KR20050043099A

KR20050043099A - 고팽윤성 고다공성의 폼형 폴리비닐알콜겔 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050043099A
Application number: KR1020030077869A
Authority: KR
Inventors: 서동호; 서동혁
Original assignee: 서동호
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2005-05-11

Abstract

본 발명은 분자량이 조절된 다공성 구조를 가지는 폼형 폴리비닐알콜 겔 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 기존 폴리비닐알콜 겔의 특징은 팽윤도가 낮고 표면 및 내부에 다공성이 조절되지 못하였다. 본 발명에서는 내산소성 및 생체 친화성을 가지고 있는 대표적인 친수성 고분자인 폴리비닐알콜을 이용한 분자량이 조절된 다공성 구조를 가지는 폴리비닐알콜 폼 또는 겔의 제조를 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 초산비닐을 이용하여 중합하고 비누화 공정을 거쳐 중합도가 500 ~ 6,000인 폴리비닐알콜을 제조, 폴리비닐알콜 중량 1g당 화학적 가교제인 boric acid, dialdehydes, dicarboxylic acids, dianhydrides, acid chlorides, epichlorohydin을 0.01g ~ 0.8g을 사용하고 발포방법으로 물, 기체의 혼입, 또는 물과 기체의 혼입을 병합하는 방법으로 일정한 형태의 몰드에 주입하고 발포, 성형하거나 만들어진 다공성 구조를 안정하게 유지하고, 약물 등의 함입을 유리하게 할 수 있는 수단으로 폴리비닐알콜 겔 제조시 영하 3~90℃의 냉동온도를 가지고 있으며 동결과 해빙(Freezing\Thawing)의 횟수를 1~10회 조절하거나 동결건조를 함으로서 제조되는 직경 50∼1,000㎛의 팽윤동 600배 이상의 고팽윤성을 가지는 물성을 동시에 만족하는 다공성 구조를 가지는 분자량이 조절된 친수성 폼형 폴리비닐알콜 겔 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

Description

고팽윤성 고다공성의 폼형 폴리비닐알콜겔 및 그 제조방법{Polyvinyl Alcohol Gel having High Swelling Ratio and Big Pore Size}

본 발명은 다양한 분자량을 가지는 폼 또는 겔 구조의 다공성 폴리비닐알콜 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 다양한 개시제를 사용하여 초산비닐의 중합을 시행하고 그로 인해 생성된 폴리초산비닐의 비누화를 통하여 얻어진 폴리비닐알콜과 발포제, 가교제를 일정비율로 혼합, 교반하고 일정 형상의 몰드에 주입하여 발포, 성형하는 친수성 폴리비닐알콜 폼 및 겔의 제조 방법에 관한 것으로, 이와 같은 폼 및 겔은 그 구조가 직경 50∼1,000㎛의 다공성 구조를 갖는 층으로 이루어져 있고, 동결과 해빙(Freezing/Thawing)의 온도 및 횟수를 조절하거나 동결건조를 함으로서 다공성 폴리비닐알콜 폼 또는 겔을 제조할 수 있어 본 발명을 완수하였다.

폴리비닐알콜(polyvinyl alchol)은 1924년 독일의 헤르만과 해넬[W.O. Herrmann and W. Haehnel]이 독일특허[German Patent] 제450,280호에 의해 폴리초산비닐을 비누화 하여 제조됐으며 분자량에 따라 호제, 섬유등 다방면에 사용되고 있다. 그와 더불어 고분자로선 드물게 친수성과 생체 적합성을 띄고 있으며 내산소성같은 폴리비닐알콜만의 특징으로 인해 의료분야에도 많이 쓰이고 있는 실정이다.

