KR20040075301A

KR20040075301A - 바이오센서 또는 약물전달시스템용 하이드로겔의 보관 방법

Info

Publication number: KR20040075301A
Application number: KR1020040058952A
Authority: KR
Inventors: 윤석호; 이동훈; 김홍석; 송지혜; 정흥식; 김희찬
Original assignee: (주) 테크포엠
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2004-08-27

Abstract

본 발명은 고분자로 이루어진 하이드로겔, 또는 효소가 포함된 하이드로겔에 대하여 그 특성을 유지하면서 장기 보관하기 위한 방법을 제안한다. 이 방법은 진공 상온 건조를 이용했고, 수 일 내지 수 개월의 시간이 지난 후에도 원래 상태로 수용성 용매에서 재팽윤시키면 원래 상태의 함수율을 완벽하게 회복하는 특성을 보였다. 특히 이 건조 방식으로 보관한 하이드로겔 내에 효소를 포함하고 있는 경우, 효소의 활성과 분석물질 또는 중간물질의 이동 특성이 건조 전보다 훨씬 우수한 성능을 보였다.

Description

바이오센서 또는 약물전달시스템용 하이드로겔의 보관 방법{Storing Method of Hydrogels for Biosensor or Drug Delivery System}

본 발명은 전해질로 사용되는 하이드로겔의 사용전 보관 방법에 관한 것이다. 본 발명의 중요한 적용으로는 역이온토포레시스법(revers iontophoresis)을 이용한 생체내 물질용 바이오센서와 이온토포레시스(iontophoresis)를 이용한 약물전달시스템(Drug Delivery System)에 사용되는 하이드로겔의 보관 방법이 있다.

일반적으로 하이드로겔은 생체 조직과의 친화도가 뛰어나, 인조각막, 콘택트 렌즈, 상처부위를 위한 드레싱, 의료용 전극 센서 등으로 활용되는 물질이다. 일반적으로 하이드로겔로 사용되는 물질은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미도메틸프로판술폰산, 폴리 에틸렌글리콜, 키토산 등의 고분자 또는 이들의 공중합체로 이루어져 있다. 하이드로겔은 대개 생리적 온도 범위나 pH, 그리고 적당한 용매의 조성에서, 물에는 녹지 않으나 팽창하는 특성을 가지고 있다. 하이드로겔의 생체적합성을 결정하는 요소로 함수율을 최우선으로 꼽을 수 있다. 함수율은 하이드로겔의 팽창률과 직선적인 함수관계를 가지므로, 하이드로겔을 생체와 접합하여 사용함에 있어 그 성능의 척도로 팽창률, 또는 팽창의 정도를 유지하는 능력을 꼽을 수 있다.

하이드로겔을 장기 보관하거나, 유통과정에서 함수율을 유지 또는 사용전 단계에서 복원하는 방법은 하이드로겔이 이러한 특성을 가지고 있기 때문에 대단히 중요하다. 종래에는 하이드로겔을 장기 보관하기 위하여, 적정한 함수율을 가진 하이드로겔을 질소 충진 포장, 살균 밀봉, 필름에 하이드로겔을 부착하여 밀봉, 하이드로겔을 일정한 틀에 고정한 후 테이핑, 또는 보관액에 담는 방법 등이 주로 사용되었다.

본 발명에서는 보다 간편하게 하이드로겔을 보관하고 사용할 수 있는 방법을 제안한다.

폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미도메틸프로판술폰산, 폴리 에틸렌글리콜, 키토산 등의 고분자 또는 이들의 공중합체로 이루어진 하이드로겔이 팽창하여 함수하는 정도는 대개 물질 자체 질량의 수 배에서 수십 배에 이른다. 최초 합성하여 성형하는 단계에서 이들 고분자 물질은 반응에 참여하거나, 용매로써 참여한 물에 의한 수분함량이 전부이므로, 성형을 마치고 나면 특정한 용액, 예를 들면 생리식염수 (PBS:Phosphate Buffer Saline)용액과 같은 수용액에서 수 시간 내지 수 일 동안 보관하여 팽창시켜야 한다. 이렇게 용액 속에서 팽창된 하이드로겔은 용도에 맞는 정도의 함수율을 갖게 된다.

