KR102141826B1 - 양이온성 베타 시클로덱스트린 올리고머를 이용한 외부 pH 자극 반응형 자가치유성 하이드로젤 - Google Patents
양이온성 베타 시클로덱스트린 올리고머를 이용한 외부 pH 자극 반응형 자가치유성 하이드로젤 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 양이온성 베타 시클로덱스트린 올리고머를 이용한 외부 pH 자극 반응형 자가치유성 하이드로젤에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자가치유성 하이드로젤은, 외부 pH 변화에 반응하는 팽윤도, 안정성, 1540%의 연신능 및 자가치유 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자가치유성 하이드로젤의 제조방법은 종래 사이클로 덱스트린을 이용한 자가치유성 하이드로젤에 비해 합성 과정이 간단하므로, 대량 생산이 용이하다.
또한, 본 발명에 따른 자가치유성 하이드로젤의 제조방법은 종래 사이클로 덱스트린을 이용한 자가치유성 하이드로젤에 비해 합성 과정이 간단하므로, 대량 생산이 용이하다.
Description
본 발명은 양이온성 베타 시클로덱스트린 올리고머를 이용한 외부 pH 자극 반응형 자가치유성 하이드로젤에 관한 것이다.
분자 상호작용과 직접적인 상관관계가 있는 연질 재료(Soft materials)는 초분자 화학(Supramolecular chemistry)의 발전과 함께 보편화되어왔다.
연질 재료의 한 유형으로서, 하이드로젤(Hydrogels)은 수용액에서 물리적 또는 화학적으로 가교 결합된 고분자 네트워크로 구성되어 있다.
하이드로젤은 센서, 생물 반응기(bioreactors), 세포 배양 지지체(cell culture scaffolds), 약물 전달 시스템(drug delivery systems), 연조직 대체물(soft tissue replacements) 및 상처 드레싱(wound dressings)과 같은 바이오 메디컬 분야에서 주로 사용되며, 조성에 따라 특성과 기능을 변화시킴으로써 환경의 변화를 감지하거나, 외부 자극에 대해 반응할 수 있다.
고분자 과학과 초분자 화학의 중첩으로 발생한 초분자 고분자는, 고도의 방향성 및 가역적인 비공유 상호작용을 기반으로 하는 하나 이상의 분자 구성 요소로부터 자발적으로 형성된 어셈블리(Assembly)이며, 용액(Solution) 및 벌크(Bulk)에서 고분자 특성을 갖는다.
동적이고, 가역적인 비공유 상호작용으로 인해 초분자 하이드로젤은 자가복원(self-repair) 능력을 가질 수 있다.
이러한 특징은, 충격에 대한 구조적 일체성(structural integrity)이 유지되고, 피로와 심한 균열의 발생이 방지될 수 있어, 수명이 연장되고, 종래 하이드로젤 보다 더 많은 응용이 가능하므로, 상당한 관심을 끌고 있다.
초분자 자가치유성 하이드로젤을 설계하는데 있어, 수소 결합, 소수성 효과, 금속 배위, 방향족 π-π 적층(aromatic π-π stacking), 이온 상호작용 및 호스트-게스트(Host-Guest) 착물 형성과 같은 다중 비공유 상호작용을 고려할 수 있다.
이 중에서, 호스트-게스트 시스템은, 소수성 상호작용, 다중 수소 결합, 이온 결합, 반데르발스 힘 및 정전기적 상호작용을 포함하는 다양한 비공유 상호작용의 조합을 통해, 상보적인 분자들은 높은 결합 친화력 및 특정 선택성을 가지고 결합한다.
많은 호스트-게스트 시스템이 연구되어 왔지만, 일반적인 호스트 분자는 크라운 에터(crown ethers), 쿠커비투릴(cucurbiturils), 칼릭스아렌(calixarenes) 및 필러아렌(pillararenes)과 같은 거대 고리(macrocyclic)를 포함한다.
호스트 분자 중에서, α-1,4 결합에 의해 연결된 글루코피라노스(glucopyranose) 단위로 구성된 고리형 올리고당(cyclic oligosaccharides)인 사이클로 덱스트린(Cyclodextrins; 이하 'CD')은, CD 내부의 고유한 공동(cavity)을 가지고 있어, 다양한 범위의 소수성 게스트 분자와의 포접 복합체(inclusion complexes)를 형성할 수 있다.
가장 일반적으로 사용되는 천연 사이클로 덱스트린은, α-사이클로 덱스트린(α-cyclodextrin; 이하 'αCD'), β-사이클로 덱스트린(β-cyclodextrin; 이하 'βCD') 및 γ-사이클로 덱스트린(γ-cyclodextrin; 이하 'γCD')이 있다.
그 중에서도, βCD는 생물학적 및 약리학적 특성을 가진 다양한 게스트 분자와 포접 복합체를 형성할 수 있는 공동의 크기를 가지고 있어, 가장 많이 사용되고 있다.
7 개의 글루코오스 단위로 구성된 βCD는 아다만탄(adamantane; 이하 'Ad')에 대해 높은 친화성을 갖는다.
그러나, 호스트-게스트 결합을 이용하여 βCD와 소수성 게스트 물질을 하이드로젤의 고분자 골격에 도입하면, 자가치유성 하이드로젤을 합성할 수 있으나, 이러한 하이드로젤은 βCD의 단일 치환반응이 필요하며, 이 경우 다양한 분리과정이 요구되는 문제가 있다.
또한, βCD 기반의 자가치유형 하이드로젤은, βCD가 네트워크의 가교 결합을 개질시켜 하이드로젤에 가해지는 손상을 복구할 수 있어, 동적 결합(dynamic association) 및 해리 거동(dissociation behavior)을 나타낸다.
그러나, βCD의 동적 특성은, 공유결합보다 비공유결합이 쉽게 깨지기 때문에 종래 공유결합을 포함하는 하이드로젤에 비해 기계적 성능이 떨어진 초분자 하이드로젤을 생성할 수 있는 문제가 있다.
또한, 균열 치유 과정은 두 단계로 진행된다. 손상된 부위은 서로 정렬되어야 하며(제1단계), 근접면에서 물리적 또는 화학적 과정을 통한 치유가 일어나야 한다(제2단계).
중합체 사슬 간의 강한 상호작용이 하이드로젤의 기계적 강도를 증가시킬 수는 있지만, 사슬의 이동성 또한 제한되어, 결합 재형성 능력(bond reformation abilities)의 감소를 야기 시킬 수 있고, 초분자 고분자는 열역학적으로 안정한 상태로 평형을 빠르게 달성하지만, 외부 자극에 쉽게 반응하여 불안정하다.
따라서, 외부 자극에 쉽게 반응하지 않으면서도, 자가치유 특성과 높은 기계적 성능을 모두 갖춘 하이드로젤을 합성하는 것은 어려운 실정이다.
Materials Chemistry and Physics 116 (2009), 148-152
본 발명은 하이드로젤의 물리적 손상이 발생 시, 자가치유되어 형태를 복원하고, 지속력을 높일 수 있는 자가치유성 하이드로젤을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 양이온성 베타 시클로덱스트린 올리고머를 통해 손쉬운 방법으로 자가치유성 하이드로젤을 제조하는 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서, 음이온성 고분자 주사슬, 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머가 가교결합된 하이드로젤로서, 하이드로젤은 하기 일반식 1에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤을 제공한다.
[일반식 1]
25 ≤ ε1h~24h/ε0
상기 일반식 1에서, ε1h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε1h~24h는 400 이상의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
본 발명은 일실시예에서, 상기 하이드로젤; 및 상기 하이드로젤의 내부에 봉입된 약제학적 활성 성분을 포함하는 약물 전달체를 제공한다.
본 발명은 일실시예에서, 하이드로젤을 포함하는 상처 드레싱 재재를 제공한다.
본 발명은 일실시예에서, 하이드로젤을 포함하는 세포 배양 지지체를 제공한다.
본 발명은 일실시예에서, 하이드로젤을 포함하는 연조직 대체물을 제공한다.
또한 본 발명은 일실시예에서, β-사이클로 덱스트린 올리고머, 양이온성 화합물, 및 비닐 모노머를 혼합하여 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머를 합성하는 단계; 및 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 아크릴레이트계 모노머 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머를 혼합한 후 가교결합시키는 단계를 포함하는 하이드로젤의 제조방법으로서, 상기 하이드로젤은 하기 일반식 1에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 자가치유성 하이드로젤은, 외부 pH 변화에 반응하는 팽윤도, 안정성, 1540%의 연신능 및 자가치유 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자가치유성 하이드로젤의 제조방법은 종래 사이클로 덱스트린을 이용한 자가치유성 하이드로젤에 비해 합성 과정이 간단하므로, 대량 생산이 용이하다.
도 1은 βCD 올리고머(이하 'βCD-OM')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 합성예 2에 따른 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 알릴 에터(cationic β-cyclodextrin oligomer allyl ether; 이하 'C(βCD-OM)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 합성예 3에 따른 β-사이클로 덱스트린 알릴 에터(β-cyclodextrin allyl ether; 이하 'β(CD)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 합성예 4에 따른 양이온성 β-사이클로 덱스트린 알릴 에터(cationic β-cyclodextrin allyl ether; 이하 'C(βCD)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 합성예 5에 따른 β-사이클로 덱스트린 올리고머 알릴 에터(β-cyclodextrin oligomer allyl ether; 이하 '(βCD-OM)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 합성예 6에 따른 1-아다만틸 아크릴레이트(1-adamantyl acrylate; 이하 'Ad-O-Ac')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 하이드로젤의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 25℃에서 D2O 에서의 βCD 및 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체의 500 MHz 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 9는 βCD 및 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 10은 βCD-OM 유도체[(βCD-OM)AE 및 C(βCD-OM)AE]의 말디-토프 질량(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry; 이하 'MALDI-TOF-MS') 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 11은 25 ℃에서 CDCl3에서의 Ad-O-Ac의 500 MHz 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 12는 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체로 합성된 하이드로젤의 모식도를 나타낸 것으로서, 아다만틸 그룹으로 합성된 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 이미지(a), βCD 유도체를 포함한 하이드로젤 네트워크를 구성하는 주요 상호작용인, 호스트-게스트 상호작용, 이온 상호작용 및 공유결합을 나타낸 도면이다(b).
도 13은 βCD-OM(a), (βCD-OM)AE(b), C(βCD-OM)AE(c), (βCD)AE(d), C(βCD)AE(e) 및 하이드로젤(f)의 합성과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 25℃에서 DMSO-d 6 에서의 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 600 MHz 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 도면으로서, 600 MHz 1H NMR 스펙트럼 측정하기 전 하이드로젤을 DMSO 및 물로 세척한 다음 건조하여 사용하였다.
도 15는 소수성 모노머를 포함하지 않은 βCD 유도체 하이드로젤(비교예 4 내지 7)을 나타낸 도면이다.
