KR102254803B1

KR102254803B1 - 혈액적합형 불소계 인공폐 분리막 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102254803B1
Application number: KR1020190147850A
Authority: KR
Inventors: 박호식; 조영훈; 남승은; 손은호; 박유인; 강홍석; 한동제; 김정; 허현준
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-05-21

Abstract

본 발명의 일 측면에서 제공하는 혈액산화용 인공폐 분리막은 표면 에너지가 낮은 불소계 소재를 활용하여 이상적인 인공폐 분리막 구조를 형성하고, 혈액접촉각을 높게 유지하여 젖음성을 낮추는 것과 동시에 단백질 흡착을 최소화하여 혈액 접촉각을 향상하고, 높은 기체 투과도로 산호-이산화탄소 교환율을 높이는 다공성 분리막이므로, 혈액적합성이 우수한 인공폐 분리막의 상용화에 크게 기여할 것이다.

Description

혈액적합형 불소계 인공폐 분리막 및 이의 제조방법{Blood compatible fluorine membrane and preparation method thereof}

혈액적합형 불소계 혈액산화용 인공폐 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

분리막 기술은 최근 빠르게 발전하여 수처리와 기체 분리뿐만 아니라 석유화학, 정밀화학, 연료전지, 이차전지 분야로 다양하게 응용분야를 확장하고 있다. 또한, 헬스케어시장 인공장기의 경우 인공신장(혈액투석)과 인공폐(혈액산화기) 분야로도 활발하게 연구가 진행 중이다.

혈액과 맞닿는 인공신장 분리막은 높은 혈액적합성 소재를 활용하여 장기안정성을 향상시키는 것이 핵심 기술이다. 따라서, 많은 연구가 혈액적합성을 높이는 소재개발 위주로 진행되어 왔으며, 최근 연구를 통해 극친수성 소재를 활용하였을 때 좋은 혈액적합성을 갖는다는 것이 확인되었다. 또한, 헤파린과 같은 항응고제 코팅을 통해 혈액과의 계면에서 자극을 최소화하는 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 친수성 분리막은 젖은 상태로 운전되는 인공신장(혈액투석) 분리막에는 적용될 수 있어도, 인공폐(혈액산화기)의 경우 분리막이 젖게 되면(wetting) 혈액산화 효율이 급감하여 환자의 생명을 위태롭게 할 수 있으므로, 친수성 소재를 활용할 수 없다. 현재 인공폐로 활용되는 1세대 소재인 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 2세대 소재인 폴리메틸펜텐(polymethylpentene, PMP)가 있다. PP는 다공성 구조로 가공되어 기체투과도 (Gas Permeation Unit, GPU)가 높지만 쉽게 젖음형상이 일어나 약 3~6시간 정도만 사용할 수 있다. 2세대 인공폐인 PMP 분리막은 표면에 기공이 없는 얇은 박막층을 형성시켜 젖음현상을 향상시켰지만, 상대적으로 기체투과도가 매우 낮아 필요한 기체교환을 얻기 위해 혈액과 맞닿는 분리막의 표면적이 높아진다. PMP 분리막은 현재 약 2주정도 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이뿐만 아니라, 혈액산화기(인공폐)의 경우, 다양한 모듈 설계를 통해 프라임볼륨을 낮추고 혈액산화효율을 높이는 연구가 많이 진행되고 있으나, 아직 소수성과 혈액적합성을 동시에 갖츤 분리막 소재에 관한 기술개발은 미미한 상황이다.

미국 특허 US20090131858A1에서는 다공성 분리막에 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 올리고사카린(oligosaccharide) 등을 친수 코팅하여 혈액접촉각을 낮추고 단백질 흡착이 줄어드는 것을 확인하였으나, 친수화된 분리막은 인공폐로 적용이 어려우므로 인공신장(혈액투석)으로 적용하였다. 유럽 특허 EP1165214B1에서는 폴리에틸렌이미드(polyethyleneimide, PEI)와 헤파린을 동시에 코팅하였을 때 혈액 항응고력이 높아진다는 것을 확인하였으나, 이 역시 높은 친수성으로 인해 혈액투석으로만 적용되었다. 유럽 특허 EP2941249A1에서는 다양한 헤파린 구조체(QUAT)를 PMP 인공폐 분리막에 코팅하였을 때 단백질 흡착이 줄어드는 것을 확인하였으나, 표면이 친수화로 인해 장기안정성(젖음성)이 낮아진다.

