KR102117770B1 - 3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102117770B1
KR102117770B1 KR1020180163366A KR20180163366A KR102117770B1 KR 102117770 B1 KR102117770 B1 KR 102117770B1 KR 1020180163366 A KR1020180163366 A KR 1020180163366A KR 20180163366 A KR20180163366 A KR 20180163366A KR 102117770 B1 KR102117770 B1 KR 102117770B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogel
cmc
printing
hyaluronic acid
cdh
Prior art date
Application number
KR1020180163366A
Other languages
English (en)
Inventor
노인섭
고피나탄 자나르타난
응유엔 하오 트란
Original Assignee
서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority to KR1020180163366A priority Critical patent/KR102117770B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102117770B1 publication Critical patent/KR102117770B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/006—Heteroglycans, i.e. polysaccharides having more than one sugar residue in the main chain in either alternating or less regular sequence; Gellans; Succinoglycans; Arabinogalactans; Tragacanth or gum tragacanth or traganth from Astragalus; Gum Karaya from Sterculia urens; Gum Ghatti from Anogeissus latifolia; Derivatives thereof
    • C08B37/0063—Glycosaminoglycans or mucopolysaccharides, e.g. keratan sulfate; Derivatives thereof, e.g. fucoidan
    • C08B37/0072—Hyaluronic acid, i.e. HA or hyaluronan; Derivatives thereof, e.g. crosslinked hyaluronic acid (hylan) or hyaluronates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • C08B15/02—Oxycellulose; Hydrocellulose; Cellulosehydrate, e.g. microcrystalline cellulose
    • C08B15/04—Carboxycellulose, e.g. prepared by oxidation with nitrogen dioxide
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L1/00—Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
    • C08L1/08—Cellulose derivatives
    • C08L1/26—Cellulose ethers
    • C08L1/28—Alkyl ethers
    • C08L1/286—Alkyl ethers substituted with acid radicals, e.g. carboxymethyl cellulose [CMC]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L5/00—Compositions of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08L1/00 or C08L3/00
    • C08L5/08—Chitin; Chondroitin sulfate; Hyaluronic acid; Derivatives thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00—Inks
    • C09D11/30—Inkjet printing inks

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)

Abstract

카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 카르보하이드라자이드(Carbohydrazide, CDH)로부터 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)를 합성하는 단계; 히알루론산과 디올계 화합물로부터 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계; 및 상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드와 모노알데하이드 히알루론산 의 시프 염기(Schiff’s base)반응에 의한 이민결합(imine bond)을 형성하는 단계; 를 포함하는, 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법 및 형태안정성이 향상된 3D 프린팅용 하이드로젤을 제공한다.

Description

3D 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법 {Self-reactive Hydrogel for 3D printing and method of manufacturing the same}
본 명세서에서는 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)와 모노알데하이드 히알루론산(HA-mCHO)간의 이민결합(imine bond)을 형성하는 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법, 3D 프린팅용 하이드로젤 및 이를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크가 개시된다.
종래의 하이드로젤은 가교결합제를 이용하여 고분자를 화학적으로 결합시킴으로써 합성하는 방법을 이용하여 제작되었다. 이 때, 미리 고분자에 가교결합제를 화학적으로 결합시켜 개질된 고분자들 사이의 반응을 이용하여 합성하거나, 가교결합제를 고분자용액과 결합시켜 가교결합에 의한 하이드로젤을 합성하는 것이 일반적이다. 혹은, 특정한 이온이나 유기화합물을 첨가하여 이온결합에 의한 하이드로젤의 합성을 유도하거나, 소수성 화합물을 결합시켜 소수성 결합에 의한 하이드로젤 합성을 유도하는 방법을 사용하여 제조되기도 한다. 또한, 개질된 고분자의 작용기를 효소 및 촉매를 이용하여 고분자젤을 제조하는 방법 역시 일반적으로 이용되고 있다.
이온결합에 의해 생성되는 하이드로젤은 제조시 반응물 간의 반응속도가 빠르고, 다루기 쉬운 장점을 가지는 반면에 세포부착성이 낮고, 점탄성과 기계적 물성이 약한 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 고분자량의 알긴산을 이용하는 방법이 있으나, 이 경우 분자량 증가에 따라 고분자의 점성이 높아져 제조공정을 통해 균일한 구조가 형성되지 않는 단점이 있다.
가교결합제를 이용하여 개질한 고분자 젤의 합성의 경우에는, 가교결합제의 독성으로 인한 문제점을 해결해야 하는 단점이 있으며, 효소나 촉매를 사용하는 경우에는 효소와 촉매의 인체 무해성을 입증해야하는 문제점이 있다. 최근에는 카페인을 촉매로 사용하여 폴리(에틸렌글리콜 디글라이시딜 에터), 퓨마르산 혹은 시트르산을 이용한 젤의 합성 및 폴리(프로필렌 옥사이드), 시트르산, 머캅토 수신산 및 폴리(프로필렌 디메타아크릴레이트)를 이용한 젤의 합성이 보고되고 있다 (polymeric materials for bio-applications, PCT/US2015/028311). 최근에는, 시프염기(schiff's base)반응을 통하여 자가결합형의 하이드로젤 개발에도 많은 연구가 진행되고 있다.