도 16은 예비 하이드로젤(pre-hydrogel) 용액에서 다양한 농도의 C(βCD-OM)AE에 대한 젤화(Gelation) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 17은 유동학적 측정 결과를 나타낸 것으로서, 비교예 4 내지 7에 따른 βCD 유도체 하이드로젤(a) 및 βCD 유도체@Ad 하이드로젤(b)의 0.5% 변형에서 저장 모듈러스(storage modulus, G′) 및 손실 모듈러스(loss modulus, G″) 대 각 진동수(angular frequency, ω =1 ~ 10 rad/s)의 변화를 나타낸 도면, 비교예 4 내지 7에 따른 βCD 유도체 하이드로젤(c) 및 βCD 유도체@Ad 하이드로젤(d)에 대해, 정각 진동수(constant angular frequency, ω= 1Hz)에서 변형 진폭 스윕(strain amplitude sweep, γ =0.1% ~ 3,000%)으로부터 얻어진 저장 모듈러스(G′) 및 손실 모듈러스(G″)를 나타낸 도면이다.
도 18은 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 자가치유 거동(Self-healing behavior) 및 인장 특성을 나타낸 것으로서, 호스트 모노머인 (βCD)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 '(βCD)AE@Ad 하이드로젤')(a),
호스트 모노머인 C(βCD)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 'C(βCD)AE@Ad 하이드로젤')(b), 호스트 모노머인 (βCD-OM)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 '(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤')(c) 및 호스트 모노머인 C(βCD-OM)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 'C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤')(d)의 절단(cut) 및 절단 후 6시간이 경과하였을 때의 자가치유, 자가치유 후 스트레칭(Stretch)한 하이드로젤의 이미지(a~d), 5 mm/s의 인장 속도에서 절단되지 않은 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 변형(Stress)(e), 5 mm/s의 인장 속도에서 시간 의존적인(time-dependent) 치유 후 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 변형(f)을 나타낸 도면이다.
도 19는 아다만틸 게스트 단위와 (βCD-OM)AE를 포함하는 하이드로젤((βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤)을 절단하지 않았을 때의 변형 및 인장 강도, 동일한 하이드로젤을 6시간 동안 자가치유한 후, 5 mm/s의 인장 속도로 스트레칭 하였을 때의 변형 및 인장 강도를 나타낸 도면이다.
도 20은 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 순환 연속 단계(cyclic continuous step)에서 300초 동안 변형 측정 시의 저장 모듈러스(G′) 및 손실 모듈러스(G″)를 나타낸 도면이다.
도 21은 0.5% 변형률의 진동폭 측정(a) 및 1.0 Hz에서 변형률(b)으로부터 MBA 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′) 및 손실 모듈러스(G″) 값을 나타낸 도면; 300초 동안 0.5% 변형률에서 1.0 Hz의 주파수를 인가하였을 때 100초 동안 반복된 600% 변형 하에서 네트워크의 붕괴(c)를 나타낸 도면이다.
도 22는 (βCD)AE@Ad의 100배 전계 방출 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope; 이하 'FE-SEM') 이미지(a), C(βCD)AE@Ad 하이드로젤의 100배 FE-SEM 이미지(b), (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 40배 FE-SEM 이미지(c), C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 500배 FE-SEM 이미지(d), HCAB (pH 1.2) 및 PB (pH 7.4) 버퍼 용액에서 팽윤된 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 pH 반응성(e), 4일 동안 증류수(distilled water; 이하 'DW')에 저장한 후 동결 건조된 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 평균 기공 크기(f)를 나타낸 도면이다.
도 23은 βCD 유도체@Ad 하이드로젤을 4일 동안 염산 버퍼(pH 1.2) 및 인산 버퍼(pH 7.4)에 침지시켰을 때의 팽윤된 상태를 나타낸 도면이다.
도 24는 인간의 진피 섬유아세포(dermal fibroblasts)에 대한 세포 독성 시험 결과를 나타낸 것으로서, 24-웰 플레이트에 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체(5 mg/㎖)를 직접 접촉하였을 때의 테스트 결과(a) 및 96-웰 플레이트에 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 추출물(37℃에서 24시간 동안 DMEM 배지 1 ㎖ 당 6 mg의 하이드로젤을 사용하여 제조)을 이용한 간접 테스트 결과(b)를 나타낸 도면이다.
도 25는 37℃에서의 βCD 유도체@Ad 하이드로젤로부터 이부프로펜(ibuprofen)의 누적 방출(cumulative release)을 나타낸 도면이다.
도 26은 DW에서 하이드로젤의 수분 흡수 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 2는 합성예 2에 따른 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 알릴 에터(cationic β-cyclodextrin oligomer allyl ether; 이하 'C(βCD-OM)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 합성예 3에 따른 β-사이클로 덱스트린 알릴 에터(β-cyclodextrin allyl ether; 이하 'β(CD)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 합성예 4에 따른 양이온성 β-사이클로 덱스트린 알릴 에터(cationic β-cyclodextrin allyl ether; 이하 'C(βCD)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 합성예 5에 따른 β-사이클로 덱스트린 올리고머 알릴 에터(β-cyclodextrin oligomer allyl ether; 이하 '(βCD-OM)AE')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 합성예 6에 따른 1-아다만틸 아크릴레이트(1-adamantyl acrylate; 이하 'Ad-O-Ac')의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 하이드로젤의 합성 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 25℃에서 D2O 에서의 βCD 및 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체의 500 MHz 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 9는 βCD 및 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 10은 βCD-OM 유도체[(βCD-OM)AE 및 C(βCD-OM)AE]의 말디-토프 질량(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry; 이하 'MALDI-TOF-MS') 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 11은 25 ℃에서 CDCl3에서의 Ad-O-Ac의 500 MHz 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 12는 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체로 합성된 하이드로젤의 모식도를 나타낸 것으로서, 아다만틸 그룹으로 합성된 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 이미지(a), βCD 유도체를 포함한 하이드로젤 네트워크를 구성하는 주요 상호작용인, 호스트-게스트 상호작용, 이온 상호작용 및 공유결합을 나타낸 도면이다(b).
도 13은 βCD-OM(a), (βCD-OM)AE(b), C(βCD-OM)AE(c), (βCD)AE(d), C(βCD)AE(e) 및 하이드로젤(f)의 합성과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 25℃에서 DMSO-d 6 에서의 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 600 MHz 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 도면으로서, 600 MHz 1H NMR 스펙트럼 측정하기 전 하이드로젤을 DMSO 및 물로 세척한 다음 건조하여 사용하였다.
도 15는 소수성 모노머를 포함하지 않은 βCD 유도체 하이드로젤(비교예 4 내지 7)을 나타낸 도면이다.
도 16은 예비 하이드로젤(pre-hydrogel) 용액에서 다양한 농도의 C(βCD-OM)AE에 대한 젤화(Gelation) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 17은 유동학적 측정 결과를 나타낸 것으로서, 비교예 4 내지 7에 따른 βCD 유도체 하이드로젤(a) 및 βCD 유도체@Ad 하이드로젤(b)의 0.5% 변형에서 저장 모듈러스(storage modulus, G′) 및 손실 모듈러스(loss modulus, G″) 대 각 진동수(angular frequency, ω =1 ~ 10 rad/s)의 변화를 나타낸 도면, 비교예 4 내지 7에 따른 βCD 유도체 하이드로젤(c) 및 βCD 유도체@Ad 하이드로젤(d)에 대해, 정각 진동수(constant angular frequency, ω= 1Hz)에서 변형 진폭 스윕(strain amplitude sweep, γ =0.1% ~ 3,000%)으로부터 얻어진 저장 모듈러스(G′) 및 손실 모듈러스(G″)를 나타낸 도면이다.
도 18은 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 자가치유 거동(Self-healing behavior) 및 인장 특성을 나타낸 것으로서, 호스트 모노머인 (βCD)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 '(βCD)AE@Ad 하이드로젤')(a),
호스트 모노머인 C(βCD)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 'C(βCD)AE@Ad 하이드로젤')(b), 호스트 모노머인 (βCD-OM)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 '(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤')(c) 및 호스트 모노머인 C(βCD-OM)AE와 소수성 모노머인 Ad-O-Ac가 가교결합된 하이드로젤(이하 'C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤')(d)의 절단(cut) 및 절단 후 6시간이 경과하였을 때의 자가치유, 자가치유 후 스트레칭(Stretch)한 하이드로젤의 이미지(a~d), 5 mm/s의 인장 속도에서 절단되지 않은 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 변형(Stress)(e), 5 mm/s의 인장 속도에서 시간 의존적인(time-dependent) 치유 후 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 변형(f)을 나타낸 도면이다.
도 19는 아다만틸 게스트 단위와 (βCD-OM)AE를 포함하는 하이드로젤((βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤)을 절단하지 않았을 때의 변형 및 인장 강도, 동일한 하이드로젤을 6시간 동안 자가치유한 후, 5 mm/s의 인장 속도로 스트레칭 하였을 때의 변형 및 인장 강도를 나타낸 도면이다.
도 20은 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 순환 연속 단계(cyclic continuous step)에서 300초 동안 변형 측정 시의 저장 모듈러스(G′) 및 손실 모듈러스(G″)를 나타낸 도면이다.
도 21은 0.5% 변형률의 진동폭 측정(a) 및 1.0 Hz에서 변형률(b)으로부터 MBA 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′) 및 손실 모듈러스(G″) 값을 나타낸 도면; 300초 동안 0.5% 변형률에서 1.0 Hz의 주파수를 인가하였을 때 100초 동안 반복된 600% 변형 하에서 네트워크의 붕괴(c)를 나타낸 도면이다.
도 22는 (βCD)AE@Ad의 100배 전계 방출 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope; 이하 'FE-SEM') 이미지(a), C(βCD)AE@Ad 하이드로젤의 100배 FE-SEM 이미지(b), (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 40배 FE-SEM 이미지(c), C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 500배 FE-SEM 이미지(d), HCAB (pH 1.2) 및 PB (pH 7.4) 버퍼 용액에서 팽윤된 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 pH 반응성(e), 4일 동안 증류수(distilled water; 이하 'DW')에 저장한 후 동결 건조된 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 평균 기공 크기(f)를 나타낸 도면이다.
도 23은 βCD 유도체@Ad 하이드로젤을 4일 동안 염산 버퍼(pH 1.2) 및 인산 버퍼(pH 7.4)에 침지시켰을 때의 팽윤된 상태를 나타낸 도면이다.
도 24는 인간의 진피 섬유아세포(dermal fibroblasts)에 대한 세포 독성 시험 결과를 나타낸 것으로서, 24-웰 플레이트에 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체(5 mg/㎖)를 직접 접촉하였을 때의 테스트 결과(a) 및 96-웰 플레이트에 합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 추출물(37℃에서 24시간 동안 DMEM 배지 1 ㎖ 당 6 mg의 하이드로젤을 사용하여 제조)을 이용한 간접 테스트 결과(b)를 나타낸 도면이다.
