 hours using a mixed solution of 0.1 mmol / L sodium hydroxide (NaOH) and 100 mL tetramethylenediamine (TEMED), and 25 mmol / L 1-ethyl-3- (3 -Dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and 25mmol / L aminotetrafluorobenzoic acid (AFBA) mixed solution for 3 hours for the formation To prepare a hydrogel. As described above, the hydrogel prepared by performing the amination process for 3 hours is hereinafter referred to as Comparative Example 3-1.
그리고, 상기 비교예 3-1에서, 가수분해 공정을 3시간동안 수행하고, 화합물 (1)을 포함하는 혼합용액을 이용하여 20시간동안 아미데이션 공정을 수행하여 수화겔을 제조하고, 이를 이하, 비교예 3-2라 지칭한다.Then, in Comparative Example 3-1, a hydrolysis process was performed for 3 hours, and an amination process was performed for 20 hours using a mixed solution containing compound (1) to prepare a hydrogel, which was compared below. Referred to as Example 3-2.
마지막으로, 상기 비교예 3-2에서, 가수분해 공정을 16시간 동안 수행하고, 아미데이션 공정을 54시간동안 수행하여 수화겔을 제조하고, 이를 이하, 비교예 3-3이라 지칭한다.Finally, in Comparative Example 3-2, a hydrolysis process was performed for 16 hours, and an amidation process was performed for 54 hours to prepare a hydrogel, which is hereinafter referred to as Comparative Example 3-3.
전술한 바와 같이 제조예 1-2와 달리, 수화겔을 중합한 후 다양한 조건의 가수분해 및 아미데이션 공정을 수행하여 수화겔(비교예 3-1, 3-2 및 3-3)을 제조하였다.Unlike the preparation examples 1-2 as described above, after hydrogel polymerization, hydrolysis and amidation processes under various conditions were performed to prepare hydrogels (Comparative Examples 3-1, 3-2, and 3-3).
<실험예 1><Experimental Example 1>
제조예 1-2, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 수화겔을 pH 7.4 조건의 글루코스 용액에 노출시키며 수화겔이 나타내는 색의 피크 파장 변화를 측정하였다. The hydrogels prepared according to Preparation Examples 1-2, Comparative Examples 1 and 2 were exposed to a glucose solution having a pH of 7.4, and the peak wavelength change of the color indicated by the hydrogels was measured.
제조예 1-2에 따른 수화겔은 0mM 글루코스 농도(즉, 초기 상태), 1.0mM 글루코스 농도, 4.0mM 글루코스 농도 및 10mM 글루코스 농도에 노출시켰다. 그리고 그 이미지를 하기 표 1에 나타내었다.The hydrogel according to Preparation Example 1-2 was exposed to a 0 mM glucose concentration (i.e., an initial state), a 1.0 mM glucose concentration, a 4.0 mM glucose concentration, and a 10 mM glucose concentration. And the image is shown in Table 1 below.
또, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수화겔은 0.1mM 글루코스 농도, 1.0mM 글루코스 농도, 10mM 글루코스 농도 및 100mM 글루코스 농도에 노출시켰다. 그리고 그 이미지를 하기 표 2에 나타내었다.In addition, the hydrogels according to Comparative Examples 1 and 2 were exposed to 0.1 mM glucose concentration, 1.0 mM glucose concentration, 10 mM glucose concentration, and 100 mM glucose concentration. And the image is shown in Table 2 below.
[표 1][Table 1]
[표 2][Table 2]
상기 표 1을 참조하면, 제조예 1-2에 따라 제조된 수화겔은 0mM 내지 10mM의 글루코스 농도 범위에서 육안으로 확인 가능한 수준의 반사색 변화가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제조예 1-2에 따라 제조된 수화겔은 상기 글루코스 농도 범위에서 반사색의 피크 파장이 명확하게 적색 천이를 나타내는 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that the hydrogel prepared according to Preparation Example 1-2 had a change in reflection color at a level visually observable in a glucose concentration range of 0 mM to 10 mM. That is, it can be confirmed that the hydrogel prepared according to Preparation Example 1-2 clearly exhibited a red transition in the peak wavelength of the reflected color in the glucose concentration range.