통상적으로 하이드로젤 제조에 사용되는 생체 친화성 고분자 재료로는 셀룰로오스, 키토산, 히알루론산 및 콜라젠 등의 천연 고분자들이 있다. 이들 중 셀룰로오스는 환경 친화적이며 높은 생분해성과 낮은 독성으로 인해 하이드로젤 제조에 가장 일반적으로 사용된다. 또한, 셀룰로오스로 제조된 하이드로젤은 특유의 다공성 구조로 인하여 단시간 내에 약물의 흡수와 전달이 가능하기 때문에 약물전달 시스템으로 사용하기에도 적합하다
셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 생물자원으로 자연계의 법칙에 의해 생성, 분해, 이용 및 생성의 순환을 반복하는 무한정 자원에 해당하여, 오래전부터 인류에게 기능성, 저비용 재생물질로 제공되어 왔다. 이러한 셀룰로오스는 에너지, 식량 등의 자원으로서 식물체의 셀룰로오스 성분을 활용하려고 하는 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 최근에는 환경친화적인 고분자 재료의 필요성이 증가하면서 셀룰로오스를 각종 기능성 고분자 재료 및 산업분야에 사용되는 고분자 자원으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
히알루론산은, N-아세틸-D-글루코사민과 D-글루쿠론산으로 이루어진 반복 단위가 선형으로 연결되어 있는 생체고분자 물질로서, 안구의 유리액, 관절의 활액, 닭벼슬 등에 많이 존재하며, 우수한 생체적합성을 갖기 때문에, 안과용 수술 보조제, 관절기능 개선제, 약물전달 물질, 점안제, 주름 개선제 등의 의료 및 의료 용구나 화장품 용도로 널리 사용되고 있다. 그러나 히알루론산 그 자체는 체내에서 수시간에 불과한 짧은 반감기를 나타내어 적용에 한계가 있어, 가교결합을 통해 반감기(체내 지속성)를 증대시키려는 연구가 진행되어 왔다. 예컨대, 디비닐술폰, 비스할라이드, 포름알데하이드 등과 같이 작용기가 두 개인 화합물을 가교제로 사용하여 가교결합된 히알루론 유도체를 합성한 예가 여러 문헌에 보고된 바가 있다.
일반적으로 히알루론산을 이용하여 하이드로젤과 같은 구조체를 제조하는 경우, 히알루론산의 평균 분자량이 작을수록 구조체 형성이 용이하고 점성이 낮으며, 분자량이 커질수록 기계적 강도는 높아지지만 점성이 강해지는 특성을 갖는다. 이러한 특성으로 고분자의 히알루론산을 이용하면 기계적 물성이 저하되고, 저분자의 히알루론산을 이용하면 구조가 틀어지는 등 형태가 유지되지 않는 문제가 발생하므로 이를 해결하기 위한 연구 개발이 필요하다.
게다가, 상기 셀룰로오스 및 히알루론산을 이용하여 젤을 형성하는 경우, 주입가능한 물성으로 자가치유능이 있으면서, 적층구조의 3D 프린팅이 가능한 하이드로젤에 관해서는 종래에 보고된 바가 없었다.
특히 복수의 적층구조를 갖는 3D 바이오프린팅 소재로 적용하고자 하는 경우, 프린팅 이후에 그 형태가 유지되지 않는 문제점이 있어 이를 해결하기 위한 노력이 필요하다.
한국등록특허 제 1437082호, “카복시메틸 셀룰로오스 섬유를 함유한 혼성부직포, 그 제조방법 및 용도” (공개일: 2014.07.01) 한국등록특허 제 1667778호, “다공성 셀룰로오스 하이드로젤 및 그 제조방법”(공개일: 2016.05.11)
본 발명의 목적은, 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 카르보하이드라자이드(Carbohydrazide, CDH)로부터 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)를 합성하는 단계, 히알루론산과 디올계 화합물로부터 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계, 및 상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드와 모노알데하이드 히알루론산 의 시프 염기(Schiff’s base)반응에 의한 이민결합(imine bond)을 형성하는 단계를 포함하는, 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH) 및 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)의 이민결합(imine bond)으로 이루어지는 구조체를 포함하고, 상기 구조체는, 이민결합과 이온결합의 상호작용에 의해 형태 안정성이 향상된, 3D 프린팅용 하이드로젤을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 하이드로젤을 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 카르보하이드라자이드(Carbohydrazide, CDH)로부터 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)를 합성하는 단계; 히알루론산과 디올계 화합물로부터 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계; 및 상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드와 모노알데하이드 히알루론산 의 시프 염기(Schiff's base)반응에 의한 이민결합(imine bond)을 형성하는 단계; 를 포함하는, 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법이 제공된다.
일 측에 따르면, 상기 이민결합이 형성된 3D 프린팅용 하이드로젤은, 하기 화학식 1을 단위체로 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112018126681513-pat00001
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH) 및 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)의 이민결합(imine bond)으로 이루어지는 구조체를 포함하고, 상기 구조체는, 이민결합과 이온결합의 상호작용에 의해 형태 안정성이 향상된, 3D 프린팅용 하이드로젤이 제공된다.
일 측에 따르면, 상기 3D 프린팅용 하이드로젤은, 인-시추(in-situ) 하이드로젤인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명을 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤 중 어느 하나를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크가 제공된다.
본 발명의 제조방법을 이용하면, 주사형 하이드로젤 및 균일한 형상의 다공성 3D 프린팅용 하이드로젤을 제조할 수 있다. 또, 본 발명의 3D 프린팅용 하이드로젤을 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크를 이용하여 기계적 물성이 뛰어난 3D 프린팅 구조체를 인쇄할 수도 있다.
아울러, 하이드라자이드에 의해 자가치유능이 있는 본 발명의 하이드로젤은 상처치유 패치, 주름개선 등의 성형재료, 미용재료, 관절염 치료제, 신경, 피부, 골 및 연골재생 등과 같은 조직 재생용 지지체 등으로 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 세포의 부착유도는 젤의 분해가 가능한, 조직재생 유도형 지지체로도 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 하이드로젤은, 세포나 성장인자 등의 생체활성물질이 포함된 카르복시메틸셀룰로오스 용액 혹은 히알루론산 용액을 혼합하여 생체활성물질(세포, 성장인자, 약물 등)을 포함하도록 제조될 수 있고, 2개의 용액을 단순혼합하여 시프 염기반응을 통하여 자가결합 반응을 통하여CMC-HA 하이드로젤이 자발적으로 형성되도록 함으로써 젤을 제조하고, 제조된 젤을 주사기에 넣어 질병이 있는 환자의 조직에 주사할 수 있다. 이 때, 젤에 포함된 생체활성물질이 주변의 질병조직으로 방출되도록 유도함과 동시에, 젤을 구성하는 고분자들이 효소에 의해서 분해될 수 있으므로, 생체활성물질 전달과 생분해성 특징을 이용하고, 이러한 특성을 조절함으로써 제공된 CMC-HA 젤 공간에 손상된 조직을 재생하거나 질병을 치료할 수 있는 조직공학용 지지체 및 생체활성담체로 사용될 수 있다. 이 경우, 주사된 젤은 i) CMC와 히알론산 고분자의 분자량, ii) CMC의 카복시 음이온과 히알론산-아자이드 사이의 이온결합에 의한 폴리일렉트롤라이트(polyelectrolyte) 복합체 구성, iii) 시프염기(Schiff's base)반응에 의한 이민 화학결합과 생성된 이민 화학결합에 의해 생성된 화학구조의 공명안정성에 따른 히알론산 6각고리의 보호에 따른 안정성에 의해서 젤의 안정성과 생분해성이 조절될 수 있다.