이러한 폴리비닐알콜을 알맞은 비율로 물과 혼합하여 동결과 해빙(Freezing/Thawing) 또는 동결건조를 거쳐 다공성 구조를 가지는 폴리비닐알콜 폼 및 겔을 제조할 수 있다. 특히 물리적 가교 방법인 동결방법을 이용함으로서 보다 효율적으로 다공구조를 가지는 폴리비닐알콜겔을 제조할 수 있었다. 폴리비닐알코올겔은 동결과 해빙의 횟수가 많을수록, 동결온도가 낮을수록, 또한 동결시간이 길수록 형태안정성이 우수한 하이드로겔을 제조할 수 있다고 알려져있다. 이에 본 발명자들은 연구를 거듭한 결과 형태안정성 및 다공구조 안정성이 우수하고 차후 약물의 함입이 유리하게 폴리비닐알콜겔의 다공구조를 조절할수 있다는 결과를 알게 되어 본 발명을 완수할 수 있었다. 특히, 폴리비닐알콜 하이드로겔은 수분을 함유할 수 있는 고분자 재료로서 3차원 망상구조를 갖고 있고 친수성 관능기 및 모세관과 삼투압 현상에 의해 수분을 함수하게 된다. (Allan S. Hoffman, Advanced, Drug Delivery Reviews, 43, 3, 2002)

또한 폴리비닐알콜을 척추간 연골로 사용되는 연구도 진행되고 있는 실정이다. (Darmawan Darwis et al., Radiation Physics and Chemistry, 63, 539, 2002) 이러한 하이드로겔 구조를 가지는 폴리비닐알콜은 습윤성이 있어 체액을 흡수하고, 박테리아로부터 감염을 막을 수 있으며 투명성 및 산소 투과성이 좋으며 치료 후 상처로부터 제거하기가 용이하다. 특히 폴리비닐알콜은 탄소, 산소, 수소만으로 이루어져 있어, 기타 합성고분자보다 우수한 인체친화성을 보인다.

따라서, 본 발명자는 폴리비닐알콜겔의 인체친화성, 산소투과성, 습윤성 등의 물성을 이용하여 새로운 의료용도로 사용하기 위하여 예를 들면 드레싱제나 니코틴패취, 인슐린패취, 멀미방지패취등의 패취용도의 약물을 함유하는 용도의 매트릭스물질 등으로 사용할 수 있도록 하기 위해 이를 사용할 수 있는 방안 등을 모색하였다.

즉, 드레싱제나 폴리비닐알콜 겔의 다공성구조에 의해 약물을 함유할 수 있는 구조를 가지기 때문에 이를 약물을 함유하는 매트릭스로 사용하는 패취의 용도의 경우, 즉 다공성 폴리비닐알콜 겔에 목적으로 하는 질병치료제를 함입시켜 패취에 적용하여 피부나 점막에 접촉 또는 접착하도록 하는 경우 지속적으로 인체로 흡수될 수 있어, 기존의 방식보다 우수한 서방성과 약물 지속효과를 가지게 될 것으로 기대를 하였다.

그러나 통상의 미생물 담체로 사용하는 다공성 폴리비닐알콜 겔은 다공성의 사이즈가 작아 충분한 양의 약물을 함유하는 수용액등의 용액을 함유할 수 없는 단점이 있었다,

따라서, 본 발명자는 형태안정성 및 다공구조 안정성이 우수하고 차후 약물의 함입이 유리하게 폴리비닐알콜겔의 다공구조를 조절하는 것 뿐만 아니라 상기의 다공성의 사이즈를 크게 하고 팽윤성을 극대화함으로써 목적으로 하는 물질의 함입을 극대화하여 드레싱제나 패취 등의 구성요소로 사용할 경우 약물의 함입이 용이하고 지속적인 약물의 흡수가 가능하도록 하는 고팽윤성의 고다공성 폼형 폴리비닐알콜 겔을 제조하고자 연구한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.

이를 가능하게 하는 고팽윤성 다공성 폴리비닐알콜 겔의 다공성의 크기를 50 ~ 1000㎛를 갖는, 더 좋게는 150 ~ 800㎛를 갖는 것으로서 600배이상의 고팽윤성을 갖는 다공성의 폼형 폴리비닐알콜 겔을 제공하고자 하였다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 먼저 초산비닐을 이용하여 중합하고 비누화 공정을 거쳐 폴리비닐알콜을 제조, 폴리비닐알콜 중량 1g당 가교제 0.01g ~ 0.8g을 사용하고 발포방법으로 물, 기체의 혼입 또는 물과 기체의 혼입을 병합하는 방법으로 일정한 형태의 몰드에 주입하고 발포, 성형 및 일정온도에서 동결과 해빙(Freezing & Thawing)을 반복하거나 동결건조를 함으로서 50 ∼ 1,000㎛의 다공성 구조를 갖는 더 좋게는 150∼800㎛폼 및 겔 구조의 다공성 폴리비닐알콜 및 그 제조 방법을 제공한다. 특히 겔 제조시 냉동온도 조절과 동결과 해빙(Freezing/Thawing)의 횟수를 증가시키거나 동결건조 시간을 2시간 이상 수행함으로써 매우 우수한 고팽윤성의 다공성이 큰 폴리비닐알콜 폼 및 겔을 제조할 수 있어 본 발명의 드레싱제나 패취등의 용도에 적합한 폴리비닐알콜겔을 얻을 수 있었다.