이에, 본 발명자들은 상기의 과제를 해결하기 위하여 소수성 소재를 활용하여 인공폐 분리막을 제막하는 연구를 수행하던 중, 불소계 고분자를 활용하였을 때 혈액적합성(단백질 흡착량)과 소수성이 동시에 좋아지는 것을 확인하였고, 기체투과도 또한 현재 상용 분리막 대비 4배 이상 높은 분리막 기술을 완성하였다.

본 발명의 일 목적은, 젖음안정성이 향상되고 높은 기체투과도를 갖는 혈액적합형 불소계 인공폐 분리막을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은, 상기 불소계 인공폐 분리막의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면은 VDF(vinylidene fluoride), HFP(hexafluoropropylene), 또는 이들의 공중합체(copolymer)를 포함하는 불소계 인공폐 분리막을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은 VDF(vinylidene fluoride), HFP(hexafluoropropylene), 또는 이들의 공중합체(copolymer)를 건조시킨 후, TEP(tetraethylphosphate) 용매에 용해시켜 도프용액을 제조하는 단계;

상기 제조된 도프용액을 탈포한 후, 10 내지 300 마이크로미터 두께로 주조하는 단계; 및

상기 주조 단계로 제조된 막을 물에 침지하여 제막하는 단계; 를 포함하는 불소계 인공폐 분리막의 제조방법을 제공한다.

도 1은 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP) 제조시 사용하는 용매에 따른 단면구조의 변화를 전자현미경으로 관찰한 이미지를 나타내는 도면이다.
도 2는 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP) 제조시 첨가제(비이온성 계면활성제)의 함량에 따른 기공 크기를 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP) 제조시 첨가제 함량에 따른 매크로보이드 구조의 이미지를 나타내는 도면이다.
도 4는 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP)의 불소계 코팅에 따른 물과 혈액의 접촉각 향상을 나타내는 도면이다.
도 5는 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP)의 불소계 코팅에 따른 액체침투압력의 향상을 나타내는 도면이다.
도 6은 상용막과 본 발명의 일 측면에서 제공하는 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP)의 기체투과도를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 상용막과 본 발명의 일 측면에서 제공하는 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP)의 혈액산화율을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 상용막과 본 발명의 일 측면에서 제공하는 불소계 분리막 P(VDF-co-HFP)의 단백질 흡착량을 비교하여 혈액적합성을 확인한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 상용막과 본 발명의 일 측면에서 제공하는 불소계 코팅 유무에 따른 불소계 분리막의 표면에너지를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

전술한 바와 같이, 분리막 기술에 있어서 혈액과 맞닿는 인공신장 분리막은 높은 혈액적합성 소재를 활용하여 장기안정성을 향상시키는 것이 중요한데, 현재 인공폐 분리막으로 활용되는 1세대 소재인 PP(polypropylene)과 2세대 소재인 PMP(polymethylpentene)는 높은 젖음안정성 및 낮은 기체투과도를 모두 나타내지 않은 문제점이 있어왔다. 본 발명은 상기 인공폐 분리막의 생체적합성에 관한 문제점을 해결하기 위하여 소수성과 혈액적합성을 동시에 갖춘 불소계 분리막을 제공한다.

본 발명은 VDF(vinylidene fluoride), HFP(hexafluoropropylene), 또는 이들의 공중합체(copolymer)를 포함하는 불소계 인공폐 분리막을 제공한다.

VDF와 HFP의 공중합체인 P(VDF-co-HFP)의 분자량은 50,000 Da 내지 1,500,000 Da일 수 있고, 50,000 Da 내지 1,050,000 Da일 수도 있고, 50,000 Da 내지1,000,000 Da일 수도 있도, 80,000 Da 내지 1,000,000 Da일 수도 있고, 300,000 Da 내지 800,000 Da일 수도 있고, 바람직하게는 100,000 Da 내지 1,000,000 Da일 수 있다.

상기 불소계 인공폐 분리막의 두께는, 5 내지 500 마이크로미터일 수 있고, 10 내지 300 마이크로미터일 수도 있고, 50 내지 250 마이크로미터일 수도 있고, 100 내지 200 마이크로미터일 수도 있고, 바람직하게는 100 마이크로미터의 두께일 수 있다.

