KR20170018691A - 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법 및 이에 의해 제조된 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 - Google Patents

기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법 및 이에 의해 제조된 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 및 이러한 하이드로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 하이드로겔 고분자 구조를 신장에 의해 선형으로 재배열하고 구조 유지를 위한 가교 결합을 통해 기계적 강도를 향상시키는 발명에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔은, 공유 결합을 이루며 신장 가능한(stretchable) 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함하고, 상기 고분자들은 신장되어 있으며, 상기 신장된 고분자들 중 상기 제 2 고분자들 간에는 양이온에 의해 가교 결합이 형성되어 있다.

Description

기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법 및 이에 의해 제조된 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 {METHOD OF FABRICATING HYDROGELS WITH IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES AND HYDROGELS WITH IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES THEREOF}
본 발명은 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 및 이러한 하이드로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 하이드로겔 고분자 구조를 신장에 의해 선형으로 재배열하고 구조 유지를 위한 가교 결합을 통해 기계적 강도를 향상시키는 발명에 관한 것이다.
하이드로겔은 조직 공학, 약물 전달, 면역 치료 등과 같은 다양한 어플리케이션으로 이용되고 있다.
이러한 하이드로겔의 기계적 성질은 이러한 어플리케이션의 요구사항을 충족시키는데 있어서 매우 중요한 포인트인데, 하이드로겔은 폴리머 네트워크 구조 내에 많은 양의 물을 포함하고 있기 때문에 그 기계적 강도는 떨어진다.
즉, 기존의 하이드로겔은 다양한 분야에 쓰일 수 있다는 긍정적인 전망에도 불구하고 많은 양의 물을 함유하는 하이드로겔의 특성으로 인해 낮은 기계적 강도를 가지기 때문에 다양한 분야에 적용하는데에 한계점을 가지고 있다.
따라서, 이러한 하이드로겔의 다양한 어플리케이션으로의 이용이 가능하도록 하이드로겔의 기계적 특성을 향상시키는 것이 매우 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제 10-0962007호 대한민국 등록특허 제 10-1012289호
본 발명은 하이드로겔의 기계적 특성을 높이는 방법을 제공하고자 하며, 이러한 방법은 매우 간단한 방법을 통해서 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 방법을 통해 얻어진 기계적 특성이 향상된 하이드로겔을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법은, 공유 결합을 이루며 신장 가능한(stretchable) 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함한 하이드로겔 고분자를 준비하는 단계; 상기 하이드로겔 고분자를 신장시키는 단계; 및 양이온을 이용하여 상기 제 2 고분자들 간에 가교 결합을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 양이온에 의한 가교 결합은 상기 제 2 고분자들의 이온 결합보다 결합 친화력(binding affinity)이 더 강한 양이온에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 양이온은 다가 양이온이 이용되고, 상기 가교 결합에 이용되는 양이온의 종류를 변경함에 따라 하이드로겔의 기계적 강도가 변경된다. 이 경우 상기 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 증가되고, 상기 양이온의 결합 친화력이 약할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 감소된다.
또한, 상기 신장 방향이 일방향일 경우 하이드로겔이 이방성(anisotropic) 특성을 나타내고, 상기 신장 방향이 복수의 방향일 경우 하이드로겔이 등방성(isotropic) 특성을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔은, 공유 결합을 이루며 신장 가능한(stretchable) 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함하고, 상기 고분자들은 신장되어 있으며, 상기 신장된 고분자들 중 상기 제 2 고분자들 간에는 양이온에 의해 가교 결합이 형성되어 있다.
이 경우 상기 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들의 함유량이 높을수록 강성도가 증가한다.
상기 양이온에 의한 가교 결합은 상기 제 2 고분자들의 이온 결합보다 결합 친화력(binding affinity)이 더 강한 양이온에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 양이온은 다가 양이온이 이용되고, 상기 가교 결합에 이용되는 양이온의 종류를 변경함에 따라 하이드로겔의 기계적 강도가 변경된다. 이 경우 상기 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 증가되고, 상기 양이온의 결합 친화력이 약할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 감소된다.
또한, 상기 신장 방향이 일방향일 경우 하이드로겔이 이방성(anisotropic) 특성을 나타내고, 상기 신장 방향이 복수의 방향일 경우 하이드로겔이 등방성(isotropic) 특성을 나타낸다.
