KR102647334B1 - 생분해성 전도성 고분자 섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents

생분해성 전도성 고분자 섬유 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 체내 삽입 후 일정시간이 경과하면 생분해되어 사라지는 생분해성 유연 섬유 추출기술과 생분해성 재료를 기반으로 전도성 전극을 제작하는 기술로 제조한 생분해성 전도성 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 용융 추출(melt drawing) 공정을 통하여 생분해성 고분자 섬유를 제작하고, 입자 표면 삽입 기술을 통하여 상기 생분해성 고분자 섬유에 전도성을 부여하여 제조된 코어-쉘 타입의 생분해성 전도성 고분자 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

생분해성 전도성 고분자 섬유 및 이의 제조방법 {Biodegradable conductive polymer fiber and manufacturing method thereof}
본 발명은 생분해성 전도성 고분자 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 용융 추출(melt drawing) 공정을 통하여 생분해성 고분자 섬유를 제작하고, 입자 표면 삽입 기술을 통하여 상기 생분해성 고분자 섬유에 전도성을 부여하여 제조된 생분해성 전도성 고분자 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
생체 신호를 측정하기 위해 제작된 체내 삽입 센서(이식용 의료기기)는 체내 복잡한 구조의 장기나 조직에 부착해야 한다. 따라서 종래에는 섬유 형태의 전도성 전극을 제작하여 체내에 안정적으로 고정이 가능한 섬유 센서를 제작하였다. 하지만 이러한 체내 삽입형 센서의 경우 사용 후 제거하기 위해서는 추가적인 수술이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 본 종래기술을 포함한 기존 보고된 여러 기술들의 경우, 사용 후 체내에서 분해되어 사라질 수 있는 생분해성 재료를 기반의 체내 삽입 센서에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다. 하지만 기존의 생분해성 전극들의 구조는 평면 형태이기 때문에 복합한 구조를 가지는 체내 장기나 조직에 안정적으로 부착할 수 있는 섬유형태의 센서 제작에 한계가 있다.
Implantable and Biodegradable Poly(l-lactic acid) Fibers for Optical Neural Interfaces(Fu et al. Advanced Optical Materials, February 5, 1700941 (2018))
본 발명의 일 목적은 유연성이 우수하고 생분해 속도가 빨라 체내에 삽입하는 전극을 제작하기에 적합한 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 전항성이 낮고 안정성과 내구성이 높아 이식용 센서에 사용하기 적합한 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유는 생분해성 고분자 물질을 용융 추출(melt drawing)하여 제조된 고분자 섬유(fiber)인 코어(core) 및 코어를 감싸는 형태이고, 고분자 섬유 및 전도성 입자가 융합된 쉘(shell)을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 용융 추출은 생분해성 고분자 물질을 가열한 후, 추출수단을 이용하여 용융된 생분해성 고분자에서 고분자 섬유를 추출하고, 추출수단의 직경 및 고분자 섬유를 추출하는 추출 속도에 의해 고분자 섬유의 직경이 조절될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 유기 용매 및 전도성 입자를 포함하는 혼합 용액을 제조한 후 고분자 섬유를 상기 혼합 용액에 투입하여 교반하고, 유기 용매는 상기 고분자 섬유의 표면을 녹일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 혼합 용액은 고분자 섬유 표면의 유연성을 향상시키고, 쉘에서 전도성 입자의 분포를 균일하게 하는 추가 유기 용매를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 쉘은 고분자 섬유의 녹은 표면 및 전도성 입자가 얽혀 형성될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 추가 유기 용매는 테트라글리콜(tetraglycol)일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 생분해성 고분자 분말은 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL), 폴리프로필렌카보네이트(Polypropylene carbonate; PPC), 폴리락테이트-co-글라클레이트(Poly(lactide-co-glycolide; PLGA), 폴리L-락타이드(Poly(L-lactide); PLLA) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 고분자 섬유의 직경은 0.2mm 내지 1mm일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 혼합 용액의 온도는 30
Figure 112022025709292-pat00001
내지 40
Figure 112022025709292-pat00002
일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 유기 용매는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 디메틸포름아미드(N, N-Dimethylformamide), 아세톤(Acetone), 클로로포름(Chloroform) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 전도성 입자의 크기는 1μm 내지 100μm 일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 전도성 입자는 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 혼합 용액을 구성하는 상기 유기 용매, 상기 전도성 입자 및 상기 추가 유기 용매의 중량 비율은 5:90:5 내지 10:80:10일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 교반은 5초 내지 1분 동안 진행할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 교반은 2회 내지 6회 반복할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조방법은 생분해성 고분자 분말을 용융 추출(melt drawing)하여 고분자 섬유인 코어(core)를 제조하는 단계, 유기 용매, 전도성 입자 및 추가 유기 용매를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계 및 상기 고분자 섬유를 투입한 혼합 용액의 교반을 통해 고분자 섬유에 전도성 입자를 삽입하여 고분자 섬유와 전도성 입자가 얽힌 쉘(shell)을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 생분해성 전도성 고분자 섬유는 섬유 형태이며, 유연성이 우수하여 체내 장기나 조직에 안정적으로 부착할 수 있다.
본 발명에 따르면, 생분해성 전도성 고분자 섬유는 체내에서 분해되어 사라지므로 폐기물이 발생되지 않고, 이를 제거하기 위한 추가 수술이 발생하지 않는다.
본 발명에 따르면, 생분해성 전도성 고분자 섬유는 전기 전항성이 낮고 기계적 변형에 대한 안정성과 내구성이 높다.
본 발명에 따르면, 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제조하는 데 필요한 전도성 입자의 양을 줄일 수 있어 효율적인 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유를 도시한 것이다.
도 2는 용융 추출 공정 상에서 유리막대 및 추출 속도의 직경에 따른 PCL 섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 사진이며, 도 3b 및 도 3c는 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 SEM 이미지이다.
도 4a는 입자 표면 삽입 공정에서 교반하는 횟수에 따른 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 저항 변화 그래프이며, 도 4b는 입자 표면 삽입 공정에서 몰리브덴 농도에 따른 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 저항 변화 그래프이고, 도 4c는 입자 표면 삽입 공정에서 테트라글리콜 농도에 따른 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 저항 변화 그래프이다.
도 5는 굽힘(bending) 반복 횟수에 따른 저항 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 생분해성 전도성 고분자 섬유에 대한 생분해성 평가를 진행하기 위하여 37 ℃, pH 7.4의 PBS 용액에 넣어둔 생분해성 전도성 PCL 섬유의 사진이고, 도 6b는 시간의 경과에 따른 생분해성 전도성 PCL 섬유의 무게 변화 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유 제조방법의 용융 추출 공정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유 제조방법의 입자 표면 삽입 기술의 공정을 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예" "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 "표면에", "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발 달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미 를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미 와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으 로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필 요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
전도성을 띠는 고분자 섬유를 얻기 위해서는 전도성 입자를 고분자 섬유의 표면에 코팅하거나 전도성 입자와 액체화된 고분자를 혼합한 후 섬유상의 고분자로 추출하는 방법을 이용할 수 있다. 하지만 전도성 입자를 코팅할 경우 고분자 섬유 표면 한 층만 코팅되며, 이렇게 되면 전도성 입자의 밀도가 낮아 전도성을 얻기 어렵다. 마찬가지로 전도성 입자와 액체화된 고분자를 혼합하여 추출하는 경우에도 고분자 섬유의 표면에서 같은 정도의 전도성을 나타내려면 전도성 입자를 많은 양 투입해야 한다.
이에 본 발명에서는 적은 양의 전도성 입자로도 전도성을 충분히 확보하기 위하여 고분자 섬유에 전도성 입자를 삽입하는 입자 표면 삽입 기술을 이용하였다. 본 발명은 체내 삽입 후 일정시간이 경과하면 생분해되어 사라지는 생분해성 유연 섬유 추출기술과 생분해성 재료를 기반으로 전도성 전극을 제작하는 기술로 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제조하는 것에 관하며, 상기 생분해성 전도성 고분자 섬유는 전도성 입자가 고분자 섬유의 표면에 한 겹(layer) 코팅된 경우와 달리 고분자 섬유와 전도성 입자가 엉켜 융합된 쉘(shell) 형태를 나타내므로 종래의 기술보다 적은 양의 전도성 입자를 투입하더라도 충분한 전도성을 나타낼 수 있다. 생분해성 전도성 고분자 섬유는 전극으로 사용할 수 있으며, 기본적으로 우수한 전도성을 갖고, 섬유 전극이 변형되어도 낮은 전기 저항을 유지할 수 있으며, 사용 후 몸 속에서 분해되어 사라지기 때문에 유연 센서, 압력 센서 등 다양한 소프트 일렉트로닉스 기기에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유(100)는 생분해성 고분자 물질을 용융 추출(melt drawing)하여 제조된 고분자 섬유(fiber)인 코어(core)(111), 코어(111)를 감싸는 형태이고, 고분자 섬유(111) 및 전도성 입자가 융합된 쉘(shell)(120)을 포함한다.
실시예에 따라 상기 용융 추출은 상기 생분해성 고분자 분말을 가열한 후, 추출수단을 이용하여 용융된 생분해성 고분자에서 상기 고분자 섬유를 추출할 수 있다. 용융 추출하는 공정은 생분해성 고분자 분말에 열을 가하여, 용융된 생분해성 고분자에서 추출수단으로 생분해성 고분자를 섬유 형태로 끌어올리는 과정일 수 있다. 생분해성 고분자를 이용하여 전극을 제작하기 때문에 체내 삽입형 센서를 제거하기 위한 이차 수술이 필요 없고, 폐기물도 발생하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융 추출 공정에서 사용하는 생분해성 고분자 물질의 형태는 분말, 크리스탈, 펠렛 등으로 다양하게 사용할 수 있다. 용융 추출 공정에서 먼저 생분해성 고분자 물질을 각 고분자의 용융 온도에 따라 가열할 수 있다. 그 후 생분해성 고분자 물질이 액체 상태가 되면, 추출수단(10)의 한쪽 끝을 용융된 생분해성 고분자(110)에 넣었다가 위로 끌어올려 섬유 상의 생분해성 고분자를 추출할 수 있다. 이 때 생분해성 고분자 물질은 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL), 폴리프로필렌카보네이트(Polypropylene carbonate; PPC), 폴리락테이트-co-글라클레이트(Poly(lactide-co-glycolide; PLGA), 폴리L-락타이드(Poly(L-lactide); PLLA) 중 어느 하나를 선택할 수 있고, 바람직하게는 폴리카프로락톤(PCL)을 사용할 수 있다.
유연한 생분해성 고분자 중에서도 PCL은 PLLA보다 녹는점이 낮아 상대적으로 저온에서 용융 추출 공정을 진행할 수 있어, 가열하는 데 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
생분해성 고분자 물질을 가열하는 온도는 60℃내지 220℃일 수 있으나, 고분자의 종류에 따라 가열 온도는 이에 한정되지 않는다.
또한, 실시예에 따라서는, 상기 추출수단의 직경 및 상기 고분자 섬유를 추출하는 추출 속도에 의해 상기 고분자 섬유의 직경이 조절될 수 있다. 추출 속도는 0.5 mm/s 내지 5 mm/s일 수 있으며, 추출 속도는 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조 목적에 따라 다양하게 조절 가능하다.
상기 추출수단은 유리막대(glass rod), 금속막대, 내열성 소재 기반의 막대 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 추출수단의 직경은 2mm 내지 10mm일 수 있다. 추출수단의 직경은 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조 목적에 따라 다양하게 조절 가능하다. 이와 같은 추출수단의 직경에 따라 추출되는 고분자 섬유의 직경이 결정될 수 있다. 또한, 고분자 섬유를 추출하는 속도에 따라서도 고분자 섬유의 직경이 조절될 수 있는데, 추출 속도(drawing rate)와 고분자 섬유의 직경은 반비례하는 형태를 나타낸다. 추출 속도의 조절을 통해 체내 삽입형 센서에 적합한 전극을 만들기 위한 생분해성 전도성 섬유의 두께와 길이를 용이하게 조절하는 것이 가능하다.
고분자 섬유를 추출한 후, 고분자 섬유에 인장변형(tensile strain)을 가하는 과정을 기계적 후처리라고 한다. 이러한 기계적 후처리 과정은 반결정질 구조를 가지는 고분자로 진행된다. 반결정질 고분자의 구조는 층상 구조인 결정질 영역과 비결정질 영역으로 나뉘고, 결정질 영역과 다른 결정질 영역의 사이가 비결정질 고분자 사슬로 연결되어 있는 구조이다. 용융 추출한 반결정질 고분자 섬유에 인장 하중을 가하여 인장변형하면 고분자의 기계적 강도가 증가한다. 구체적으로는, 반결정질 고분자에 고분자 고유의 탄성 구간을 초과하는 외력을 가하면 결정질 영역에서 결정질 블록 간의 분리가 일어나게 되고, 인장변형이 일어난 방향으로 고분자 내부 사슬이 정렬된다. 이처럼 고분자 섬유에 일정 수준의 인장변형을 수행하면, 고분자 내부 사슬이 정렬되기 때문에, 추가 변형을 하기 위해서는 더 큰 힘이 필요하므로 고분자 섬유의 기계적 강도가 증가하는 것이다. 또한, 이때 인장변형이 일어난 방향으로 정렬되는 고분자 내부 사슬로 인해 고분자의 길이는 늘어나고, 직경은 줄어들게 된다.
본 발명에 따르면 용융 추출된 고분자 섬유의 기계적 후처리는 상온에서 수행되며, 이를 통해 기계적 후처리를 수행하기 전보다 인장 강도가 1.5배 내지 2배 증가한다.
다만, 고분자 섬유에 입자 표면 삽입 공정을 통해 전도성 입자를 삽입한 후 인장변형 과정을 진행하면 고분자 섬유의 길이가 늘어나며 삽입되어 있던 전도성 입자들의 거리가 멀어지게 되어 전기적 성능이 사라진다. 따라서 전기 전도 성능을 가지며 동시에 기계적 강도가 높은 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제조하기 위해서는 고분자 섬유를 추출한 후, 인장 하중을 가해 인장변형 공정을 진행하고, 마지막으로 전도성 입자를 삽입하는 일련의 순서가 중요하다.
이와 같이 생분해성 고분자 섬유를 출력 후 반결정성 고분자 분자구조의 특성을 이용하여 기계적 후처리(인장 변형)을 통해 더욱 얇은 두께와 높은 기계적 강도를 갖는 생분해성 유연 섬유를 제작하는 것이 가능하다.
또한, 실시예에 따라서는, 유기 용매 및 전도성 입자를 포함하는 혼합 용액을 제조한 후 교반할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유는 입자 표면 삽입 기술을 이용하여 제조된다. 상기 입자 표면 삽입 기술은 유기 용매, 전도성 입자, 추가 유기 용매를 포함하는 혼합 용액을 제조한 후, 용융 추출한 고분자 섬유를 혼합 용액에 투입하여 교반하는 공정을 통해 고분자 섬유의 표면에 전도성 입자를 삽입하는 기술을 의미한다. 이렇게 형성된 생분해성 전도성 고분자 섬유는 코어(core) 및 코어를 감싸는 쉘(shell) 구조를 이루며, 코어는 용융 추출을 통해 제조된 고분자 섬유를 의미하고, 쉘(shell)은 고분자 섬유의 표면과 전도성 입자가 엉켜 융합된 영역을 의미한다.
또한, 실시예에 따라서는, 상기 유기 용매는 상기 고분자 섬유의 표면을 녹일 수 있다.
입자 표면 삽입 기술 공정에서 혼합 용액을 제조할 때, 유기 용매는 혼합 용액에 넣을 생분해성 고분자 섬유를 용해시키는 용도로 사용할 수 있다. 따라서 유기 용매 선택 시 각 생분해성 고분자 섬유를 녹일 수 있는 용매를 선택하여 사용하는데, 강한 유기 용매를 사용하면 전도성 입자가 고분자에 잘 삽입되지만, 고분자가 과하게 용해될 수 있으므로, 적절한 강도의 유기 용매를 사용해야 한다. 유기 용매로는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 디메틸포름아미드(N, N-Dimethylformamide), 아세톤(Acetone) 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
예를 들어, 고분자 섬유로 폴리카프로락톤(PCL)을 사용한 경우에는 바람직한 유기 용매로 테트라하이드로퓨란을 선택할 수 있다. 유기 용매로 아세톤을 사용하면 고분자 섬유를 용해시키는 강도가 너무 약해서 고분자 섬유의 표면을 적절히 녹이지 못하며, 유기 용매로 클로로포름을 사용하면 고분자 섬유를 용해시키는 강도가 너무 강해 고분자 섬유의 표면뿐만 아니라 고분자 섬유 전체를 녹이게 되므로 폴리카프로락톤을 용해시키는 능력이 중간정도인 테트라하이드로퓨란을 사용할 수 있다. 유기 용매는 사용하는 고분자의 종류에 따라 변경될 수 있다.
생분해성 전도성 고분자 섬유를 제조하기 위한 고분자 섬유의 직경은 0.2mm 내지 1mm인 것을 사용할 수 있다. 고분자 섬유의 직경이 1mm를 초과하면 삽입된 전도성 입자의 밀도가 낮아 충분한 전도성이 확보되지 못할 수 있으며, 고분자 섬유의 직경이 0.2mm 이하이면 입자 표면 삽입 공정을 진행하는 동안 고분자 섬유가 모두 녹아버릴 수 있다.
혼합 용액 제조 시, 전도성 입자는 생분해성 전도성 입자를 이용할 수 있다. 전도성 입자의 크기는 1μm 내지 100μm인 것을 사용할 수 있으며, 전도성 입자는 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 안전성과 체내에서 비교적 오랜 시간 유지되는 전기적 성능을 가진 전도성 입자로 바람직하게는 몰리브덴을 선택할 수 있다. 마그네슘은 일반적으로 사용되는 생분해성 전도성 입자이지만 물과 반응하여 인화성 가스를 생성하므로 화재 발생 위험이 있어 마그네슘을 사용할 시에는 취급에 주의가 필요하다. 마그네슘과 달리 물에 노출되어도 인화성 가스가 발생하지 않는 물질들 중 몰리브덴은 체액에 노출되어도 잘 분해되지 않아 전기적 성능이 비교적 오래 유지되는 장점이 있다.
사용되는 전도성 입자의 크기에 따라 부여되는 저항 값이 달라지며, 적절한 크기의 입자를 찾아야 한다.
혼합 용액 상의 전도성 입자 농도는 3 wt% 내지 10 wt%일 수 있으며, 전도성 입자 농도가 증가하면, 생분해성 고분자 섬유에 더 많은 전도성 입자가 삽입되므로 전도성 입자의 농도가 증가할수록 생분해성 전도성 고분자 섬유의 저항 값이 감소한다. 바람직하게는 10 wt%일 때 생분해성 전도성 고분자 섬유의 저항 값이 가장 낮다.
혼합 용액 내 전도성 입자의 농도가 3 wt% 미만이면, 생분해성 전도성 고분자 섬유의 전기 전도도가 너무 낮아 전도성 섬유 전극으로 사용하기 적합하지 않으며, 전도성 입자의 농도가 10 wt%를 초과하면, 전도성 입자의 입자 표면 삽입 과정에서 고분자 섬유의 표면에 전도성 입자가 뭉치는(agglomeration) 현상이 발생하여, 전기 전도도가 불균일한 생분해성 전도성 고분자 섬유가 생성되고, 이에 따라 균일한 생분해성 전극을 제조하는 데 어려움이 따른다.
또한, 실시예에 따라서는, 상기 혼합 용액은 상기 고분자 섬유의 유연성을 향상시킬 수 있다.
혼합 용액 중 추가 유기 용매는 생분해성 전도성 고분자 섬유의 표면에서 윤활유(Lubricant) 역할을 하여 생분해성 전도성 고분자 섬유의 유연성을 향상시킬 수 있다. 이는 생분해성 전도성 고분자 섬유에 인장 변형을 가하면, 전도성 입자와 전도성 입자 간, 전도성 입자와 고분자 간, 고분자와 고분자 간에 가해지는 마찰력을 추가 유기 용매가 감소시키며, 이로 인해 고분자 사슬 사이의 이동도가 증가하기 때문에 생분해성 전도성 고분자 섬유의 유연성이 증가하는 것이다.
이와 같이 유연성의 향상으로 인해 생분해성 전도성 고분자는 굽힘과 같은 기계적 자극이 가해져도 전기적 연결이 쉽게 끊어지지 않고, 전기적 성능이 잘 유지된다. 이로 인해 본 발명에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유는 전도성 전극으로 제조되어 체내의 입체적이고 복잡한 구조의 장기나 조직에 부착하기 용이하다.
또한, 추가 유기 용매는 전도성 입자의 분포도를 향상시키므로 쉘에서 상기 전도성 입자의 분포를 균일하게 하여 전도성이 부여된 고분자 섬유는 낮은 전기 저항성을 갖을 수 있다. 이에 따라 추가 유기 용매의 농도가 증가할 수록 생분해성 전도성 고분자 섬유의 저항 값이 감소한다.
또한, 실시예에 따라서는, 상기 쉘에서 상기 전도성 입자의 분포를 균일하게 하는 추가 유기 용매를 더 포함할 수 있다.
추가 유기 용매는 테트라글리콜을 사용할 수 있으며, 테트라글리콜은 테트라에틸렌 글리콜(tetra ethylene glycol)과 동일한 물질이다. 혼합 용액을 구성하는 유기 용매, 전도성 입자 및 추가 유기 용매의 중량 비율은 5:90:5 내지 10:80:10일 수 있으며, 바람직하게는 10:80:10의 중량 비율을 가질 수 있다.
추가 유기 용매의 농도가 3 wt% 미만일 경우에는 생분해성 전도성 고분자 섬유의 표면이 유연성을 나타내기 부족하여 굽힘과 같은 기계적 자극이 가해질 시, 전기적 연결이 끊어지기 쉽다. 10 wt%를 초과하면 고분자 섬유를 녹이기 위해 사용하는 유기 용매의 비중이 감소하여 고분자 섬유의 표면에 전도성 입자가 충분히 삽입되지 않을 수 있다.
또한, 실시예에 따라서는, 입자 표면 삽입 공정에서 혼합 용액의 온도는 30℃ 내지 40℃로 유지할 수 있다. 혼합 용액의 온도가 30℃ 이상일 때 혼합 용액에 투입한 고분자 섬유가 유기 용매에 의해 잘 용해되며, 혼합 용액의 온도가 증가할수록 유기 용매에 의한 고분자 섬유의 용해도가 증가하나, 40℃를 넘으면 고분자 섬유가 녹아내려 전도성 입자를 삽입할 수 없게 된다.
또한, 실시예에 따라서는, 고분자 섬유를 투입한 혼합 용액의 교반은 5초 내지 1분 동안 진행한다. 교반을 너무 짧은 시간 진행할 경우 전도성 입자가 고분자 섬유의 표면에 충분히 삽입되지 않으며, 교반을 너무 오랜 시간 진행할 경우 이미 삽입되어 있던 전도성 입자가 떨어져 나갈 가능성이 있다.
또한, 실시예에 따라서는, 고분자 섬유를 투입한 혼합 용액의 교반은 2회 내지 6회 반복하고, 바람직하게는 6회 반복할 수 있다. 교반 횟수가 증가하면 생분해성 고분자 섬유에 삽입되는 전도성 입자의 양이 증가하여 생분해성 전도성 고분자 섬유의 전기 저항 값이 감소한다. 고분자 섬유를 투입한 혼합 용액의 교반을 6회 반복 시 가장 낮은 전기 저항 값을 갖으며, 교반을 더 많이 반복하더라도 저항 값은 유지된다.
이와 같은 과정을 통해 코어 부분인 생분해성 고분자 섬유와 고분자 섬유 및 전도성 입자가 융합된 쉘을 포함하는 생분해성 전도성 고분자 섬유가 제조될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
[실시예 1]
내열성 용기에 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL) 펠렛(pellet) 25g을 투입하고 핫플레이트로 100 ℃에서 60분 간 가열한다.
PCL 펠렛이 완전히 용융되어 액체 상태가 되면, 직경 8mm의 유리막대로 용융된 PCL을 섬유 상으로 끌어올려 3mm/s의 속도로 추출하여 직경 0.4mm의 PCL 섬유를 제조한다.
바이알(vial)에 테트라하이드로퓨란 1.6g, 몰리브덴 0.2g, 테트라글리콜 0.2g을 투입하여 혼합 용액을 제조한다.
제조된 PCL 섬유를 혼합 용액에 담근 상태로 5초 동안 6회 교반하여 전도성을 갖는 생분해성 PCL 섬유를 제조한다.
도 2는 용융 추출 공정 상에서 유리막대 및 추출 속도의 직경에 따른 PCL 섬유의 직경 변화를 나타낸 그래프이다. 그래프를 참고하면 유리막대의 직경이 증가하면 더 굵은 형태의 PCL 섬유가 뽑혀 나오며, 추출 속도가 증가하면 더 가느다란 형태의 PCL 섬유가 뽑혀 나오는 것을 알 수 있다. 이를 통해 고분자 섬유의 직경을 제어하기 위해 용융 추출 공정에서 추출 수단의 직경 혹은 추출 속도를 조절하면 됨을 알 수 있다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 사진이며, 도 3b 및 도 3c는 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 SEM 이미지이다.
도 3b 에서 전도성 PCL 섬유는 코어-쉘 형태를 보이며, 내부의 코어는 PCL 섬유, PCL 섬유를 감싸고 있는 쉘은 도 3c를 참고하면 PCL과 몰리브덴이 서로 얽혀있는 모습을 보인다. SEM 이미지를 통해 본 발명에 따른 전도성 고분자 섬유는 겉표면에만 전도성 입자가 코팅된 것이 아니고 전도성을 충분히 발현할 만큼 전도성 입자가 고분자 섬유 상에 삽입된 형태를 확인할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 전기 저항 값이 최소인, 즉 전도성이 가장 우수한 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제조하기 위한 최적의 조건을 찾는 실험 상의 그래프이다. 도 4a는 입자 표면 삽입 공정에서 교반하는 횟수에 따른 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 저항 변화 그래프이며, 도 4b는 입자 표면 삽입 공정에서 몰리브덴 농도에 따른 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 저항 변화 그래프이고, 도 4c는 입자 표면 삽입 공정에서 테트라글리콜 농도에 따른 몰리브덴이 삽입된 전도성 PCL 섬유의 저항 변화 그래프이다.
도 4a를 참고하면, 고분자 섬유를 투입한 혼합 용액의 교반을 반복할수록 전도성 PCL 섬유의 전기 저항이 감소하며, 저항 값이 반복 횟수 6회에 수렴하므로, 도 7b 및 도 7c는 교반 공정을 6회 반복하여 실험을 진행하였다.
도 4b를 참고하면, 혼합 용액 상의 몰리브덴의 농도가 높아질수록 전도성 PCL 섬유의 저항이 감소하며, 몰리브덴의 농도가 혼합 용액 대비 10wt%일 때 가장 낮은 저항 값을 보였다.
도 4c를 참고하면, 혼합 용액 상의 테트라글리콜 농도가 증가할수록 전도성 PCL 섬유의 저항이 감소하는 형태를 보이며, 테트라글리콜의 농도가 혼합 용액 대비 10wt%일 때 가장 낮은 저항 값을 보였다.
도 5는 굽힘(bending) 반복 횟수에 따른 저항 변화량을 나타낸 그래프이다. 전도성 PCL 섬유를 제작할 때 사용한 테트라글리콜로 인하여 유연한 전도성 고분자 섬유가 형성된다. 도 5에서는 전도성 PCL 섬유에 기계적 힘(굽힘)을 반복하여 가하는 테스트를 진행하였으며, 굽힘을 1000번 반복하더라도 전도성이 초기 성능의 20%밖에 감소하지 않아, 전기적 성능이 안정적으로 유지된다. 본 발명에 따른 생분해성 전도성 섬유는 우수한 내구성(durability)을 나타냄을 알 수 있다.
도 6a는 생분해성 전도성 고분자 섬유에 대한 생분해성 평가를 진행하기 위하여 37 ℃, pH 7.4의 PBS 용액에 넣어둔 생분해성 전도성 PCL 섬유의 사진이고, 도 6b는 시간의 경과에 따른 생분해성 전도성 PCL 섬유의 무게 변화 그래프이다. 도 6b를 참고하면, 약 한달 (28일) 경과 후, 생분해성 전도성 PCL 섬유의 무게는 30% 정도 감소하였다. 이후 생분해성 전도성 PCL 섬유의 무게는 지속적으로 감소하여 98일 경과 후에 남은 생분해성 전도성 PCL 섬유의 무게는 최초 무게의 약 42%인 것을 확인할 수 있으며, 본 발명에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유의 생분해성이 우수함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 생분해성 고분자 물질을 용융 추출(melt drawing)하여 고분자 섬유인 코어(core)를 제조하는 단계(S710), 유기 용매, 전도성 입자, 추가 유기 용매를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계(S720) 및 혼합 용액에 고분자 섬유를 담근 후 교반을 통해 고분자 섬유에 전도성 입자를 삽입하여 고분자 섬유와 전도성 입자가 얽힌 쉘(shell)을 제조하는 단계 (S730)를 포함한다.
단계 S710에서 용융 추출하는 공정은 생분해성 고분자 물질에 열을 가하여, 용융된 생분해성 고분자에서 추출수단으로 생분해성 고분자를 섬유 형태로 끌어올리는 과정이다. 생분해성 고분자를 이용하여 전극을 제작하기 때문에 체내 삽입형 센서를 제거하기 위한 이차 수술이 필요 없고, 폐기물도 발생하지 않는다. 이하 도 8을 참조하여 용융 추출 공정을 상세히 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유 제조방법의 용융 추출 공정을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 고분자 섬유의 제조방법의 용융 추출 공정은 생분해성 고분자 물질을 각 고분자의 용융 온도에 따라 가열하는 공정을 포함할 수 있다.
이후 생분해성 고분자 물질이 액체 상태가 되면, 추출수단(10)의 한쪽 끝을 용융된 생분해성 고분자(110)에 넣었다가 위로 끌어올려 섬유 상의 생분해성 고분자를 추출한다.
추출수단(10)의 직경에 따라 추출되는 고분자 섬유의 직경이 결정될 수 있다. 또한, 고분자 섬유를 추출하는 속도에 따라서도 고분자 섬유의 직경이 조절될 수 있으며, 추출 속도(drawing rate)와 고분자 섬유의 직경은 반비례하는 형태를 나타낸다. 추출 속도의 조절을 통해 체내 삽입형 센서에 적합한 전극을 만들기 위한 생분해성 전도성 섬유의 두께와 길이를 용이하게 조절하는 것이 가능하다.
다시 도 7을 참조하면, 단계 S720 및 단계 S730은 입자 표면 삽입 기술을 이용하여 생분해성 전도성 고분자 섬유를 제조하는 단계이다. 이하 도 9를 참조하여 입자 표면 삽입 기술의 공정을 상세히 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 전도성 고분자 섬유 제조방법의 입자 표면 삽입 기술의 공정을 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생분해성 고분자 섬유의 제조방법의 입자 표면 삽입 기술은 생분해성 고분자 섬유(111), 유기 용매(30), 전도성 입자(20), 추가 유기 용매(미도시)를 포함하는 혼합 용액을 제조한 후(S720), 고분자 섬유를 담근 혼합 용액을 교반하는 공정을 통해 고분자 섬유(111)에 전도성 입자(20)를 삽입(S730)하는 기술을 의미한다. 이렇게 형성된 생분해성 전도성 고분자 섬유(100)는 코어(core)(111) 및 코어를 감싸는 쉘(shell)(120) 구조를 이루며, 코어(111)는 생분해성 전도성 고분자 섬유 제조방법의 S710 단계에서 용융 추출을 통해 제조된 고분자 섬유를 의미하고, 쉘(120)은 입자 표면 삽입 기술을 통해 제조된 고분자 섬유와 전도성 입자가 엉켜 융합된 것을 의미한다.
입자 표면 삽입 기술을 구체적으로 살펴보면, 혼합 용액을 제조할 때, 유기 용매(30)는 생분해성 고분자 섬유(111)를 용해시키는 용도로 사용한다. 유기 용매(30)가 고분자 섬유(111)를 표면부터 녹이기 시작하며, 이와 동시에 용해된 자리에 전도성 입자(20)가 삽입되며 고분자 섬유(111)와 전도성 입자(20)가 엉켜 코어(111)를 감싸는 쉘(120)을 형성한다.
혼합 용액 중 추가 유기 용매는 융합된 전도성 입자 및 고분자 섬유인 쉘(120)의 유연성을 향상시키고, 쉘(120)에서 전도성 입자(20)의 분포를 균일하게 하여 전도성이 부여된 고분자 섬유는 낮은 전기 저항성을 갖는다.
이와 같은 과정을 통해 코어 부분인 고분자 섬유(111)와 고분자 섬유 및 전도성 입자(20)가 융합된 쉘(120)을 포함하는 생분해성 전도성 고분자 섬유가 제조된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 추출수단
20: 전도성 입자
30: 유기 용매
100: 생분해성 전도성 고분자 섬유
110: 용융된 생분해성 고분자
111: 고분자 섬유 (코어)
120: 융합된 전도성 입자 및 고분자 섬유 (쉘)

Claims (18)

  1. 생분해성 고분자 물질을 용융 추출(melt drawing)하여 제조된 고분자 섬유(fiber)로 구성되는 코어(core); 및
    상기 코어를 감싸는 형태이고, 상기 고분자 섬유 및 전도성 입자가 융합되어 형성된 쉘(shell);
    을 포함하고,
    상기 용융 추출은 상기 생분해성 고분자 물질에 열을 가하여 용융된 생분해성 고분자에서, 추출수단으로 상기 용융된 생분해성 고분자를 섬유 형태로 끌어올려 추출하는 것이며,
    상기 쉘은 상기 고분자 섬유의 표면에 상기 전도성 입자가 삽입된 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용융 추출은 상기 생분해성 고분자 물질을 가열한 후, 추출수단을 이용하여 용융된 생분해성 고분자에서 상기 고분자 섬유를 추출하고,
    상기 추출수단의 직경 및 상기 고분자 섬유를 추출하는 추출 속도에 의해 상기 고분자 섬유의 직경이 조절되는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 섬유는 기계적 후처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    유기 용매 및 상기 전도성 입자를 포함하는 혼합 용액을 제조한 후 상기 고분자 섬유를 상기 혼합 용액에 투입하여 교반하고,
    상기 유기 용매는 상기 고분자 섬유의 표면을 녹이는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혼합 용액은 상기 고분자 섬유 표면의 유연성을 향상시키고, 상기 쉘에서 상기 전도성 입자의 분포를 균일하게 하는 추가 유기 용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 쉘은 상기 고분자 섬유의 녹은 표면 및 상기 전도성 입자가 얽혀 형성되는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 추가 유기 용매는 테트라글리콜(tetraglycol)인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자 물질은 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL), 폴리프로필렌카보네이트(Polypropylene carbonate; PPC), 폴리락테이트-co-글라클레이트(Poly(lactide-co-glycolide; PLGA), 폴리L-락타이드(Poly(L-lactide); PLLA) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 섬유의 직경은 0.2mm 내지 1mm 인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 혼합 용액의 온도는 30℃ 내지 40℃인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 유기 용매는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 디메틸포름아미드(N, N-Dimethylformamide), 아세톤(Acetone), 클로로포름(Chloroform) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 입자의 크기는 1μm 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 입자는 몰리브덴(Mo), 아연(Zn), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 혼합 용액을 구성하는 상기 유기 용매, 상기 전도성 입자 및 상기 추가 유기 용매의 중량 비율은 5:90:5 내지 10:80:10인 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 교반은 5초 내지 1분 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  16. 제4항에 있어서,
    상기 교반은 2회 내지 6회 반복하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유.
  17. 생분해성 고분자 물질을 용융 추출(melt drawing)하여 고분자 섬유인 코어(core)를 제조하는 단계;
    유기 용매, 전도성 입자 및 추가 유기 용매를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계;및
    상기 고분자 섬유를 투입한 혼합 용액의 교반을 통해 상기 고분자 섬유에 상기 전도성 입자를 삽입하여 상기 고분자 섬유의 표면에 상기 전도성 입자가 얽힌 쉘(shell)을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 용융 추출은 상기 생분해성 고분자 물질에 열을 가하여 용융된 생분해성 고분자에서, 추출수단으로 상기 용융된 생분해성 고분자를 섬유 형태로 끌어올려 추출하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 코어를 제조하는 단계에서,
    상기 고분자 섬유를 제조한 후, 상기 고분자 섬유에 기계적 후처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생분해성 전도성 고분자 섬유의 제조방법.
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