상기 불소계 인공폐 분리막은 분리막에 존재하는 기공의 크기가 10 nm 내지 60 nm일 수 있고, 10 nm 내지 50 nm일 수도 있고, 10 nm 내지 30 nm일 수도 있고, 20 nm 내지 50 nm인 것이 바람직하다. 분리막의 기공크기가 20 nm 내지 50 nm일 때 가장 바람직한 이유는 Young-Laplace 공식으로 설명할 수 있다. Kelvin 공식이라고도 불리는 이 공식에 따르면 분리막 기공의 크기가 20 nm 이하부터는 수증기의 포화증기압이 높아져 응축현상이 가속화되고, 50 nm 이상부터는 액체가 쉽게 투과할 수 있기 때문이다. 상기 분리막의 기공의 크기는 첨가제(비이온 계면활성제)의 첨가량에 따라 제어할 수 있다.

매크로보이드(macrovoid)란, 분리막의 단면에 형성되는 직경 10 um 이상인 거대기공을 말하는데, 본 발명에 따른 불소계 고분자 분리막은 첨가제 함량에 따라 매크로보이드 구조를 제어할 수 있어서, 분리막 단면에 매크로보이드를 없애고 촘촘한 구조를 만들어 분리막 표면에 소수성을 향상시킴으로써 혈액이 쉽게 침투하지 못하는 이상적인 단면구조를 얻을 수 있다(도 3).

상기 불소계 인공폐 분리막과 물의 접촉각 또는 불소계 인공폐 분리막과 혈액의 접촉각은 80도 내지 120도일 수도 있고, 90도 내지 120도일 수도 있고, 100도 내지 120도일 수도 있고, 100도 내지 110도일 수도 있고, 가장 바람직하게는 이론 최고치인 약 120도일 수 있다.

상기 불소계 인공폐 분리막은 분리막의 표면에너지가 30 mN/m 이하일 수 있고, 25 mN/m 이하일 수 있고, 20 mN/m 이하일 수 있고, 15 mN/m 이하일 수 있고, 10 mN/m 이하일 수 있다.

본 발명은 VDF(vinylidene fluoride), HFP(hexafluoropropylene), 또는 이들의 공중합체(copolymer)를 건조시킨 후, TEP(tetraethylphosphate) 용매에 용해시켜 도프용액을 제조하는 단계;

상기 도프용액을 제조하는 단계에서 상기 건조시킨 VDF, HFP, 또는 이들의 공중합체를 첨가제로서 비이온 계면활성제와 함께 용매에 용해시켜 도프용액을 제조할 수도 있다. 비이온 계면활성제(nonionic surfactant)란 물에 이온화되지 않고 용해되는 계면활성제로 소수성 단위체와 친수성 단위체와의 블록중합 또는 그래프트중합에 의해 합성된 고분자 활성제가 해당될 수 있다. 비이온 계면활성제는 ethyleneoxide계, diethanolamine계, sorbitol계, glycerine계 등이 있는데, 본 발명에서 첨가제로 사용하는 상기 비이온 계면활성제는 바람직하게는 Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) (Pluronic F-127)가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 상기 비이온 계면활성제의 농도는 1wt% 내지 7wt%일 수 있고, 2wt% 내지 6wt%일 수도 있고, 바람직하게는 4wt% 내지 6wt%일 수도 있고, 가장 바람직하게는 5wt%일 수 있다.

상기 불소계 인공폐 분리막의 제조방법은 제막한 분리막에 불소계 고분자를 포함하는 코팅제로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 코팅제는 TFE(tetrafluoroethylene)와 TTD(2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole)의 공중합체 (Hyflon AD60X)을 사용할 수 있는데, 이에 제한되는 것은 아니고 표면에너지가 낮은 불소계 코팅제로서 인공폐 분리막에 코팅되어 낮은 표면에너지, 소수성 강화를 나타낼 수 있는 코팅제라면 제한 없이 사용될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 하기에 구체적으로 예시하여 설명한다. 다만, 후술하는 실시예 및 실험예는 본 발명의 일부를 예시하는 것일 뿐, 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니다.

<제조예 1> PP(polypropylene) 필름의 제조

3 g의 고분자 PP(polypropylene) (Sigma)를 200 ℃, 10 bar 조건에서 10분 동안 Hot-press하여 필름을 제조하였다.