특히, 반응물 간의 최적의 함량비로 제조된 본 발명의 3D 프린팅용 하이드로젤은 상기 i) 내지 iii)의 특성에 의해서 복수의 적층구조로 인쇄시에도 프린팅 된 젤이 프린팅 형상을 유지하는 형태안정성이 매우 뛰어난 특징이 있다. 이러한 특징을 이용하면, 본 발명의 3D 프린팅용 하이드로젤은 조직공학용도나 약물담지체 등으로 이용될 수 있고, 그 외 생체적합성이 요구되는 다양한 3D 프린팅용 구조체를 생성하는데 이용될 수 있다.
그러나 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제조방법에 의해 CMC-CDH와 HA-mCHO가 합성되는 메커니즘을 반응구조식으로 나타낸 것이다.
도 2는 시프염기(Schiff's base)반응에 의한 하이드로젤 합성 메커니즘 및 공명안정화된 CMC-HA 하이드로젤 구조를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 하이드로젤의 FTIR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 하이드로젤의 NMR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 하이드로젤의 SEM 및 디지털 이미지를 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 하이드로젤의 팽윤율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 하이드로젤의 시간경과에 따른 자가 치유능 및 기계적 안정도를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 하이드로젤의 물에서의 주입성 및 안정성을 실험한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 프린팅 된 본 발명의 하이드로젤의 시간경과에 따른 PBS 안정성을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 하이드로젤의 특성 및 용도를 종합적으로 도시한 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 용어 “이중 상호작용”은 시프염기반응에 의한 이민결합과 2개의 고분자 측쇄의 카복시 음이온과 아민 양이온 사이에 이온결합의 형성을 의미하는 것으로, 2종의 가교결합이 동시에 형성되어 구조적으로 안정성을 높이는 작용을 의미한다.
본 명세서에서 용어 “인-시추(in-situ)”는, “생체 내 원래의 위치” 혹은 “원래 형태로의 회귀” 등을 뜻으로 사용되었고, “인-시추(in-situ) 하이드로젤”은 2개의 용액을 단순 혼합하였을 때 스스로 화학결합과 이온결합형성에 의해 형성되는 하이드로젤을 의미한다. 구체적으로, 본 명세서에서의 “인-시추(in-situ) 하이드로젤”은 카복시메틸셀룰로오스의 알데하이드 작용기와 히알론산-아자이드 아민 작용기가 만났을 때, 순간적으로 자가적으로 반응하여 생성되는 하이드로젤을 형성하는 하이드로젤을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 카르보하이드라자이드(Carbohydrazide, CDH)로부터 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)를 합성하는 단계; 히알루론산과 디올계 화합물로부터 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계; 및 상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드와 모노알데하이드 히알루론산 의 시프 염기(Schiff's base)반응에 의한 이민결합(imine bond)을 형성하는 단계; 를 포함하는, 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH) 및 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)의 이민결합(imine bond)으로 이루어지는 구조체를 포함하고, 상기 구조체는, 이민결합과 이온결합의 상호작용에 의해 형태 안정성이 향상된, 3D 프린팅용 하이드로젤이 제공된다.
상기 카르복시메틸셀룰로오스는 음이온성 다당류인 셀룰로오스(cellulose)를 구성하는 글루코스의 히드록시기를 카르복시메틸기로 치환한 것으로, CMC라는 약칭으로 통용되기도 한다.
상기 하이드라자이드는 하이드라진(N2H4)에 유기산 또는 술폰산 화합물을 반응시켜 유도되는 합성 화합물로, 하이드라진은 암모니아(NH3)기체와 비슷한 화학적 성질을 갖지만 상온에서 투명한 액체로서 물과 비슷한 녹는점, 끓는점 및 밀도를 갖는다. 하이드라진은 카르보하이드라자이드(carbohydrazide)등의 형태로 카르보닐기를 포함하거나, 에폭시기를 포함하는 고분자들의 물성 향상을 위한 가교제 및 고분자에 기공을 만드는 발포제, 농약이나 의약품을 제조하는데 필요한 전구체, 보일러 물의 산소제거제, 연료 전지 그리고 로켓의 연료 등으로 다양하게 사용되는 특징이 있다. 카르보하이드라자이드는 탈산소제의 일종으로, 유해유기물질이나 산성물질이 없는 비 위험물로, 유기산을 생성하고, 보호막을 형성하여 산화방지력이 탁월한 장점이 있다. 또, 상기 카르보하이드라자이드는 하나의 분자 양쪽 말단에 아민 작용기를 각각 가지고 있으므로, 고분자(본 발명의 카복시메틸셀룰로오스)와 반응시키면, 한쪽의 아민은 고분자와 결합하고, 다른 한쪽은 아민 작용기가 남아 있도록 함으로써 추가적으로 다른 작용기와 반응하는데 사용할 수 있다. 하이드로젤의 제조에 이용하는 경우, 자가치유능이 있는 하이드로젤을 제조할 수 있다.
상기 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 카르보하이드라자이드(Carbohydrazide, CDH)로부터 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)를 합성하는 단계는, 카르복시메틸셀룰로오스에 아민(NH2) 작용기를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)는 카르복시메틸셀룰로오스에 하이드라자이드를 반응시켜 합성한 것으로, 합성된 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드 말단에 아민(NH2) 작용기를 가짐으로써 이민결합 형성이 가능한 형태를 가진다. 상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드는 하기의 구조식 1과 같으며, 본 명세서에서는 CMC-CDH와 용어가 혼용될 수 있다.
[구조식 1]
Figure 112018126681513-pat00002
하이드로젤에 이용되는 다당류는 전술한 셀룰로오스 종류 이외에도 알긴산, 젤란검(gellan gum), k-카라기난(k-carrageenan), 잔탄검(xanthan gum), 키토산, 덱스트란, 히알루론산 등이 보고되어 있는데, 이 중 히알루론산은 대표적인 생체적합성 다당류이다.