도 25는 37℃에서의 βCD 유도체@Ad 하이드로젤로부터 이부프로펜(ibuprofen)의 누적 방출(cumulative release)을 나타낸 도면이다.
도 26은 DW에서 하이드로젤의 수분 흡수 프로파일을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
하이드로젤
본 발명은 일실시예에서, 음이온성 고분자 주사슬, 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머가 가교결합된 하이드로젤로서, 하이드로젤은 하기 일반식 1에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤을 제공한다.
[일반식 1]
25 ≤ ε1h~24h/ε0
상기 일반식 1에서, ε1h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε1h~24h는 400 이상의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε1h~24h는 400 내지 1500의 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 내지 1700 범위 내의 정수이다.
본 발명에 따른 하이드로젤은 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머와 아다만틸(메트)아크릴계 모노머의 호스트-게스트 상호작용, 고분자 주사슬의 음이온 부분과 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머의 양이온성 잔기와의 이온 상호작용, 및 고분자 주사슬과 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머의 공유결합을 포함한다.
음이온성 고분자 주사슬은 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머의 양이온성 잔기와 이온 상호작용을 할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리메타크릴산(polymethacrylic acid), 폴리스티렌(polystyrene; PS) 및 폴리술폰산(polysulfonic acid) 중 어느 하나일 수 있다.
양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머는 2 이상의 β-사이클로 덱스트린이 가교제 의해 중합된 β-사이클로 덱스트린 올리고머에 양이온성 잔기와, 비닐 단량체가 결합되어 있는 것일 수 있다.
양이온성 잔기는 음이온성 고분자 주사슬과 이온 상호작용을 할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리에틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리프로필암모늄 클로라이드, 글리시딜에틸디메틸암모늄 클로라이드, 및 글리시딜디에틸메틸암모늄 클로라이드 중 어느 하나 이상일 수 있다.
비닐 단량체는 음이온성 고분자 주사슬과 탄소-탄소 공유결합을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 알릴 글리시딜 에터일 수 있다.
아다만틸(메트)아크릴계 모노머는 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머와 게스트-호스트 상호작용을 할 수 있는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 β-사이클로 덱스트린의 공동의 크기를 고려하였을 때, 1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3-하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3,5-디하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 및 3,5,7-트리하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트 중 어느 하나일 수 있다.
일반식 1을 만족하는 하이드로젤은 하기 일반식 2에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것일 수 있다.
[일반식 2]
25 ≤ ε1h~6h/ε0 ≤ 60
상기 일반식 2에서, ε1h~6h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 6시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε1h~6h는 400 내지 900 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε1h~6h는 440 내지 870의 범위 내의 정수이고, ε0는 1550 내지 1650 범위 내의 정수이다.
일반식 1을 만족하는 하이드로젤은 하기 일반식 3에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것일 수 있다.
[일반식 3]
60 ≤ ε6h~12h/ε0 ≤ 80
상기 일반식 3에서, ε6h~12h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 6 내지 12시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε6h~12h는 900 내지 1300 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε6h~12h는 870 내지 1250의 범위 내의 정수이고, ε0는 1550 내지 1650 범위 내의 정수이다.
일반식 1을 만족하는 하이드로젤은 하기 일반식 4에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것일 수 있다.
[일반식 4]
80 ≤ ε12~24h/ε0 ≤ 90
상기 일반식 4에서, ε12h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 12 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε12~24h는 1300 내지 1500 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε12~24h는 1250 내지 1350의 범위 내의 정수이고, ε0는 1550 내지 1650 범위 내의 정수이다.
즉, 상기 일반식 1 내지 4를 고려하였을 때, 본 발명에 따른 하이드로젤은 24시간 이내에 자가치유가 가능하다는 이점이 있다.
약물 전달체
본 발명은 일실시예에서, 상기 하이드로젤; 및 상기 하이드로젤의 내부에 봉입된 약제학적 활성 성분을 포함하는 약물 전달체를 제공한다.
상기 약제학적 활성 성분은 항염증제일 수 있고, 항염증제는 이부프로펜, 디크로페낙, 인도메타신, 아세토아민펜 및 아스피린 중 어느 하나일 수 있다.
상처 드레싱 재재
본 발명은 일실시예에서, 하이드로젤을 포함하는 상처 드레싱 재재를 제공한다.
상처 드레싱 제제의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상처 드레싱 제제의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.
세포 배양 지지체
본 발명은 일실시예에서, 하이드로젤을 포함하는 세포 배양 지지체를 제공한다.
세포 배양 지지체의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
세포 배양 지지체의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.
연조직 대체물
본 발명은 일실시예에서, 하이드로젤을 포함하는 연조직 대체물을 제공한다.
연조직 대체물의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
연조직 대체물의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.
하이드로젤의 제조방법
본 발명은 일실시예에서, β-사이클로 덱스트린 올리고머, 양이온성 화합물, 및 비닐 모노머를 혼합하여 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머를 합성하는 단계; 및 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 아크릴레이트계 모노머 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머를 혼합한 후 가교결합시키는 단계를 포함하는 하이드로젤의 제조방법으로서, 상기 하이드로젤은 하기 일반식 1에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤의 제조방법을 제공한다.
[일반식 1]
25 ≤ ε1h~24h/ε0
상기 일반식 1에서, ε1h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε1h~24h는 400 이상의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
일반식 1을 만족하는 하이드로젤은 하기 일반식 2에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것일 수 있다.
[일반식 2]
25 ≤ ε1h~6h/ε0 ≤ 60
상기 일반식 2에서, ε1h~6h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 6시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε1h~6h는 400 내지 900 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε1h~6h는 440 내지 870의 범위 내의 정수이고, ε0는 1550 내지 1650 범위 내의 정수이다.
일반식 1을 만족하는 하이드로젤은 하기 일반식 3에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것일 수 있다.
[일반식 3]
60 ≤ ε6h~12h/ε0 ≤ 80
상기 일반식 3에서, ε6h~12h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 6 내지 12시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε6h~12h는 900 내지 1300 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε6h~12h는 870 내지 1250의 범위 내의 정수이고, ε0는 1550 내지 1650 범위 내의 정수이다.
일반식 1을 만족하는 하이드로젤은 하기 일반식 4에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것일 수 있다.
[일반식 4]
80 ≤ ε12~24h/ε0 ≤ 90
상기 일반식 4에서, ε12h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 12 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며, ε12~24h는 1300 내지 1500 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다.
구체적으로, ε12~24h는 1250 내지 1350의 범위 내의 정수이고, ε0는 1550 내지 1650 범위 내의 정수이다.
즉, 상기 일반식 1 내지 4를 고려하였을 때, 본 발명에 따른 하이드로젤은 24시간 이내에 자가치유가 가능하다는 이점이 있다.
양이온성 화합물은 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리에틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리프로필암모늄 클로라이드, 글리시딜에틸디메틸암모늄 클로라이드, 및 글리시딜디에틸메틸암모늄 클로라이드 중 어느 하나 이상일 수 있다.
비닐 단량체는 알릴 글리시딜 에터일 수 있다.
아크릴레이트계 모노머는 아크릴산일 수 있다.
아다만틸(메트)아크릴계 모노머는 1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3-하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3,5-디하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 및 3,5,7-트리하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트 중 어느 하나일 수 있다.
가교결합시키는 단계는 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 아크릴레이트계 모노머 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머를 1 : (50~60) : (1.5~5)의 몰비로 혼합한 후 가교결합시키는 것일 수 있고, 구체적으로 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 아크릴레이트계 모노머 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머를 1 : (52~56) : (2~2.5)의 몰비로 혼합할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
재료의 준비
βCD(삼전순약공업, South Korea), 에피클로로히드린(epichlorohydrin; 이하 'ECH', 대정화금, South Korea), 1-아다만탄올(1-Adamantanol, Alfa Aesar, USA), 과황산암모늄(ammonium peroxodisulfate; 이하 'APS', 도쿄화학산업, Japan), 아크릴산(Acrylic acid), 아크릴로일 클로라이드(acryloyl chloride, Sigma-Aldrich), 알릴 글리시딜 에터(allyl glycidyl ether; 이하 'AGE', Sigma-Aldrich), 글리시딜트리메틸암모늄(glycidyltrimethylammonium chloride; 이하 'GTMAC', Sigma-Aldrich), N,N,N′,N′-테트라메틸에틸렌디아민(N,N,N′,N′-tetramethylethylenediamine; 이하 'TEMED', Sigma-Aldrich) 및 N,N′-메틸렌비스아크릴아미드(N,N′-methylenebisacrylamide; 이하 'MBA', Sigma-Aldrich)를 준비하였다. 모든 시약은 구입 후 더 이상의 정제 없이 사용되었다.
합성예 1. βCD-OM 합성
도 1을 참조하면, 용액이 투명하게 될 때까지 45℃에서 자석 교반하면서 20%(w/v) NaOH 용액 20 ㎖에 βCD(20 g, 18 mmol)를 용해시켰다.
이어서, βCD 용액을 300 rpm으로 교반하면서 ECH(14㎖, 180 mmol)를 적하(dropwise)하고, 24시간 동안 60℃ 조건을 유지하여 반응시켰다.
아세톤/에탄올(4:1)의 용액을 첨가하여 반응을 정지시켰다.
원심 분리에 의해 얻어진 침전물을 물에 용해시키고, 잔류 아세톤을 회전 증발기로 제거하였다.
염산(6N)을 사용하여 수용액을 중화시키고, 투석막(Spectra/Por 6, molecular weight 2 kDa)을 이용하여 48시간 동안 DW로 투석하였다.
투석 후 반응물을 동결 건조(lyophilization)하여 βCD 올리고머를 수득하였다.
1H NMR (500 MHz, D2O, δ) : 3.4-4.5 (βCD의 m, H2,3,4,5,6,2',3',4',5',6' 및 ECH로부터의 글리세릴 브릿지의 Ha,b,c), 5.0-5.3 (βCD의 m, CHO, H1,1').
합성예 2. C(βCD-OM)AE 호스트 모노머 합성
도 2를 참조하면, 합성예 1에 따라 따른 βCD-OM 3 g을 18.75%(w/v) NaOH 용액 20 ㎖에 첨가하고, 40℃에서 자기 교반(magnetic stirring)하여 균일한 상태인 βCD-OM 용액을 준비하였다.
이후, 40℃에서 βCD-OM 용액에 GTMAC(4.40 ㎖)를 적하한 후, AGE(200 ㎕)를 적하하였다.
그 다음, 혼합물을 60℃로 가열하고, 24시간 동안 유지하여 반응시킨 후, 칼럼 크로마토 그래피(Biogel P-2)에 의해 합성된 C(βCD-OM)AE를 탈염하고, 염산(6N)을 사용하여 수용액을 중화시킨 후, 투석막(Spectra/Por 6, molecular weight 2 kDa)을 이용하여 48시간 동안 DW로 투석하였다.