본 발명에 따른 기계적 특성이 향상된 하이드로겔은 매우 높은 강성도를 갖는다.
본 발명의 방법에 따르면 기계적 특성이 향상된 하이드로겔을 매우 손쉬운 방법으로 만들 수 있으며, 이를 통해 높은 강성도가 요구되는 연골 또는 뼈 재생 의학, 인공 조직 개발, 줄기세포 분화 등 기존에 하이드로겔의 이용이 어려웠던 다양한 분야에 폭넓게 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 이용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔의 제조 방법의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔의 샘플과 비교 샘플을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔의 신장 정도에 따른 기계적 강도의 비교 데이터를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 하이드로겔의 신장 정도 및 추가 가교 결합 이온의 종류에 따른 수분 함유량을 나타내는 데이터이다.
도 6은 하이드로겔의 고분자 조성에 따른 응력-변형 곡선 및 강성도 데이터를 나타낸다.
도 7은 양이온의 종류에 따른 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 강성도를 나타낸다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 하이드로겔 고분자 구조를 신장에 의해 선형으로 재배열하고 구조 유지를 위한 가교 결합을 통해 기계적 강도를 향상시키는 발명에 관한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 하이드로겔은 기계적 강성도가 매우 우수하여 다양한 어플리케이션에 이용이 가능하다.
이하에서는 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법을 설명하고, 이후 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔을 설명하도록 하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법의 순서도이다.
도 1에서 보는 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법은, 공유 결합을 이루며 신장 가능한(stretchable) 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함한 하이드로겔 고분자를 준비하는 단계(S 110); 상기 하이드로겔 고분자를 신장시키는 단계(S 120); 및 양이온을 이용하여 상기 제 2 고분자들 간에 가교 결합을 형성시키는 단계(S130)를 포함한다.
S 110 단계에서는 공유 결합을 이루며 신장 가능한 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함한 하이드로겔 고분자를 준비한다.
제 1 고분자는 공유 결합을 이루고 있는 고분자로서 신장 가능한 고분자이면 이용 가능하며, 일 예로는 폴리아크릴아마이드(PAM), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등이 이용될 수 있다.
제 2 고분자는 이온 결합을 이루고 있는 고분자로서 선형 형태를 갖는 고분자이면 이용 가능하다. 일 예로는 알지네이트(alginate) 등이 이용될 수 있다.
하이드로겔 고분자는 위에서 설명한 제 1 고분자들 및 제 2 고분자들을 포함하고 있는 고분자이다.
S 120 단계에서는 준비된 하이드로겔 고분자를 신장시킨다. 하이드로겔 고분자를 일정한 사이즈로 자른 후 물리적인 힘을 통해 하이드로겔 고분자는 신장시키게 된다.
하이드로겔 고분자의 신장 방법은 특별한 제한은 없으며 일반적으로 2배 내지 3배로 신장시킨다.
S 130 단계에서는 양이온을 이용하여 제 2 고분자들 가교에 이용된 기존의 양이온을 대체하거나 제2 고분자들 간에 추가적인 가교 결합(crosslinking)을 형성시킨다. 이러한 이차 가교 결합에 의해 하이드로겔 고분자가 신장된 상태에서 그 신장 상태가 유지될 수 있으며, 동시에 추가적인 가교 결합에 의해 기계적 강도가 향상되는 것이다.
S 130 단계에서는 신장된 하이드로겔 고분자를 양이온을 포함한 용액에 넣어줌으로써 용액에 포함되어 있던 양이온에 의해 가교 결합이 일어나게 된다.
정리하면, 본 발명의 S 120 단계 및 S 130 단계는 제 1 고분자 및 제 2 고분자를 신장시켜 선형으로 재배열하고, 이후 양이온을 통해 2차적인 가교 결합을 고분자 네트워크 사이에 형성시키는 프로세스이며, 이러한 양이온을 이용한 2차적인 가교 결합 프로세스를 RsC 프로세스(Remodeling and secondary crosslinking process)라고 지칭한다. 즉, 이러한 프로세스를 통해 신장 이후 신장력을 제거하여도 선형 리모델링 구조가 유지되며, 최종적으로는 하이드로겔 고분자의 기계적 강성도가 향상되게 된다.