특히 이런 하이드로겔이 특정한 생화학물질을 위한 바이오센서, 특히 경피용으로써 사용될 때에는, 고분자 구조 내에 글루코스 산화효소와 같은 효소를 포함하는 경우가 있다. 이때 함수율과 함께 하이드로겔의 성능 중 가장 크게 요구되는 것은 효소의 활성 유지이다. 효소는 주로 단백질로 이루어진 분자이기 때문에 온도와 pH와 같은 주변 환경의 영향을 크게 받는다. 그리고 수분이 포함된 하이드로겔 상태에서 단백질로 구성된 효소는 미생물에 의해 산패되기 쉽기 때문에 상온에서 보관하기 어려워 저온 보관해야만 하는 어려움이 있다. 또한 이렇게 하이드로겔이 바이오센서에 이용되는 경우 분석 대상물질, 또는 중간 물질들의 수용체나 이동경로로써의 역할을 수행한다. 이 때,하이드로겔의 구조나 화학적인 성질은 분석물질 또는 중간물질의 이동에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 유통, 보관 단계를 거쳐 사용단계에 이르러 하이드로겔의 성능은 여러 가지 요소에 의해 결정된다고 볼 수 있다.

본 발명에서는 위에 언급한 고분자로 이루어진 하이드로겔, 또는 효소가 포함된 하이드로겔을 장기 보관하기 위하여, 이 들 물질을 상온에서 진공 건조하여 보관하면 임의(수일 내지 수 개월)의 시간이 지난 후에도 원하는 함수율로 재 팽윤이 가능하며, 특히 하이드로겔 내에 효소를 포함하고 있는 경우 효소의 활성과 분석 대상물질 또는 중간물질의 이동 특성이 건조 전과 충분히 유사하거나 훨씬 우수한 성능을 가진 보관방법을 고안하였다.

도 1은 역이온토포레시스 경피 추출형 글루코스 모니터에 장착되는 전극 시스템

폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미도메틸프로판술폰산, 폴리 메틸렌글리콜, 키토산 등의 고분자 또는 이들의 공중합체로 이루어진 하이드로겔은 100℃이하의 온도에서 진공 건조된다. 특히 효소가 이들 고분자 물질에 포함된 경우 건조 온도는 더 낮은 온도에서 건조하여야 한다. 이렇게 건조된 하이드로겔은 다음의 실시예에서 보는 바와 같이 일정 기간 데시케이터에서 보관한 후에 PBS용액에서 팽창시킨 후 사용하도록 한다. 즉 본 발명은 하이드로겔 합성 또는 팽윤시킨 하이드로겔을 (1) 건조 단계, (2) PBS용액에서 충분히 팽창시키는 단계로, 2 단계의 과정을 포함하고 있다. 이렇게 팽창시킨 하이드로겔은 경피 추출형 바이오센서, 경피형 이온삼투압형 약물전달시스템의 전해질로 사용될 수 있다.

이하 첨부 도면과 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하며, 이들 도면 및 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이들에 의해 본 발명의 범위가 한정되지 않는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

＜실시예 1＞

경피 추출형 바이오센서, 즉 역이온 삼투압법으로 체내의 글루코스 농도를 결정하기 위한 바이오센서의 전해질로 이용될 수 있는 하이드로겔로서, HPMA와 DMA의 공중합체를 합성하였으며, 이 고분자 겔 내에 글루코스 산화효소를 주입하였다.

이 하이드로겔을 100℃이하의 온도에서 1시간 동안 진공 건조되었으며, 이후 건조된 하이드로겔은 밀봉하여 4주간 데시케이터 내에서 방치하였다.

방치되었던 하이드로겔은 꺼내어 PBS용액에서 팽윤시켰다. 이때 10분 간격으로 팽창률을 측정하였다. 팽창률은 다음 식으로 구해진다.

이렇게 구한 팽창률의 변화는 도 1에 나타내었다.

도 1에서 보는 바와 같이 진공 건조 후 팽윤 처리된 시료는 60분만에 포화되었다. 또한 건조되기 전, 같은 배치에서 얻은 겔을 충분히 팽창시킨 참고시료에 대해 팽창률을 구했으며, 그 값은 건조후 팽창된 시료에 비해 0∼5％의 차이를 보였다. 즉 건조 후 팽창법에 의하여 처리된 시료는, 팽창률 또는 함수율에 대하여, 처리하지 않고 합성후 단순 팽창된 시료와 동일함을 알 수 있다.