히알루론산은 글루크로닉산 (glucuronic acid)과 아세틸글루코스아민(acetylglucosamine)으로 구성된 선형 폴리사카리드로서 세포외기질(extracellular matrix, ECM), 관절의 윤활액(synovial fluid), 연골을 구성하는 지지체에 존재하는 글리코스아미노 글리칸(glycosamino glycan)중의 하나이다. 히알루론산은 또한 세포의 운동성, 세포분화, 상처치유 및 암 전이에 있어서 시그널 분자(signaling molecule)로서 중요한 역할을 하고 있다. 히알루론산과 가교된 히알루론산의 특이한 점탄성적인 성질은 관절 윤활액으로서의 그 중요성을 더하고 있다. 또한 면역적인 측면에 있어서도 히알루론산은 전혀 문제를 가지고 있지 않고 있기 때문에 조직공학(tissue engineering)과 약물전달시스템(drug delivery system)에 이용될 수 있는 우수한 생체적합성을 가진 생체재료이다.
상기 히알루론산과 디올계 화합물로부터 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계는 히알루론산-디올(Diol)을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
먼저, 상기 히알루론산에 디올계 화합물을 반응시켜 히알루론산-디올(Diol)을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 디올계 화합물은, 2개의 알코올 작용기가 인접해 있고, 아민 작용기를 가지고 있는 화합물을 의미한다. 자세히는 3-아미노-1,2-프로판 디올(3-amino-1,2-propane diol)임이 바람직하나 이에 제한이 되는 것은 아니다.
일 측에 따르면, 상기 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계는, 과요오드산나트륨(sodium periodate, periodic acid)에 의한 것일 수 있다. 구체적으로는, 과요오드산나트륨이 인접한 히알루론산-디올(Diol)의 디올(diol)기를 산화시킴으로써 히알루론산의 반복단위에 1개의 알데하이드 작용기를 생성시키는 단계를 포함하는 것일 수 있다. 위와 같은 과정으로 형성된, 모노알데하이드 히알루론산은 하기의 구조식 2와 같으며, 본 명세서에서는 HA-mCHO와 용어가 혼용될 수 있다.
[구조식 2]
Figure 112018126681513-pat00003
도 1은 전술한 방법으로 CMC-CDH와 HA-mCHO 가 각각 합성되는 메커니즘을 반응구조식으로 나타낸 것이다. 도 1을 보면, 위쪽의 (A)는 CMC-CDH의 합성을, 아래쪽의 (B)는 HA-mCHO의 합성을 도시하고 있다.
먼저, 도 1의 (A)를 보면, 카르복시메틸셀룰로오스와 카르보하이드라자이드를 혼합하여 반응시킴으로써 하이드라자이드 작용기를 가지는 CMC-CDH의 합성을 유도한 과정을 확인할 수 있다. 이 때, 합성된 CMC-CDH 말단에는 NH2 작용기가 형성되어 이민결합이 가능한 형태임을 확인하였다.
또, 도 1의 (B)를 보면, 히알루론산에 3-아미노-1,2-프로판 디올(3-amino-1,2-propane diol)을 반응시켜 1차적으로 히알루론산에 2개의 알코올이 인접해 있는 Diol 기가 형성되고, 이후 형성된 알코올이 인접해 있는 디올기를 과요오드산나트륨(NaIO4)을 이용하여 산화시켜 HA-mCHO의 합성을 유도하는 과정을 확인할 수 있다. 이 때 상기 HA-mCHO에는 알데하이드 작용기가 형성되어 이민결합이 가능한 형태임을 확인하였다.
도 1과 같이 합성된 CMC-CDH 및 HA-mCHO는 시프염기(Schiff’s base)반응에 의해 이민결합(imine bond)을 형성하는 단계를 수행함으로써 젤을 형성할 수 있다.
상기 시프염기(Schiff’s base)반응은, 음이온 고분자의 알데하이드 그룹(aldehyde group)과 양이온 고분자의 아민그룹(amine group)사이에 이민결합(imine bond)이 형성되는 반응을 의미하고, 통상적으로 알데하이드와 1차 아민 작용기가 탈수축합반응을 진행하면서 생성되는 아조메틴 화합물을 총칭하는 의미로 사용된다. 이 때, 이민결합(imine bond)은, 탄소-질소 간의 이중결합(C=N)을 포함하는 작용기 또는 화합물을 의미한다.
일 경우로, 상기 이민결합의 형성과 고분자의 이온결합(수소결합)의 이중 상호작용에 의해 화학결합과 물리적 결합으로 구성된 이중의 가교결합이 형성될 수 있다. 젤 구조체에 형성된 이러한 이중의 가교결합은 pH 에 따라서 분해성이 달라지며, 가수분해의 효과를 조절할 수 있으며, 물 또는 세포배양배지에서 하이드로젤의 안정성을 향상시킬 수 있으며, 3D 프린팅 진행중 또는 후에도 안정성을 향상시킬 수 있다.
전술한 제조방법을 이용하면, 양이온성 및 음이온성 중합체가 반응에 참여함으로써, 안정된 젤이 형성될 수 있다. 또한, 세포가 하이드로젤 위에 시딩(seeding)되거나, 하이드로젤과 함께 프린팅 되는 경우, 세포는 시험관 내의 세포 배양배지에서 통상적으로 나타나는 산성pH를 변화시킬 수 있는 폐기물을 방출하는 경향이 있다. 이러한 경향은 하이드로젤이 고분자 전해질 복합체를 형성하여 하이드로젤의 가수분해를 억제하고 젤 내부의 네트워크를 오래 유지할 수 있도록 함으로써 젤의 구조를 안정시키는 효과를 야기시킬 수 있다.
일 측에 따르면, 이민결합이 형성된 3D 프린팅용 하이드로젤은 하기 화학식 1을 단위체로 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112018126681513-pat00004
도 2는, 시프염기반응에 의해 CMC-HA 하이드로젤이 합성되는 메커니즘을 반응구조식으로 나타낸 것으로, CMC-CDH 말단의 아민 작용기와 HA-mCHO의 알데하이드 작용기가 시프염기반응하여 이민결합(imine bond)을 형성함과 동시에 생성된 화학구조식이 안정된 공명구조를 가지는 CMC-HA 젤의 단위체가 형성되는 과정을 도시한 것이다.