<제조예 2> PMP(polymethylpentene) 필름의 제조

3 g의 고분자 PMP(polymethylpentene) (Sigma)를 240 ℃, 10 bar 조건에서 15분 동안 Hot-press하여 필름을 제조하였다.

<제조예 3> PVDF(polyvinylidenefluoride) 필름의 제조

3 g의 고분자 PVDF(polyvinylidenefluoride) (Solef 1015, Solvay)를 200 ℃, 15 bar 조건에서 15분 동안 Hot-press하여 필름을 제조하였다.

<제조예 4> P(VDF-co-HFP)(poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene)) 필름의 제조

3 g의 고분자 P(VDF-co-HFP)(poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene)) (5 mol% HFP, Kynar LBG, Arkema)를 200 ℃, 15 bar 조건에서 15분 동안 Hot-press하여 필름을 제조하였다.

<제조예 5> Htflon이 코팅된 P(VDF-co-HFP) 필름의 제조

상기 제조예 4에서 제조한 P(VDF-co-HFP) 필름에 Hyflon AD60X 용액 (0.1 wt% in Galden HT55)을 도포 (48 cm² 당 2 mL)하여 자연건조하였다.

<실시예 1> 불소계 분리막의 제조

불소계 고분자 분리막은 먼저 지지체의 도프 용액을 제조한 후, 분리막을 제막한 후 건조시키고, 분릭막을 코팅한 후 건조하여 제조하였다. 자세한 제조단계는 다음과 같다.

단계 1: 도프 용액의 제조

불소계 고분자 P(VDF-co-HFP)를 50 ℃에서 12시간 이상 건조시킨 후, 하기 표 1의 비율로 Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) (이하, Pluronic F127) 첨가제와 함께 용매 테트라에틸포스페이트(tetraethylphosphate, TEP)에 용해시켜 도프 용액을 제조하였다.

P(VDF-co-HFP)	18 wt%
Pluronic F127	5 wt%
TEP	77 wt%

단계 2: 분리막의 제막 및 건조

상기 단계 1에서 제조된 도프 용액을 50 ℃ 오븐에서 8시간 이상 탈포한 후 100 마이크로미터 두께로 얇게 캐스팅하여 40 ℃ 물에 1시간 동안 침지하여 분리막을 제막하였다. 제막된 막은 40 ℃ 오븐에서 4시간 이상 건조하였다.

단계 3: 분리막의 불소 코팅 및 건조

상기 단계 2에서 건조한 분리막을 TFE(tetrafluoroethylene)와 TTD(2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole)의 공중합체 (이하, Hyflon AD60X) 0.01 wt%을 Galden HT55에 정해진 비율로 용해시킨 후, 48 cm² 분리막에 2 mL 용액을 도포한 후, 자연건조 하였다. 이 과정을 1번 내지 5번 반복 수행하였다. 그 후 100 ℃ 오븐에서 3시간동안 열처리 하여 건조하였다.

<실험예 1> 용매의 종류에 따른 불소계 분리막의 단면구조 확인

P(VDF-co-HFP)로 불소계 고분자를 제조하였을 때, 고분자를 용해시키는 용매에 따른 도프 용액의 열역학적 안정성을 비교하기 위하여 DMF(dimethylformamide), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), TEP(tetraethylphosphate)를 이용하여 실험하였다.

먼저, 비교예 1은 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 TEP 용매를 사용하는 대신 DMF를 사용하고, Pluronic F127 첨가제를 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 비교예 2는 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 TEP 용매를 사용하는 대신 NMP를 사용하고, Pluronic F127 첨가제를 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 2는 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 Pluronic F127 첨가제를 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 단면구조를 비교실험하기 위하여 아래와 같이 실험하였다.

비교예 1	P(VDF-co-HFP)를 DMF에 용해시켜 분리막 제막
비교예 2	P(VDF-co-HFP)를 NMP에 용해시켜 분리막 제막
실시예 2	P(VDF-co-HFP)를 TEP에 용해시켜 분리막 제막

실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 단면을 확인하기 위하여 전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 확인하여 실험하였다. 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 분리막 샘플을 액체 질소에서 샘플링 한 후 Pt 코팅하여 SNE-4500M (SEC Inc) 장비로 분석하였다(도 1).