한편, 추가적으로 S 140 단계로서 가교 결합이 이루어진 하이드로겔을 DI 워터를 이용해 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 내용에 따르면, 양이온에 의한 추가적인 가교 결합은 제 2 고분자들 간에 원래부터 이루어져 있던 이온 결합보다 결합 친화력(binding affinity)이 더 강한 양이온을 이용하는 것이 바람직하며, 이러한 결합 친화력이 강한 양이온을 이용해 가교 결합됨으로써 신장력 제거 이후에도 계속하여 신장 상태를 계속 유지하며, 또한 기계적 강성도 훨씬 커지게 된다.
본 발명의 추가적인 가교 결합에 이용되는 양이온은 다가(multivalent) 양이온이 이용되는 것이 바람직하며, 일반적으로 Ca2+, Ba2+, Al3+, Fe3+ 등이 이용될 수 있다.
이러한 가교 결합에 이용되는 양이온의 종류를 변경함에 따라서 하이드로겔의 기계적 강도는 변경될 수 있으며, 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 증가되고, 양이온의 결합 친화력이 약할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 감소된다. 예시적으로 이온 결합 친화력은 Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+ 순서로 정리될 수 있다.
한편, 본 발명에서 신장 방향은 매우 중요한 포인트가 될 수 있다. 일반적으로 신장 방향은 일방향(unidirectional)으로 신장될 수 있으며, 도 2에서와 같이 일방향으로 신장되는 경우 신장 방향과 평행한 방향으로의 기계적 강성도는 매우 높지만, 신장 방향과 수직한 방향으로의 기계적 강성도는 원래 하이드로겔에 비해서는 높지만 신장방향과 평행한 방향에 비해서는 상대적으로 낮게 된다.
즉, 신장 방향이 일방향일 경우에는 하이드로겔이 이방성(anisotropic) 특성을 나타내게 된다.
이에 반하여 신장 방향이 복수의 방향일 경우 하이드로겔은 더이상 이방성을 나타내지 아니하며, 신장 방향이 많으면 많을수록 점점 더 거의 등방성(isotropic)에 가까운 특성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔의 제조 방법의 모식도이다.
도 2의 b)에서 보는 것처럼 신장 과정을 통해 고분자 사실을 선형으로 재배열 한 후, c)에서 보는 것처럼 양이온을 이용해 추가적인 가교 결합이 이루어져 재배열된 고분자 네트워크를 고정시킬 수 있게 된다. 이 부분은 아래의 구체적인 실시예에서 추가적으로 설명하도록 하겠다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법에 대해서 설명하였으며, 이하에서는 이러한 방법에 의해 제조된 기계적 강도가 향상된 하이드로겔에 대해서 설명하도록 하겠다. 이경우 위에서 설명한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 추가적인 설명은 생략하도록 하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔은, 공유 결합을 이루며 신장 가능한 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함한다. 또한, 이러한 고분자들은 모두 신장되어 있으며, 신장된 고분자들 중 제 2 고분자들 간에는 양이온에 의한 가교 결합이 형성되어 있다.
도 2의 c)에서 보는 것처럼, 고분자들은 신장되어 있으며 신장된 고분자들 중 제 2 고분자들 간에는 추가적으로 양이온에 의한 가교 결합이 형성되어 최종적으로 하이드로겔이 신장된 상태를 유지하는 구조를 갖는다.
이 경우 양이온에 의한 추가적인 가교 결합은 제 2 고분자들 간에 원래부터 이루어져 있던 이온 결합보다 결합 친화력(binding affinity)이 더 강한 양이온을 이용하는 것이 바람직하며, 양이온은 다가 양이온이 이용되는 것이 바람직하다.
한편, 가교 결합에 이용되는 양이온의 종류를 변경함에 따라서 하이드로겔의 기계적 강도는 변경될 수 있으며, 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 증가되고, 양이온의 결합 친화력이 약할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 감소된다.
또한, 하이드로겔의 신장 방향이 일방향일 경우에는 이방성 특성을 나타내나, 신장 방향이 복수 방향일 경우에는 등방성에 가까운 특성을 나타내게 된다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용에 대해 추가적으로 상세하게 설명하도록 하겠다.
