KR102347902B1 - 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 이용한 인체 삽입형 확장기 - Google Patents

듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 이용한 인체 삽입형 확장기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 이용한 인체 삽입형 확장기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체적합성, 수용성 또는 수팽윤성 고분자; 및 생체적합성, 수용성 또는 상전이성 고분자로 구성되는 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기에 관한 것이다.
본 발명은 팽창율이 높고 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도가 라미나리아 및 Dilapan-S보다 우수한 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기를 제공할 수 있다.
특히 본 발명은 수분 팽창율이 우수하고, 압축강도가 30MPa 이상으로 기존 제품의 최댓값인 16MPa보다 2배 이상 높고, 인장 강도가 기존 제품보다 10배 이상인 생체적합성 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 가공함으로써, 합병증 및 부작용 없이 안전하고 신속하게 사용될 수 있는 의료용 확장봉, 인공관절, 인공인대, 인공근육, 조직공학용 지지체, 성형/미용 필러소재, 농업 및 원예용 배양 겔 등을 제공할 수 있다.

Description

듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 이용한 인체 삽입형 확장기{A human insert type dilator using dual-network structured hydrogel}
본 발명은 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 이용한 인체 삽입형 확장기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체적합성, 수용성 또는 수팽윤성 고분자; 및 생체적합성, 수용성 또는 상전이성 고분자로 구성되는 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기에 관한 것이다.
자궁경관 확장봉은 자궁경관의 확장에 사용되는 기구로서, 자궁경부를 손상시키지 않고 효과적으로 자궁경관을 확장시킬 수 있어야 한다.
일반적으로 사용되는 자궁경관 확장봉으로는 금속제 확장기, 라미나리아 삽입체 등이 있다.
그러나 금속제 확장기는 자궁의 경부를 손상시킬 위험도가 높아 사용에 제한이 있다.
한편 해조류를 이용한 라미나리아 삽입체는 가장 널리 사용되는 것으로서, 생체적합성이 우수하지만 완전한 소독이 불가능하여 감염의 우려가 있으며, 팽창율과 기계적 강도가 매우 낮아서 자궁경관을 효과적으로 확장시킬 수 없으며, 균일하지 않은 표면으로 인해 자궁경의 손상 우려가 있다.
또한 가교된 합성고분자인 폴리아크릴로니트릴의 부분적 가수분해에 의해 제조된 Dilapan-S의 경우, 고분자를 가교시키는 도중에 발암성 물질인 미가교 아크릴로니트릴이 친수성과 소수성의 양쪽성을 띤 확장봉에 잔류할 수 있으며, 아크릴로니트릴 고분자의 생체적합성도 불량하다. 뿐만 아니라 축 방향에 대한 인장강도가 약해 제거할 때 끊어져서 자궁경에 남거나 질 내로 유입될 우려가 있고, 금속에 비해 압축강도가 약하여 여러 개를 삽입해야 하고, 고분자 자체의 팽윤도가 낮아 염화나트륨과 같은 염이 추가로 필요하며, 팽윤속도가 느려 시술을 한 후 수술까지 팽윤하는데 하루 정도의 긴 시간이 필요하다.
폴리비닐알코올 스펀지를 사용한 확장봉의 경우, 폴리비닐알코올 스펀지 자체가 물에 대한 팽윤성이 없으며, 팽윤성을 개선하기 위해 황산마그네슘과 같은 염을 사용하여 삼투압을 극대화해야 하지만, 팽윤도가 크지 않아서 자궁경 확장봉으로 사용하기에 부적합하다.
따라서 팽창속도와 팽창율이 높고 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라 생체적합성이 우수해 합병증 및 부작용 없이 안전하고 신속하게 자궁경관을 확장시킬 수 있는 인체 삽입형 확장봉에 대한 기술개발이 필요하다.
한국공개특허공보 10-1998-0072174A
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 팽창율이 높고 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도가 라미나리아 및 Dilapan-S보다 우수한 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 가공함으로써, 합병증 및 부작용 없이 안전하고 신속하게 사용될 수 있는 의료용 확장봉, 인공관절, 인공인대, 인공근육, 조직공학용 지지체, 성형/미용 필러소재, 농업 및 원예용 배양 겔 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 생체적합성, 수용성 또는 수팽윤성 고분자; 및 생체적합성, 수용성 또는 상전이성 고분자로 구성되는 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체적합성, 수용성 또는 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체적합성, 수용성 또는 수팽윤성 고분자는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성기; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성기; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 생체적합성, 수용성 또는 수팽윤성 고분자는 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이드로겔은 생체적합성 염을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이드로겔은 미세 기공을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하이드로겔은 수팽윤성 고분자 및 상전이성 고분자의 상분리에 의해 형성되는 계면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상전이성 고분자, 수팽윤성 단량체 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
상기 수팽윤성 단량체를 중합 및 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계;
상기 상전이성 고분자를 가교시켜 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
상기 하이드로겔을 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수팽윤성 단량체는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성 단량체; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성 단량체; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion) 단량체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수팽윤성 단량체는 아크릴아미드; 메타크릴아미드; 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 및 에틸메타크릴레이트를 포함하는 알킬(메타)아크릴레이트; 아릴(메타)아크릴레이트; 하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; N,N-디알킬아미노알킬(메타)아크릴레이트; 시아노(메타)아크릴레이트; 및 아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명은 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
상기 수팽윤성 고분자를 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계;
상기 상전이성 고분자를 상분리시켜 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
상기 하이드로겔을 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수팽윤성 고분자는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성기; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성기; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
상기 용액을 동결 건조하여 하이드로겔 스펀지를 제조하는 단계;
상기 스펀지에 2가 이상의 양이온을 포함하는 수용액을 처리하는 단계;
상기 수용액이 처리된 스펀지를 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계; 및
상기 가수분해 또는 염기로 처리된 스펀지를 건조하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수팽윤성 고분자는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성기; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성기; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 팽창율이 높고 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도가 라미나리아 및 Dilapan-S보다 우수한 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기를 제공할 수 있다.
