KR102442292B1 - 코팅층을 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이드로겔 및 상기 하이드로겔의 표면에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 80 ℃ 이하인 것인, 코팅층이 형성된 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

코팅층을 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조방법{HYDROGEL COMPRISING COATING LAYER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 코팅층을 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

기존의 의학용 인공 장기 또는 인체 삽입형 수술용 장비 등은 주로 실리콘, 플라스틱 기반의 소재들로 제작되어 있다. 상기 실리콘 또는 플라스틱 소재들은 기본적으로 딱딱한 기계적인 물성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 실제 인체 장기와 유사한 물성을 구현하기 어려운 문제가 있고, 인공 장기 등의 의학용 소재로서 널리 활용되기 어려운 단점이 있다. 실제로 플라스틱 기반의 인체 삽입형 수술용 장비들은 인체 장기들에 손상을 입힐 수 있으며, 실리콘 기반 소재의 인공 장기는 실제 인체 장기를 완벽하게 구현하기 힘든 문제가 있다. 이러한 제약들을 극복하기 위해 최근 실제 인체 장기와 유사한 물성을 지닌 하이드로겔(hydrogel)의 사용이 각광받고 있다.

하이드로겔은 일반적으로 다량의 수분을 함유할 수 있는 삼차원의 친수성 고분자 망상구조를 가진 물질을 의미한다. 하이드로겔은 적어도 전체 중량의 20 % 이상의 수분을 흡수할 수 있으며, 95 % 이상의 물을 흡수하는 것을 고흡수성 하이드로겔이라고 부른다. 하이드로겔은 단일중합체 또는 공중합체로 이루어지며, 외부 이력에 의한 유동성이 거의 없는 구조적으로 안정한 삼차원 네트워크 구조를 형성하는데, 이러한 구조는 공유결합, 수소결합, 반데르발스 결합 또는 물리적인 응집 등 여러 요인에 의해 형성된다. 수용액상에서 팽윤된 후에 열역학적으로 안정하게 존재하여 액체와 고체의 중간 형태에 해당하는 기계적, 물리화학적 특성을 지닌다. 또한, 하이드로겔의 팽윤도는 고분자의 화학구조와 친수성, 고분자 사슬간의 가교도에 따라 조절이 가능하므로 구성 성분과 제조방법에 따라 다양한 형태와 성질을 가진 하이드로겔의 제조가 가능하다.

하이드로겔은 조직과 비슷한 물성인 물의 함량이 많고, 부드러우면서 낮은 표면 장력 등의 특성을 지닌 소재이다. 또한, 물의 함량이 많고 기공성이 있어 투과성이 좋아 중합과정에서 남은 잔여 개시제, 용매 등을 효과적으로 제거할 수 있다. 이러한 특성은 하이드로겔이 생체 내에서 사용되었을 때 조직과의 거부반응을 줄이는데 효과적이다. 또한 하이드로겔의 기계적인 물성이 실제 인체 장기와 유사하여 사실적인 수술 트레이닝용 모델을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 이러한 기공성이 있는 하이드로겔은 물에 장시간 노출이 되게 되면 물이 내부로 침투하게 되어 초기 모양을 잃게 되고 기계적인 물성이 시간이 지남에 따라 변하게 된다. 또한 많은 물이 함량 되어 있어 공기 중에 장시간 노출이 되게 되면 물이 증발되어 수축하는 문제가 있기 때문에, 상기 하이드로겔을 활용하여 안정적인 인공 장기를 구현할 수 있는 해결책이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2021-0110428호 대한민국 공개특허 제10-2011-0062804호

본 발명의 목적은 특정 종류의 하이드로겔의 표면에 소수성 코팅층을 형성함에 따라, 졸-겔(sol-gel) 온도가 낮은 하이드로겔에도 적용이 가능하고, 인체 장기와 유사한 물성을 나타내는 코팅층을 포함하는 하이드로겔을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예는, 하이드로겔 및 상기 하이드로겔의 표면에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 80 ℃ 이하인 것인, 코팅층이 형성된 하이드로겔을 제공한다.

상기 하이드로겔은 젤라틴계 하이드로겔, 아가로스계 하이드로겔 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.

상기 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함할 수 있다.

상기 아크릴레이트계 고분자는 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate) 유래 중합 단위, 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 유래 중합 단위 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 중합 단위를 포함할 수 있다.

상기 코팅층의 두께는 20 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다.

상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 25 ℃ 내지 30 ℃, 습도 85 % 내지 100 % 조건에서의 스웰링도(swelling ratio)는 0 % 내지 20 %일 수 있다.