먼저 본 발명의 구체적인 실시예에서 사용된 물질의 리스트는 아래와 같다.
사용된 물질 목록: Alginic acid sodium salt from brown algae (Sigma), acrylamide (Sigma), ammonium persulphate (Sigma-Aldrich), N,N-methylenebisacrylamide; MBAA (Sigma), N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TMEDA, Sigma), calcium sulphate (Samchun), calcium chloride dihydrate (=99%, Sigma-Aldrich), barium chloride dihydrate (>99.0%, Kanto), aluminum chloride hexahydrate (Fluka), and iron nitrate nonahydrate (Sigma Aldrich)
제 1 고분자 물질로는 폴리아크릴아마이드를 이용하였고, 제 2 고분자 물질로는 알지네이트를 이용하였고, 이들로 이루어진 제조 고분자(alginate/polyacrylamide hybrid hydrogel)를 제조하였다.
제조 과정은 일정한 조성의 농도로 알지네이트/아크릴아마이드 스톡(stock) 솔루션을 만들고, 만들어진 솔루션에 APS(4wt% of acrylamide) - MBAA(0.06wt% of acrylamide) - TMEDA(0.25wt% of acrylamide) - CaSO4(13.28wt% of alginate) 순으로 넣고 혼합하였다. 다음으로 만들어진 졸 상태의 혼합물을 일정한 두께로 유리판 사이에 놓은 뒤 264nm, 6W의 조건에서 1시간 동안 조사하여 가교시켰으며, 칼슘 이온의 충분한 확산을 위해 실온 조건에서 하루 동안 보관하였다.
위에서 설명한 방법으로 하이드로겔을 준비하였고, 하이드로겔을 일정한 사이즈로 자른 뒤 신장 과정을 거친 후 겔을 고정시켰으며, 고정된 늘어난 하이드로겔을 100mM의 2가 또는 3가 양이온 수용액에 넣어준 뒤 1시간 동안 추가적인 가교를 시켰다. 1시간 이후 하이드로겔을 꺼낸 후 DI 워터를 이용하여 표면에 묻은 용액을 세척하여 최종적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔을 합성 제조하였다.
알지네이트/아크릴아마이드 하이드로겔은 매우 신장력이 뛰어나며 가역적인 구조적 특성을 갖는다. 도 2의 a)와 b)에서 보는 것처럼 신장에 의해 알지네이트/아크릴아마이드 하이드로겔은 선형으로 리모델링될 수 있으며, 신장력을 제거하면 다시 랜덤하게 꼬인 형태로 돌아간다. 이 하이드로겔은 폴리아크릴아마이드로 인한 높은 신장성과 알지네이트의 이온결합을 통한 효율적인 에너지 소실이 이루어져 높은 기계적 강도를 가진다. 또한 알지네이트 가교에 사용되는 이온의 종류를 바꾸어 줌으로써 강성도 또한 조절이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
본 발명의 실시예에서는 알지네이트/아크릴아마이드 하이드로겔의 이러한 특성을 이용하여 신장 및 추가적인 가교를 통해 매우 손쉬운 방법으로 알지네이트/아크릴아마이드 하이드로겔의 강성도를 높일 수 있었다.
도 2에서 보는 것처럼, 먼저 만들어진 알지네이트/폴리아크릴아마이드를 신장 해줌으로서 랜덤하게 꼬여있던 알지네이트 고분자 사슬이 선형으로 펴지게 된다. 이때 선형으로 펴지는 과정에서 초기 황산칼슘을 통해 가교되지 않았던 알지네이트 사슬간의 거리가 가까워지게 된다. 뒤 이어서 양이온 용액에 늘어난 상태로 고정된 하이드로겔을 넣어주고 일정시간 반응을 시켜주면 이온상태로 존재하는 양이온이 하이드로겔 안으로 들어가게 되고 선형으로 펴지는 과정에서 가교되지 않았던 알지네이트 사슬사이로 들어가 이온결합을 하게 된다. 또한, 칼슘이온보다 알지네이트와 친화력이 높은 이온을 사용할 경우, 기존에 결합하고 있던 칼슘이온이 친화력이 더 높은 이온으로 대체된다. 이 과정을 거치면 알지네이트의 결합 밀도가 높아지게 되고 높아진 결합 밀도로 인해 강성도가 증가하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계적 강도가 향상된 하이드로겔의 샘플과 비교 샘플을 도시한다.