특히, 제조예 1-2에 따라 제조된 수화겔은 글루코스의 농도가 0mM 내지 10.0mM의 범위에서도 선명한 색의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다. 인체의 혈액 내 글루코스 농도의 정상수치 범위가 4mM 내지 7mM임을 고려한다면, 정상수치 범위에서 1mM 내지 2mM의 미량의 변화만으로도 육안으로 식별이 가능할 정도의 색 변화를 나타낸다. 즉, 제조예 1-2에 따라 제조된 수화겔을 이용하여 생리적 환경에서 높은 민감도를 가지는 글루코스 센서를 구현할 수 있다.In particular, it can be seen that the hydrogel prepared according to Preparation Example 1-2 exhibits a vivid color change even in the range of 0 mM to 10.0 mM glucose. Considering that the normal range of glucose concentration in the blood of the human body is 4 mM to 7 mM, it shows a color change such that it can be discerned with the naked eye even with a small change of 1 mM to 2 mM in the normal range. That is, a glucose sensor having high sensitivity in a physiological environment can be implemented using a hydrogel prepared according to Preparation Examples 1-2.
반면 상기 표 2를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 수화겔은 0.1mM 내지 100mM의 글루코스 농도 범위에서 반사색의 피크 파장의 천이가 미미하여 육안으로 구별이 불가능한 것을 확인할 수 있다. 상기 표 1에 비해 글루코스 농도의 변화 범위가 큰 값을 가짐에도 불구하고, 육안으로 구별이 불가능한 색 변화를 나타낸다. On the other hand, referring to Table 2, it can be seen that the hydrogels prepared according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were invisible to the naked eye because of a slight shift in the peak wavelength of the reflected color in the glucose concentration range of 0.1 mM to 100 mM. Although the change range of glucose concentration has a large value as compared to Table 1, it shows a color change that is impossible to distinguish with the naked eye.
상기 피크 파장의 천이의 정도 및 경향성은 보론산기를 갖는 벤젠링에 도입된 플루오린기의 존부 때문일 수 있다.The degree and tendency of transition of the peak wavelength may be due to the presence or absence of a fluorine group introduced into a benzene ring having a boronic acid group.
<실험예 2><Experimental Example 2>
제조예 1-2 및 비교예 3에 따라 제조된 수화겔을 pH 7.4 조건의 글루코스 용액에 노출시키며 수화겔이 나타내는 색의 피크 파장 변화를 측정하였다.The hydrogel prepared according to Preparation Example 1-2 and Comparative Example 3 was exposed to a glucose solution having a pH of 7.4 and the peak wavelength change of the color indicated by the hydrogel was measured.
제조예 1-2에 따른 수화겔은 0mM 글루코스 농도(즉, 초기 상태), 1.0mM 글루코스 농도 및 10mM 글루코스 농도에 노출시키고, 각 글루코스 농도에서의 반사색의 피크 파장을 측정하였다. 또, 비교예 3에 따른 수화겔(앞서 설명한 것과 같이 총 3개의 수화겔, 비교예 3-1, 3-2 및 3-3)은 각각 0mM 글루코스 농도(즉, 초기 상태), 1.0mM 글루코스 농도 및 10mM 글루코스 농도에 노출시키고, 각 글루코스 농도에서의 반사색의 피크 파장을 측정하였다. 그리고 그 결과를 표 3에 나타내었다.The hydrogel according to Preparation Example 1-2 was exposed to a 0mM glucose concentration (that is, an initial state), a 1.0mM glucose concentration, and a 10mM glucose concentration, and the peak wavelength of the reflected color at each glucose concentration was measured. In addition, the hydrogels according to Comparative Example 3 (a total of three hydrogels as described above, Comparative Examples 3-1, 3-2, and 3-3) were 0 mM glucose concentration (i.e., initial state), 1.0 mM glucose concentration, and 10 mM, respectively. Exposure to glucose concentration and measuring the peak wavelength of the reflected color at each glucose concentration. And the results are shown in Table 3.