위와 같은 과정을 지속하면, CMC-HA 젤 단위체가 네트워크 결합된 하이드로젤이 제조된다. 이 때, 반응물인 CMC-CDH 및 HA-mCHO의 작용기 비율에 따라 가교결합의 수가 다른 하이드로젤이 형성될 수 있고, 상기 가교결합의 수가 많을수록 생성된 하이드로젤의 형태안정성이 높아지게 된다.
일 경우로, 본 발명의 3D 프린팅용 하이드로젤 구조체에 포함되는 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH) 및 모노알데하이드 히알루론산(HA-mCHO)은 3: 7 내지 7: 3의 함량비를 가질 수 있고, 상기 함량비는 본 발명의 하이드로젤의 용도에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 상기 함량비를 조절하여 기계적 물성이 상이한 하이드로젤을 제조할 수도 있다.
다만, 시프염기반응에 의해 생성되는 젤의 네트워크의 밀도가 높을수록 젤의 구조적 안정성이 확보될 수 있으므로, 균일하고 작은크기의 공극을 가지도록 반응을 유도하는 것이 바람직하다. 상기 유도는, 반응에 참여하는 CMC-CDH 및 HA-mCHO의 시프반응 작용기 비율, 분자량, 함량 등을 조절함으로써 가능하고, 생체적합성과 구조적 안정성을 모두 고려할 때, CMC-CDH 및 HA-mCHO의 함량비(C:H)는 2:1 내지 2:3임이 바람직하고, 특히, C:H가 1:1인 경우, 생체적합성, 팽윤율, 형태안정성의 측면에서 3D 프린팅용에 최적인 하이드로젤을 제조할 수 있다.
일 경우로, 상기 하이드로젤은 복수의 적층구조에서 형태안정성을 가질 수 있다. 만일, 하이드로젤이 상기 범위의 C: H의 비율을 갖지 않는 경우, 형태안정성이 낮아 적층구조로 형성하기 어려우며, 적층이 되어도 그 형태가 오래 유지되지 않을 수 있다. 즉, 상기와 같이 최적의 함량비를 가지는 본 발명의 하이드로젤을 복수의 층으로 적층시켜도 형태안정성이 현저히 향상되는 특징이 있으므로, 상기 하이드로젤을 이용하여 복수의 적층구조체를 3D 프린팅하는 경우에는 그 형태가 지속적으로 유지되는 적층구조체를 형성할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 3D 프린팅용 하이드로젤은, 인-시추(in-situ) 하이드로젤인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
인-시추 하이드로젤은 2개의 용액을 단순 혼합하였을 때 스스로 형성되는 하이드로젤로, 상기 하이드로젤은 자가결합이 가능하므로 자가치유능 또한 가질 수 있다. 자세히는, 자가치유능이란 하이드로젤이 물리적 하중에 의해 이온결합의 파괴로 인해 물리적 변화가 일어나는 경우, 물리적 하중이 제거되었을 때 파괴된 이온결합을 다시 생성함으로써, 하이드로젤의 파괴에 대한 복원성을 가지는 것을 의미한다.
본 발명을 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 하이드로젤 중 어느 하나를 포함하는 3D 프린팅용 바이오 잉크가 제공된다. 전술한 방법으로 제조되는 하이드로젤은 주사형 및 3D 프린팅에 이용되는 바이오 잉크에 포함될 수 있고, 이 경우, 조직공학용도의 지지체, 약물담지체 등의 용도로 이용될 수도 있다. 이 때, 상기 하이드로젤은 용도에 따라 세포, 생체활성분자 등을 포함시킨 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH) 용액 또는 모노알데하이드 히알루론산(HA-mCHO) 용액을 혼합하여 제조된 것일 수 있다.
보다 구체적인 설명은 이하의 실시예를 통해 후술하도록 한다.
실시예 1. CMC-CDH 합성
본 발명의 하이드로젤 합성 이전에 먼저 카르복시메틸셀룰로오스(이하 CMC)와 카르복시하이드라자이드(CDH)를 합성하여 CMC-CDH를 합성하였다.
먼저, 3g의 CMC를 300ml의 증류수에 넣고 밤새 교반하여 CMC 중합체를 완전히 용해시켰다. 이후, 2.2g의 카르보하이드라자이드(CDH)를 용해된 CMC용액에 첨가하여 30분간 교반하였다. 교반된 혼합물에 HOBt (1-Hydroxybenzotriazole hydrate) 용액 (DMSO 10ml에 0.45g)과 EDC(N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide) 용액 (10ml 증류수에 0.46g)를 적가하고, 묽은 HCl을 첨가하여 용액의 pH를 5.0으로 감소시켰다. 전술한 반응은 실온에서 수행되었고, 수행결과 생성된 생성물은 NaCl (0.3M)로 2 일 동안, 에탄올 (25 % v / v)로 1 일 동안 투석한 뒤, 이어서 증류수로 2 일 동안 투석하였다. 투석된 샘플은 팔콘튜브로 옮기고 동결 후 건조시켜, 동결건조된 젤 샘플을 수득하였다. 샘플은 4 ℃에서 보관하였다.
실시예 2. HA-mCHO의 합성
먼저, 1g의 히알루론산을 100ml의 물에 첨가한 뒤, 300rpm으로 교반하여 용해시켰다. 교반중인 히알루론산 용액에 (±)-3-amino-1,2-propanediol (5 mmol)을 적가하고, 이와 유사한 방법으로 HOBt (2.5 mmol in 5 ml of DMSO)를 천천히 첨가하고, 묽은 HCl을 추가하면서 용액의 pH를 pH 6.0으로 조정하였다. 이후, 다시 EDC · HCl (5 ml H2O 중 0.75 mmol)용액을 적가하여 반응시켰다. 반응이 종료된 후, 생성된 생성물은 NaCl 로 2 일, 증류수로 1 일 동안 투석하고, 이를 동결 건조하여 HA-diol을 수득하였다.
수득된 HA-diol 200mg을 증류수에 첨가하고, 완전히 용해될때까지 교반시킨 후, 과요오드산나트륨 수용액(0.5 ml H2O 중 0.5 mmol)을 적가하여 공액 디올 그룹을 산화시켰다. 산화반응은 암실에서 10분간 교반하면서 진행되었다.