a)를 살펴보면, control은 신장되지 아니한 경우의 Ca-alginate/PAM 하이드로겔의 모습이고, 2x/Ca-alginate/PAM은 200% 신장한 이후 힘을 제거한 경우의 모습이다. 신장한 이후 신장력을 제거하면 다시 원상태로 복귀하는 모습을 확인할 수 있었다. 다음으로 2x/Ba-alginate/PAM은 200% 신장한 이후 Ba2+ 이온에 의해 추가적인 가교 결합을 한 경우의 실시예이며, 3x/Ba-alginate/PAM은 300% 신장한 이후 Ba2+ 이온에 의해 추가적인 가교 결합을 한 경우의 실시예이다. 2x/Ba-alginate/PAM의 경우에는 200% 신장한 이후 약 175%의 신장 상태를 유지하였으며, 3x/Ba-alginate/PAM의 경우에는 300% 신장한 이후 약 225%의 신장 상태를 유지함을 확인하였다. 이러한 내용을 통해, 신장된 하이드로겔 고분자 네트워크는 알지네이트 고분자 체인의 추가적인 이온 가교 결합에 의해 신장 상태가 유지됨을 확인하였다.
도 3의 b)는 신장 단계를 거치지 아니한 경우의 하이드로겔의 모습이며, c)는 300% 신장 단계를 거친 이후의 하이드로겔의 모습이다. 이는 형광 현미경 이미지로서, 도 3의 c)에서 볼 수 있는 것처럼, 하이브리드 하이드로겔에서 랜덤한 고분자 네트워크는 신장 단계 및 추가적인 이온 가교 결합을 거친 이후 선형의 네트워크 구조로 리모델링 되었음을 하이드로겔 내부에 담지한 형광 실리카 파티클의 배열을 통해 간접적으로 확인할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔의 신장 정도에 따른 기계적 강도의 비교 데이터를 도시한다.
도 4의 a)의 경우 신장 정도에 따른 하이브리드 하이드로겔의 응력-변형(stress-strain) 곡선을 도시한다. 인장 실험에 의해 하이드로겔의 강성도를 측정하였으며, 인장 실험은 상온에서 수 분내의 짧은 시간 동안 이루어졌다. 도 4의 a)에서 보는 것처럼, 신장률이 증가함에 따라 응력이 증가함을 확인할 수 있었고, b)에서 보는 것처럼 추가적인 가교 결합에 의해 신장률에 따라 탄성 계수(elastic modulus)가 급격히 증가함을 확인할 수 있었다. b)의 경우에는 신장 방향과 동일한 방향에서의 탄성 계수 결과이며, c)의 경우는 신장 방향과 수직 방향의 탄성 계수 결과로서, 수직 방향의 경우에는 탄성 계수가 신장률이 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 RsC 하이드로겔의 경우 일방향으로 신장하였을 때 이방성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 마지막으로 d)는 신장률에 따른 수평과 수직 방향의 강성도 비율로서 신장률이 클수록 더욱 커짐을 확인할 수 있었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 하이드로겔의 신장 정도 및 추가 가교 결합 이온의 종류에 따른 수분 함유량을 나타내는 데이터이다. 도 5에서 확인할 수 있는 것처럼, 신장 정도 및 추가 가교 결합 이온의 종류와 상관없이 하이드로겔의 수분 변화량은 없음을 확인할 수 있었으며, 이는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 하이드로겔의 강성도 증가가 수분의 함유량과는 무관함을 나타내며, 결국 신장 및 추가적인 이온 가교 결합에 기인한 것임을 나타낸다.
도 6은 하이드로겔의 고분자 조성에 따른 응력-변형 곡선 및 강성도 데이터를 나타낸다. 도 6의 a) 및 b)의 경우에는 총 고분자 조성을 14wt%로 고정시키고 알지네이트와 폴리아크릴아마이드 조성을 상대적으로 변화시킨 결과이고, c) 및 d)의 경우에는 폴리아크릴아마이드 조성을 12wt%로 고정시키고 알지네이트의 조성을 변화시킨 결과이다. 결과에서 확인할 수 있는 것처럼, 알지네이트의 양이 많을수록 강성도는 증가함을 확인할 수 있었으며, 이 경우 변형도는 감소함을 확인할 수 있었다. 결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔은 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들의 함유량이 높을수록 강성도가 증가하게 된다.