투석 후 반응물을 동결 건조(lyophilization)하여 C(βCD-OM)AE를 수득하였다.
1H NMR (500 MHz, D2O, δ) : 3.1-3.3(CGs의 s, Hd"), 3.35-4.5(m, 글루코피라노오스, 글리세릴브릿지, CGs 또는 AE 그룹으로부터 유도된 피크), 4.95-5.35(βCD 피크, m, H1,1'), 5.35-5.5 (AE 피크, m, Hf',g') 및 5.9-6.1 (AE로부터 유도된 피크, m, He')
합성예 3. (βCD)AE 호스트 모노머 합성
도 3을 참조하면, βCD 3 g을 18.75%(w/v) NaOH 용액 20 ㎖에 첨가하고, 40℃에서 자기 교반(magnetic stirring)하여 균일한 상태인 βCD 용액을 준비하였다.
이후, 40℃에서 βCD 용액에 AGE(2 ㎖)를 적하하였다.
그 다음, 혼합물을 60℃로 가열하고, 24시간 동안 유지하여 반응시킨 후, 칼럼 크로마토 그래피(Biogel P-2)에 의해 합성된 (βCD)AE를 탈염하고, 염산(6N)을 사용하여 수용액을 중화시킨 후, 투석막(Spectra/Por 6, molecular weight 2 kDa)을 이용하여 48시간 동안 DW로 투석하였다.
투석 후 반응물을 동결 건조(lyophilization)하여 (βCD)AE를 수득하였다.
합성예 4. C(βCD)AE 호스트 모노머 합성
도 4를 참조하면, βCD 3 g을 18.75%(w/v) NaOH 용액 20 ㎖에 첨가하고, 40℃에서 자기 교반(magnetic stirring)하여 균일한 상태인 βCD 용액을 준비하였다.
이후, 40℃에서 βCD 용액에 GTMAC(4.40 ㎖)를 적하한 후, AGE(2 ㎖)를 적하하였다.
그 다음, 혼합물을 60℃로 가열하고, 24시간 동안 유지하여 반응시킨 후, 칼럼 크로마토 그래피(Biogel P-2)에 의해 합성된 C(βCD)AE를 탈염하고, 염산(6N)을 사용하여 수용액을 중화시킨 후, 투석막(Spectra/Por 6, molecular weight 2 kDa)을 이용하여 48시간 동안 DW로 투석하였다.
투석 후 반응물을 동결 건조(lyophilization)하여 C(βCD)AE를 수득하였다.
합성예 5. (βCD-OM)AE 호스트 모노머 합성
도 5를 참조하면, 합성예 1에 따라 따른 βCD-OM 3 g을 18.75%(w/v) NaOH 용액 20 ㎖에 첨가하고, 40℃에서 자기 교반(magnetic stirring)하여 균일한 상태인 βCD-OM 용액을 준비하였다.
이후, 40℃에서 βCD-OM 용액에 AGE(200 ㎕)를 적하하였다.
그 다음, 혼합물을 60℃로 가열하고, 24시간 동안 유지하여 반응시킨 후, 칼럼 크로마토 그래피(Biogel P-2)에 의해 합성된 (βCD-OM)AE를 탈염하고, 염산(6N)을 사용하여 수용액을 중화시킨 후, 투석막(Spectra/Por 6, molecular weight 2 kDa)을 이용하여 48시간 동안 DW로 투석하였다.
투석 후 반응물을 동결 건조(lyophilization)하여 (βCD-OM)AE를 수득하였다.
합성예 6. Ad-O-Ac 게스트 모노머 합성
도 6을 참조하면, N2 분위기 하에서, 무수클로로포름(anhydrous chloroform, 7 ㎖)에 1-아다만 탄올(1-Adamantanol, 1.18 g, 7.70 mmol) 및 트리에틸아민(triethylamine, 2.31 ㎖, 16.6 mmol)을 용해시킨 후, 실온에서 15분 동안 교반하였다.
용액을 0℃까지 냉각시킨 후, 무수클로로포름(6 ㎖) 중 아크릴로일클로라이드(acryloyl chloride, 0.894 ㎖, 11.0 mmol)의 용액을 첨가 깔때기를 사용하여 20 분에 걸쳐 적하한 후, 4시간 동안 교반하면서 실온에서 반응을 진행시켰다.
조 생성물(crude product)을 1 mol/ℓ HCl 용액, 1 mol/ℓ NaHCO3 용액 및 탈이온수로 각각 세척하여 클로로포름 상으로 추출한 후, 헥산을 첨가하여 침전시키고, 여과하였다.
여과하여 수득된 액체를 황산나트륨으로 건조시키고, 플래시 칼럼 진공 크로마토그래피(flash column vacuum chromatography)로 정제하였다.
헥산 및 에틸 아세테이트(97:3, vol.%)로 구성된 용매를 용출(elution)에 사용하여 Ad-O-Ac를 수득하였다(1.1 g).
1H NMR (500 MHz, CDCl3, Η) : 1.67 (m, 6H, 아다만탄), 2.16 (m, 9H, 아다만탄), 5.71 (dd, 1H, 비닐기), 6.02 (dd, 1H, 비닐기) (dd, 1H, 비닐기).
실시예. C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤 합성
도 7을 참조하면, 게스트 모노머인 Ad-O-Ac(32 mg, 0.16 mmol), 호스트 모노머인 합성예 2에 따른 C(βCD-OM)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 3차 증류수(degassed triple distilled water; 이하 'dTDW', 4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액(20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED(40 ㎕)을 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 1. (βCD)AE@Ad 하이드로젤 합성
게스트 모노머인 Ad-O-Ac(32 mg, 0.16 mmol), 호스트 모노머인 합성예 3에 따른 (βCD)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액(20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED를 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 (βCD)AE@Ad 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 2. C(βCD)AE@Ad 하이드로젤 합성
게스트 모노머인 Ad-O-Ac(32 mg, 0.16 mmol), 호스트 모노머인 합성예 4에 따른 C(βCD)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액(20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED를 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 3. (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤 합성
게스트 모노머인 Ad-O-Ac(32 mg, 0.16 mmol), 호스트 모노머인 합성예 5에 따른 (βCD-OM)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액(20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED를 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 4. C(βCD-OM)AE 하이드로젤 합성
호스트 모노머인 합성예 2에 따른 C(βCD-OM)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol), MBA (10 mg, 0.06 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액 (20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED을 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 C(βCD-OM)AE 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 5. (βCD)AE 하이드로젤 합성
호스트 모노머인 합성예 3에 따른 (βCD)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol), MBA (10 mg, 0.06 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액 (20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED을 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 (βCD)AE 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 6. C(βCD)AE 하이드로젤 합성
호스트 모노머인 합성예 4에 따른 C(βCD)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol), MBA (10 mg, 0.06 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액 (20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED을 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 C(βCD)AE 하이드로젤을 합성하였다.
비교예 7. (βCD-OM)AE 하이드로젤 합성
호스트 모노머인 합성예 5에 따른 (βCD-OM)AE(80 mg, ≤ 0.07 mmol), MBA (10 mg, 0.06 mmol) 및 아크릴산(266 ㎕, 3.8 mmol) 순서로 탈기된 dTDW(4 ㎖)에 투여한 후, 용액을 30초 동안 볼텍싱(vortexing) 하였다.
이어서, 반응 용기를 미리 60℃ 수조에 담갔다가, APS 수용액 (20 ㎕, 0.1 g/㎖)과 TEMED을 예비 하이드로젤 혼합물에 첨가한 후, 30초 동안 볼텍싱하였다.
이후, 혼합물을 주형에 부어 60℃의 오븐에 6시간 동안 반응시켜 (βCD-OM)AE 하이드로젤을 합성하였다.
실험예 1. 호스트 모노머의 합성 조건 및 특성 규명
합성예 2 내지 4에 따른 βCD 유도체의 순도는 박층 액체 크로마토그래피(thin liquid chromatography; 이하 'TLC') 및 페놀-황산 분석법으로 확인하였다.
부탄올/에탄올/물 용액(5:5:4)을 사용하여 측정한 βCD, (βCD)AE, C(βCD)AE, (βCD-OM)AE 및 C(βCD-OM)AE의 Rf 값은 각각 0.52, 0.64, 0.07, 0.01 및 0.01 이었다.
다른 TLC 이동 용액(이소프로필알코올/물/에틸 아세테이트/37% 암모니아수, 5:5:1:1)에서, βCD, (βCD)AE, C(βCD)AE, (βCD-OM)AE 및 C(βCD-OM)AE의 Rf 값은 각각 0.52, 0.72, 0.01, 0.74 및 0.01이었다.
MALDI 스펙트럼 및 βCD 당 MS에 근거한 평균 분자량의 차수는 βCD < (βCD)AE < C(βCD)AE < (βCD-OM)AE < C(βCD-OM)AE이며, 예비 하이드로젤 용액에 첨가된 βCD 유도체의 중량은 동일했다.
따라서, 반응 혼합물 내의 실제 βCD 부분의 수는 C(βCD-OM)AE < (βCD-OM)AE < C(βCD)AE < (βCD)AE < βCD 이었다.
이는 βCD 유도체 내의 βCD의 몰수가 동일 중량의 개질되지 않은 βCD의 몰수보다 작고, 용액에 첨가된 Ad-O-Ac의 몰수가 원래의 βCD의 두 배가 됨을 의미한다.
즉, Ad-O-Ac의 양은 모든 경우에 호스트 분자를 초과하였고, 이것은 하이드로젤에서 호스트-게스트 화학을 보장하기 위해 계획되었다.
실험예 2. 호스트 모노머 및 게스트 모노머의 구조 분석
원료 βCD 유도체의 일차원 NMR 스펙트럼(NMR spectrum)은 25℃에서 Bruker Avance Ⅲ 500MHz 분광계로 기록되었고, 화학적 이동을 용매 값(D2O의 경우 d=4.79 ppm, CDCl3의 경우 d=7.26 ppm, 또는 DMSO-d 6 의 TMS의 경우 d=0.00)과 비교하였으며, 질량 분광법(Mass spectrometry)은 Bruker Autoflex Speed MALDI-TOF MASS(Bruker Daltonics, USA)에서 선형 양이온 모드로 수행되었고, FT-IR 스펙트럼은 Nicolet iS50 FT-IR 분광계(Thermo Scientific, USA)에서 4000에서 400 cm-1로 기록되었다. 건조되고 분쇄된 모든 시료는 측정 전에 브롬화 칼륨으로 막으로 만들어 사용하였다.
구체적으로, βCD-OM은 1H NMR 스펙트럼에서 특징적인 화학적 이동이 3.0 ppm에서 4.5 ppm으로 나타났으며, FT-IR 스펙트럼에서 1100 cm-1 및 1300 cm-1 부근에 특징적인 진동 밴드가 나타났다.