이어서, 산화된 용액에 에틸렌글리콜(10mmol)을 첨가하여 급냉(quenching)시켰다. 반응이 종료된 생성물은 증류수로 1일동안 투석한 뒤, 동결건조하여 건조된 모노알데하이드-HA(HA-mCHO)를 수득하였다.
실시예 3. CMC-HA 하이드로젤의 합성
실시예 1에서 생성된 CMC-CDH 샘플을 볼텍싱(vortexing)하여, 50mg/ml의 농도로 PBS(pH 7.4)에 용해시켰다. 실시예 2에서 생성된 HA-mCHO도 동일한 농도의 PBS(pH 7.4)에 용해시켰다. CMC-CDH의 아민 작용기와 HA-mCHO의 알데하이드 작용기 간의 반응을 유도하기 위해 두 용액을 부드럽게 볼텍싱하여 혼합하였다. 혼합한 결과, 빠른 젤화반응이 진행되었으며 마지막으로 바이알을 뒤집어 젤이 형성되었음을 확인하였다.
추가적으로, CMC와 HA의 함량에 따른 기계적 물성의 차이가 있음을 검증하기 위해, 하기 표 1과 같이 함량비가 상이한 샘플 1 내지 샘플 3을 제조하였다.
CMC와 HA함량비(C: H)
샘플 1 3:7
샘플 2 5:5
샘플 3 7:3
실시예 4. CMC-HA 하이드로젤의 물성 검증
실험예 1: FTIR 분석
실시예 1 내지 3의 방법으로 합성된 CMC-HA 하이드로젤의 구조를 확인하기 위해, Agilent Cary 660 FTIR 분광기를 이용하여 FTIR 스펙트럼을 측정하였다. FTIR 분석에 이용된 샘플은 CMC, CMC-CDH, HA, HA-diol, 동결건조된 CMC-HA 젤 이었다.
도 3은 본 발명의 하이드로젤을 이용하여 FTIR 분석한 결과를 나타낸 것으로, CMC, CMC-CDH, HA, HA-diol, HA-mCHO, CMC-HA 젤 각각의 성분을 FTIR 스펙트럼에서 그 피크를 표기하여 확인하였다. 이를 통해, CMC에 카복시다이하이드라자이드가 결합되어 있음을 확인하였고, 히알론산에는 디올이 결합되었음를 확인하였으며, 카복시다이하이드라자이드와 히알론산-디올을 혼합하여 제조된 히알론산-카복시메틸셀룰로오스 젤의 화학구조를 확인함으로써, 합성이 정상적으로 진행되었음을 확인하였다.
도 3을 보면, CDH의 아민 피크는 아마이드 (3300 cm-1), 아마이드 I (1655 cm-1), 아마이드 II (1543 cm-1), 아마이드 III(1240 cm-1) 들이 중첩되어 확인되었으나, 아마이드 A는 CMC-CDH 에서 확실하게 보였으므로, CMC가 화학적으로 개질되었음을 확인하였다. 히알론산은 ADH를 결합하여 -OH 디올 작용기가 있음을 확인 하였고, 1730 cm-1 근처 피크를 통해서 알데하이드 작용기를 확인하였다. 1640 cm-1 피크는 이민을 나타내는 피크이므로 CMC-HA 젤 형성이 되었음을 확인하였다.
실험예 2: NMR 분석
NMR 분석을 위해 중수소 산화물(D2O)를 용제로 하여, 제조된 mCHO-HA의 1H NMR 샘플을 NMR 튜브에 넣고 1H-NMR-700 MHz (Agilent, USA)를 사용하여 분석하였다.
도 4는 본 발명의 하이드로젤의 NMR 분석 결과를 나타낸 것으로, δ= 9.25 ppm 피크는 알데하이드 피크를 나타내므로, 히알론산에 알데하이드 작용기가 생성되었음을 확인하였다.
실험예 3: 다공성 검증
먼저, 동결건조된 CMC-HA 하이드로겔 샘플을 절단하여 그 단면을 분석하였다. 이후, 분석된 샘플을 금으로 스퍼터 코팅 한 뒤 SEM 분석을 수행하였다. CMC-HA 하이드로겔의 형태는 SEM(TESCAN VEGA3, Korea)을 사용하여 조사되었다. SEM 이미지는 기공 직경 및 벽 두께에 대한 IamgeJ 소프트웨어를 사용하여 분석되었습니다.
하이드로젤 샘플을 동결건조시킨 뒤, 샘플의 건조중량을 측정하였다. 건조된 샘플을 담가둘 용매의 부피를 먼저 측정하고, 샘플을 1시간 가량 담가둔 뒤에 총 부피를 측정하였다. 이후, 샘플을 제거한 뒤의 용액의 부피를 측정하여 하기 수식 1을 이용함으로써 다공도(porosity)를 정량화하였다.
[수식 1]
Porosity (%) = (V1-V3)/(V2-V3) *100(%)
도 5는, 본 발명의 하이드로젤 각각의 SEM 및 디지털 이미지를 나타낸 것으로, 실시예 3의 샘플 1 내지 3을 관찰한 것이다. 도 5의 (A) 내지 (C)는 각 샘플의 SEM 이미지를, 도 5의 (D) 내지 (F)는 각 샘플의 디지털 이미지를 각각 나타낸 것으로, 도 5를 보면, 히알론산-알데하이드 용액과 카복시 셀룰로오스-아자이드(아민작용기) 용액의 비율을 달리하여 혼합했을 때, CMC-HA 젤들은 서로 다른 기공의 크기, 다공성 및 물성을 가지고 있음을 전자현미경으로 확인할 수 있었다.
특히, 샘플 2는 다른 샘플에 비해 이민결합을 형성하는 HA의 알데하이드 작용기 및 CMC-CDH의 아민 작용기 수가 거의 동일하므로, 공유결합의 수가 많아 가교결합 밀도가 높아져서 작은 기공 크기를 나타낸 것으로 파악되었다.
실험예 3: 팽윤율 분석
하이드로젤 샘플의 팽윤율 분석은 종래에 공지된 바와 동일한 방법으로 측정되었다(Das et al., 2018; Huang et al., 2016). 자세히는, 하기의 수식 2를 이용하였다.