그 결과, P(VDF-co-HFP) 불소계 고분자로 분리막을 제조하였을 때, 고분자를 용해시키는 용매에 따라 도프 용액의 열역학적 안정성이 바뀌므로 상이한 단면구조를 만들어내는 것을 확인하였다. DMF, NMP, TEP, 용매 중 TEP 용매를 사용한 실시예 2에서 원하는 이상적인 단면구조(macrovoid-free)를 얻을 수 있었다. 그러나, 실시예 2는 분리막 표면에 기공이 생성되지 않았고, 기공 크기 제어가 불가능 하였다.

<실험예 2> 첨가제의 첨가 함량에 따른 불소계 분리막의 매크로보이드 확인

불소계 분리막을 제조할 때 첨가제를 첨가하여 기공을 제어할 수 있는지 확인하기 위하여, Pluronic F-127 첨가제를 이용하여 실험하였다. Pluronic F-127는 친수성의 비이온성 계면활성제로 사용된다. 실시예 2는 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 Pluronic F127 첨가제를 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 3은 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 Pluronic F127 첨가제를 1wt% 첨가하여 제조한 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 4는 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 Pluronic F127 첨가제를 3wt% 첨가하여 제조한 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 5는 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 Pluronic F127 첨가제를 4wt% 첨가하여 제조한 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 6은 상기 실시예 1의 단계 3을 수행하지 않고, 단계 1에서 Pluronic F127 첨가제를 5wt% 첨가하여 제조한 것을 제외하고는 동일하게 분리막을 제조하였다. 실시예 2 내지 실시예 6의 첨가제 유무 및 함량에 따른 단면구조를 확인하기 위하여 아래와 같이 실험하였다.

실시예 2	P(VDF-co-HFP)를 TEP에 용해시켜 분리막 제막
실시예 3	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(1wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막
실시예 4	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(3wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막
실시예 5	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(4wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막
실시예 6	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(5wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막

실시예 2 내지 실시예 6에 따른 분리막의 단면구조를 상기 실시예 1에서와 같이 SEM을 이용하여 확인하였다(도 3). 또한, 실시예 2, 실시예 4 및 실시예 6의 기공 분포를 CFP(Capillary Flow Porometry)를 이용하여 확인하였는데, 지름 2.5 cm의 실시예 2, 실시예 4 및 실시예 6에 따른 분리막 샘플을 Galwick 용액에 10분 이상 침지한 후 PMI(Porous Materials Inc)에 장착하여 분리막의 기공 분포도를 측정하였다(도 2).

그 결과, 첨가제를 도프용액에 첨가하여 기공을 제어하였을 때, 도 2 및 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 첨가제의 함량에 따라 기공의 크기가 커지는 것을 알 수 있었다. 흥미로운 점은, 첨가제 함량이 0wt%(실시예 2)일 때 없었던 매크로보이드가 첨가제 함량이 1wt%(실시예 3)일 때부터 다시 생기고, 첨가제 함량이 5%(실시예 6)이상이면 매크로보이드가 다시 사라진 것을 확인하였다. 또한, 첨가제 함량이 5wt%인 실시예 6에서 가장 이상적인 기공 분포(40 nm)를 얻을 수 있었다.

<실험예 3> 불소계 코팅 유무에 따른 불소계 분리막의 젖음안정성 확인

불소계 분리막을 혈액산화용 분리막으로 활용하기 위해서는 젖음안정성이 높아야 한다. 이때, 분리막의 코팅 유무에 따른 소수성 차이를 확인하기 위하여 아래와 같이 물·혈액의 접촉각 및 액체 침투압력을 측정하였다. 먼저, 상기 실험예 2에서 사용한 실시예 6을 준비하고, 실시예 6에 Hyflon AD60X 용액 (0.01 wt% in Galden HT55)을 도포 (48 cm² 당 2 mL)하여 자연건조한 실시예 7, 실시예 6에 Hyflon AD60X 용액 (0.05 wt% in Galden HT55)을 도포 (48 cm² 당 2 mL)하여 자연건조한 실시예 8, 실시예 6에 Hyflon AD60X 용액 (0.1 wt% in Galden HT55)을 도포 (48 cm² 당 2 mL)하여 자연건조한 실시예 9를 준비하였다. 그 다음 실시예 7 내지 실시예 9의 분리막 표면에 코팅용액 (0.01 wt% Hyflon AD60X in Galden HT55)을 도포한 후 70℃에서 3시간동안 건조하는 단계를 1회 내지 5회 반복하였다.