특히 본 발명은 수분 팽창율이 우수하고, 압축강도가 30MPa 이상으로 기존 제품의 최댓값인 16MPa보다 2배 이상 높고, 인장 강도가 기존 제품보다 10배 이상인 생체적합성 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 가공함으로써, 합병증 및 부작용 없이 안전하고 신속하게 사용될 수 있는 의료용 확장봉, 인공관절, 인공인대, 인공근육, 조직공학용 지지체 성형/미용 필러소재, 농업 및 원예용 배양 겔 등을 제공할 수 있다.
도 1은 24시간 증류수에서 팽윤한 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔의 팽윤도를 나타낸다.
도 2는 제조된 하이드로겔을 24시간 증류수에서 팽윤한 후의 인장 강도를 나타낸다.
도 3은 제조된 하이드로겔을 24시간 증류수에서 팽윤한 후의 압축강도를 나타낸다.
도 4는 산처리 후 시간에 따라 상분리 되는 폴리아크릴산염 및 폴리비닐알콜 하이드로겔의 편광현미경 사진을 나타낸다.
이하 실시예를 바탕으로 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명에 사용된 용어, 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고 통상의 기술자의 이해를 돕기 위하여 예시된 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 권리범위 등이 이에 한정되어 해석되어서는 안 된다.
본 발명에 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 나타낸다.
본 발명은 생체적합성, 수용성 또는 수팽윤성 고분자; 및 생체적합성, 수용성 또는 상전이성 고분자로 구성되는 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하는 확장기에 관한 것이다.
본 발명은 2종 이상의 생체적합성 수용성 고분자로 구성된 혼합물의 상분리 또는 상전이를 통하여 기계적 강도와 팽윤성을 동시에 높인 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 제조할 수 있다.
하나의 생체적합성 수용성 고분자인 수팽윤성 고분자는 수분을 흡수하여 팽윤하고, 다른 하나의 생체적합성 수용성 고분자인 상전이성 고분자(또는 상분리성 고분자)는 특정조건에서 상전이에 의해 상분리되어 팽윤 시 용해되지 않아 하이드로겔의 기계적 강도를 획기적으로 증가시킬 수 있다.
상기 상전이성 고분자는 빛이나 온도변화, pH 변화, 비용매의 첨가 등에 의해 상전이(또는 상분리)가 일어나며, 수팽윤성 고분자의 팽윤 시 용해되지 않으므로, 제조된 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔은 우수한 기계적 강도, 고팽윤도, 모세관 현상에 의한 빠른 팽윤속도, 우수한 생체적합성을 가진 삽입형 생체 확장기를 제조할 수 있다.
즉, 본 발명은 수팽윤성 고분자 및 상전이성 고분자로 구성되는 혼합물의 상분리를 통하여 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 형성함으로써, 기존의 하이드로겔이 갖지 못한 특성인 기계적 강도와 팽윤성을 동시에 향상시킬 수 있다.
상기 하이드로겔 확장기에서 수팽윤성 고분자는 수분을 흡수하여 팽윤하고, 상전이성 고분자는 온도, 빛, pH 등에 의해 물로부터 상전이가 되어 수팽윤성 고분자의 팽윤 시 용해되지 않으므로, 팽윤속도가 기존제품에 비해 빠르고, 팽윤 후 기계적 강도가 우수하다.
상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 상전이성 고분자는 용매에서 용해도가 있거나 팽윤이 되지만 특정조건(빛, 온도, 압력, pH, 비용매 첨가 등)에서 용해도가 낮아지는 상전이물질; 가수분해 또는 비누화 이후에 용해도가 저하되어 형태적 안정성과 기계적 강도를 유지할 수 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.
상기 상전이성 고분자는 빛, 온도, pH, 비용매 첨가 등에 의해 상전이(또는 상분리)가 일어나며, 수팽윤성 고분자의 팽윤 시 용해되지 않으므로, 제조된 하이드로겔은 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성기; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성기; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자의 분자량은 20만 달톤 이상, 더 바람직하게는 60만 달톤 이상인 것이 바람직하며, 총 건조 질량에 대해 40~80중량%를 포함할 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자는 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자는 양이온기, 음이온기 또는 양쪽성 이온기(zwitter ion)를 갖는 화합물; 에스테르기, 아미드기, 니트릴기 등을 포함하여 가수분해에 의해 이온을 형성할 수 있는 화합물; 하이드록실기 또는 아민기를 포함하여 술폰화 또는 포스포릴화에 의해 이온을 형성할 수 있는 화합물 등이 사용될 수 있다.
상기 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자의 중량비는 20~60:40~80인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 60:40을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 20:80 미만인 경우 기계적 강도가 저하된다.