본 발명의 다양한 분자량을 가지는 폼 및 겔 구조의 다공성 폴리비닐알콜은 도1에 보인 바와 같이 직경 150 ~ 1,000㎛의 다공성 구조를 갖는 층으로 이루어졌다.

이하는, 본 발명을 제조방법을 설명한다.

먼저, 폴리비닐알콜을 제조하기 위해서는, 초산비닐을 다양한 중합법 즉, 벌크중합, 용액중합등을 이용하여 다양한 분자량을 가지는 폴리초산비닐(PVAc)을 제조하고, 이를 비누화함으로써 중합도 500 ~ 6,000의 다양한 분자량을 가지는 폴리비닐알콜을 제조할 수 있었다.

본 발명에서 폴리비닐초산을 제조하는데 사용된 저온 개시제는 아조비스이소부티로니트릴, 벤조일퍼옥시드, 및 아조비스디메틸발레로니트릴을 사용할 수 있고, 상대적으로 저온에서 개시할 수 있는 아조비스디메틸발레로니트릴을 사용하는 것이 바람직하다.

개시제의 농도는 최저 값이 1.0×10^-5㏖/㏖_VAc 였으며, 목적으로 하는 중합도를 얻기 위해 개시제의 농도는 적절하게 조절할 수 있으나 상기의 최저 값 이하에서는 본 발명의 중합온도에서 중합이 일어나지 않았기 때문에 사용할 수 없다, 얻어진 폴리비닐초산은 알칼리 수용액으로 비누화시켜 수평균중합도 500 ~ 6,000의 폴리비닐알콜로 제조하였다.

발포제는 화학적 발포제로서 이소시아네이트기의 활성을 이용해 물과의 반응으로 생성되는 이산화탄소에서 발포하기 때문에 물을 사용하고, 물리적 발포제로서 기체를 혼입하거나 분해열 또는 증발형 발포제를 사용해 반응열을 일으킴으로써 기포를 형성한다. 그러므로 본 발명에서는 상기의 방법 중 어느 것을 사용하여도 좋지만 화학발포제를 사용하는 경우는 발포 후 발포제에 의해 반응생성물이 혼입될 수 있으므로 화학적 발포제보다는 물리적 발포제인 물, 기체의 혼입, 또는 물과 기체의 혼입을 병합하는 방법을 사용하는 것이 더 좋다.

폴리비닐알콜을 가교하기 위해 사용되는 화학적 가교제로는 붕산(boric acid), 디알데히드, 디카르복실산, 디안하이드라이드, 에시드 클로리드(acid chlorides), 에피클로로하이드린과 같은 이관능성 가교제를 사용하여 겔을 형성시킬 수 있는데, 본 발명에서는 화학적 가교제로 폴리비닐알콜 1g당 0.01-0.5g 사용하여 화학적 가교를 하는 방법과 또는 동결과 해빙(Freezing/Thawing)의 온도나 횟수의 조절 및 동결건조 방법과 같이 물리적 방법으로 가교하거나 또는 화학적 및 물리적 방법을 혼합하여 사용함으로서 우수한 다공성 구조를 가지는 다공성 폴리비닐알콜 겔을 제조할 수 있었다.

물리적인 방법을 사용하는데 있어서, 동결 방법으로는 -3℃ ~ -90℃에서 2시간 이상의 동결시간을 부여하는 것이 좋다. 온도가 이보다 더 높은 경우나 시간이 짧은 경우는 큰 다공성의 겔이 형성되기가 힘들고, 또한 시간이 짧을 경우는 팽윤성이 낮은 단점이 있어서, 본 발명에서 목적으로 본 발명의 용도에 해당하는 드레싱이나 패취 등의 고팽윤성을 요구하는 용도에 적합한 고팽윤성의 고다공성 폴리비닐알콜 겔을 얻기가 어렵다.