상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 물에 대한 접촉각은 80 ° 내지 120 °일 수 있다.

상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 영률이 300 kPa 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 코팅층이 형성된 하이드로겔을 포함하는 인공 장기를 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 하이드로겔 표면에 프라이머(primer)를 도입하는 단계, 상기 하이드로겔 표면에 코팅 용액을 도포하는 단계 및 자외선을 조사하여 상기 하이드로겔 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 80 ℃ 이하인 것인, 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법을 제공한다.

상기 하이드로겔은 젤라틴계 하이드로겔, 아가로스계 하이드로겔 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.

상기 코팅 용액은 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate), 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 아크릴레이트계 단량체를 포함할 수 있다.

상기 하이드로겔 표면에 프라이머(primer)를 도입하는 단계는, 상기 하이드로겔을 프라이머 용액에 침지시키는 단계를 포함하고, 상기 프라이머 용액은 HMPP(2-hydroxy-2-methylpropiophenone)를 포함할 수 있다.

상기 자외선 조사 시간은 10 초 내지 10 분일 수 있다.

본 발명에 따르면, 하이드로겔 표면에 코팅층을 형성함으로써 수분에 의한 팽윤 또는 건조를 방지하여 소재의 물성 변화를 최소화함으로써 장시간 사용 환경에 따른 안정성을 제공할 수 있다. 이로 인해, 코팅층이 형성된 하이드로겔은 인체 장기와 유사한 물성을 나타냄에 따라 인공 장기 제작 및 상기 인공 장기를 통한 의사들의 효과적인 수술 환경을 제공할 수 있는 장점이 있다.

특히 본 발명에 따른 하이드로겔의 제조방법에 따르면, 통상 높은 온도에서 코팅층을 형성하는 기존의 제조방법과 달리, 자외선 조사를 통해 코팅층을 형성함에 따라 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 낮은 하이드로겔의 표면에 짧은 시간동안 안정적인 코팅층 형성이 가능하고, 자외선 조사 시간을 조절하여 코팅층의 형성 두께를 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔의 코팅층 형성 원리를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔 코팅층에 포함된 아크릴레이트계 고분자와 하이드로겔 표면에 도입된 프라이머의 결합을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔의 제조방법에 따른 자외선 조사 시간에 따른 코팅층 형성 두께 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔의 하이드로겔 표면과 코팅층의 화학 결합 형성 여부를 확인하기 위한 감쇠전반사(Attenuated Total Reflection, ATR) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 인장강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔과 코팅층을 포함하지 않는 하이드로겔의 영률(Young's Modulus) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔과 코팅층을 포함하지 않은 하이드로겔의 물과의 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔과 코팅층을 포함하지 않은 하이드로겔의 시간 경과에 따른 기계적 물성 변화에 관한 겔 분율(Gel Fraction) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 시간 경과에 따른 스웰링 변화를 관찰한 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 단면을 관찰한 전자현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔과 코팅층을 포함하지 않은 하이드로겔의 시간 경과에 따른 팽윤 및 용해 여부를 관찰한 이미지를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔과 코팅층을 포함하지 않은 하이드로겔의 시간 경과에 따른 팽윤 및 용해 여부에 관한 겔 분율(Gel Fraction) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 70% 변형 응력에 따른 기계적 안정도를 접촉각을 측정한 결과를 통해 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 70% 변형 응력에 따른 기계적 안정도 평가를 위한 접촉각 측정 과정을 나타낸 이미지이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 명세서에 기재된 용어 "나노"란 나노 스케일을 의미하며, 1 ㎛ 이하의 크기를 포함한다.

이하 일 실시예에 따른 코팅층을 포함하는 하이드로겔에 관하여 설명한다.

본 발명은 졸-겔(sol-gel) 온도가 낮은 하이드로겔에도 적용할 수 있으며, 인체 장기와 유사한 물성을 나타내는 코팅층을 포함하는 하이드로겔에 관한 것이다.

일 구현예에 따른 하이드로겔은, 하이드로겔 및 상기 하이드로겔 표면에 형성된 코팅층을 포함하고, 상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 80 ℃ 이하 인 것일 수 있다.

일반적으로 하이드로겔은 수분 함량이 많고 낮은 표면 장력을 지니므로, 인공 장기 등으로 사용될 경우 생체 거부반응 등을 효과적으로 줄일 수 있는 소재이다. 그러나, 하이드로겔을 구성하는 고분자 조직은 상대적으로 높은 수준의 기공성을 나타내므로, 수분이 많은 환경에 노출될 경우 시간 경과에 따라 수분이 하이드로겔 내부로 침투하여 하이드로겔이 팽윤될 수 있고, 공기 중에 장시간 노출되는 경우에는 하이드로겔 내부에 포함되어 있던 수분이 증발함에 따라 소재 자체가 수축 변형을 일으킬 수 있는 문제가 있다.