또한 본 발명은 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴산; 폴리메타크릴산; 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드; 폴리비닐설포네이트; 폴리(4-스티렌설포네이트); 소듐 폴리(아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설포네이트)를 포함하는 설포베타인(sulfobetaine)기를 갖는 양쪽성이온 고분자; (3-메타크릴로일아미노-프로필)-(2-카프복시에틸) 디메틸암모늄 카르복시베타인 메타크릴아미드를 포함하는 카르복시베타인기를 갖는 양쪽성이온 고분자; 및 2-(메타크릴로일록시)에틸 포스포릴콜린을 포함하는 포스포릴콜린기를 갖는 양쪽성이온 고분자로 이루어진 군에서 하나 이상 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 폴리아크릴산이 사용되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴아미드 및 폴리아크릴산이 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 폴리아크릴아미드 및 폴리아크릴산의 중량비는 60~80:20~40 인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 80:20을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 60:40 미만인 경우 가공성이 저하된다.
예를 들면, 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산이 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산의 중량비는 100:20~50:10~30 인 것이 바람직하다. 상기 중량비를 만족하는 경우 팽윤성 및 기계적 강도가 극대화 될 수 있다.
본 발명은 수팽윤성 고분자로서 하이알루론산, 알지네이트, 펙틴, 카르복시메틸 셀룰로오스, 카라기난, 폴리비닐피롤리돈, 풀루란, 키토산 및 잔탄검으로 이루어진 군에서 하나 이상을 사용할 수 있다.
예를 들면, 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴아미드 및 알지네이트가 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 폴리아크릴아미드 및 알지네이트의 중량비는 60~80:20~40 인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 80:20을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 60:40 미만인 경우 가공성이 저하된다.
상기 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자는 사슬 얽힘, 수소결합, 이온결합 등으로 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있다.
본 발명의 하이드로겔은 생체적합성 염을 추가로 포함할 수 있으며, 생체적합성 염의 함량은 하이드로겔 전체 함량에 대하여 1~15중량%가 바람직하다.
생체적합성 염으로는 나트륨, 칼륨, 리튬, 암모늄, 아민 등의 양이온을 포함하는 염; 및 클로라이드, 설페이트, 포스페이트, 티오시아네이트, 아세테이트 등의 음이온을 포함하는 염이 사용되는 것이 바람직하며, 염화나트륨이 사용되는 것이 좋다.
또한 상기 하이드로겔은 팽윤성을 향상시키기 위해 미세 기공 0.005~5부피%를 포함할 수 있다.
아울러 상기 하이드로겔은 수팽윤성 고분자 및 상전이성 고분자의 상분리에 의해 형성되는 계면을 포함할 수 있으며, 상기 계면의 형성에 의해 팽윤성이 향상될 수 있다.
또한 본 발명은 상전이성 고분자, 수팽윤성 단량체 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
상기 수팽윤성 단량체를 중합 및 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계;
상기 상전이성 고분자를 가교 또는 상분리시켜 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
상기 하이드로겔을 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법에 관한 것이다.
상기 용액을 제조하는 단계는 상전이성 고분자, 수팽윤성 단량체 및 용매를 혼합하여 균일한 용액을 제조할 수 있다.
상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 수팽윤성 단량체는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성 단량체; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성 단량체; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion) 단량체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 수팽윤성 단량체는 아크릴아미드; 메타크릴아미드; 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 및 에틸메타크릴레이트를 포함하는 알킬(메타)아크릴레이트; 아릴(메타)아크릴레이트; 하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; N,N-디알킬아미노알킬(메타)아크릴레이트; 시아노(메타)아크릴레이트; 및 아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 수팽윤성 단량체는 양이온기, 음이온기 또는 양쪽성이온기(zwitterion)를 갖는 화합물; 에스테르기, 아미드기, 니트릴기 등을 포함하여 가수분해에 의해 이온을 형성할 수 있는 화합물; 하이드록실기 또는 아민기를 포함하여 설폰화 또는 포스포릴화에 의해 이온을 형성할 수 있는 화합물 등이 사용될 수 있다.
상기 용매는 증류수, 알코올, 에테르, 벤젠 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 상전이성 고분자 및 수팽윤성 단량체의 중량비는 20~60:40~80인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 60:40을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 20:80 미만인 경우 기계적 강도가 저하된다.
용액에 대하여 상기 상전이성 고분자 및 수팽윤성 단량체의 전체 함량은 10~35중량% 인 것이 바람직하며, 함량이 10중량% 미만인 경우 팽윤성 및 기계적 강도가 저하되고, 함량이 35중량%를 초과하는 경우 분산성 및 가공성이 저하된다.
본 발명은 상기 수팽윤성 단량체로서 아크릴산, 메타크릴산 및 디알릴디메틸암모늄 클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 추가로 사용할 수 있으며, 아크릴산이 추가로 사용되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 수팽윤성 단량체로서 아크릴아미드 및 아크릴산이 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 아크릴아미드 및 아크릴산의 중량비는 60~80:20~40 인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 80:20을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 60:40 미만인 경우 가공성이 저하된다.
예를 들면, 수팽윤성 단량체로서 아크릴아미드, 아크릴산 및 메타크릴산이 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 아크릴아미드, 아크릴산 및 메타크릴산의 중량비는 100:20~50:10~30 인 것이 바람직하다. 상기 중량비를 만족하는 경우 팽윤성 및 기계적 강도가 극대화 될 수 있다.
상기 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계는 용액 내에서 수팽윤성 단량체를 중합과 동시에 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조할 수 있다.