[표 3][Table 3]
표 3을 참조하면, 제조예 1-2에 따라 제조된 수화겔은 0nm 내지 10nm의 글루코스 농도 범위에서 반사색의 피크 파장이 명확하게 적색 천이를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 글루코스의 농도가 증가함에 따라 반사색의 피크 파장이 단조 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 3, it can be seen that the hydrogel prepared according to Preparation Example 1-2 clearly exhibited a red transition in the peak wavelength of the reflected color in the glucose concentration range of 0 nm to 10 nm. That is, it can be confirmed that the peak wavelength of the reflected color monotonically increases as the concentration of glucose increases.
반면, 비교예 3에 따라 제조된 수화겔은 반복 실험에 따라 초기 상태에서의 반사색의 피크 파장이 일정하지 못한 것을 확인할 수 있다. 또, 반복 실험에 따라 글루코스 농도에 따른 반사색의 피크 파장 변화 또한 일정하지 못한 것을 확인할 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 수화겔의 고분자의 측쇄들의 비율 및/또는 종류는 수화겔의 초기 반사색 및 반사색 변화에 영향을 미칠 수 있다. 비교예 3에 따라 제조된 수화겔은 측쇄들의 비율과 종류를 일정하게 제어할 수 없어 재현성이 없는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, the hydrogel prepared according to Comparative Example 3 can be confirmed that the peak wavelength of the reflected color in the initial state is not constant according to repeated experiments. In addition, it can be confirmed that the peak wavelength change of the reflected color according to the glucose concentration is also not constant according to the repeated experiment. As described above, the ratio and / or type of the side chains of the polymer of the hydrogel may affect the initial reflection color and change in the color of the hydrogel. It can be seen that the hydrogel prepared according to Comparative Example 3 has no reproducibility because the proportions and types of side chains cannot be constantly controlled.
또, 비교예 3-1, 비교예 3-2 및 비교예 3-3에 따라 제조된 수화겔은 0mM 내지 10mM의 글루코스 농도 범위에서 청색 천이와 적색 천이가 함께 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 3에 따라 제조된 수화겔은 반사색의 피크 파장 천이를 단조 형태로 구성할 수 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 가수분해 및 아미드화 반응 후에 잔존하는 카르복실기 때문일 수 있다.In addition, it can be seen that the hydrogels prepared according to Comparative Examples 3-1, Comparative Examples 3-2, and 3-3 show a blue transition and a red transition together in a glucose concentration range of 0 mM to 10 mM. That is, it can be confirmed that the hydrogel prepared according to Comparative Example 3 could not constitute the peak wavelength shift of the reflected color in a monotonic form. This may be due to the carboxyl group remaining after the hydrolysis and amidation reaction.
본 발명의 일 실시예에 따른 수화겔은 주위의 글루코스 농도 변화를 연속적/가역적으로 감지할 수 있다. 또, 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 센서는 환자에게 고통과 불편함을 주지 않고 비교적 간단한 방법으로 혈중 글루코스 농도를 지속적으로 모니터링할 수 있다. 또한 우수한 재현성을 가지면서도 반사색의 피크 파장 천이를 단조 형태로 구성할 수 있어 수화겔을 글루코스 센서로 적용할 경우 그 신뢰성을 확보할 수 있다.The hydrogel according to an embodiment of the present invention can continuously / reversibly detect changes in surrounding glucose concentration. In addition, the glucose sensor according to an embodiment of the present invention can continuously monitor the blood glucose concentration in a relatively simple manner without giving pain and discomfort to the patient. In addition, while having excellent reproducibility, it is possible to configure the peak wavelength shift of the reflected color in a monotonic form, so that the reliability can be secured when the hydrogel is applied as a glucose sensor.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention have been mainly described above, but this is merely an example and does not limit the present invention, and a person having ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains does not depart from the essential characteristics of the embodiments of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications not illustrated above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be implemented by modification. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
Claims (8)
상기 매트릭스는 하기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조를 포함하는 수화겔.