상기의 단점을 해결하기 위한 방안으로 하이드로겔에 소수성 코팅층을 형성하는 방안이 제안되었으나, 상기 소수성 코팅층은 상대적으로 높은 온도에서 장시간 반응을 진행해야 하며, 코팅층이 형성되는 과정에서 고온에 의해 하이드로겔이 녹아 형태 변형이 일어날 수 있다는 문제가 있다,

이에 대하여 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해, 하이드로겔 표면에 코팅층을 형성하여 외부 수분과 건조한 환경에서 하이드로겔의 물리적, 기계적 안정성을 확보하되, 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 일정 온도 이하인 특정 종류의 하이드로겔 소재에도 상온에서 코팅층을 형성할 수 있는 장점이 있다.

구체적으로, 일 구현예에서, 상기 하이드로겔은 젤라틴(gelatin)계 하이드로겔, 아가로스(agarose)계 하이드로겔 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. 폴리아크릴아미드 하이드로겔 폴리비닐알콜/폴리아크릴아미드 하이드로겔 등의 폴리아크릴아미드계 하이드로겔은, 소재를 구성하는 고분자 네트워크의 치밀도가 상대적으로 높고, 고분자를 구성하는 아크릴아미드 단량체 자체의 기계적 물성이 우수한 특성을 나타내므로, 이러한 폴리아크릴아미드계 하이드로겔의 표면에 소수성 코팅층을 형성하는 과정에서 높은 온도의 공정을 적용하더라도 폴리아크릴아미드계 하이드로겔이 녹는 등 형태 변형이 적은 반면, 상기 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 약 30 ℃ 정도인 젤라틴계 하이드로겔 또는 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 약 80 ℃ 정도인 아가로스계 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 약 190 ℃ 이상인 폴리아크릴아미드계 하이드로겔에 비해 조직 구성의 치밀도 및 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 낮기 때문에, 고온의 공정 조건에서 코팅층을 형성하기 어렵다.

일 구현예에 따른 하이드로겔은, 후술할 자외선 조사에 의해 단시간에 코팅층이 형성되므로, 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 낮은 젤라틴계 하이드로겔, 아가로스계 하이드로겔의 표면에도 코팅층을 형성할 수 있다.

예를 들어, 상기 젤라틴계 하이드로겔은 젤라틴 하이드로겔, 폴리비닐알콜(PVA)/젤라틴 하이드로겔, 세리신(Sericin)/젤라틴 하이드로겔, 폴리비닐알콜/세리신/젤라틴 하이드로겔, 피브리노겔(Fibrinogen)/젤라틴 하이드로겔, 히알루로난(Hyalyronan)/젤라틴 하이드로겔, 알지네이트(alginate)/피브리노겔/젤라틴 하이드로겔 등일 수 있다.

예를 들어, 상기 아가로스계 하이드로겔은 아가로스 하이드로겔, 나트륨-알지네이트(alginate)/아가로스 하이드로겔, 폴리아크릴아미드/아가로스 하이드로겔, 콜라겐/아가로스 하이드로겔, 콜라겐/알지네이트/아가로스 하이드로겔 등일 수 있다.

상기 젤라틴계 하이드로겔 또는 아가로스계 하이드로겔의 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도는 25 ℃ 내지 120 ℃일 수 있고, 예를 들어 30 ℃ 내지 100 ℃일 수 있으며, 바람직하게는 30 ℃ 내지 80 ℃일 수 있다.

일 구현예에서, 상기 하이드로겔 표면에 형성된 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함할 수 있다.

상기 코팅층은 하이드로겔 전체 표면적을 기준으로 30 %의 면적으로 형성될 수 있고, 예를 들어 50 %, 80 %, 바람직하게는 하이드로겔 전체 표면에 코팅층이 형성될 수 있다.

상기 아크릴레이트계 고분자는 일 구현예에 따른 하이드로겔 표면에 코팅층으로 형성되어, 외부 수분과 건조한 환경에서 하이드로겔의 물리적, 기계적 안정성을 확보할 수 있는 것이라면 그 종류에 구애되지 않을 수 있으나, 예를 들어, 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate) 유래 중합 단위, 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 유래 중합 단위 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 중합 단위를 포함하는 것일 수 있다.