가교의 방법으로는 화학적 가교제를 사용하거나, 자외선, 방사선, 전자빔, 이온빔 등에 의해 가교하거나, 칼슘 이온, 알루미늄 이온 등의 2가 이상의 양이온을 사용하여 이온결합 및 수소결합을 통하여 가교하거나, 물리적 가교를 통해 수팽윤성 단량체를 가교시킬 수 있다.
가교제로는 N,N’-메틸렌-비스-아크릴아미드(MBAM), N,N’-시스타민-비스-아크릴아미드(CBAM) 등이 있고, 개시제로는 암모늄페록시디설페이트(APS) 등이 있으며, 촉매로는 N,N,N’,N’-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA) 등이 있다.
상기 수팽윤성 고분자를 가교시킴에 따라 수팽윤성 고분자의 팽윤성과 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 하이드로겔을 제조하는 단계는 용액 내에서 상전이성 고분자를 가교 또는 상분리시켜, 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있다.
용액 내에서 상전이성 고분자를 빛, pH, 온도, 비용매의 첨가 등으로 상분리시켜, 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 사슬 얽힘, 수소결합, 이온결합 등으로 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있다.
가교의 방법으로는 화학적 가교제를 사용하거나, 자외선, 방사선, 전자빔, 이온빔 등에 의해 가교하거나, 칼슘 이온, 알루미늄 이온 등의 2가 이상의 양이온을 사용하여 이온결합 및 수소결합을 통하여 가교하거나, 물리적 가교를 통해 상전이성 고분자를 가교시킬 수 있다.
가교제로는 글루타르알데하이드(glutaraldehyde), N,N’-메틸렌-비스-아크릴아미드(MBAM), N,N’-시스타민-비스-아크릴아미드(CBAM) 등이 있고, 개시제로는 암모늄페록시디설페이트(APS) 등이 있으며, 촉매로는 염산, N,N,N’,N’-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA) 등이 있다.
상전이성 고분자를 가교시킴에 따라, 상전이성 고분자가 상분리되는 동시에, 용액 내에 존재하는 가교된 수팽윤성 고분자 및 가교된 상전이성 고분자는 함께 듀얼네트워크를 형성하거나 또는 독립적으로 듀얼네트워크를 형성할 수 있다.
상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계는 가교된 하이드로겔에 증류수를 첨가하여 하이드로겔에 존재하는 수팽윤성 고분자를 가수분해할 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자에 존재하는 에스테르기, 아미드기, 니트릴기 등의 관능기는 가수분해에 의하여 카르복실기로 변환될 수 있다.
예를 들면, 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노알킬(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴은 가수분해에 의하여 카르복실기가 도입될 수 있다.
이때 상기 하이드로겔의 표면에 존재하는 수팽윤성 고분자는 많이 가수분해되고, 하이드로겔의 내부에 존재하는 수팽윤성 고분자는 상대적으로 적게 가수분해되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이드로겔의 내부와 표면의 구조 및 성분을 달리함으로써, 하이드로겔의 표면은 가수분해를 통하여 형성된 구조로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시킬 수 있고, 내부는 가수분해가 적게 됨으로써 팽윤 시 비등방적 팽창을 유도하고, 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도 및 형태안정성을 유지할 수 있으므로, 자궁경, 성기보형물 삽입, 요로, 직장 등의 확장봉에 효과적으로 사용될 수 있다.
예를 들면, 상전이성 고분자로 폴리비닐알콜을 사용하고, 수팽윤성 단량체로 아크릴아미드를 사용하는 경우, 상분리에 의한 사슬 얽힘 및 쌍극자 인력, 수소결합 등을 통하여 형성된 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔의 표면은 많이 가수분해되어 폴리아크릴산/폴리비닐알콜 성분으로 형성되어 팽윤성이 우수하고, 내부는 폴리아크릴아미드/폴리비닐알콜 성분으로 형성되어 비등방적 팽윤성을 유도하고 기계적 특성 및 형태안정성이 우수하다.
본 발명은 상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계 이후에 음이온기를 도입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
가수분해에 의하여 변환된 카르복실기는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 염기에 의하여 음이온기로 변환될 수 있다. 상기 음이온기의 도입으로 수소결합, 이온-쌍극자 상호작용, 이온결합 등이 가능해 듀얼네트워크 하이드로겔의 팽윤성과 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 하이드로겔은 세척 및 건조과정을 통하여 미반응 물질을 제거한 후, 가공하여 의료용 확장봉, 인공관절, 인공인대, 인공근육 또는 조직공학용 지지체로 제조될 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 듀얼네트워크 하이드로겔은 건조 과정에서 일축 연신하여 팽윤 시 지름 방향으로 비등방 팽윤을 유도하는 과정을 통하여 확장기를 제조할 수 있다.
또한 하이드로겔의 결정화 과정을 통해 확장기의 기계적 강도를 더 높일 수 있다.
본 발명은 상기 수팽윤성 단량체를 중합 및 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계 이후에 상기 상전이성 고분자를 가교시키는 단계를 수행하고 있으나, 상기 상전이성 고분자를 가교시켜 가교된 상전이성 고분자를 제조하는 단계 이후에 상기 수팽윤성 단량체를 중합 및 가교시키는 단계를 수행할 수도 있다.
또한 본 발명은 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
상기 수팽윤성 고분자를 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계;
상기 상전이성 고분자를 가교 또는 상분리시켜 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
상기 하이드로겔을 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법에 관한 것이다.