<화학식 1A>
(상기 화학식 1A에서, R1은 수소 또는 메틸기이고, n2는 1 또는 2의 정수임)A hydrogel comprising a polymer matrix,
The matrix is a hydrogel comprising a unit structure represented by the following formula 1A.
<Formula 1A>
(In the formula 1A, R 1 is hydrogen or a methyl group, n2 is an integer of 1 or 2)
상기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조는 하기 화학식 1B로 표현되는 단위 구조인 수화겔.
<화학식 1B>
(상기 화학식 1B에서, R1은 화학식 1A에서 정의한 바와 동일함)According to claim 1,
The unit structure represented by Chemical Formula 1A is a hydrogel, which is a unit structure represented by Chemical Formula 1B.
<Formula 1B>
(In Formula 1B, R 1 is the same as defined in Formula 1A)
글루코스 존재 하에서,
상기 매트릭스는 상기 화학식 1A로 표현되는 단위 구조와 결합되는 하기 화학식 1C로 표현되는 단위 구조, 하기 화학식 1D로 표현되는 단위 구조, 또는 하기 화학식 1E로 표현되는 단위 구조를 더 포함하는 수화겔.
<화학식 1C>
<화학식 1D>
<화학식 1E>
(상기 화학식 1C, 상기 화학식 1D 및 상기 화학식 1E에서, R1 및 n2는 각각 화학식 1A에서 정의한 바와 동일함)According to claim 1,
In the presence of glucose,
The matrix is a hydrogel further comprising a unit structure represented by the following formula 1C, a unit structure represented by the following formula 1D, or a unit structure represented by the following formula 1E, combined with the unit structure represented by the formula 1A.
<Formula 1C>
<Formula 1D>
<Formula 1E>
(In Formula 1C, Formula 1D and Formula 1E, R 1 and n2 are the same as defined in Formula 1A, respectively)
상기 수화겔은,
하기 화학식 4A로 표현되는 제1 단량체;
하기 화학식 4B로 표현되는 제2 단량체; 및
하기 화학식 4C로 표현되는 제3 단량체를 포함하는 단량체 조성물을 중합시켜 제조된 것인 수화겔.
<화학식 4A>
<화학식 4B>
<화학식 4C>
(상기 화학식 4A 에서, R1 은 각각 수소 또는 메틸기임)According to claim 1,
The hydrogel,
A first monomer represented by the following formula 4A;
A second monomer represented by the following Chemical Formula 4B; And
A hydrogel prepared by polymerizing a monomer composition comprising a third monomer represented by the following Chemical Formula 4C.
<Formula 4A>
<Formula 4B>
<Formula 4C>
(In the above formula 4A, R 1 are each hydrogen or methyl group)
상기 매트릭스는 주쇄 및 상기 주쇄에 결합된 측쇄를 포함하되, 상기 측쇄는 카르복실기(-COOH)를 포함하지 않는 수화겔.According to claim 4,
The matrix includes a main chain and a side chain bound to the main chain, wherein the side chain is a hydrogel that does not contain a carboxyl group (-COOH).
0mM 내지 20mM의 글루코스 농도 구간에서,
글루코스 농도 증가에 따른 상기 수화겔의 부피는 단조 증가하는 수화겔.According to claim 1,
In the glucose concentration section of 0mM to 20mM,
The hydrogel having a monotonically increasing volume of the hydrogel according to an increase in glucose concentration.
0mM 내지 20mM의 글루코스 농도 구간에서,
글루코스 농도 증가에 따른 상기 수화겔의 반사색의 피크 파장은 단조 증가하는 수화겔.According to claim 1,
In the glucose concentration section of 0mM to 20mM,
The peak wavelength of the reflection color of the hydrogel according to an increase in glucose concentration is monotonically increasing.
상기 베이스 상에 배치되는 상기 제1항에 따른 수화겔을 포함하는 글루코스 센서Base; And
A glucose sensor comprising the hydrogel according to claim 1 disposed on the base
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