AE는 1H NMR 스펙트럼에서 5.8 ppm 및 6.1 ppm의 피크가 관찰되었고, FT-IR 스펙트럼에서 1640cm-1에서의 피크에 의해 확인되었고, CG 양성자는 1H NMR 스펙트럼에서 3.3 ppm으로 존재하였다(도 8 및 도 9 참조).
또한, βCD-OM과 βCD-OM 유도체가 올리고머인지 아닌지를 결정하기 위해 MALDI-MS를 사용했다(도 10 참조).
MALDI 스펙트럼에 기초하여, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체는 주로 다이머(dimer)이지만, 또한 다른 올리고머(트리머, 테트라머, 펜타머 및 헥사머)를 함유한다.
Ad-O-Ac는 TLC 플레이트 상에 단 하나의 피크만을 나타내고, NMR 스펙트럼은도 11에 도시하였다.
실험예 3. 하이드로젤의 합성 증명
상기 실시예 및 비교예에 따라 합성된 하이드로젤은 폴리아크릴산(poly(acrylic acid); 이하 'PAA') 매트릭스, Ad 게스트 그룹 및 4개의 βCD 유도체 중 어느 하나(βCD)AE, C(βCD)AE, (βCDOM)AE 및 C(βCD-OM)AE)로 이루어져 있다(도 12 참조).
하이드로젤이 βCD-OM 유도체를 포함하였을 때(실시예 및 비교예 3), 이들은 보다 탁하게 보였다.
βCD 유도체는 Ad-O-Ac와 복합체를 형성하는 호스트 분자로서, 안정한 네트워크 구조를 생성하는 공유 링커로서의 역할을 수행한다.
일반적으로, 게스트 분자의 소수성 부분이 CD 공동으로 침투하고, 유기 게스트가 탈수됨으로써 CD의 포접 복합체 열역학에 중요한 기여를 할 수 있다.
이러한 호스트-게스트 상호작용이 자발적으로 발생하기 때문에, 자유 에너지 변화인 ΔG ㅀ는 음의 값을 가지며, 이러한 현상은 CD 기반 포접 복합체의 형성에서, 분자 감지 현상(molecular recognition phenomena)이 반데르발스 상호작용뿐만 아니라, 소수성 상호작용에 의한 효소-리간드 모델과 같은 본질적인 결합을 통해 발생하는 경우 음의 값을 가진다.
Ad 분자는 βCD 공동에 7 ㅕ의 분자 직경에서의 적합성으로 인해, 다른 게스트 분자와 비교하여 βCD와 매우 안정한 복합체를 만드는 것으로 알려져 있다.
βCD/Ad 복합체의 안정도 상수(stability constant)는 105 M-1이며, 이는 103 M-1 정도의 βCD/게스트와 비교하여 이례적인 큰 값을 갖는다.
βCD 유도체와 Ad-O-Ac는 이온성 모노머(아크릴산)와 함께 인 시츄(in situ) 공중합되었으며, 여기에 양성자가 부착되고, 주변 pH에 따라 분리된다.
따라서, 이들 그룹은 양이온 그룹(cationic groups; 이하 'CGs')과 정전 기적으로 상호작용할 수 있다(도 12b 참조).
용해성 βCD-OM은 수산화나트륨 수용액에서 βCD와 ECH 간의 간단한 반응을 통해 합성되었다(도 13a 참조).
βCD-OM은 증가된 하이드록실기(-OH)의 수와 더 효과적인 호스트-게스트 상호작용 때문에, βCD-OM은 더 많은 반응 사이트를 가지고 있다.
또한, 하이드로젤은 공유결합이 적을수록 공유결합률이 높다.
이는 중요한 요소로서, 하이드로젤의 안정성이 동시에 증가하더라도, βCD-OM의 움직임을 제한하여 너무 많은 화학적 결합이 자가 복구 과정을 방해하기 때문이다.
개질되지 않은 βCD로부터 (βCD)AE 및 C(βCD)AE를 합성하였고(도 13d 및 도 13e), βCD-OM으로부터 (βCD-OM)AE 및 C(βCD-OM)AE를 합성하여(도 13b 및 도 13c), 하이드로젤에 기능기가 미치는 영향을 평가하였다.
이러한 반응은, 알칼리성 조건 하에서 AGE 및 GTMAC에서 에폭사이드(epoxide) 개환반응(ring-opening) 의해 달성되었다.
호스트 βCD 유도체에 상응하는 게스트 모노머인 Ad-O-Ac는 1-아다만탄올(1-adamantanol)과 아크릴로일클로라이드(acryloyl chloride) 간의 반응을 통해 합성되었다(도 6 참조).
하이드로젤 네트워크는 개시제인 APS와 조촉매인 TEMED를 사용하는 라디칼 중합에 의해 형성되었다(도 13f 참조).
중합을 개시하기 전에, 모든 물질을 균일하게 용해시키기 위해 용액 온도를 60℃로 조절하였다.
융점이 40℃이고, 무색 결정체인 Ad-O-Ac를 형성한다.
1H NMR 스펙트럼으로부터, βCD의 H1에 해당하는 피크 면적을 글루코피라노스 고리(glucopyranose ring)의 H1, 1′에 해당하는 면적 및 글리세릴 브릿지의 H1,1′를 제외한 면적과 비교함으로써, βCD-OM의 βCD 당 치환 몰수(molar substitution; 이하 'MS')를 산출하였고, 그 값은 7.21이었다.
상기 βCD-OM에서의 βCD 당 MS 산출방법과 동일한 방법으로 다른 βCD 유도체의 βCD 당 MS를 산출하였다.
(βCD)AE, C(βCD)AE, (βCD-OM)AE, 및 C(βCD-OM)AE의 βCD 당 AE의 수는 각각 2.80, 2.52, 0.91, 및 0.98이었고, C(βCD)AE 및 C(βCD-OM)AE의 βCD 당 CGs의 수는 1.01 및 1.51이었다.
βCD 유도체@Ad 하이드로젤에서, Ad, βCD 및 PAA 백본(Backbone)의 존재는 600 MHz 1H NMR 스펙트럼을 분석하여 확인되었다(도 14 참조).
Ad의 경우 약 2.0 ppm, βCD의 경우 3.0 ~ 4.0 ppm 및 4.84 ppm, PAA의 경우 1.3 ~ 1.9 ppm 및 2.2 ppm에서 구별되는 피크가 관찰되었다.
또한, 게스트 분자가 없는 βCD 유도체는 모두 하이드로젤을 형성하였다(도 15 참조).
개질되지 않은 βCD를 사용하면 하이드로젤이 생성되지 않았다.
이는 βCD 유도체가 AE를 가짐으로써 충분한 안정성을 제공하는 공유결합 링커로서 작용하기 때문이다.
C(βCD-OM)AE의 최소 젤화 농도와, 2주 동안 물에서 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 용해/침식을 분석하였다.
66.5 ㎕의 아크릴산을 첨가하였을 때 C(βCD-OM)AE의 최소 젤화 농도는 약 5 mg/㎖(w/v)이었다(도 16 및 표 1 참조).
| C(βCD-OM)AE (mg) | dTDW (mL) | Acyclic acid (mL) | 1-Adamanty acrylate (mg) | APS solution (0.1g/mL, mL) |
TEMED (40 mL) |
상태 | |
| 0* | 20 | 1 | 66.5 | 8 | 5 | 8 | 겔 |
| 1 | 10 | 1 | 66.5 | 8 | 5 | 8 | 겔 |
| 2 | 5 | 1 | 66.5 | 8 | 5 | 8 | 겔 |
| 3 | 2.5 | 1 | 66.5 | 8 | 5 | 8 | 졸 |
| 4 | 1.125 | 1 | 66.5 | 8 | 5 | 8 | 졸 |
상기 표 1에서, *으로 표시한 No.0의 조성은, C(βCD-OM)AE@AD 하이드로젤에 사용된 조성과 동일하다.
한편, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 무게 감소는 관찰되지 않았지만, 약간의 침식이 발생하였다.
하이드로젤의 침식은 다량의 물의 도입으로 인한 하이드로젤 네트워크의 팽윤에 기인한다.
그 결과, 하이드로젤의 기계적 강도가 약해지고 하이드로젤이 물의 무게를 견딜 수 없기 때문에 침식되었다.
이러한 결과는 βCD 유도체가 라디칼 중합에 의해 아크릴산과 성공적으로 가교 결합됨을 보여 주었다.
한편, C(βCD)AE 상의 알릴 그룹의 수는 C(βCD-OM)AE의 2.5배에 달했기 때문에, 그 양보다 적은 양의 C(βCD)AE가 예비 하이드로젤 용액에 첨가되었다.
그러나, 이러한 조건 하에서, 어떠한 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤도 형성되지 않았다.
이 결과는 βCD의 입체 효과 때문에, C(βCD)AE의 모든 알릴 그룹이 아크릴 레이트와 가교결합된 것은 아니라는 것을 나타낸다.
대조적으로, C(βCD-OM)AE는 C(βCD)AE보다 유연성이 크기 때문에 하이드로젤을 형성할 수 있다.
또한, C(βCD-OM)AE는 Ad 분자와의 복합체 형성에 관여하지 않는 올리고머성 βCD의 비어있는 공동 때문에, 하이드로젤의 소수성 약물 용량을 증가시키고, 약물 방출 효과를 유지하는데 기여할 수 있다.
실험예 4. 하이드로젤 네트워크에서 비공유 상호작용의 기계적 특성
하이드로젤의 기계적 특성은 하이드로젤 내부의 가교 결합 수에 의존한다.
가교 결합의 수가 증가함에 따라, 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′) 또한 증가한다.
βCD 부분이 Ad 그룹과 충분히 상호작용할 수 있도록 호스트-게스트 몰비를 0.5 미만으로 설정했다.
먼저, 0.5% 고정 변형 하에서, 25℃에서 수행된 진동 주파수 스위프 실험을 통해 βCD 유도체 하이드로젤 및 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 기계적 강도를 평가 하였다(도 17a, 및 도 17b 참조).
모든 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′)는 손실 모듈러스(G″)보다 높았다. 이 결과는 하이드로젤이 유동성 졸 상태가 아니라 주위 조건에서 젤 상태에 있음을 의미한다.
또한, 25±0.1℃에서 20 mm 평행판이 장착된 DHR-2 레오미터(TA Instruments, USA)를 사용하여 하이드로젤의 점탄성(viscoelasticities)을 측정하였다.
12시간 내에 합성된 하이드로젤을 사용하였고, 사용하기 전까지 습도가 일정하게 유지되는 곳에 저장하였다.
각 주파수(angular frequency)는, 0.5%의 변형에서 0.1 내지 100 rad/s에서 스위핑되었고, 변형 진폭 스위프는 1.0 Hz의 각 주파수(angular frequency)에서 0.1%에서 3000%(γ)까지 기록되었다.