실시예 7	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(5wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막한 후, Hyflon AD60X 용액 (0.01wt%) 코팅
실시예 8	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(5wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막한 후, Hyflon AD60X 용액 (0.05wt%) 코팅
실시예 9	P(VDF-co-HFP)를 Pluronic F127 첨가제(5wt%)와 함께 TEP에 용해시켜 분리막 제막한 후, Hyflon AD60X 용액 (0.1wt%) 코팅

물과 혈액의 접촉각(contanct angle)을 측정하기 위해 DropShapeAnalyzer (DSA30, Kruss Inc) 장비를 활용하여 증류수와 동물혈액 3 micromeliter의 분리막 표면 접촉각을 측정하였다(도 4). 액체 침투압력(Liquid Entry Pressure)을 측정하기 위해서 지름 1.3 cm의 실시예 6 내지 실시예 9를 장착한 후 증류수를 넣고 압력을 0.1 atm씩 단계별로 올리며 증류수가 분리막을 처음으로 투과하는 압력을 측정하였다(도 5).

도 4에서 볼 수 있듯이 분리막을 코팅하지 않은 실시예 6은 물과 혈액의 접촉각이 90도 미만이었다. 소수성을 강화하기 위해 Hyflon AD60X 불소계 비결정성 고분자를 코팅한 실시예 7은 이론 최고치인 120도의 혈액접촉각을 얻을 수 있었다. 또한, Hyflon AD60X 불소계 비결정성 고분자를 코팅한 실시예 7 내지 실시예 9에서 모두 혈액침투압력이 5 bar 이상으로 높아짐을 확인하였다(도 5). 따라서, 본 발명에 따른 불소계 분리막은 이상적인 인공폐 분리막 구조를 형성하며, 소수성이 높아 혈액접촉각을 높게 유지하여 젖음성을 낮추는 것과 동시에 압력 차이로 인한 젖음안정성을 높일 수 있는 것을 알 수 있었다.

<실험예 4> 상용막과의 기체투과도, 혈액산화율, 단백질 흡착량 비교

인공폐에 사용하는 분리막은 산소-이산화탄소 교환율이 높아야 하므로 기체투과도가 높아야 한다. 또한, 낮은 혈액적합성으로 인한 혈액응고현상(혈전증)을 막기 위하여 단백질 흡착량이 낮은지 확인해보는 것이 중요하다. 따라서, 이를 확인하기 위하여 아래 실험을 통해 기체투과도, 혈액산화율, 단백질 흡착량을 비교 실험하였다. 실험에는 실시예 7의 분리막을 사용하고, 상용막으로는 Terumo(PMP 소재), Macquet(PMP 소재), Medtronic(PP 소재), Avecor(PMP 소재)을 사용하였다.

기체투과도는 지름 1.8 cm의 막을 장착한 후, 76 cmHg의 압력으로 Air를 공급한 후 투과된 기체의 부피유속을 측정하였다(도 6)(Gas Permeation Unit(GPU) = 10^-6 cm³(STP)ㆍcm²ㆍs^-1ㆍcmHg^-1). 혈액산화율은 25 cm²의 분리막을 셀에 장착한 후, 한쪽으론 동물혈액 (Sheep Blood, MB-S1876, 기산바이오)을 0.45 dL/min으로 순환, 한쪽으로는 공기를 100 SCCM 유속으로 공급하여 혈액의 산화도를 혈액가스분석기 (Alere Epoc, MDK Inc)로 측정하였다(도 7). 단백질 흡착량은 제조한 각 필름 샘플 1x2 cm 샘플을 제타장비에 장착한 후 (100 micrometer gap) 1 mM NaCl 용액으로 세척한 다음, 1 mM Bovine Serum Albumin (BSA) 용액을 순환시키면 시간이 흐를수록 단백질이 흡착되어 초기 제타(zeta) 값 대비 제타 값이 상승하는 원리를 이용하여 측정하였다(도 8).