상기 아크릴레이트계 고분자를 형성할 수 있는 중합 단위의 단량체를 기준으로, 스테아릴 아크릴레이트는 에스터기에 상대적으로 긴 길이의 C18의 알킬 사슬(alkyl chain)을 포함함에 따라 코팅층에 소수성을 부여할 수 있다. 다만, 스테아릴 아크릴레이트는 다른 종류의 아크릴레이트계 고분자에 비해 분자간 간 결합에너지가 낮아 코팅층 형성 용액에 포함된 용매에 잘 용해될 수 있는 단점이 있다. 따라서, 상기 코팅층에 소수성을 부여할 수 있는 스테아릴 아크릴레이트와 함께, 보다 짧은 길이의 알킬 사슬을 포함하는 도데실 아크릴레이트를 함께 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 아크릴레이트계 고분자를 포함하는 코팅층 형성 용액에, 상기 스테아릴 아크릴레이트 및 도데실 아크릴레이트를 1:0.5 (v/v) 내지 0.5:1 (v/v), 0.7:1 (v/v) 내지 1:0.7 (v/v)로 포함할 수 있다. 상기 스테아릴 아크릴레이트 및 도데실 아크릴레이트는 바람직하게 1:1 (v/v)의 비율로 포함할 수 있으며, 수분이 많은 환경에서 코팅층이 수분에 용해되는 현상을 방지할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 코팅층의 두께는 20 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있고, 예를 들어 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 30 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 만일 코팅층의 두께가 20 ㎛ 미만인 경우 외부 수분과 건조한 환경에서 하이드로겔의 물리적, 기계적 안정성을 온전하게 확보하기 어려울 수 있으며, 300 ㎛를 초과하는 경우 하이드로겔의 유연성이 저하되는 등 소재 고유의 특성이 발휘되지 않을 수 있으므로, 상기 범위에서 적절히 조절하는 것이 필요하다.

일 구현예에서, 상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 스웰링도(swelling ratio)는 0 % 내지 100 % 일 수 있고, 예를 들어 0 % 내지 80 %, 0 % 내지 50 %, 0 % 내지 20 %, 바람직하게는 10 % 내지 20 %일 수 있다. 상기 하이드로겔의 스웰링도는 20 ℃ 내지 30 ℃, 습도 85 % 내지 100 % 조건의 공기중에서 측정된 것일 수 있다.

하이드로겔의 상기 공기중에서의 스웰링도는 예를 들어 하기와 같은 식으로 계산될 수 있다.

하이드로겔의 스웰링도 = [(공기 중에 일주일 간 방치한 코팅층이 형성된 하이드로겔의 무게)/(공기 중에 방치하기 전의 코팅층이 형성된 하이드로겔의 무게)] × 100

(단, 상기 스웰링도는 25 ℃, 습도 100 %에서 측정한 것임)

일 구현예에 따른 하이드로겔은 표면에 코팅층이 형성됨에 따라 외부 환경의 변화에 따라 하이드로겔의 물성이 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있고, 상기와 같이 공기 중에 일주일 간 방치한 스웰링 변화량이 미미한 한 것을 통해 외부 수분과 건조한 환경에서 하이드로겔의 물리적, 기계적 안정성을 온전하게 확보할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 물에 대한 접촉각은 80 ° 내지 120 °일 수 있고, 예를 들어 90 ° 내지 120 °, 100 ° 내지 120 °, 바람직하게는 110 ° 내지 120 °일 수 있다.

상기 하이드로겔의 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함함에 따라 소수성(hydrophobic) 특성을 유지할 수 있으며, 이 상태에서 물에 대한 코팅층 표면의 접촉각을 측정하면 110 ° 내지 120 °일 수 있다. 즉, 접촉각이 클수록 표면에 물방울이 맺히기 쉬워지므로, 외부 수분으로부터 코팅층이 둘러싸는 하이드로겔의 안정성을 확보할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 영률(Young's modulus)는 300 kPa 이상일 수 있고, 예를 들어 300 kPa 내지 2,000 kPa, 300 kPa 내지 1,000 kPa일 수 있다. 상기 하이드로겔의 영률은, 예를 들어 ASTM E111에 따라서 측정한 값일 수 있다.

즉, 일 구현예에 따른 하이드로겔 표면에 코팅층이 형성되어도, 코팅층이 형성되지 않은 하이드로겔과 비교하여 기계적 물성이 크게 변하지 않는 것일 수 있다.