(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 유동학적 회복(rheological recovery)을 테스트하기 위한 대체 단계 변형 스윕(alternate step strain sweep)은 1 Hz의 각 주파수(angular frequency)에서 측정되었다.
변형 진폭(strain amplitudes)은 300초에 대한 γ=0.5%의 고정 변형(fixed strain)과, 100초에 대한 γ= 600%의 고정 변형(fixed strain) 사이에 반복적으로 로드되었다.
호스트-게스트 효과는 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 유동학적 모듈러스와 βCD 유도체 하이드로젤의 유동학적 모듈러스를 비교함으로써 확인되었다.
모든 경우에 있어서, 모노머성(monomeric) βCD 유도체가 βCD 당 공유 가교결합 점을 보다 많이 포함하고, 이들이 기계적 강도에 기여한다고 하더라도, βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′) 값은 βCD유도체 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′) 값 보다 높았다.
(βCD)AE@Ad 하이드로젤, C(βCD)AE@Ad 하이드로젤, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤 및 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 0.1 rad/s 및 100 rad/s 간의 평균 저장 모듈러스(G′) 값은 각각 4,158 Pa(ΔG′=1,304 Pa), 5,421 Pa(ΔG′=1,685 Pa), 5,972 Pa(ΔG′ =3,725 Pa) 및 16,273 Pa(ΔG′ =11,004 Pa)이었고, 상기 ΔG′는 전자의 저장 모듈러스(G′)와 후자의 저장 모듈러스(G′)의 차이를 의미한다(도 17a 및 도 17b 참조).
게스트 분자의 유무에 따른 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 동적 모듈러스 차이는 게스트 분자를 포함한 βCD 유도체 하이드로젤이 더 크게 나타났다.
이는 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체의 게스트 포접 능력이 향상되었기 때문이다.
기울기는 저장 모듈러스(G′) 대 각 주파수(angular frequency)로 나타낼 수 있고, 이는 하이드로젤 네트워크의 동적 특성과 관련 있다.
다른 물리적으로 가교된 하이드로젤과 마찬가지로, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″)는 각 주파수(angular frequency)가 증가함에 따라 증가하였다.
또한, 게스트 분자가 첨가될 때 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″) 간의 차이가 감소하게 된다. 이는 보다 액체와 같은 거동을 나타냄을 시사한다.
한편, 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서 저장 모듈러스(G′)의 기울기는 거의 제로였으며, 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤은 보다 단단한 고체형 젤과 같은 거동을 나타냈다(도 17b 참조).
이러한 결과는 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤이 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤 보다 더 유연하고 가역적임을 나타낸다.
호스트-게스트 화학은 또한 손실 모듈러스(G″)의 증가를 가져온다. 이는 βCD와 Ad 사이의 결합의 동적 해리 및 재형성이 에너지를 소진하는 또 다른 방법을 제공하기 때문이다.
(βCD)AE@Ad 하이드로젤, C(βCD)AE@Ad 하이드로젤, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤 및 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 0.1 rad/s 및 100 rad/s 간의 평균 손실 모듈러스(G″) 값은 각각 267 Pa(ΔG″ =139 Pa), 592 Pa(ΔG″ =442 Pa), 2,382 Pa(ΔG″= 1,887 Pa) 및 7,584 Pa(ΔG″ =5,811 Pa)이었고, 상기 ΔG″는 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 손실 모듈러스(G″)와 βCD 유도체 하이드로젤의 손실 모듈러스(G″) 간의 차이를 의미한다(도 17a 및 도 17b 참조).
전반적으로, 양이온성 βCD 유도체 하이드로젤은, 하이드로젤 내부의 이온 상호작용에 기인하여 높은 저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″) 값을 나타냈다(도 17a 및 도 17b 참조).
올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 ΔG′및 ΔG″값이 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 ΔG′및 ΔG″값보다 큰 이유는, C(βCD-OM)AE에서 CGs의 비율이 C(βCD)AE 보다 높고, 모노머성(monomeric) βCD 가교 결합제의 분자 운동에 공유결합에 의해 유도된 제약 때문이다.
βCD 클러스터(clusters)에서 공유결합 점이 적기 때문에, βCD-OM에 연결된 CGs는 상대적으로 자유롭게 이동할 수 있다.
변형 진폭 스위프에서, 모든 βCD 유도체 하이드로젤과 βCD 유도체@Ad 하이드로젤에 대해 저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″)는 10% 변형까지 변화하지 않았다(도 17c 및 도 17d 참조).
저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″)가 서로 교차하는 임계 변형(γc)에 도달하기 전에, Ad 그룹 또는 CG가 있는 하이드로젤의 모든 저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″) 값은 Ad 그룹 또는 CGs가 없는 하이드로젤 보다 높게 관찰되었다.
하이드로젤에 게스트를 도입하면, βCD-Ad 복합체를 형성함으로써 더 높은 저장 모듈러스(G′)를 유발할 뿐만 아니라, 사슬 말단과 같이 작용하는 에너지 방출 게스트 분자수가 증가함으로써 더 높은 손실 모듈러스(G″)를 유발할 수 있다.
임계 변형(γc) 근처의 손실 모듈러스(G″)는 (βCD)AE@Ad 하이드로젤과 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤에서 같은 이유로 더 적은 변동을 보였다(도 17d 참조).
대조적으로, Ad 그룹이 없는 (βCD)AE 하이드로젤과 C(βCD)AE 하이드로젤의 손실 모듈러스(G″)는 많은 수의 사슬이 소멸되어 원래의 하이드로젤 네트워크가 붕괴되었기 때문에, 임계 변형(γc)에 도달하기 전에 급격히 증가하였다(도 17c 참조).
또한, CGs의 해리(dissociation) 때문에, CGs를 갖는 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤은 CGs가 없는 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤보다 높은 손실 모듈러스(G″) 값을 갖는다(도 17c 및 도 17d 참조).
올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서, βCD-OM 유도체는 에너지를 소산시킬 수 있는 많은 글리세릴 사슬과, 파괴될 때 부러진 사슬의 수가 감소함에 따라, 소수의 화학적 연결 지점을 가지고 있다.
높은 변형률에서, 소수의 공유결합은 하이드로젤의 네트워크 구조를 충분히지지할 수 없다.
따라서, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 내부 공간이 급속히 감소함에 따라 사슬은 쉽게 움직일 수 없다.
대조적으로, 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤은 보다 많은 공유결합이 존재하기 때문에 소산 사슬의 수가 일시적으로 증가하여 상대적으로 더 넓은 공간을 갖는다.
이들은 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤이 임계 변형(γc) 주위에서 손실 모듈러스(G″)의 명확한 변동을 보이지 않는 이유에 대한 가능한 설명이다.
임계 변형(γc)은 하이드로젤 자체에서 변화하였다.
근사 임계 변형(γc)에 대한 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 순서는 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤(32%), (βCD)AE@Ad 하이드로젤(509%), C(βCD)AE@Ad 하이드로젤(576%) 및 (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤(1,527%) 이었다(도 17d 참조).
이러한 임계 변형(γc)에 대한 차이점은, 가교제의 농도, 유연성 및 국부적인 응집에 의해 기인한 것이다.
하이드로젤에서 거대 가교결합제는 모노머성(monomeric) βCD 유도체 보다 낮은 몰 농도를 가지며, 따라서 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤의 단면에 더 적은 수의 가교제가 존재할 것이다.
또한, 거대 가교결합제의 글리세릴 브릿지에 의한 βCD 유도체의 국부적인 연결은 βCD 분포를 상대적으로 동일하지 않게 만든다.
가교 결합제가 없는 공극 공간은, 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤 보다 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서 더 클 것이다.
따라서, 가교 결합이 깨지면, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서 가교 결합의 개질이 어려울 수 있다.
마지막으로, 하이드로젤 네트워크는 저장 모듈러스(G′)가 높음에도 불구하고 유체처럼 움직인다.
올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤은 공유결합의 수가 적으므로, 유연성이 높아질 수 있으며, 중합체 체인의 해리는 유연성 때문에 더 쉬울 수 있다.
이러한 결과는, 상응하는 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤 보다 (βCD-OM)AE 하이드로젤, C(βCD-OM)AE 하이드로젤 및 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 낮은 임계 변형(γc) 값을 초래 하였다(도 17c 및 도 17d).
또한, CGs가 첨가되면 모노머성(monomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서 임계 변형(γc)이 증가하지만, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서는 증가하지 않는 이유를 설명할 수 있다.
즉, CGs는 밀도가 높은 공유결합과 함께 네트워크를 강화한다.
그러나, 변형 진폭 스위핑(strain amplitude sweeping)하는 동안, 인접 사슬에 중합되는 PAA와 CGs 간의 가교제 이동 또는 국소 응집을 제한함으로써, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체 하이드로젤에서 고분자 사슬 네트워크의 간섭을 차단할 수 있다.
한편, 소수성 모노멍인 Ad-O-Ac의 첨가가 중합체 사슬의 모노머성(monomeric) 배열을 변화시킴으로써, 공유결합에 영향을 미치기 때문에, 모노머성(monomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤에서 게스트의 존재로 인하여 임계 변형(γc)이 감소되었다(도 17d 참조).
이 결과는 수 팽윤도 시험 및 FE-SEM 관찰 결과와도 일치했다.
그 시험에서, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 수분 혼입에 의해 쉽게 팽윤되어 큰 기공 크기를 유도했다.
실험예 5. βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 인장 시험 및 자가치유 거동 평가
Instron E3000LT(Instron Inc., USA)에서 5 mm/min의 팽윤 속도(stretch velocity)로 실린더로 성형한 시료(길이 6 cm 및 직경 0.7 cm)를 이용하여 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 신축성(stretchability) 및 인장 강도(tensile strength)를 평가하였고, 하이드로젤의 절편된 표면을 블레이드를 이용하여 두 조각으로 절단하고, 절단된 하이드로젤을 1 ~ 24시간 동안 결합시켜 하이드로젤의 자가치유 특성을 평가하였다.
구체적으로, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 1590% 변형까지 신장하였으며, 이는 CGs를 포함한 하이드로젤은 하이드로젤이 변형될 때 CGs가 PAA 사슬에서 분리되기 때문에 더 늘어날 수 있어, 가장 높은 파단 변형(breaking strain)을 나타내었다(도 18e 참조).
또한, 하이드로젤이 늘어날 때, 정전기 상호작용에 의해 다른 PAA 사슬과 지속적으로 상호작용이 일어나므로, PAA 사슬은 심각한 파손 없이 늘어날 수 있다.
(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은, 가장 낮은 값을 갖는 모노머성(monomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤 보다, 호스트-게스트 상호작용 및 보다 유연한 공유결합과 같은 다른 유형의 비공유결합을 함유한다(도 18e 참조).