[수식 2]
Swelling ratio (%) = [(W48-W-0)/W0] x 100%
동결건조시킨 하이드로젤을 중량을 칭량하고(W0), 상기 하이드로젤을 60ml 유리병 내의 PBS 용액(pH 7.4) 10ml 에 담가두었다. 상기 담가둔 샘플은 실온에서 48시간 동안 배양하고, 표면에 존재하는 물 만을 제거한 후, 수화된 샘플의 중량을 칭량하였다(W48).
도 6는 본 발명의 하이드로젤의 팽윤율을 측정하여 분석한 결과 그래프를 나타낸 것으로, 실시예 3의 샘플 1 내지 3을 이용한 것이다.
도 6을 보면, 하이드로젤 중 샘플 2는 다른 샘플에 비해 상대적으로 낮은 팽윤율이 나타나, 환경 변화에서의 젤의 형태가 안정될 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, CMC와 HA가 1:1로 반응하는 경우에, 구조적인 안정성이 증대됨을 확인할 수 있었다.
실험예 4: CMC-HA 젤의 자가치유능 및 기계적 안정성 검증
실시예 3의 샘플을 이용하여, 젤 샘플의 자가치유능 및 기계적 안정성을 검증하였다. 도 7은 이를 검증한 실험과정을 나타낸 것으로, (A)와 같이 젤을 잘라 인접시킨 경우, (B) 내지 (E) 순으로 시간이 경과함에 따라 자연스럽게 연결되어 하나의 젤로 회귀하는 현상을 관찰할 수 있었다. 자르기 전 후를 비교한 결과, (F)와 (G)와 같이 차이가 거의 없음을 확인함으로써 본 발명의 하이드로젤이 자가치유능이 있음을 확인하였다. 또, 도 7의 (H) 내지 (K)는 절단된 이후에 자가힐링된 CMC-HA 하이드로젤을 스파츌라(spatula)를 이용하여 위치를 이동 시켰을 경우에도, 파괴되지 않고, 그 형상을 유지할 정도로 기계적 물성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 5: 3D 프린팅 구조체의 형태안정성 검증
제조된 하이드로젤을 인쇄하기 위해 공지된 논문에서 소개된 맞춤형 회전 3D 프린터(SeoulTech)를 사용하였다(Lee et al., 2017). 솔리드워크 사의 소프트웨어 (Dassault Systems SolidWorks Corp, 미국)를 사용하여 다른 템플릿 및 충전물을 사용하는 3D 구조물을 설계하였다.
하이드로젤을 3D 인쇄에 이용하는 경우, 젤화 직후에 침강시킴으로써 하이드로젤을 일반적인 압출에 비해 안정적이고, 단단하게 생성하였다. 인쇄에 사용되는 주입용 바늘은 소프트웨어를 이용하여 X, Y축 스테이지를 조정하고, 인쇄에 최적인 압력과, 온도, 인쇄속도의 매개변수를 확인한 결과, 최적압력은 50 kPa, 최적온도는 35 ° C, 최적인쇄속도는 180 mm / min로 확인되었다.
도 8은 본 발명의 하이드로젤을 주사형 혹은 인쇄시, 물 속과 같은 친수성 환경에서도 젤의 자가결합 형성이 가능하고, 물 속에서 주사된 젤이 형태 안정성을 가질 수 있다는 것을 보여주는 실험한 결과를 나타낸 것으로, (A) 내지 (E)와 같이 시계열순으로 물 속에 젤을 주입하는 과정을 나타낸 것이다. 도 5를 보면, 하이드로젤이 물 속에서도 자가결합되어 형성될 수 있음을 확인할 수 있으며, 형성된 젤 내부에 메틸렌 블루 염색약을 주입하였을 때, 염색약이 젤 내부에 남아있고, 물 속에서 서서히 방출되는 것을 확인할 수 있어서, 약물들도 또한 젤 내부로의 주입과 방출될 수 있음을 알 수 있었다.
도 9는 주사형으로 적층된 본 발명의 하이드로젤의 시간경과에 따른 PBS (버퍼) 내에서의 형태안정성을 실험을 통해 확인한 결과를 나타낸 것으로, (A) 및 (B)는 최초의 적층 구조의 하이드로젤을, (C) 내지 (E)는 시간에 따라 형태를 관찰한 결과를 촬영한 것이다. 실험 결과, 프린팅 및 주사된 하이드로젤을 물 또는 버퍼용액 (예, PBS)에 장시간 침지(immersed)해 놓았을 경우에도, PBS 버퍼 환경에서 젤이 안정하게 형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
도 10은 전술한 본 발명의 하이드로젤의 특성 및 용도를 종합적으로 도시한 것으로, 도 10을 보면, 본 발명의 하이드로젤의 구조적인 특성에 의해 3D 프린팅시 주사가능하고, 복수의 적층구조체를 인쇄하더라도 형태가 안정적인 특성이 있음을 확인할 수 있다. 또, 세포독성이 낮고, 다공성의 고분자 네트워크 구조로 내부에 생체활성물질, 약물과 세포 등을 고분자 용액에 포함하여 젤을 제조함으로써 생체활성물질 방출이 가능한 생체활성물질 담체의 용도로도 이용이 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 카르복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)와 카르보하이드라자이드(Carbohydrazide, CDH)로부터 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH)를 합성하는 단계;
    히알루론산과 디올계 화합물로부터 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)을 합성하는 단계; 및
    상기 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드와 모노알데하이드 히알루론산의 시프 염기(Schiff's base)반응에 의한 이민결합(imine bond)을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 이민결합 및 고분자 이온결합의 이중 상호작용에 의해 복수의 적층구조체에서 형태 안정성을 갖는, 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이민결합이 형성된 3D 프린팅용 하이드로젤은, 하기 화학식 1을 단위체로 포함하는, 3D 프린팅용 하이드로젤의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure 112018126681513-pat00005
  3. 카르복시메틸셀룰로오스-하이드라자이드(CMC-CDH) 및 모노알데하이드 히알루론산(Monoaldehyde Hyaluronic acid, HA-mCHO)의 이민결합(imine bond)으로 이루어지는 구조체를 포함하고,
    상기 이민결합과 고분자 이온결합의 이중 상호작용에 의해 복수의 적층구조체에서 형태 안정성이 향상된, 3D 프린팅용 하이드로젤.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3D 프린팅용 하이드로젤은, 인-시추(in-situ) 하이드로젤인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 하이드로젤.