일 구현예에 따른 상기 코팅층이 형성된 하이드로겔은 의료, 미용, 산업 분야 등에서 다양하게 활용될 수 있다. 예를 들어, 의료 분야에서 상기 하이드로겔은 약물을 로딩하는 DDS(Drug Delivery System)를 이용하여 상처를 치료하기 위한 드레싱 목적으로 사용될 수 있고, 얇고 둥근 막 형태로 제조하여 콘택트렌즈로써 이용될 수 있다. 또한, 상기 하이드로겔은 체내 대부분의 조직의 세포 외 기질과 구조적으로 유사하며, 적당한 물리적 강도를 지니고 있기 때문에 인공 장기 등으로 바람직하게 사용될 수 있다.

이하 상술한 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조 과정을 나타내는 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이드로겔의 코팅층 형성 원리를 나타내는 모식도다.

도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법은, 하이드로겔 표면에 프라이머(primer)를 도입하는 단계, 상기 하이드로겔 표면에 코팅 용액을 도포하는 단계 및 자외선을 조사하여 상기 하이드로겔 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 특히 상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 80 ℃ 이하인 것을 특징으로 한다.

우선 하이드로겔 표면에 프라이머를 도입한다. 상기 프라이머는 하이드로겔 표면에 코팅층 형성 물질이 잘 도입될 수 있도록 하는 역할을 하며, 도 2를 참조하면, 구체적으로 소수성의 코팅층 형성 물질이 하이드로겔과 상호 결합(crosslinking)할 수 있도록 하이드로겔 표면에 메틸기(methyl group)를 도입하는 것일 수 있다.

일 구현예에서, 상기 하이드로겔 표면에 프라이머(primer)를 도입하는 단계는, 상기 하이드로겔을 프라이머 용액에 침지시키는 단계를 포함하고, 상기 프라이머 용액은 HMPP(2-hydroxy-2-methylpropiophenone)를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 10 중량%의 HMPP 용액을 에탄올 용매에 분산시켜 프라이머 용액을 제조하고, 상기 프라이머 용액에 하이드로겔을 침지하여 하이드로겔 표면에 메틸기가 도입될 수 있도록 할 수 있다.

일 구현예에서, 상기 하이드로겔은 젤라틴계 하이드로겔, 아가로스계 하이드로겔 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 80 ℃ 이하일 수 있다. 보다 구체적인 하이드로겔에 대한 설명은 상기한 바와 같으므로 반복적인 설명은 생략한다.

다음으로, 표면에 프라이머가 도입된 하이드로겔에 코팅 용액을 도포한다.

상기 코팅 용액은 아크릴레이트계 단량체를 포함할 수 있으며, 구체적으로 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate), 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 아크릴레이트계 단량체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate)와 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate)이 혼합되는 경우, 상기 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate)와 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate)를 1:0.5 (v/v) 내지 0.5:1 (v/v), 0.7:1 (v/v) 내지 1:0.7 (v/v)로 포함할 수 있다. 상기 스테아릴 아크릴레이트 및 도데실 아크릴레이트는 바람직하게 1:1 (v/v)의 비율로 포함할 수 있으며, 수분이 많은 환경에서 코팅층이 수분에 용해되는 현상을 방지할 수 있다.

상기 코팅 용액은 용매를 더 포함하며, 아크릴레이트계 단량체를 효과적으로 분산시킬 수 있는 것이라면 그 종류에 구애되지 않으나, 예를 들어 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), 에탄올, 아세토나이트릴, MEK(Methyl Ethyl Ketone), 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 헥산 중 선택된 1종 또는 2 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 용매의 함량은 상기 코팅 용액의 물성이나 최종 제조되는 코팅층이 형성된 하이드로겔의 물성 또는 제조 공정 등을 고려하여 결정할 수 있다.

하이드로겔 표면에 코팅 용액을 도포하는 방법으로는 통상적으로 사용하는 도포 방법이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 스프레이 코터로 코팅 용액을 분무하는 방법, 코팅 용액이 담긴 용기에 하이드로겔을 담가 침지하는 방법 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

마지막으로, 상기 코팅 용액이 도포된 하이드로겔에 자외선을 조사하여 상기 하이드로겔 표면에 코팅층을 형성한다. 도 3을 참조하면, 자외선을 조사함으로써 하이드로겔 표면의 프라이머와 코팅층에 포함된 아크릴레이트계 단량체가 서로 상호 결합함으로써 소수성의 코팅층을 효과적으로 형성할 수 있다. 또한, 고온의 환경에서 장시간에 걸치지 않고도 효과적으로 코팅층을 형성할 수 있으므로, 하이드로겔의 소재 특성 변화를 일으키지 않고, 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 상대적으로 낮은 종류의 하이드로겔에도 코팅층을 형성시킬 수 있는 장점이 있다.