얻어진 폴리비닐알콜 폼 및 겔은 아래와 같은 방법으로 물성을 측정하였으며 하기 실시예의 결과에 따른 물성은 표1에 표시하였다.

① 팽윤도%

친수성 폼형 폴리비닐알콜 하이드로겔 드레싱재를 4cm×3cm의 크기로 취하여 80℃ oven에서 60시간 동안 건조시킨 후 이에 대한 무게 증가분을 계산하여 팽윤도를 계산하였다. 이때, 건조된 폴리비닐알콜 겔을 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 무게를 측정하였다.

팽윤도% = (Y-X)/X ×100

초기무게(건조후) = X

침지한 후 무게 = Y

② 셀 사이즈(Cell size)

주사전자현미경(SEM, Cambridge 360)과 광학현미경을 사용하여 폼형 폴리비닐알콜 겔의 표면과 단면의 기공 크기를 관찰하였다.

이하 본 발명을 합성예, 실시예, 비교예에 의하여 설명하나 이들은 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐 이들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

[합성예 1]

질소유입구, 냉각탑 및 앵커형 교반기가 부착된 100㎖ 용량의 3구 플라스크에 초산비닐 1㏖(86g)에 대해 개시제인 아조비스이소부티로니트릴을 1.0×10^-3㏖/㏖_VAc을 넣고 1시간 동안 산소를 제거한 뒤 온도를 중합 온도인 60℃까지 올린 다음 질소 기류하에서 교반 속도를 50rpm으로 하여 7시간 동안 중합하였다. 중합된 폴리초산비닐 1g에 대해 수산화나트륨 0.09㏖, 메탄올 0.06㏖을 증류수 1.13㏖에 녹인 알칼리 용액에 상기 중합액을 교반하면서 적가한 뒤, 30℃에서 24시간 동안 비누화하여 비누화도 99.9%, 중합도 2,200의 폴리비닐알코올을 얻었다.

[합성예 2]

질소유입구, 냉각탑 및 앵커형 교반기가 부착된 100㎖ 용량의 3구 플라스크에 초산비닐 1㏖(86g)에 대해 개시제인 아조비스디메틸발레로니트릴을 1.0×10^-3㏖/㏖_VAc을 넣고 1시간 동안 산소를 제거한 뒤 온도를 중합 온도인 40℃까지 올린 다음 질소 기류하에서 교반 속도를 400rpm으로 하여 48시간 동안 중합하였다. 중합된 폴리초산비닐 1g에 대해 수산화나트륨 0.09㏖, 메탄올 0.06㏖을 증류수 1.13㏖에 녹인 알칼리 욕에 상기 중합액을 교반하면서 적가한 뒤, 30℃에서 24시간 동안 비누화하여 비누화도 99.9%, 중합도 4,700의 폴리비닐알코올을 얻었다.

[실시예 1]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 15g을 넣고 완전히 녹인 후, 영하 30℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 10시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 직경 100∼400㎛(평균직경이 260㎛)의 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 740%였다.

[실시예 2]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 15g을 넣고 완전히 녹인 후, 영하 70℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 20시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 직경 80∼300㎛(평균직경이 150㎛)의 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 830%였다.

[실시예 3]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 15g을 넣고 완전히 녹인 후, 영하 30℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 10시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 직경 80∼450㎛(평균직경이 290㎛)의 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 710%였다.

[실시예 4]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 5g을 넣고 완전히 녹인 후, 영하 50℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 5시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 직경 80∼600㎛의(평균직경이 370㎛) 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 720%였다.

[실시예 5]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 5g을 넣고 완전히 녹인 후, 영하 70℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 20시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 직경 50∼400㎛(평균직경이 230㎛) 의 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 840%였다.

[실시예 6]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 5g을 넣고 완전히 녹인 후, 영하 70℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 20시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 제조된 겔은 영하 70℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 20시간으로 3회 반복하였다. 즉 영하 70℃에서 동결하고 상온 15℃에서 해빙하였다. 그 결과, 직경 30∼240㎛(평균직경이 140㎛)의 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 920%였다.