상기 용액을 제조하는 단계는 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 균일한 용액을 제조할 수 있다.
상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자는 카르복실산기, 카르복실산염, 술폰산기, 술폰산염, 인산기 및 인산염을 포함하는 음이온성기; 암모늄염, 이미다졸륨염 및 피리디늄염을 포함하는 양이온성기; 및 포스포릴콜린, 카르복시베타인 및 설포베타인을 포함하는 양쪽성이온(zwitterion)기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자는 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 폴리아크릴아미드가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 수팽윤성 고분자는 양이온기, 음이온기 또는 양쪽성 이온기(zwitter ion)를 갖는 화합물; 에스테르기, 아미드기, 니트릴기 등을 포함하여 가수분해에 의해 이온을 형성할 수 있는 화합물; 하이드록실기 또는 아민기를 포함하여 술폰화 또는 포스포릴화에 의해 이온을 형성할 수 있는 화합물 등이 사용될 수 있다.
상기 용매는 증류수, 알코올, 에테르, 벤젠 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자의 중량비는 20~60:40~80인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 60:40을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 20:80 미만인 경우 기계적 강도가 저하된다.
용액에 대하여 상기 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자의 전체 함량은 10~35중량% 인 것이 바람직하며, 함량이 10중량% 미만인 경우 팽윤성 및 기계적 강도가 저하되고, 함량이 35중량%를 초과하는 경우 분산성 및 가공성이 저하된다.
또한 본 발명은 상기 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴산; 폴리메타크릴산; 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드; 폴리비닐설포네이트; 폴리(4-스티렌설포네이트); 소듐 폴리(아크릴아미도-2-메틸-1-프로판설포네이트)를 포함하는 설포베타인(sulfobetaine)기를 갖는 양쪽성이온 고분자; (3-메타크릴로일아미노-프로필)-(2-카프복시에틸) 디메틸암모늄 카르복시베타인 메타크릴아미드를 포함하는 카르복시베타인기를 갖는 양쪽성이온 고분자; 및 2-(메타크릴로일록시)에틸 포스포릴콜린을 포함하는 포스포릴콜린기를 갖는 양쪽성이온 고분자로 이루어진 군에서 하나 이상 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 폴리아크릴산이 사용되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴아미드 및 폴리아크릴산이 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 폴리아크릴아미드 및 폴리아크릴산의 중량비는 60~80:20~40 인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 80:20을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 60:40 미만인 경우 가공성이 저하된다.
예를 들면, 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산이 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산의 중량비는 100:20~50:10~30 인 것이 바람직하다. 상기 중량비를 만족하는 경우 팽윤성 및 기계적 강도가 극대화 될 수 있다.
본 발명은 수팽윤성 고분자로서 하이알루론산, 알지네이트, 펙틴, 카르복시메틸 셀룰로오스, 카라기난, 폴리비닐피롤리돈, 풀루란, 키토산 및 잔탄검으로 이루어진 군에서 하나 이상을 사용할 수 있다.
예를 들면, 수팽윤성 고분자로서 폴리아크릴아미드 및 알지네이트가 동시에 사용될 수 있다. 이때 상기 폴리아크릴아미드 및 알지네이트의 중량비는 60~80:20~40 인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 80:20을 초과하면 팽윤성이 저하되고, 60:40 미만인 경우 가공성이 저하된다.
상기 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계는 용액 내에서 수팽윤성 고분자를 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조할 수 있다.
가교의 방법으로는 화학적 가교제를 사용하거나, 자외선, 방사선, 전자빔, 이온빔 등에 의해 가교하거나, 칼슘 이온, 알루미늄 이온 등의 2가 이상의 양이온을 사용하여 이온결합 및 수소결합을 통하여 가교하거나, 물리적 가교를 통해 수팽윤성 고분자를 가교시킬 수 있다.
가교제로는 N,N’-메틸렌-비스-아크릴아미드(MBAM), N,N’-시스타민-비스-아크릴아미드(CBAM) 등이 있고, 개시제로는 암모늄페록시디설페이트(APS) 등이 있으며, 촉매로는 N,N,N’,N’-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA) 등이 있다.
상기 하이드로겔을 제조하는 단계는 용액 내에서 상전이성 고분자를 가교 또는 상분리시켜, 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 사슬 얽힘, 수소결합, 이온결합 등으로 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조할 수 있다.
상전이성 고분자를 가교시킴에 따라, 상전이성 고분자가 상분리되는 동시에, 용액 내에 존재하는 가교된 수팽윤성 고분자 및 가교된 상전이성 고분자는 함께 듀얼네트워크를 형성하거나 또는 독립적으로 듀얼네트워크를 형성할 수 있다.
가교의 방법으로는 화학적 가교제를 사용하거나, 자외선, 방사선, 전자빔, 이온빔 등에 의해 가교하거나, 칼슘 이온, 알루미늄 이온 등의 2가 이상의 양이온을 사용하여 이온결합 및 수소결합을 통하여 가교하거나, 물리적 가교를 통해 상전이성 고분자를 가교시킬 수 있다.
가교제로는 글루타르알데하이드(glutaraldehyde), N,N’-메틸렌-비스-아크릴아미드(MBAM), N,N’-시스타민-비스-아크릴아미드(CBAM) 등이 있고, 개시제로는 암모늄페록시디설페이트(APS) 등이 있으며, 촉매로는 염산, N,N,N’,N’-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA) 등이 있다.