  5. 제3항 또는 제4항의 하이드로젤을 포함하는, 3D 프린팅용 바이오 잉크.
KR1020180163366A 2018-12-17 2018-12-17 3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법 KR102117770B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180163366A KR102117770B1 (ko) 2018-12-17 2018-12-17 3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180163366A KR102117770B1 (ko) 2018-12-17 2018-12-17 3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102117770B1 true KR102117770B1 (ko) 2020-06-01

Family

ID=71083177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180163366A KR102117770B1 (ko) 2018-12-17 2018-12-17 3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102117770B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112280105A (zh) * 2020-11-11 2021-01-29 河北大学 一种纤维素基自修复水凝胶及其制备方法与应用
KR20220030564A (ko) * 2020-09-03 2022-03-11 서울과학기술대학교 산학협력단 타닌산 및 알긴산 가교결합된 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법
CN115463262A (zh) * 2022-08-11 2022-12-13 南方医科大学第五附属医院 一种水凝胶复合修复补片及其制备方法与应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010102231A (ko) * 1999-02-19 2001-11-15 야노 쓰네오 히알루론산 겔 조성물과 그의 제조방법 및 그것을함유하는 의용 재료
KR101437082B1 (ko) 2012-12-13 2014-09-11 한국생산기술연구원 카복시메틸 셀룰로오스 섬유를 함유한 혼성부직포, 그 제조방법 및 그 용도
WO2014161085A1 (en) * 2013-04-02 2014-10-09 University Of Manitoba Schiff-based aldehydic hyaluronic acid-chitosan hydrogel compositions and uses thereof
KR101667778B1 (ko) 2014-10-30 2016-10-19 서울과학기술대학교 산학협력단 다공성 셀룰로오스 하이드로젤 및 그 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010102231A (ko) * 1999-02-19 2001-11-15 야노 쓰네오 히알루론산 겔 조성물과 그의 제조방법 및 그것을함유하는 의용 재료
KR101437082B1 (ko) 2012-12-13 2014-09-11 한국생산기술연구원 카복시메틸 셀룰로오스 섬유를 함유한 혼성부직포, 그 제조방법 및 그 용도
WO2014161085A1 (en) * 2013-04-02 2014-10-09 University Of Manitoba Schiff-based aldehydic hyaluronic acid-chitosan hydrogel compositions and uses thereof
KR101667778B1 (ko) 2014-10-30 2016-10-19 서울과학기술대학교 산학협력단 다공성 셀룰로오스 하이드로젤 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Takuro Hozumi et al., Injectable Hydrogel with Slow Degradability Composed of Gelatin and Hyaluronic Acid Cross-Linked by Schiff’s Base Formation, Biomacromolecules 2018, 19, pp.288-297 (2017.12.29.)* *
석사학위논문, 이지은, Oxaliplatin loaded chemically cross-linking hydrogel composed of hyaluronic acid and carboxymethyl cellulose for preventing postoperative adhesion, 연세대학교 대학원 (2018.08.)* *
신지수 외, 약물전달 및 조직공학적 응용을 위한 기능성 하이드로젤, 공업화학 전망, 제18권 제6호 (2015.)* *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220030564A (ko) * 2020-09-03 2022-03-11 서울과학기술대학교 산학협력단 타닌산 및 알긴산 가교결합된 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법
KR102486268B1 (ko) 2020-09-03 2023-01-09 서울과학기술대학교 산학협력단 타닌산 및 알긴산 가교결합된 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법
CN112280105A (zh) * 2020-11-11 2021-01-29 河北大学 一种纤维素基自修复水凝胶及其制备方法与应用
CN115463262A (zh) * 2022-08-11 2022-12-13 南方医科大学第五附属医院 一种水凝胶复合修复补片及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gopi et al. General scenarios of cellulose and its use in the biomedical field
Ciolacu et al. Cellulose-based hydrogels for medical/pharmaceutical applications
Sultan et al. 3D printed scaffolds with gradient porosity based on a cellulose nanocrystal hydrogel
Pandit et al. Periodate oxidized hyaluronic acid-based hydrogel scaffolds for tissue engineering applications
KR102117770B1 (ko) 3d 프린팅용 자가결합형 하이드로젤 및 이의 제조방법
Rojas et al. Current trends in the production of cellulose nanoparticles and nanocomposites for biomedical applications
Tan et al. Controlled gelation and degradation rates of injectable hyaluronic acid‐based hydrogels through a double crosslinking strategy
CN101790542B (zh) 经可调交联的透明质酸组合物
KR101929661B1 (ko) 다공성의 생분해성 미세입자 및 수용성 천연고분자를 포함하는 성형 필러용 주사제 조성물
Lucas de Lima et al. Injectable hydrogel based on dialdehyde galactomannan and N-succinyl chitosan: a suitable platform for cell culture
Engkagul et al. One pot preparation of chitosan/hyaluronic acid-based triple network hydrogel via in situ click reaction, metal coordination and polyion complexation in water
CN106146865A (zh) 一种双网络高强度丝蛋白水凝胶及其制备方法
Dalei et al. Dialdehyde cellulose as a niche material for versatile applications: An overview
Kang et al. A facile method for preparation of green and antibacterial hydrogel based on chitosan and water-soluble 2, 3-dialdehyde cellulose
He et al. Nanocellulose-based hydrogels as versatile drug delivery vehicles: A review
Baldino et al. Nanostructured chitosan–gelatin hybrid aerogels produced by supercritical gel drying
Suenaga et al. Self-sustaining cellulose nanofiber hydrogel produced by hydrothermal gelation without additives
Emre Oz et al. A review of functionalised bacterial cellulose for targeted biomedical fields
Lv et al. Crosslinked starch nanofibers with high mechanical strength and excellent water resistance for biomedical applications
Syed et al. An overview on recent biomedical applications of biopolymers: Their role in drug delivery systems and comparison of major systems
Kim et al. Stretchable and self-healable hyaluronate-based hydrogels for three-dimensional bioprinting
Cui et al. Freeze–thaw cycles for biocompatible, mechanically robust scaffolds of human hair keratins
Zafar et al. Role of crosslinkers for synthesizing biocompatible, biodegradable and mechanically strong hydrogels with desired release profile
Attasgah et al. Development of functional hybrid scaffolds for wound healing applications
John et al. Nanocellulose-based hydrogels for biomedical applications

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant