KR102655713B1 - 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법, 이로부터 제조되는 의료용 나노시트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법, 이로부터 제조되는 의료용 나노시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체 적합성을 가지면서 멀티노즐을 통한 대량생산이 가능하도록 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법, 이로부터 제조되는 의료용 나노시트에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 용매 하에 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하고, 이렇게 제조된 폴리비닐알코올 용액을 멀티노즐로 전기방사하여 의료용 나노시트를 제조함으로써, 생체 적합성을 가져 피부와의 부작용이 최소화될 뿐만 아니라 대량생산이 용이하여 지혈포 등 다양한 제품으로 활용될 수 있는 것을 기술적 요지로 한다.
이러한 본 발명은, 용매 하에 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하고, 이렇게 제조된 폴리비닐알코올 용액을 멀티노즐로 전기방사하여 의료용 나노시트를 제조함으로써, 생체 적합성을 가져 피부와의 부작용이 최소화될 뿐만 아니라 대량생산이 용이하여 지혈포 등 다양한 제품으로 활용될 수 있는 것을 기술적 요지로 한다.
Description
본 발명은 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법, 이로부터 제조되는 의료용 나노시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체 적합성을 가지면서 멀티노즐을 통한 대량생산이 가능하도록 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법, 이로부터 제조되는 의료용 나노시트에 관한 것이다.
일반적으로 의료용 나노시트는 생활, 건강 유지 및 증진과 관련된 헬스케어 섬유나 수술 및 처치용 섬유로 이루어진 시트 형상의 제품으로, 병원에서 사용되는 수술용 기능성 소재, 가운, 글로브, 베드카버와 같은 제품과, 조직 유착방지용 패드, 수술용 생분해 봉합사, 지혈포와 같은 제품 등 다양하게 사용되고 있다.
그중 지혈포는 출혈 증상을 멈추게 할 목적으로 사용되는 것으로, 찰과상에 의한 약한 출혈에서부터 수술 및 사고 등 여러가지 이유로 인하여 발생한 큰 출혈에까지 적용할 수 있는 중요한 외과적 의료용품이라 할 수 있다.
즉 인체 내에서 일어나는 지혈과정은 생리학적으로 매우 복잡하여 완전하게 출혈을 막기에는 한계가 있다. 예를 들면, 예상치 못한 사고에 의한 심각한 조직 손상이나 수술 시 외과적 처치 중 나타날 수 있는 과다출혈의 경우, 인체 내에서 자연히 기능하는 물리·화학적 지혈작용만으로는 출혈을 완전히 막을 수 없어 지혈포를 사용하게 되는 것이다.
이러한 지혈포는 완전한 지혈과 상처치유가 가능해야 할 뿐만 아니라, 인체에 적용했을 때 발열이나 염증 등의 부작용과 독성이 없어야 하며, 흐르는 혈액을 빠르게 흡수함으로써 출혈 부위에 방어막을 형성하여 인체 내 자연히 기능하는 지혈작용과 관련한 혈액응고인자의 농축(recruitment)으로 지혈을 유도하기 위해서는 일정 수준 이상의 수분 흡수력이 요구되기도 한다.
관련하여, '개선된 흡수성 지혈제 및 그 제조방법(등록번호: 10-1624625)'에서는 지혈포로 개발되는 제품 중 흡수성 직물 또는 편물인 재생 셀룰로오스(oxidized regenerated cellulose, ORC)를 산화시켜 만든 산화 재생 셀룰로오스계를 개시하고 있다. 이에 따른 지혈작용의 원리는 생체 내 혈액응고 과정에 참여하지 않고, 출혈부위의 혈액과 접촉하면 팽윤되어 출혈부위를 뒤덮음으로써 혈관 주위의 조직을 수축시켜 지혈하는 과정으로 이루어진다. 그러나 산화 재생 셀룰로오스는 지혈 시 산성을 띠어 혈액응고 과정에 관여하는 트롬빈과 피브리노겐 등 혈액응고인자들의 활성을 변성시킬 우려가 있다.
이에, 트롬빈 및 피브리노겐 등 혈액응고인자들을 함유하고 흡수성 부직포, 직물 또는 편성물 형태로 제조한 지혈포가 제시된 바 있으나, 지혈효과 및 상처치유 효과가 충분하지 않은 단점이 있다.
또한 알긴산 또는 알긴산 알칼리 금속염을 일정 농도로 용해시켜 형성된 수화겔(hydrogel)을 동결건조하여 제조된 알긴산 스펀지도 제시된 바 있는데, 이 역시 지혈 효과 및 상처치유 효과가 만족스러운 수준이 아니다.
게다가 지혈포로 개발된 일부 제품의 경우 인체에 적용했을 때 적용 부위 주변부 조직에 화상과 같은 비슷한 발열작용을 일으키거나, 세포독성을 일으키는 등의 부작용을 초래하는 문제점이 있으며, 지혈포 중 일부는 생체적합성이 미미하여 외과적 수술 시 부적합한 문제점이 있다. 특히 상술한 바에 따른 지혈포와 같은 의료용 나노시트는 연속적으로 대량 생산하기 어려워 생산 효율 측면에서 바람직하지 못한 문제점이 있다.
따라서 생체적합성이 우수하여 인체에 대한 부작용을 최소화시키면서 대량 생산이 가능한 의료용 나노시트에 대한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 생체 적합성을 가지면서 멀티노즐을 통한 대량생산이 가능하도록 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법, 이로부터 제조되는 의료용 나노시트를 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 용매 하에 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하는 제1단계; 및 상기 폴리비닐알코올 용액을 전기방사하여 필라멘트 형태로 토출되면서 나노시트를 제조하는 제2단계;를 포함하고, 상기 제2단계는, 상기 폴리비닐알코올 용액을 멀티노즐로부터 상방향으로 전기방사하되, TCD(tip to collector distance)를 150 내지 200mm로 조절하여 100 내지 300㎕/min의 유속으로 10 내지 50kV의 전압을 인가하여 연속적으로 전기방사하는 것을 특징으로 하는 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법을 제공한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 의료용 나노시트를 제공한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법에 따르면, 생체친화성 또는 생체적합성 고분자인 폴리비닐알코올을 이용하여 전기방사함으로써, 상처 부위의 치유 속도를 높이고 재출혈 가능성을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 인체에 대한 부작용을 절감시킨 나노시트를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 노즐팁이 14개 가량 배치된 멀티노즐을 최대 4개까지 설치하여 전기방사를 할 수 있기 때문에, 단일노즐을 설치한 경우보다 연속적인 전기방사가 가능하므로 나노시트를 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 의료용 나노시트의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 폴리비닐알코올 용액이 전기방사되는 모습을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명에 따른 의료용 나노시트를 나타낸 사진.
도 4는 실시예 1에 따른 의료용 나노시트를 나타낸 SEM 사진.
도 2는 본 발명에 따른 폴리비닐알코올 용액이 전기방사되는 모습을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명에 따른 의료용 나노시트를 나타낸 사진.
도 4는 실시예 1에 따른 의료용 나노시트를 나타낸 SEM 사진.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 의료용 나노시트의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 의료용 나노시트는 용매 하에 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하는 제1단계(S10)와, 폴리비닐알코올 용액을 전기방사하여 필라멘트 형태로 토출되면서 나노시트를 제조하는 제2단계(S20)를 통하여 제조될 수 있다.
상술한 바와 같은 의료용 나노시트를 제조하기 위하여 먼저, 제1단계는 용매 하에 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하는 단계이다(S10).
설명에 앞서, 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)은 생체친화성 고분자로써, 비독성(non-toxicity), 비발암성(non-carcinogenicity), 생분해성(biodegradability), 생체적합성(biocompatibility), 우수한 기계적 특성(high mechanical properties) 및 높은 함수량(high water content) 등을 갖는다.
이와 같은 특성을 갖는 폴리비닐알코올을 증류수를 용매로 하여 80 내지 100℃로 중탕하고, 폴리비닐알코올이 완전히 용해될 때까지 교반을 수행하여 10 내지 18wt% 농도를 갖는 폴리비닐알코올 용액을 제조할 수 있게 된다.
중탕 시 80℃ 미만의 조건이 되면 폴리비닐알코올이 증류수에 100% 용해되기까지 많은 시간이 소요되어 생산 측면에서 바람직하지 않다. 반면, 중탕 과정에서 100℃를 초과하게 되면 증류수의 끓는점 특성상 폴리비닐알코올과 증류수가 수용된 용기 내에서 펌핑 현상이 발생할 수 있어 시료 손실의 우려가 있기 때문에, 이 역시 생산 측면에서 바람직하지 않다.
중탕 과정을 거쳐 제조되는 폴리비닐알코올 용액의 농도는 전기방사성의 최적 성능을 달성하기 위하여 10 내지 18wt% 범위일 수 있으며, 폴리비닐알코올 용액 농도가 10wt% 미만이거나 18wt%를 초과함에 따른 문제점은 다음과 같다.
폴리비닐알코올 용액의 농도가 10wt% 미만이 되면 농도가 너무 낮아 나노시트의 생체적합성이 미미해지는 단점이 있다. 또한 폴리비닐알코올 용액 농도가 10wt% 미만이 되게 제조되면 전기방사 시, 섬유화가 아닌 용액 상태 그대로 분사되어버려 나노시트 형태로 만들어줄 수 없는 문제점이 있다.
폴리비닐알코올 용액의 농도가 18wt%를 초과하면 전기방사를 위해 폴리비닐알코올 용액을 채우는데만 40분 이상 소요되고, 점도가 증가되기 때문에 전기방사 시 유속이 300㎕/min를 초과하기만 해도 실린지의 헛밀림 현상이 발생하게 된다. 이때 폴리비닐알코올 용액의 점도는 폴리비닐알코올 간 인력과 반발력에 의존하며, 분자간 상호작용의 특징을 나타내므로 섬유의 형성과 평균 직경에 영향을 미치는 중요한 인자라 할 수 있다.
이처럼 점도 증가로 인해 폴리비닐알코올 용액 내 맺힘 현상이 발생하거나, 전기방사되는 과정에서 토출되는 필라멘트 형태의 섬유들이 뭉침 현상을 보여 제품성이 없게 된다. 즉 폴리비닐알코올 용액의 농도가 18wt% 초과 시, 전기방사되는 필라멘트의 두께가 매우 두껍게 형성되어 토출되거나 섬유화 자체가 일어나기 어려워지기 때문에, 폴리비닐알코올 용액 농도를 최대 18wt%를 초과하지 않도록 제조하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2단계는 폴리비닐알코올 용액을 전기방사하여 필라멘트 형태로 토출되면서 나노시트를 제조하는 단계이다(S20).
본 발명에 있어서, 전기방사는 폴리비닐알코올 용액의 표면장력 이상의 전기장을 가하여 노즐팁(121) 끝에서 형성된 taylor cone이 갈라짐(splitting)이 일어나면서 섬유가 형성되는 것으로, 이는 본 발명에 따른 폴리비닐알코올 용액이 전기방사되는 모습을 나타낸 도 2를 통하여 확인할 수 있다.
도 2는 폴리비닐알코올 용액이 전기방사될 수 있도록 하는 전기방사기(100)의 사진을 확대하여 나타낸 것으로, 하부의 거치대(110)와, 거치대(110) 상에 횡방향 또는 종방향을 따라 일정간격으로 다수 개 배치되는 멀티노즐(120)과, 멀티노즐(120)의 상면으로 길이방향을 따라 일정간격으로 설치되는 노즐팁(121)과, 거치대(110)의 상부에 일정간격 이격된 위치에 배치되는 컬렉터(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2의 A 부분을 참조하면, 노즐팁(121)으로부터 멀티노즐(120)의 상부로 일정간격 이격된 위치에 배치된 컬렉터(130)로 전기방사되고 있는 액적 상태의 섬유를 확인할 수 있다.
도 2에 도시된 전기방사기(100)를 이용하여 폴리비닐알코올 용액을 멀티노즐(120)로부터 상방향으로 전기방사하되, TCD(tip to collector distance)를 150 내지 200mm로 조절하여 100 내지 300㎕/min의 유속으로 10 내지 50kV의 전압 하에 연속적으로 전기방사함으로써, 부직포 형태의 나노시트를 제조할 수 있게 된다. 전기방사기(100)를 통해 폴리비닐알코올 용액의 전기방사가 이루어지고 있는 와중에, 노즐팁(121)에 맺힌 폴리비닐알코올 용액의 제거가 필요한 경우, 목재 소재의 막대기에 절연 효과를 갖는 고무 소재를 감싼 형태의 도구를 이용하는 것이 바람직하다.
여기서 컬렉터(130)는 노즐팁(121)으로부터 전기방사되는 나노필라멘트가 적층될 수 있는 공간을 마련하게 되는 것으로, 컬렉터(130)와 노즐팁(121) 간의 거리가 좁을수록 노즐팁(121)에서 폴리비닐알코올 용액이 상부로 방사되어 올라가는 힘이 증가하고, 컬렉터(130)와 노즐팁(121) 간의 거리가 멀어질수록 그 힘이 감소하기 때문에 최적의 거리를 맞추는 것이 중요하다.
만약 전기방사 시 컬렉터(130)와 노즐팁(121) 간의 거리 즉, TCD를 150mm 미만으로 제어하게 되면 컬렉터(130)와 노즐팁(121) 사이의 거리가 너무 좁아 노즐팁(121)으로부터 액적 상태로 토출되는 폴리비닐알코올이 나노시트의 편평한 표면을 만들어주기에 어려운 단점이 있다. 이와 달리, TCD를 200mm가 초과되게 조절하게 되면 컬렉터(130)와 노즐팁(121) 사이가 너무 멀어 전기방사 성능이 저하될 수 있고, 노즐팁(121)과 컬렉터(130) 간의 거리가 멀기 때문에 토출되고 있는 섬유의 두께가 일정하지 않을 수 밖에 없어 제품성이 없게 되는 단점이 있다.
전기방사되는 유속의 경우 100㎕/min 미만이 되면 폴리비닐알코올 용액이 노즐팁(121)에 맺혀 안정적으로 전기방사되기 어렵고, 특히 모든 노즐팁(121)에 폴리비닐알코올 용액이 일정하게 공급되지 않을 수 있어 불안정한 방사성과 불균일한 필라멘트 두께가 형성될 수 있는 단점이 있다. 300㎕/min를 초과하는 유속으로 폴리비닐알코올 용액을 전기방사하면 이 역시 폴리비닐알코올 용액이 노즐팁(121)에 맺히거나, 넘치는 현상이 발생하여 토출되는 필라멘트가 균일한 섬유상을 형성할 수 없게 되는 단점이 있다.
전기방사할 때 전압은 10 내지 50kV 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다. 전압이 10kV 미만이면 전기방사가 시작될 수 없기 때문에 최소 10kV의 전압을 공급해주어야 하는데, 즉 10kV 미만의 전압을 공급하게 되면 전기방사가 될 때까지 무기한 대기하여야 해서 전기방사 성능이 효율적이지 못하다. 또한 전압이 10kV 미만의 저전압 구간에서는 섬유 뭉침 현상들이 보이기 때문에 바람직하지 않다. 반면, 50kV를 초과하면 전기방사가 이루어지고 있는 폴리비닐알코올 용액의 물성이 변질될 수 있기 때문에, 전압을 50kV를 초과하지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. 전기방사 성능의 효율적 운영을 위해서는 30kV 전압으로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 의료용 나노시트를 사진으로 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, TCD를 150 내지 200mm로 조절하여 100 내지 300㎕/min의 유속으로 10 내지 50kV의 전압으로 연속적으로 전기방사함에 따라 연속적으로 제조되는 부직포 형태의 나노시트를 확인할 수 있게 된다.