이것은 모노머성(monomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤에서, 하나의 표면을 다른 표면에 수직으로 고정할 수 있는 βCD 가교제를 더 포함하고 있다고 설명할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 더 많은 CGs가 유연하게 움직이는 매크로 가교 결합제와 결합되기 때문에, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤이 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤 보다 높은 연신율을 보였다.
한편, (βCD)AE@Ad 하이드로젤에서, 호스트-게스트 상호작용과 공유결합의 결합으로 인해 인장 변형을 68 kPa로 증가시켰다(도 18e 참조).
그러나, CGs가 하이드로젤에 존재할 때, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤과 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤에서의 인장 강도는 각각 150 kPa 및 230 kPa로 급격히 증가하였다.
그런데, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤에서는, βCD-OM의 상호작용으로 인해, 180 kPa의 하중 변형을 견딜 수 있지만, CGs 작용과 호스트-게스트 상호작용은 변형 진폭 스윕에서처럼 서로 부분적으로 방해하는 것으로 나타났고, 인장 강도는 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤에서 감소하였다.
그러므로, 이온 상호작용과 호스트-게스트 상호작용 간의 균형이 중요함을 확인하였다.
자가치유 특성과 관련하여, 올리고머성(oligomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 자가치유할 수 있으나, 대조적으로, 모노머성(monomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 자가치유 능력을 갖지 않는 것으로 나타났다(도 18a 참조).
이것은 모노머성(monomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤에서 공유결합이 분자 사슬 이동성을 제한했기 때문이다.
치유 효율(f)을 하기 일반식 1로 산출하여 정량적 비교를 수행하였다.
[일반식 1]
f = ε/ε0
상기 ε는 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률이다.
6시간 후 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤 및 (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 치유 효율(f) 각각 55% 및 17%였고(도 18e 및 도 19 참조), 이온 상호작용이 자가치유 과정에서 중요한 역할을 하였음을 확인하였다.
치유 효율(f) 값이 높기 때문에, 시간 의존성(time-dependence) 평가를 수행하였다.
1, 6, 12 및 24 시간 동안 자가치유를 진행하였을 때, 치유 효율(f)의 값은 각각 28%, 55%, 76% 및 84%였고, 치유 시간이 증가함에 따라 치유 효율(f) 또한 증가하였음을 확인하였다(도 18f 참조).
C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 자가치유는 또한 유동학적 시험에 의해 평가되었다(도 20 참조).
MBA는 호스트 분자 대신 개질되지 않은 βCD의 몰수와 동량을 첨가하여 MBA에 의해 가교 결합된 PAA 백본 하이드로젤을 대조군(Control)으로 이용하였다.
구체적으로, MBA 하이드로젤의 임계 변형을 포함한 유동학적 특성을 평가하였다(도 21a 및 도 21b 참조).
변형 진폭 스윕으로부터, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤을 제외하고, ω = 1.0Hz에서, 600% 변형 시 βCD 유도체@Ad 하이드로젤 및 MBA 하이드로젤을 파괴하기에 충분하다는 것을 확인하였다(도 13d 참조).
실제로, MBA 하이드로젤은 단계 변형 측정의 세 번째 사이클에서 네트워크의 파손으로 인해 저장 모듈러스(G′)가 감소하고 손실 모듈러스(G″)가 증가하였다(도 21c 참조).
대조적으로, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 100초 동안 600% 변형을 적용한 후에 그 네트워크를 회복하였고, 0.5% 변형에서 약 300초가 걸렸다.
저장 모듈러스(G′)와 손실 모듈러스(G″) 값은 큰 변형 하에서 반전되었고, 이는 하이드로젤이 액체와 같은 졸 상태로 전이되었다는 것을 의미한다.
C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 저장 모듈러스(G′)는 작은 변형이 하이드로젤을 러빙(rubbing)시킴으로써 고분자 사슬의 얽힘(entanglement)을 돕기 때문에 원래의 값으로 되돌아 왔고, 공유결합이 동시에 파괴될 수도 있지만, 내부 비공유 상호작용의 재구성이 일어날 수 있었고, 회복 거동은 균열의 형성 없이 3번 이상 반복 될 수 있었다(도 21 참조).
실험예 6. βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 형태학적 분석 및 안정성 분석
AE와 CGs가 하이드로젤 구조에 미치는 영향을 분석하기 위해, FE-SEM(JSM-6700F, EOL, Japan)을 이용하여, DW에 4일 동안 저장되었던 동결 건조된 하이드로젤의 이미지를 분석하였다(도 22 참조).
구체적으로, 하이드로젤은 DW에서 25℃에서 4일 동안 팽윤시킨 후, 동결 건조시켰다.
진공 상태에서 60초 동안 20 W 조건으로 동결 건조된 하이드로젤을 금으로 코팅하였다.
하이드로젤의 절단 단부(cut ends)는 25 내지 7500배의 배율로 5.0 kV의 가속 전압에서 관찰되었고, 작동 거리(working distance; 이하 'WD')는 6.1 또는 6.7 mm이었다.
기공 크기는 ImageJ2 소프트웨어를 사용하여 측정되었다.
각각의 하이드로젤에 대해 50개의 기공이 샘플링되었고, 평균 기공 직경인 기공 크기(d)는 하기 일반식 5로부터 산출되었다.
[일반식 5]
d = 2√(A / π)
상기 일반식 5에서, d는 기공 크기이고, A는 기공 면적이다.
구체적으로, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 많은 구형 응집체 또는 막대로 구성되는 것으로 보이는 가장 작은 기공 네트워크를 갖는 형상을 포함하였다.
상기 특징적인 모양은, 다른 것들에 비해 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤에서 이온 상호작용이 더 강하다는 것을 나타낸다.
βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 환경적 pH 변화에 따라 팽윤하였고(도 22e 참조), PAA 백본으로 인해 pH 반응성 거동을 나타내었다.
PAA의 pKa가 약 4.5이고, 생물 의학 응용을 위한 생리적 조건을 모방하기 때문에 37℃에서 두 개의 버퍼 시스템을 사용했다.
하나의 상태는 HCAB를 사용하여 pH 1.2로 설정하고, 다른 하나는 PB를 사용하여 pH 7.4로 설정했다(도 23 참조).
버퍼 이온 효과를 최소화하기 위해, 인산 완충 식염수(phosphate buffered saline) 대신 PB를 선택하였다.
HCAB의 경우, 시료 간에 약간의 차이가 있었고, 시료는 pH 7.4 미만으로 팽윤하였다.
대조적으로, PB의 경우, βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 현저하게 팽윤하였고, 특히 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 최소 4,716%에서, 최대 10,201%까지 팽윤하였다(도 22e 참조).
CGs가 없는 βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 비슷한 정도로 팽윤되었지만, CGs가 있는 βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 다르게 팽윤했다.
이러한 결과에 근거하여, 탈양성자화된 PAA 단위체 간의 반발은 pH 7.4에서 훨씬 더 팽윤되었고, 이는 CGs와 PAA 사이의 인력을 나타낸다.
C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 CGs의 높은 비율과 유연한 거대 가교제 때문에 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤 보다 적은 물을 흡수하였다(도 22e 참조).
정량적 비교를 위해, FE-SEM 이미지를 이용하여 기공 크기를 통계적으로 분석하였다(도 22f 참조).
기공 크기는 팽윤 정도와 관련이 있다. C(βCD)AE@Ad 하이드로젤에서 이온 상호작용에 의한 CGs와 PAA 간의 얽힘 때문에, (βCD)AE@Ad 하이드로젤은 C(βCD)AE@Ad 하이드로젤 보다 큰 기공 크기를 가졌다.
가장 높은 CGs 함량을 갖는 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 가장 작은 기공을 가졌다(도 22f 참조).
종래의 단일 가교와는 달리, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 다중 교차 결합은 이온 상호작용, 호스트-게스트 상호작용 및 C-C 결합 교차 결합으로 인해, 응집된 형상을 갖는 작은 공극을 초래하는 많은 접합점(junction points)을 형성 할 수 있다(도 22f 참조).
거대 가교 결합제의 공유결합 수가 더 적기 때문에, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤이 크게 팽윤하였다.
이것은 일부 초분자 상호작용의 존재를 나타내며, DW에서의 평형일 때의 거동에 대한 정보를 산출한다.
즉, 평형 상태에서 호스트-게스트 상호작용은 PAA 사슬의 반발로 인해 발생하는 동적 결합 형성 및 해리를 통한 가교 결합의 손실로 인해 불안정하며, 정전기 효과는 생리적 조건 하에서 βCD와 Ad 사이의 상호작용과 같은 추가적인 비공유결합으로 인한 약한 하이드로젤 안정성을 강화시킬 수 있다.
실험예 7. 세포 독성 시험 평가
인간의 진피 섬유아세포(dermal fibroblasts, Seoulin Bioscience, Korea)를 10% 소태아혈청(fetal bovine serum; 이하 'FBS')과 1% 페니실린/스트렙토마이신이 첨가된 Dulbecco's modified Eagle medium(이하 'DMEM', high-glucose, Hyclone, USA)에서 5% CO2/95% 공기, 37℃, 습한 환경에서 배양하여, 시험관(in vitro)에서 βCD 유도체 하이드로젤 및 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 세포 독성을 평가하였다.
세포를 밀리리터 당 1ㅧ105 세포의 밀도를 지닌 24-웰 배양 플레이트(500 ㎕)에 접종한 후, 원료(2.5 ㎎)를 각 웰(well)에 첨가하고, 세포를 48시간 동안 배양하였다.
하이드로젤의 세포 독성 테스트를 수행할 때, 하이드로젤을 DMSO와 물로 미리 세척한 후, 밀리리터 당 1ㅧ 105 세포로 96-웰 배양 플레이트(100 ㎕)에 넣었다.
먼저, 24시간 동안 시료를 배양한 다음, 암(dark) 상태에서 24시간 동안 37℃ 환경에서 DMEM 상등액(5 ㎖)에서 침지시킨 하이드로젤로 교체하였다.
마지막으로, 섬유 아세포를 24시간 동안 추가적으로 배양하였다.
그 후, 4-(3-[4-아이오도페닐]-2-[4-니트로페닐]-2H-5-테트라졸리오)-1,3-벤젠디술포네이트(4-(3-[4-iodophenyl]-2-[4-nitrophenyl]-2H-5-tetrazolio)-1,3-benzene disulfonate; 이하 'WST-1')를 사용하여 제조사의 프로토콜에 따라, EZ-Cytox (DOGEN, Korea)를 사용하여, 대사 활성을 통해 세포의 생존력을 측정하였다.
이부프로펜(ibuprofen) 10 mg을 50%(v/v) 에탄올 용액 1 ㎖에 용해시킨 후, 이부프로펜 용액 250 ㎕를 하이드로젤 50 mg에 넣고 25℃에서 건조시켰다.