도 7은 양이온의 종류에 따른 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 강성도를 나타낸다. 도 7에서 보는 것처럼 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도(탄성 계수)가 증가됨을 확인하였으며, 이온 결합 친화력은 Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+ 순서로 정리되므로 탄성계수도 같은 순서로 더욱 큰 값을 나타내었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하이드로겔의 강성도를 확인하는 실험 사진이다. 도 8의 윗쪽 사진은 신장 및 추가 가교 결합을 하지 않은 Ca-alginate/PAM 하이드로겔의 모습이고, 도 8의 아래쪽 사진은 신장 및 추가 가교 결합(RsC 프로세스)을 적용시킨 하이드로겔의 모습이다. 사진에서 확인할 수 있듯이, 신장 및 추가 가교 결합(RsC 프로세스)을 적용시킨 하이드로겔의 경우 클램프에 의해 지지되었을 때 지지되지 않은 끝단이 중력에 의해 구부러지지 아니하는 모습을 확인할 수 있었고, 다른 물체가 위로 올려진 경우에서도 구부러지지 아니함을 확인하였다. 이는 결국, 신장 및 추가 결합(RsC 프로세스)을 통해 하이드로겔의 강성도가 증가되었기 때문이다.
본 발명에 따른 하이드로겔은 조직공학 즉 재생의학에서 줄기세포 분화에서 기존에 도달하지 못했던 연골이나 뼈와 같이 높은 강성도가 요구되는 부분으로의 적용이 가능할 것이라는 긍정적인 전망을 가지고 있다. 또한, 본 발명에 따른 하이드로겔이 가지는 이방성의 특성을 이용해 근육세포와 같이 이방성으로 자라는 세포의 분화에도 이용될 수 있을 것이다. 그리고 본 발명에 따른 하이드로겔은 생체적합성 고분자로서 인공장기, 예를 들면 연골 같은 부분을 대체하는 물질로서 사용할 수도 있을 것이다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 공유 결합을 이루며 신장 가능한(stretchable) 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함한 하이드로겔 고분자를 준비하는 단계;
    상기 하이드로겔 고분자를 신장시키는 단계; 및
    양이온을 이용하여 상기 제 2 고분자들 간에 가교 결합을 형성시키는 단계를 포함하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온에 의한 가교 결합은 상기 제 2 고분자들의 이온 결합보다 결합 친화력(binding affinity)이 더 강한 양이온에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온은 다가 양이온이 이용되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가교 결합에 이용되는 양이온의 종류를 변경함에 따라 하이드로겔의 기계적 강도가 변경되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 증가되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 양이온의 결합 친화력이 약할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 감소되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 신장 방향이 일방향일 경우 하이드로겔이 이방성(anisotropic) 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 신장 방향이 여러 방향일 경우 하이드로겔이 등방성(isotropic) 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔 제조 방법.
  9. 공유 결합을 이루며 신장 가능한(stretchable) 제 1 고분자들; 및 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들을 포함하고,
    상기 고분자들은 신장되어 있으며,
    상기 신장된 고분자들 중 상기 제 2 고분자들 간에는 양이온에 의해 가교 결합이 형성되어 있는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 양이온에 의한 가교 결합은 상기 제 2 고분자들의 이온 결합보다 결합 친화력(binding affinity)이 더 강한 양이온에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 양이온은 다가 양이온이 이용되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 가교 결합에 이용되는 양이온의 종류를 변경함에 따라 하이드로겔의 기계적 강도가 변경되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 양이온의 결합 친화력이 강할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 증가되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 양이온의 결합 친화력이 약할수록 상기 하이드로겔의 기계적 강도가 감소되는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 신장 방향이 일방향일 경우 하이드로겔이 이방성(anisotropic) 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 신장 방향이 복수의 방향일 경우 하이드로겔이 등방성(isotropic) 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온 결합을 이루며 선형의 제 2 고분자들의 함유량이 높을수록 강성도가 증가하는 것을 특징으로 하는,
    기계적 강도가 향상된 하이드로겔.
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