상기 자외선 조사 시간은 5 초 내지 10 분일 수 있고, 예를 들어 10 초 내지 10 분, 10 초 내지 5 분, 바람직하게는 30 초 내지 1 분 동안 조사할 수 있다.

만일 상기 자외선 조사 시간이 10 초 미만인 경우 하이드로겔 표면의 프라이머와 코팅층 내 아크릴레이트계 단량체가 온전하게 상호 결합하지 않아 코팅층이 형성되지 않거나 불완전하게 형성될 수 있는 문제가 있으며, 자외선 조사 시간이 10 분을 초과하면 과도한 경화가 진행되어 코팅층이 필요 이상으로 두꺼워질 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것으로 그 설명을 생략한다.

제조예 1: 아가로스계 하이드로겔의 제조

(1) 0.5 g의 아가로스를 95 ℃로 가온한 20 ml의 증류수에 충분히 녹인 후, 상기 아가로스 수용액에 4.8 g의 아크릴아마이드를 용해하여 아가로스계 모노머 용액을 제조하였다.

(2) 0.0038 g의 N,N'-메틸렌비스(아크릴아마이드)와 0.0248 g의 암모늄 퍼설페이트를 상온의 10 ml 증류수에 녹여서 가교 개시제 용액을 제조하였다.

(3) 상기 아가로스계 모노머 용액을 40 ℃으로 식힌 후, 상기 아가로스계 모노머 용액과 가교 개시제 용액을 충분히 혼합하여 하이드로겔 조성물을 제조하였다.

(4) 상기 조성물을 플라스틱 몰드로 옮겨 80 ℃에서 30분 동안 반응시키고, 성형된 아가로스계 하이드로겔을 몰드로부터 분리해내어 수득하였다.

제조예 2: 젤라틴계 하이드로겔의 제조

(1) 8 g의 젤라틴을 60 ℃로 가온한 16 ml의 증류수에 충분히 녹인 후, 상기 젤라틴 수용액에 14 g의 글루코스, 10 g의 글리세롤 및 2 g의 시트르산(Citric acid)을 용해하여 젤라틴계 모노머 용액을 제조하였다.

(2) 상기 모노머 용액을 플라스틱 몰드로 옮겨 실온에서 1시간 동안 반응시키고, 성형된 젤라틴계 하이드로겔을 몰드로부터 분리해내어 수득하였다.

실시예 1: 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조

상기 제조예 1에서 제조된 폴리아크릴아미드/아가로스 하이드로겔을 10 중량%의 HMPP(2-hydroxy-2-methylpropiophenone)/NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 용액에 넣고, 실온에서 10분 동안 침지시켜 폴리아크릴아미드/아가로스 하이드로겔 표면에 메틸기의 프라이머를 도입하였다.

이후, 도데실 아크릴레이트와 스테아릴 아크릴레이트를 1:1 (v/v)로 하여 에탄올 용매에 넣고 코팅 용액을 제조하였다. 상기 표면에 프라이머가 도입된 폴리아크릴아미드/아가로스 하이드로겔을 상기 제조한 코팅 용액에 10분간 침지한 다음 이를 꺼내, 자외선(UV)을 60초간 조사하여 폴리아크릴아미드/아가로스 하이드로겔에 코팅층을 형성하였다.

실시예 2: 코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조

상기 제조예 2에서 제조된 젤라틴 하이드로겔을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 코팅층이 형성된 젤라틴 하이드로겔을 제조하였다.

비교예 1: 코팅층이 형성되지 않은 하이드로겔의 제조

상기 실시예 1 대신, 상기 제조예 1에서 제조된 폴리아크릴아미드/아가로스 하이드로겔에 별도의 코팅층을 형성하지 않은 상태로 사용하였다.

비교예 2: 코팅층이 형성되지 않은 하이드로겔의 제조

상기 실시예 2 대신, 상기 제조예 2에서 제조된 젤라틴 하이드로겔에 별도의 코팅층을 형성하지 않은 상태로 사용하였다.

실험예 1: 하이드로겔 코팅층의 두께 측정 평가

자외선 조사 시간에 따른 코팅층의 두께 조절 특성을 확인하기 위해, 상기 실시예 1에서 제조한 하이드로겔의 자외선 조사 시간을 변화시키며 표면에 형성된 코팅층의 두께를 확인하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, 자외선의 조사 시간이 늘어날수록 하이드로겔 표면에 형성되는 코팅층의 두께가 증가하는 것을 통해, 본 발명에 따른 하이드로겔의 제조방법은 수 초 내지 수 분 동안의 자외선 조사에 의해 코팅층을 형성할 수 있으며, 조사 시간을 조절하여 원하는 두께 범위의 코팅층을 형성할 수 있음을 확인하였다.

실험예 2: 하이드로겔 표면과 코팅층 형성 여부 평가

(1) 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔에서, 하이드로겔의 표면과 코팅층에 포함된 아크릴레이트계 고분자 간의 화학 결합 형성 여부를 확인하기 위한 평가를 진행하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

이때, 평가는 상기 실시예 1 내지 실시예 2, 비교예 1 내지 비교예 2에 따른 하이도르겔을 접촉식 FTIR 기법인 감쇠전반사(Attenuated Total Reflection(ATR)) 방법을 이용하여 진행하였다.

도 5를 참조하면, 코팅층이 형성되지 않은 비교예 1 및 비교예 2에 따른 하이드로겔은 하이드로겔 표면의 -OH기의 IR 피크가 관찰되는 반면, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 하이드로겔은 표면에 소수성의 코팅층이 형성됨으로써, 코팅층이 형성되지 않은 하이드로겔에 비해 -OH기의 IR 피크가 관찰되지 않는 것을 확인하였다. 이로부터 본 발명에따른 하이드로겔 표면에 코팅층이 형성된 것을 알 수 있다.

(2) 또한, 하이드로겔의 코팅층 형성 여부를 확인하기 위하여 실시예 1에 따른 하이드로겔의 구조를 전자 현미경을 이용하여 확인하였다.

도 11은 실시예 1에 따른 하이드로겔의 전자 현미경 이미지를 나타낸 것이다. 도 11을 참조하면, 하이드로겔의 표면부에 코팅막이 형성된 것을 전자 현미경 이미지를 통해 명확하게 확인할 수 있다.

실험예 3: 하이드로겔의 인장 및 압축 평가

도 6은 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 압축 특성을 확인한 결과로서, 하이드로겔의 압축 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 인장 특성을 확인한 결과로서 영률(Young's modulus) 결과를 나타낸 것이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 실시예 1 내지 실시예 2에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 경우, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 코팅층이 형성되지 않은 하이드로겔에 비해 코팅층 형성 후 하이드로겔의 기계적 특성이 크게 변하지 않은 것을 확인할 수 있으며, 실시예 1에 따른 하이드로겔의 경우, 코팅층이 형성된 이후 오히려 외부 환경에 대응할 수 있도록 기계적 물성이 우수한 코팅층이 형성된 것을 알 수 있다.

실험예 4: 하이드로겔의 접촉각 측정 평가

도 8은 각각 비교예 1 및 실시예 1에 따른 하이드로겔의 표면과 물방울과의 접촉각을 확인한 이미지이다.

도 8을 참조하면, 비교예 1에 따른 하이드로겔의 경우, 표면 코팅층이 형성되지 않고, 하이드로겔 표면이 친수성을 나타냄에 따라 물방울과의 접촉각이 거의 형성되지 않는 반면, 실시예 1에 따른 하이드로겔의 경우, 하이드로겔 표면에 소수성을 띄는 코팅층이 형성되어 물방울과의 접촉각이 100 °정도로 증가한 것을 확인하였다. 따라서, 상기 접촉각 측정을 통하여 본 발명에 따른 하이드로겔 표면에 소수성의 코팅층이 효과적으로 형성된 것을 알 수 있다.

실험예 5: 하이드로겔의 항건조 특성 평가

본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 항건조 특성을 평가하기 위해, 실시예 1에 따른 하이드로겔을 직경 100 mm, 두께 3 mm의 원형으로 준비하고, 이를 공기중에 노출시켜 7일간 하이드로겔의 중량을 측정하여 항건조 특성을 확인하였다.

도 9는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 하이드로겔의 7일간 중량 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이고, 도 10은 실시예 1의 하이드로겔의 크기 변화를 관할한 것이다.

도 9를 참조하면, 비교예 1에 따른 하이드로겔은 공기 중에 노출된 시간이 늘어남에 따라 하이드로겔 내부의 수분이 증발하여, 하이드로겔의 겔 분율이 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 도 9의 겔 분율(weight fraction)은 하기와 같이 계산될 수 있다.

겔 분율(weight fraction)=(공기중에 노출 전 하이드로겔의 중량)/(공기중에 7일간 노출 후 하이드로겔의 중량)

반면, 도 9 및 도 10을 참조하면, 실시예 1에 따른 하이드로겔은 표면에 코팅층이 하이드로겔 내부의 수분 증발을 방지하여 7일 간 공기 중에 노출되더라도 중량 및 크기의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다.

실험예 6: 하이드로겔의 항팽윤 특성 평가

본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 항팽윤 특성을 평가하기 위하여, 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따른 하이드로겔을 각각 직경 1 cm의 구형으로 준비하고, 이를 50 ml의 물이 담긴 바이알에 담가 7일간 하이드로겔의 팽윤 특성을 확인하였다.

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 하이드로겔은 붉은색 염료, 실시예 2에 따른 하이드로겔은 녹색 염료을 투입하여, 하이드로겔의 팽윤 여부를 육안으로 확인하였다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 하이드로겔은 표면에 코팅층을 포함함에 따라, 하이드로겔의 수분 흡수를 방지하여 7일간 물속에 담지된 환경에서도 하이드로겔이 거의 팽윤되지 않은 것을 알 수 있는 반면, 비교예 2에 따른 하이드로겔은 표면 코팅층을 포함하지 않음에 따라 3일이 경과한 이후 하이드로겔이 물에 완전히 녹는 것을 알 수 있다.

실험예 7: 하이드로겔 코팅층의 인장 특성 평가

도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 하이드로겔의 인장 특성을 확인한 결과를 나타낸다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 실시예 1에 따른 하이드로겔을 70%의 인장 변형률의 외력을 1회, 10회, 20회, 30회, 40회 및 50회 연속 가하더라도, 코팅층의 접촉각의 변화가 거의 없는 것을 확인하였다.

이에 따라, 실시예 1에 따른 하이드로겔의 표면 코팅층은 외부 환경에도 우수한 내구성을 부여할 수 있는 기계적 특성을 보이는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

1. 하이드로겔; 및
   상기 하이드로겔의 표면에 형성된 코팅층을 포함하고,
   상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 30 ℃ 내지 80 ℃이고,
   상기 하이드로겔은 젤라틴계 하이드로겔, 아가로스계 하이드로겔 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고,
   상기 코팅층은 상기 하이드로겔 표면에 상기 하이드로겔의 졸-겔 전이온도보다 낮은 온도에서 프라이머(primer)를 도입한 뒤 코팅 용액을 도포한 다음 자외선을 조사하여 형성되고,
   상기 코팅층은 30초 내지 5분 간의 자외선 조사에 따라 코팅층의 두께를 조절할 수 있는 것인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
2. 삭제
3. 제1항에서,
   상기 코팅층은 아크릴레이트계 고분자를 포함하는 것인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
4. 제3항에서,
   상기 아크릴레이트계 고분자는 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate) 유래 중합 단위, 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 유래 중합 단위 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 중합 단위를 포함하는 것인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
5. 제1항에서,
   상기 코팅층의 두께는 20 ㎛ 내지 300 ㎛인 것인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
6. 제1항에서,
   상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 25 ℃ 내지 30 ℃, 습도 85 % 내지 100 % 조건에서의 스웰링도(swelling ratio)는 0 % 내지 20 %인 것인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
7. 제1항에서,
   상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 물에 대한 접촉각은 80 ° 내지 120 °인 것인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
8. 제1항에서,
   상기 코팅층이 형성된 하이드로겔의 영률이 300 kPa 이상인,
   코팅층이 형성된 하이드로겔.
9. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 코팅층이 형성된 하이드로겔을 포함하는 인공 장기.
10. 하이드로겔 표면에 프라이머(primer)를 도입하는 단계;
    상기 하이드로겔 표면에 코팅 용액을 도포하는 단계; 및
    자외선을 조사하여 상기 하이드로겔 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 하이드로겔은 젤라틴계 하이드로겔, 아가로스계 하이드로겔 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이고,
    상기 하이드로겔은 졸-겔(Sol-Gel) 전이온도가 30 ℃ 내지 80 ℃이고,
    상기 프라이머는 상기 하이드로겔의 졸-겔 전이온도보다 낮은 온도에서 도입되고,
    상기 코팅층은 30초 내지 5분 간의 자외선 조사에 따라 그 두께가 조절되는 것인,
    코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법.
11. 삭제
12. 제10항에서,
    상기 코팅 용액은 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate), 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 아크릴레이트계 단량체를 포함하는 것인,
    코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법.
13. 제10항에서,
    상기 하이드로겔 표면에 프라이머(primer)를 도입하는 단계는,
    상기 하이드로겔을 프라이머 용액에 침지시키는 단계를 포함하고,
    상기 프라이머 용액은 HMPP(2-hydroxy-2-methylpropiophenone)를 포함하는 것인,
    코팅층이 형성된 하이드로겔의 제조방법.
14. 삭제

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