상기 하이드로겔을 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계는 가교된 하이드로겔에 증류수를 첨가하여 하이드로겔에 존재하는 수팽윤성 고분자를 가수분해할 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자에 존재하는 에스테르기, 아미드기, 니트릴기 등의 관능기는 가수분해에 의하여 카르복실기로 변환될 수 있다.
예를 들면, 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴은 가수분해에 의하여 카르복실기가 도입될 수 있다.
이때 상기 하이드로겔의 표면에 존재하는 수팽윤성 고분자는 많이 가수분해되고, 하이드로겔의 내부에 존재하는 수팽윤성 고분자는 상대적으로 적게 가수분해되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이드로겔의 내부와 표면의 구조 및 성분을 달리함으로써, 하이드로겔의 표면은 가수분해를 통하여 형성된 구조로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시킬 수 있고, 내부는 가수분해가 적게 됨으로써 팽윤 시 비등방적 팽창을 유도하고, 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도 및 형태안정성을 유지할 수 있으므로, 자궁경, 성기보형물 삽입, 요로, 직장 등의 확장봉에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계 이후에 음이온기를 도입하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
가수분해에 의하여 변환된 카르복실기는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 염기에 의하여 음이온기로 변환될 수 있다. 상기 음이온기의 도입으로 수소결합, 이온-쌍극자 상호작용, 이온결합 등이 가능해 듀얼네트워크 하이드로겔의 팽윤성과 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
상기 용액을 동결 건조하여 하이드로겔 스펀지를 제조하는 단계;
상기 스펀지에 2가 이상의 양이온을 포함하는 수용액을 처리하는 단계;
상기 수용액이 처리된 스펀지를 가수분해 또는 염기로 처리하는 단계; 및
상기 가수분해 또는 염기로 처리된 스펀지를 건조하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 가교된 수팽윤성 고분자는 가수분해 및/또는 이온화를 통하여 이온이 형성되고, 이로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시킬 수 있고, 가교 및 상분리된 상전이성 고분자는 압축강도, 인장강도 등의 기계적 강도 및 형태안정성을 유지할 수 있으므로, 자궁경, 성기보형물 삽입, 요로, 직장 등의 확장봉에 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 수팽윤성 고분자를 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계 이후에 상기 상전이성 고분자를 가교시키는 단계를 수행하고 있으나, 상기 상전이성 고분자를 가교시켜 가교된 상전이성 고분자를 제조하는 단계 이후에 상기 수팽윤성 고분자를 가교시키는 단계를 수행하거나 또는 2단계를 동시에 수행할 수도 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 실시를 위하여 예시된 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
폴리비닐알콜 30중량부 및 아크릴아미드 70중량부; 폴리비닐알콜 50중량부 및 아크릴아미드 50중량부; 폴리비닐알콜 70중량부 및 아크릴아미드 30중량부; 또는 폴리비닐알콜 90중량부 및 아크릴아미드 10중량부를 증류수에 녹인 후 90℃에서 2시간 동안 가열하여 용액을 제조하였다. 이때 용액에 대한 폴리비닐알콜 및 아크릴아미드의 전체 함량은 20중량% 로 조절되었다.
상기 용액에 암모늄페록시디설페이트(APS), N,N,N’,N’-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA) 및 N,N’-메틸렌-비스-아크릴아미드(MBAM)를 첨가한 후, 질소기체를 넣어주면서 상온에서 6시간 동안 아크릴아미드를 중합 및 가교시켜 가교된 폴리아크릴아미드를 제조하였다. 이때 APS 및 TMEDA는 아크릴아미드 함량에 대하여 1중량%의 함량으로 첨가하였고, MBAM은 아크릴아미드 함량에 대하여 3중량%의 함량으로 첨가하였다.
상기 용액에 글루타르알데하이드 및 염산(1N)을 첨가하여 폴리비닐알콜을 가교시켜, 폴리비닐알콜 및 폴리아크릴아미드가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하였다. 이때 글루타르알데하이드는 폴리비닐알콜 함량에 대하여 1중량%의 함량으로 첨가하였고, 염산은 0.5㎖를 첨가하였다.
상기 하이드로겔을 pH 13에서 가수분해하여 최종 pH가 9가 되도록 하이드로겔을 제조하였다.
(실시예 2)
폴리비닐알콜 30중량부 및 폴리아크릴아미드 70중량부; 폴리비닐알콜 50중량부 및 폴리아크릴아미드 50중량부; 폴리비닐알콜 70중량부 및 폴리아크릴아미드 30중량부; 또는 폴리비닐알콜 90중량부 및 폴리아크릴아미드 10중량부를 증류수에 녹인 후 90℃에서 2시간 동안 가열하여 용액을 제조하였다. 이때 용액에 대한 폴리비닐알콜 및 폴리아크릴아미드의 전체 함량은 20중량% 로 조절되었다.
상기 용액에 암모늄페록시디설페이트(APS), N,N,N’,N’-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA) 및 N,N’-메틸렌-비스-아크릴아미드(MBAM)를 첨가한 후, 질소기체를 넣어주면서 상온에서 6시간 동안 폴리아크릴아미드를 가교시켜 가교된 폴리아크릴아미드를 제조하였다. 이때 APS 및 TMEDA는 폴리아크릴아미드 함량에 대하여 1중량%의 함량으로 첨가하였고, MBAM은 폴리아크릴아미드 함량에 대하여 3중량%의 함량으로 첨가하였다.