＜실시예 2＞

실시예 1의 방법으로 글루코스 산화효소(GOD : Glucose Oxidase)가 포함된 하이드로겔을 건조, 팽윤 처리하여 글루코스 분석용 바이오센서를 구성, 글루코스 분석 실험을 실시하였다. 글루코스 500μM 시료, 3μL를 가하여 아래 식과 같은 반응을 통하여 생성되는 전하량을 일정전위기를 이용하여 분석하였다.

기준값을 설정하기 위하여 실시예1의 참고시료 하이드로겔을 이용하여 같은 양의 글루코스 시료를 이용, 같은 반응을 실시하였다. 건조, 팽윤된 시료에 대한 실험 결과는 표 1에 나타나 있으며, 가해진 글루코스의 양과 직선적인 함수 관계가 있는 전하량은 신호전류값이 안정화 전류값에 도달하였을 때 까지의 적분값을 취하였다. 이 값을 참고시료에 대해 비교한 결과 그 값의 차이는 +7％에 불과하다. 즉, 건조, 팽창 처리된 하이드로겔 내의 효소 특성이 변화하지 않았으며 오히려 보다 우수한 감도를 나타낸다.

한편, 이들 두 종류의 하이드로겔에 대하여 피이크의 중간 너비(Half Width)를 구하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 건조 후 팽창 처리된 시료의 경우 오히려 참고 시료의 값보다 작음을 알 수 있다. 피이크의 중간 너비는 하이드로겔 내에서의 화학물질 이동도에 대한 계수가 될 수 있다. 즉 하이드로겔 내에서 특정한 화학물질에 대하여 머무름 계수

(Retention Coefficient)가 클수록, 하이드로겔과 화학물질의 화학적인 상호작용이 강하다고 할 수 있다. 건조 후 팽창 시료에 대한 피이크의 중간 너비가 작다는 것은 반응식(2)의 글루코스나 과산화수소에 대한 하이드로겔의 머무름 계수가 작아졌다는 것을 뜻한다. 바이오센서의 특성상 고분자의 기본구조는 크게 변화가 없는 것이 좋으나, 분석 대상 물질이나 그 중간 물질의 이동은 빠를수록 바람직하다고 할 수 있다. 즉 본 발명에 의해 보관 처리되었던 시료는 다시 팽창된 후, 고분자의 화학적 특성이 단순 팽창 처리되었던 참고시료에 비하여 월등히 우수하다고 할 수 있다. 또한 4주간, 또는 그 이상 상온에서 방치한 시료에 포함된 글루코스산화효소의 활성이 변화하지 않았다. 이는 수용액 상태에서 보관 또는 유통되는 하이드로겔이 갖는 단점인 미생물에 의한 감염 또는 산패의 위험이 제거되어 저온 보관해야하는 단점 또한 완전히 사라졌음을 알 수 있다.

경피 이온수송형 바이오센서나 약물전달시스템에 사용되는 하이드로겔을 건조 후 팽창법에 의해 처리하는 경우 효소의 활성은 변함이 없으며, 화학적, 물리적 성질이 더욱 우수한 하이드로겔을 얻을 수 있다.

Claims

HPMA와 DMA의 공중합체를 이용하여 합성하여 글루코스 산화효소를 포함하는 하이드로겔을 보관함에 있어, 식 1로 구한 함수율이 15％ 이내가 되도록 100℃ 이하의 온도에서 진공건조 또는 단순 건조하여 보관하는 방법.
청구항 1에 있어서, 건조 보관 또는 유통된 하이드로겔을, 사용 전에 PBS(Phosphate Buffer Saline)용액 등의 수용액에 침잠시켜 함수율이 30％이상이 되도록 재팽운시켜 사용토록 함을 특성으로 하는 보관방법.
청구항 1에 있어서, 건조 후 PBS (Phosphate Buffer Saline)용액 등에 침잠시켜 함수율이 30％이상이 되도록 재 팽운시킨 후, 질소 충진 포장, 살균 밀봉, 필름에 하이드로겔을 부착하여 밀봉, 하이드로겔을 일정한 틀에 고정한 후 테이핑, 또는 보관액에 담는 방법 등으로 보관 또는 유통함을 특징으로 하는 보관방법.