[실시예 7]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 5g을 넣고 완전히 녹인 후, 화학적 가교제인 붕산을 0.3g 혼합하여 가교시킨 뒤 물과 기체의 혼입을 병합하는 방법으로 일정한 형태의 몰드에 주입하고 발포, 성형하여 영하 20℃까지 냉동온도를 조절하고, 냉동시간은 10시간으로 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 직경 400∼700㎛(평균직경이 560㎛) 의 다공성 구조를 갖는 겔을 제조하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 630%였다.

[비교예 1]

합성예2에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 5g을 넣고 완전히 녹인 후, 10℃까지 온도를 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 다공성 구조를 가지지 못하였다. (도2) 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 280%였다.

[비교예 2]

합성예1에서 제조한 폴리비닐알콜을 이용하여 폴리비닐알콜 1g당 증류수 5g을 넣고 완전히 녹인 후, 10℃까지 온도를 조절하여 폴리비닐알콜 겔을 제조하였다. 다공성 구조를 가지지 못하였다. 37℃ 증류수에 72시간 동안 침지하여 꺼낸 후 표면을 물기를 제거하여 계산된 팽윤도는 320%였다.

[ 표 1 ]

상기 표1의 결과에서 알수 있듯이 폴리비닐알콜을 동결과 해빙(Freezing\Thawing)방법을 이용하여 가교하였을 경우에는 미세 다공의 조절이 용이하였으며 우수한 팽윤도를 가지는 것으로 나타났다. 비교예1, 2에서는 상온에서 겔을 형성함으로서 다공성 구조를 나타내지 못했으며 또한 낮은 팽윤도를 가짐이 밝혀졌다.

상기 표1에서 알 수 있듯이 폴리비닐알콜과 각종 원료의 첨가량을 조절함으로써 폴리비닐알콜 폼 및 겔 자체의 팽윤도 및 셀 사이즈(cell size) 등을 조절할 수 있었다. 본 발명의 폴리비닐알콜은 직경 50∼1,000㎛의 좋게는 150∼800㎛의 오픈(open cell) 구조의 폼 및 겔 형태로 이루어져 있으며 동시에 팽윤도가 600배 이상의 고팽윤성을 가지는 폴리비닐알콜 겔을 얻을 수 있었다. 본 발명에 의해 제조된 다공성 구조를 가지는 폴리비닐알콜 폼 및 겔 구조물은 상처 치유 드레싱재나 약물전달체로서 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 폼형 폴리비닐알콜겔의 광학현미경사진

도 2는 비교예의 폼형 폴리비닐알콜겔의 주사전자현미경사진

Claims

다공성 구조를 가지는 폼형 폴리비닐알콜 겔에 있어서, 상기 폼형 폴리비닐알콜 겔의 구조가 평균 직경 50∼1,000㎛의 다공성 구조를 갖는 층으로 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 폼형 폴리비닐알콜 겔.
제1항에 있어서, 상기 폼형 폴리비닐알콜 겔의 중합도가 500 ~ 6,000이고 비누화도가 70 ~ 99.9%임을 특징으로 하는 폼형 폴리비닐알콜 겔.
제2항에 있어서, 상기 폼형 폴리비닐알콜 겔의 구조의 직경이 150 내지 800㎛의 다공성 구조를 갖는 층으로 이루어지고 팽윤성이 600배 이상인 것을 특징으로 하는 다공성 폼형 폴리비닐알콜 겔.
다공성 구조를 가지는 폼형 폴리비닐알콜 겔의 제조 방법에 있어서, 폴리비닐알콜 중량 1g당 화학적 가교제인 boric acid, dialdehydes, dicarboxylic acids, dianhydrides, acid chlorides, epichlorohydin을 0.01g ~ 0.8g을 사용하여 가교하는 가교단계와, 물, 기체의 혼입, 또는 물과 기체의 혼입을 병합하는 방법 중의 어느 한 방법으로 일정한 형태의 몰드에 주입하고 발포, 성형함으로서 다공성의 폼을 제조하는 폼형성 단계를 가지는 폼형 폴리비닐알콜 겔의 제조 방법.
제 4항에 있어서, 가교단계는 폴리비닐알콜 수용액을 -3℃ ~ -90℃의 냉동온도에서 동결과 해빙(Freezing\Thawing)의 횟수를 1~ 10회 조절하고, 2시간 이상 동결건조를 수행함으로서 제조되는 것을 특징으로 하는 폼형 폴리비닐알콜 겔의 제조 방법.