100KGy 전자빔을 2회에 걸쳐 50KGy씩 나누어 조사하여 폴리비닐알콜을 가교시켜 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하였다.
상기 하이드로겔을 pH 13에서 가수분해하여 최종 pH가 9가 되도록 하이드로겔을 제조하였다.
(실시예 3)
폴리비닐알콜 30중량부 및 폴리아크릴산 70중량부; 폴리비닐알콜 50중량부 및 폴리아크릴산 50중량부; 폴리비닐알콜 70중량부 및 폴리아크릴산 30중량부; 또는 폴리비닐알콜 90중량부 및 폴리아크릴산 10중량부를 증류수에 녹인 후 90℃에서 2시간 동안 가열하여 용액을 제조하였다. 이때 용액에 대한 폴리비닐알콜 및 폴리아크릴아미드의 전체 함량은 20중량% 로 조절되었다.
상기 용액을 일정한 두께의 테플론 몰드에 채운 후 영하 40도에서 일주일에 걸쳐 동결 건조하였다. 동결 건조한 이후 0.2%의 CaCl2 용액에 1시간 동안 함침하여 이온결합을 유도하였다.
이온 결합 후, NaOH 용액을 적가하여 최종 pH가 9가 되도록 조절한 후 건조하여 미세 기공을 포함하는 하이드로겔을 제조하였다.
(비교예 1)
기존 제품인 Dilapan-S를 사용하여 팽윤도 및 기계적 특성을 평가하였다.
상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 하이드로겔의 팽윤도 및 기계적 특성을 측정하여 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
(팽윤도)
하이드로겔을 상온의 증류수에 담근 후 일정시간마다 하이드로겔의 무게를 측정하였으며, 더 이상 무게 증가가 없을 때까지 하이드로겔의 무게 측정을 반복하였다.
팽윤도는 다음 식을 사용하여 산출되었다.
팽윤도(%) = (Wt/Wo) × 100
Wt와 Wo는 각각 시간 t에서 팽창된 하이드로겔의 중량 및 건조된 하이드로겔의 중량을 의미한다.
(기계적 특성)
하이드로겔의 압축강도는 인장시험기 (Instron 2710-105, USA)를 사용하여 0.1mm/min의 일정한 속도로 측정되었다.
구분 팽윤도
(%)		 압축강도
(MPa)
실시예 1 30:70 1,620 26
50:50 1,260 58
70:30 1,070 65
90:10 570 82
2 30:70 1,270 20
50:50 1,190 47
70:30 980 68
90:10 550 72
3 30:70 1,530 17
50:50 1,340 27
70:30 780 44
90:10 650 72
비교예 1 1,190 16
상기 표 1의 결과로부터, 실시예 1 내지 3의 하이드로겔은 팽윤도 및 압축강도가 우수함을 알 수 있다. 특히, 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자의 중량비가 50:50인 경우 상기 특성이 가장 우수하다.
반면 비교예 1은 실시예에 비해 팽윤도 및 압축강도가 열등함을 알 수 있다.
도 1은 24시간 증류수에서 팽윤한 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔의 팽윤도를 나타내고 있다.
폴리아크릴아미드 및 폴리비닐알콜의 중량비가 5:5, 6:4, 7:3, 8:2 인 경우, 팽윤속도가 비교예인 Dilapan-S보다 높음을 확인할 수 있는데, 이는 제조과정에서 미반응 물질이 용해되어 빈 공간이 생기고, 팽윤 시 그 공간으로 모세관 현상과 같이 물 분자가 빠르게 흡수되기 때문이다.
도 2는 제조된 하이드로겔을 24시간 증류수에서 팽윤한 후의 인장 강도를 나타내고 있다.
폴리아크릴아미드 및 폴리비닐알콜의 중량비가 5:5 인 경우, 인장강도가 Dilapan-S보다 훨씬 높음을 확인할 수 있다.
도 3은 제조된 하이드로겔을 24시간 증류수에서 팽윤한 후의 압축강도를 나타낸다.
폴리아크릴아미드 및 폴리비닐알콜의 중량비가 5:5, 6:4, 7:3, 8:2 인 경우, 압축강도가 비교예보다 증가함을 확인할 수 있다.
도 4는 산처리 후 시간에 따라 상분리 되는 폴리아크릴산염 및 폴리비닐알콜 하이드로겔의 편광현미경 사진을 나타낸다.
도면에서 어둡게 나온 결정성 부분은 폴리비닐알콜에 해당하며, 시간에 따라 상분리 및 결정화 정도가 증가함을 확인할 수 있다.

Claims (17)

  1. 상전이성 고분자, 수팽윤성 단량체 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
    상기 수팽윤성 단량체를 중합 및 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계;
    상기 상전이성 고분자를 가교시켜 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
    상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법에 있어서,
    상기 수팽윤성 단량체는 아크릴아미드; 메타크릴아미드; 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 및 에틸메타크릴레이트를 포함하는 알킬(메타)아크릴레이트; 아릴(메타)아크릴레이트; 하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; N,N-디알킬아미노알킬(메타)아크릴레이트; 시아노(메타)아크릴레이트; 및 아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
    상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되며,
    상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계는 가교된 하이드로겔에 증류수를 첨가하여 하이드로겔에 존재하는 수팽윤성 고분자를 가수분해하며,
    상기 가수분해에 의하여 수팽윤성 고분자에 카르복실기가 도입되고,
    상기 하이드로겔의 표면에 존재하는 수팽윤성 고분자는 많이 가수분해되고, 하이드로겔의 내부에 존재하는 수팽윤성 고분자는 상대적으로 적게 가수분해되어, 하이드로겔의 표면은 가수분해를 통하여 형성된 구조로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시키고, 하이드로겔의 내부는 가수분해가 적게 됨으로써 팽윤 시 비등방적 팽창을 유도하고, 기계적 강도 및 형태안정성을 유지하는 것을 특징으로 하는 확장기의 제조방법..