그 결과, 본 발명에 따른 불소계 분리막의 기체투과성능은 기존 상용막의 4배 이상이며(도 6), 실제로 혈액산화효율을 확인해보았을 때 최소한의 모듈구조로 상용 모듈보다 높은 효율을 얻었다(도 7). 또한, 본 발명에 따른 불소계 분리막의 혈액적합성은 기존 소재인 제조예 1 및 제조예 2와 비교하였을 때 두 배 이상 향상된 것을 확인하였다. Hyflon 소재의 단백질 흡착량은 기존 소재에 비해 두 배 이상 낮은 것을 알 수 있었다(도 8).

<실험예 5> 불소계 코팅 유무에 따른 불소계 분리막의 표면에너지 비교

인공폐에 사용하는 분리막은 혈전증(혈액응고) 현상을 막기 위하여 낮은 단백질 흡착량이 필요하다. 분리막의 단백질 흡착량을 낮추기 위해서는 혈액과 분리막의 상호작용을 감소시켜야 하는데 이는 낮은 분리막의 표면에너지(surface energy)를 통해 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 분리막의 낮은 표면에너지를 확인하기 위하여 PP, PVDF, HFP, PMP, 불소계 코팅제가 코팅된 HFP(HFP-coated)를 사용하여 비교실험 하였다.

고분자 필름의 표면에너지는 증류수와 diiodomethane (DIM)에 대한 정지상태의 접촉각을 4회 이상 측정한 후 OWRK공식 (The Owens-Wendt-Rabel-Kaeble)을 사용하여 계산하여 그 결과를 도 9에 나타내었다.

그 결과, 불소계 고분자로 코팅된 HFP 필름의 표면에너지 값이 약 10 mN/m으로 상용막인 PVDF 및 PP의 표면에너지 값이 약 10 mN/m인 것에 비해 약 3배의 수준으로 낮은 값을 보였다. PMP 및 코팅되지 않은 HFP는 약 25 mN/m의 표면에너지를 나타내어 불소계 고분자로 코팅된 HFP에 비해 2배 이상 높은 값을 나타내었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 불소계 코팅은 고분자 필름의 표면에너지를 낮추는 효과가 있어서 고분자와 혈액의 상호작용을 감소시켜 단백질 흡착량을 줄일 수 있으므로 생체에 더욱 적합한 혈액적합형 인공폐 분리막을 제공할 수 있음을 확인하였다.

이상, 본 발명을 바람직한 제조예, 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특성 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims

VDF(vinylidene fluoride), HFP(hexafluoropropylene), 또는 이들의 공중합체(copolymer)를 포함하는 막; 및
상기 막 표면의 불소계 고분자 코팅층을 포함하는, 불소계 인공폐 분리막.
제1항에 있어서,
상기 공중합체의 분자량은, 100,000 Da 내지 1,000,000 Da인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막.
제1항에 있어서,
상기 분리막의 두께는, 10 내지 300 마이크로미터인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막.
제1항에 있어서,
상기 분리막은, 분리막의 기공의 크기가 10 nm 내지 60 nm인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막.
제1항에 있어서,
상기 분리막과 물의 접촉각 또는 상기 분리막과 혈액의 접촉각이 80도 내지 120도인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막.
제1항에 있어서,
상기 분리막은, 분리막의 표면에너지가 20 mN/m 이하인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막.
VDF(vinylidene fluoride), HFP(hexafluoropropylene), 또는 이들의 공중합체(copolymer)를 포함하는 분리막을 제막하는 단계; 및
상기 제막한 분리막에 불소계 고분자를 포함하는 코팅제로 코팅하는 단계; 를 포함하는, 불소계 인공폐 분리막의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 분리막을 제막하는 단계는 VDF, HFP, 또는 이들의 공중합체를 비이온 계면활성제와 함께 용매에 용해시켜 도프용액을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 비이온 계면활성제는 Poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 비이온 계면활성제의 농도는 4wt% 내지 6wt%인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 분리막을 제막하는 단계는,
VDF, HFP, 또는 이들의 공중합체를 건조시킨 후, TEP(tetraethylphosphate) 용매에 용해시켜 도프용액을 제조하는 단계;
상기 제조된 도프용액을 탈포한 후, 10 내지 300 마이크로미터 두께로 주조하는 단계; 및
상기 주조 단계로 제조된 막을 물에 침지하여 분리막을 제막하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막의 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 코팅제는 TFE(tetrafluoroethylene)와 TTD(2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole)의 공중합체인 것을 특징으로 하는, 불소계 인공폐 분리막의 제조방법.