상술한 바와 같은 멀티노즐(120)을 이용한 전기방사를 통하면 폴리비닐알코올 용액 맺힘 현상이 적고 안정적으로 전기방사되어 균일하고 얇은 두께로 분포되는 나노시트가 제조되되, 특히 단일노즐을 이용하여 전기방사하는 경우보다 연속적인 전기방사가 가능하므로 나노시트를 대량생산할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
폴리비닐알코올(Mw: 8,900~9,500g/mol, Kuraray)을 증류수를 용매로 하여 85℃로 중탕하면서 폴리비닐알코올이 완전히 용해될 때까지 교반하여 10wt% 농도를 갖는 폴리비닐알코올 용액을 제조하였다.
전기방사기의 노즐팁과 컬렉터 간의 거리를 170mm로 조절한 후, 10wt% 농도의 폴리비닐알코올 용액을 200㎕/min의 유속으로 30kV 전압을 인가하면서 전기방사하여 부직포 형태의 나노시트를 제조하였다.
도 4는 실시예 1에 따른 의료용 나노시트를 SEM 사진으로 나타낸 것이다. 도 4(a), 도 4(b), 도 4(c) 및 도 4(d)는 각각 다른 배율로 나노시트를 확대한 SEM 사진으로 나타낸 것으로, 특히 도 4(d)를 살펴보면 나노시트를 구성하는 필라멘트의 두께가 0.16 내지 0.24㎛ 범위로 분포하고 있이 확인된다. 이를 통해 필라멘트의 두께가 0.16㎛ 미만이면 나노시트의 내구성이 좋지 않게 되며, 0.24㎛를 초과하면 물성 개선 측면에서 바람직하지 못함을 알 수 있다.
정리하면, 본 발명은 폴리비닐알코올을 이용한 의료용 나노시트의 제조방법에 관한 것으로, 용매 하에 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하고, 제조된 폴리비닐알코올 용액을 멀티노즐(120)로부터 상방향으로 전기방사함으로써, 나노시트를 연속적으로 대량생산할 수 있는데 특징이 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 생체친화성 또는 생체적합성 고분자인 폴리비닐알코올을 이용하고, 노즐팁(121)과 컬렉터(130) 간의 거리를 150 내지 200mm로 조절하여 100 내지 300㎕/min의 유속으로 10 내지 50kV의 전압 하에 연속적으로 전기방사함으로써, 상처 부위의 치유 속도를 높이고 재출혈 가능성을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 단일노즐을 통해 전기방사되어 나노시트가 제조되는 것과 달리, 멀티노즐을 통해 연속적으로 전기방사가 가능하므로 나노시트의 생산 효율성을 극대화시킬 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전기방사기
110: 거치대
120: 멀티노즐
121: 노즐팁
130: 컬렉터
110: 거치대
120: 멀티노즐
121: 노즐팁
130: 컬렉터
Claims (2)
- 분자량이 8,900~9,500g/mol인 폴리비닐알코올을 80 내지 100℃에서 중탕하면서 증류수에 용해시켜 농도가 10 내지 18wt%인 폴리비닐알코올 용액을 제조하는 제1단계; 및
상기 폴리비닐알코올 용액을 전기방사하여 필라멘트 형태로 토출되면서 나노시트를 제조하는 제2단계;를 포함하고,
상기 제2단계는,
상기 폴리비닐알코올 용액을 멀티노즐로부터 상방향으로 전기방사하되,
TCD(tip to collector distance)를 150 내지 200mm로 조절하여 100 내지 300㎕/min의 유속으로 10 내지 50kV의 전압을 인가하여 연속적으로 전기방사하며,
상기 멀티노즐은 노즐팁이 동일한 간격으로 최대 14개까지 직선 배치되며,
상기 멀티노즐은 1개 또는 동일한 간격으로 2~4개 배치되고,
상기 나노시트의 필라멘트 두께는 0.16~0.24㎛인 것을 특징으로 하는,
폴리비닐알코올을 이용한 지혈 의료용 나노시트의 제조방법. - 삭제
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