  2. 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
    상기 수팽윤성 고분자를 가교시켜 가교된 수팽윤성 고분자를 제조하는 단계;
    상기 상전이성 고분자를 가교시켜 상전이성 고분자 및 수팽윤성 고분자가 듀얼네트워크 구조를 갖는 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
    상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법에 있어서,
    상기 수팽윤성 고분자는 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
    상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되며,
    상기 하이드로겔을 가수분해하는 단계는 가교된 하이드로겔에 증류수를 첨가하여 하이드로겔에 존재하는 수팽윤성 고분자를 가수분해하며,
    상기 가수분해에 의하여 수팽윤성 고분자에 카르복실기가 도입되고,
    상기 하이드로겔의 표면에 존재하는 수팽윤성 고분자는 많이 가수분해되고, 하이드로겔의 내부에 존재하는 수팽윤성 고분자는 상대적으로 적게 가수분해되어, 하이드로겔의 표면은 가수분해를 통하여 형성된 구조로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시키고, 하이드로겔의 내부는 가수분해가 적게 됨으로써 팽윤 시 비등방적 팽창을 유도하고, 기계적 강도 및 형태안정성을 유지하는 것을 특징으로 하는 확장기의 제조방법.
  3. 상전이성 고분자, 수팽윤성 고분자 및 용매를 혼합하여 용액을 제조하는 단계;
    상기 용액을 동결 건조하여 하이드로겔 스펀지를 제조하는 단계;
    상기 스펀지에 2가 이상의 양이온을 포함하는 수용액을 처리하는 단계;
    상기 수용액이 처리된 스펀지를 가수분해하는 단계; 및
    상기 가수분해된 스펀지를 건조하는 단계를 포함하는 확장기의 제조방법에 있어서,
    상기 수팽윤성 고분자는 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
    상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되며,
    상기 스펀지를 가수분해하는 단계는 스펀지에 증류수를 첨가하여 하이드로겔에 존재하는 수팽윤성 고분자를 가수분해하며,
    상기 가수분해에 의하여 수팽윤성 고분자에 카르복실기가 도입되고,
    상기 하이드로겔의 표면에 존재하는 수팽윤성 고분자는 많이 가수분해되고, 하이드로겔의 내부에 존재하는 수팽윤성 고분자는 상대적으로 적게 가수분해되어, 하이드로겔의 표면은 가수분해를 통하여 형성된 구조로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시키고, 하이드로겔의 내부는 가수분해가 적게 됨으로써 팽윤 시 비등방적 팽창을 유도하고, 기계적 강도 및 형태안정성을 유지하는 것을 특징으로 하는 확장기의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 확장기에 있어서,
    상기 확장기는
    수팽윤성 고분자; 및
    상전이성 고분자로 구성되는 듀얼네트워크 구조의 하이드로겔을 포함하고,
    상기 수팽윤성 고분자는 폴리아크릴아미드; 폴리메타크릴아미드; 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리에틸메타크릴레이트를 포함하는 폴리알킬(메타)아크릴레이트; 폴리아릴(메타)아크릴레이트; 폴리하이드록시알킬(메타)아크릴레이트; 폴리N,N-디알킬아미노에틸(메타)아크릴레이트; 폴리시아노(메타)아크릴레이트; 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되고,
    상기 상전이성 고분자는 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐아세테이트, 폴리하이드록시알킬메타크릴레이트(PHAMA), 하이드록시알킬 셀룰로오스(HAC), 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 부티레이트, 폴리사카라이드, 폴리우레탄, 폴리-N-이소프로필아크릴아미드(PNIPAM), 폴리-N-비닐카프로락탐, 폴리프로필렌옥사이드 및 PEO-PPO-PEO 공중합체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되며,
    상기 하이드로겔은 가수분해된 하이드로겔이며,
    상기 가수분해에 의하여 수팽윤성 고분자에 카르복실기가 도입되고,
    상기 하이드로겔의 표면에 존재하는 수팽윤성 고분자는 많이 가수분해되고, 하이드로겔의 내부에 존재하는 수팽윤성 고분자는 상대적으로 적게 가수분해되어, 하이드로겔의 표면은 가수분해를 통하여 형성된 구조로 인해 팽윤성이 증가하여 인체 삽입 시 확장성을 향상시키고, 하이드로겔의 내부는 가수분해가 적게 됨으로써 팽윤 시 비등방적 팽창을 유도하고, 기계적 강도 및 형태안정성을 유지하는 것을 특징으로 하는 확장기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 생체적합성 염을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 확장기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 미세 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 확장기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 수팽윤성 고분자 및 상전이성 고분자의 상분리에 의해 형성되는 계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 확장기.
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Zhanxin Jing et al., Polymers, 11(6), (2019.6.) 1부.*

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