5%(w/w) 이부프로펜을 함유하는 약물-함유 하이드로젤을 시뮬레이션 상처액(simulated wound fluid; 이하 'SWF', pH 8.0) 및 HCAB(pH 1.2)에 현탁시켰다.
Shimadzu UV-2450 분광 광도계(Japan)를 사용하여 262 nm에서 이부프로펜 농도를 측정하였다.
구체적으로, ECH의 에폭사이드 그룹은 일반적으로 독성이 있는 것으로 알려져 있고, 만약 βCD 유도체 일부 에폭사이드 그룹이 여전히 남아 있다면, 세포는 독성을 나타낼 것이다.
그러나, 도 9의 FT-IR 스펙트럼에 도시된 바와 같이, βCD 유도체에는 NaOH 조건에서 개환 반응 때문에 1260 cm-1에서의 에폭사이드 그룹의 특징적인 흡수 밴드가 관찰되지 않았는 바, 상기 합성예에 따른 βCD 유도체는 무독성임을 나타낼 수 있다.
도 24a에 나타낸 바와 같이, 인간 피부 섬유 아세포에서 세포 독성은 관찰되지 않았다.
(βCD)AE, C(βCD)AE, (βCD-OM)AE, C(βCD-OM)AE에 대한 세포 생존율(cell viability)은 각각 97.8%, 100.3%, 93.3% 및 85.3%이고, (βCD)AE@Ad 하이드로젤, C(βCD)AE@Ad 하이드로젤, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤 및 C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤에 대한 세포 생존율은 각각 101.0%, 99.4%, 86.9% 및 97.6%이었다(도 24 참조).
마찬가지로, βCD 유도체@Ad 하이드로젤 추출물 모두 70% 이상의 세포 생존율을 보였다(도 24 참조).
일반적으로, 세포 생존율이 70% 미만으로 감소된 물질 만이 잠재적으로 세포 독성으로 간주되므로, 방출된 물질이 인간의 진피 섬유아세포에 유해하지 않음을 시사한다.
실험예 8. 팽윤도 측정 및 약물 방출 평가(Swelling measurements and drug release)
실시예 및 비교예에 따른 하이드로젤을 완전히 건조시키고 무게를 측정하였다.
그 후, pH 1.2의 염산 완충액(hydrochloric acid buffer; 이하 'HCAB') 또는 pH 7.4의 인산염 완충액(phosphate buffer; 이하 'PB')에 완전히 건조된 실시예 및 비교예에 따른 하이드로젤을 투입하고, 37℃에서 4일 동안 방치하였다.
젖은 하이드로젤의 무게를 측정하기 전에, 과량의 수분을 제거하기 위해, 하이드로젤 표면을 일회용 와이프스인 킴와이프스(Kimwipes)로 조심스럽게 두드려 건조시켰다.
허용 오차(d)가 0.1 mg인 분석 저울(GR-200, A&D, Japan)을 사용하였다.
평형 팽윤(equilibrium swelling)은 하기 일반식 6을 통해 산출되었다.
[일반식 6]
평행 팽윤(%) = (Ws-Wd)/ Wd ㅧ 100
Ws는 팽윤된 하이드로젤의 중량(단위: g)이고, Wd는 건조된 하이드로젤의 중량(단위: g)이다.
도 25는 βCD 유도체@Ad 하이드로젤의 약물 방출 프로파일을 나타낸다.
βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 주변 pH에 따라 다양한 팽윤비를 보였다(도 24e 참조).
유사하게, βCD 유도체@Ad 하이드로젤은 pH에 따라 다양한 이부프로펜 방출 프로파일을 보였다(도 25 참조).
C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 SWF(pH 8.0)에서 이부프로펜을 24시간 동안 지속적으로 방출하였으나, 다른 하이드로젤은 SWF(pH 8.0)에서 12시간 이내에 대부분의 이부프로펜을 방출하였다.
일반적으로, 하이드로젤로부터의 약물 방출은 네트워크의 이용 가능한 공간에 의존하며, 이는 하이드로젤 네트워크 밖으로의 약물 확산에 영향을 미칠 수 있다.
또한, CD 기반 하이드로젤은 포접 복합체 형성이 약물 분자가 하이드로젤 네트워크를 벗어나는 것을 지연시킬 수 있기 때문에 지속적인 방출 특성을 나타낸다.
물 확산 지수 n을 계산하기 위해 하기 일반식 7을 사용하였다.
[일반식 7]
(Mt/M∞) = ktn
여기서, Mt는 시간 t에서 흡수된 물의 질량이고, M∞는 평형 상태에서 흡수된 물의 질량이며, k는 중합체의 특성 상수이고, n은 확산 지수이다.
하이드로젤의 약물 방출 특성에 대한 수분 흡수율을 산출했다(도 26 참조).
확산 지수(n)가 0.5 < n < 1.0 일 경우, 비-피키안(non-Fickian) 거동을 나타내지만, 하이드로젤의 확산 지수(n)가 0.5이며, 이는 피키안(Fickian) 확산을 나타낸다.
(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤을 제외하고 다른 모든 하이드로젤의 확산 지수(n)는 0.5 < n < 1.0의 값을 가졌다.
(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤의 n 값은 1 보다 크고(n> 1), 이는 제2형의 비-피키안 슈퍼 케이스(non-Fickian diffusion super case 2 model)였다.
그러나, (βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 Ad 분자와의 포접 복합체 형성에 관여하지 않는 βCD의 빈 공동으로 인하여, 모노머성(monomeric) βCD 유도체@Ad 하이드로젤 보다 더 지속된 약물 방출 프로파일을 나타냈다.
C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 또한 가장 작은 공극 크기를 가지며, 약물이보다 지속적인 지속 방출 특성을 나타내는 빈 여분의 CD 공동을 가졌다.
따라서, C(βCD-OM)AE@Ad 하이드로젤은 다른 것들보다 부위-특이적 약물 전달에 더 유리할 것이고, 생체 적합 물질에 사용할 수 있다.
Claims (21)
- 음이온성 고분자 주사슬, 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머가 가교결합된 하이드로젤로서,
상기 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머는, 2 이상의 β-사이클로 덱스트린이 가교제 의해 중합된 β-사이클로 덱스트린 올리고머에 양이온성 잔기와, 비닐 단량체가 결합되어 있거나, 또는
상기 아다만틸(메트)아크릴계 모노머는, 1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3-하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3,5-디하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 및 3,5,7-트리하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트 중 어느 하나이고,
하기 일반식 1에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤:
[일반식 1]
25 ≤ ε1h~24h/ε0
상기 일반식 1에서, ε1h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며,
ε1h~24h는 400 이상의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다. - 제 1 항에 있어서,
음이온성 고분자 주사슬은 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리메타크릴산(polymethacrylic acid), 폴리스티렌(polystyrene; PS) 및 폴리술폰산(polysulfonic acid) 중 어느 하나인 것인 하이드로젤. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
양이온성 잔기는 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리에틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리프로필암모늄 클로라이드, 글리시딜에틸디메틸암모늄 클로라이드, 및 글리시딜디에틸메틸암모늄 클로라이드 중 어느 하나 이상인 것인 하이드로젤. - 제 1 항에 있어서,
비닐 단량체는 알릴 글리시딜 에터인 것인 하이드로젤. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
하이드로젤은 하기 일반식 2에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤:
[일반식 2]
25 ≤ ε1h~6h/ε0 ≤ 60
상기 일반식 2에서, ε1h~6h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 6시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며,
ε1h~6h는 400 내지 900 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다. - 제 1 항에 있어서,
하이드로젤은 하기 일반식 3에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤:
[일반식 3]
60 ≤ ε6h~12h/ε0 ≤ 80
상기 일반식 3에서, ε6h~12h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 6 내지 12시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며,
ε6h~12h는 900 내지 1300 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다. - 제 1 항에 있어서,
하이드로젤은 하기 일반식 4에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤:
[일반식 4]
80 ≤ ε12h~24h/ε0 ≤ 90
상기 일반식 4에서, ε12h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 12 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며,
ε12h~24h는 1300 내지 1500 범위 내의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다. - 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 하이드로젤; 및 상기 하이드로젤의 내부에 봉입된 약제학적 활성 성분을 포함하는 약물 전달체.
- 제 10 항에 있어서,
상기 약제학적 활성 성분은 항염증제인 것인 약물 전달체. - 제 11 항에 있어서,
항염증제는 이부프로펜, 디크로페낙, 인도메타신, 아세토아민펜 및 아스피린 중 어느 하나인 것인 약물 전달체. - 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 하이드로젤을 포함하는 상처 드레싱 재재.
- 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 하이드로젤을 포함하는 세포 배양 지지체.
- 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 하이드로젤을 포함하는 연조직 대체물.
- β-사이클로 덱스트린 올리고머, 양이온성 화합물, 및 비닐 모노머를 혼합하여 양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머를 합성하는 단계; 및
양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 아크릴레이트계 모노머 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머를 혼합한 후 가교결합시키는 단계를 포함하는 하이드로젤의 제조방법으로서,
상기 하이드로젤은 하기 일반식 1에 따른 자가치유 효율(%)을 갖는 것인 하이드로젤의 제조방법:
[일반식 1]
25 ≤ ε1h~24h/ε0
상기 일반식 1에서, ε1h~24h는 5 mm/s의 인장 속도에서, 1 내지 24시간 동안 절단된 하이드로젤의 자가치유를 진행하였을 때, 자가치유된 하이드로젤의 파단 변형률(%)이고, ε0는 초기 하이드로젤의 파단 변형률(%)이며,
ε1h~24h는 400 이상의 정수이고, ε0는 1400 이상의 정수이다. - 제 16 항에 있어서,
양이온성 화합물은 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리에틸암모늄 클로라이드, 글리시딜트리프로필암모늄 클로라이드, 글리시딜에틸디메틸암모늄 클로라이드, 및 글리시딜디에틸메틸암모늄 클로라이드 중 어느 하나 이상인 것인 하이드로젤의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
비닐 단량체는 알릴 글리시딜 에터인 것인 하이드로젤의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
아크릴레이트계 모노머는 아크릴산인 것인 하이드로젤의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
아다만틸(메트)아크릴계 모노머는,
1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3-하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 3,5-디하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트, 및 3,5,7-트리하이드록시-1-아다만틸(메트)아크릴레이트 중 어느 하나인 것인 하이드로젤의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
가교결합시키는 단계는,
양이온성 β-사이클로 덱스트린 올리고머 유도체 모노머, 아크릴레이트계 모노머 및 아다만틸(메트)아크릴계 모노머를 1 : (50~60) : (1.5~5)의 몰비로 혼합한 후 가교결합시키는 것인 하이드로젤의 제조방법.
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| KR1020180118816A KR102141826B1 (ko) | 2018-10-05 | 2018-10-05 | 양이온성 베타 시클로덱스트린 올리고머를 이용한 외부 pH 자극 반응형 자가치유성 하이드로젤 |
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| POLYM. CHEM., 2013, 4, 820-829 |
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