KR20180128198A

KR20180128198A - 기계적 물성 제어 가능한 맞춤형 투명토양 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20180128198A
Application number: KR1020170063411A
Authority: KR
Inventors: 정재현; 신성규; 조성우; 김희진
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-12-03
Also published as: KR101957568B1

Abstract

본 발명은 기계적 물성 제어가 가능한 맞춤형 하이드로겔 기반의 투명 토양 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생체적합성 또는 수용성 합성 고분자 말단에 아크릴기가 도입된 고분자 기반의 하이드로겔을 이용한 토양은 수분함유량 및 투수성이 우수하고 지속적인 영양분 공급이 가능하고, 투명하여 실시간으로 뿌리 형태 및 성장 관찰이 가능함에 따라, 식물 뿌리의 형태 및 성장 변화에 맞추어 토양의 강도를 제어할 수 있어 인삼과 같은 고부가가치의 뿌리식물의 연구 및 상품화에 효과적인 뿌리식물 재배용 토양으로 제공될 수 있다.

Description

기계적 물성 제어 가능한 맞춤형 투명토양 및 이의 제조방법{Customized transparent soil to controllable mechanical properties and its manufacturing method}

본 발명은 기계적 물성 제어가 가능한 하이드로겔 기반의 맞춤형 투명 토양 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

토양은 암석의 풍화산물과 각종 동식물로부터 유기물이 혼합되어 기후·생물 등의 작용을 받아 변화되고, 공기와 수분을 알맞게 함유하여 식물을 기계적으로 지지하고 양분의 일부분을 공급하여 식물생육의 장소가 되는 곳이다.

토양의 층위(horizon)는 낙엽이나 풀 등이 부패되어 쌓여 있는 부식층, 토양수에 의해 광물질과 유기물이 용탈되는 용탈층, 용탈층으로부터 유입된 물질들이 집적되는 집적층, 그리고 토양의 모재가 되는 퇴적물 또는 암석의 풍화물이 쌓여 있는 토양 모재 층으로 나눌 수 있는 데, 각 층은 구성 성분뿐만 아니라 강도가 다르기 때문에 식물의 뿌리 성장에 직접적인 영향을 준다.

일반적으로 식물의 뿌리는 성장하면서 점점 더 강도가 높은 토양을 만나게 되는데, 이때 뿌리는 성장을 멈추는 것이 아니라 더 파고들어 안착하려는 성질을 나타내며, 이러한 성질은 바위나 높은 밀도의 지반에서도 뿌리가 자라는 현상을 통하여 확인될 수 있다.

토양 없이 물을 이용하여 작물을 재배하는 방법은 1929년 미국의 게릭에 의해 확립되어, 1936년 수경재배(hydroponics)라 명명되었다.

수경재배는 산소와 양분을 물을 통해 공급하고, 식물체를 지지하는 역할은 배지나 구조물이 담당하는 재배방식으로 작물의 생육에 따라 적기에 필요한 양만큼의 양분을 공급하여 최고의 생산성을 나타낼 수 있는 원리이나, 수경재배 기술의 성장에도 불구하고 환경 및 경제성 문제와 순수하게 양액에 의존하여 재배하는 기술이라는 한계점이 있다.

한국공개특허 제2015-0144752호(2015. 12. 28 공개)

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 토양 및 수경 재배의 장점을 접목한 새로운 형태의 하이드로겔 기반의 투명 토양 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 하이드로겔 기반의 투명 토양은 기계적 물성 제어 가능한 뿌리 식물 재배를 위한 맞춤형 토양으로 제공될 수 있다.

본 발명은 고분자 말단에 아크릴기가 도입된 생체적합성 또는 수용성 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 300 내지 1,000 g/mol의 분자량(Mw)을 갖는 고분자 수용액과 3000 내지 10,000 g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액을 혼합하여 기계적 물성 제어가 가능한 하이드로겔 투명 토양을 제공한다.

또한, 본 발명은 생체적합성 또는 수용성 고분자 말단에 아크릴기를 도입하는 단계; 상기 아크릴기가 도입된 고분자를 수용액에 용해시켜 300 내지 1,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액 A를 제조하는 단계; 상기 아크릴기가 도입된 고분자를 수용액에 용해시켜 3,000 내지 10,000 g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액 B를 제조하는 단계; 및 상기 고분자 수용액 A 및 고분자 수용액 B를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 물성 제어가 가능한 하이드로겔 투명 토양 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 생체적합성 또는 수용성 고분자 말단에 아크릴기가 도입된 고분자 기반의 하이드로겔을 이용한 토양은 수분함유량 및 투수성이 우수하고 지속적인 영양분 공급이 가능하다. 또한, 투명하여 실시간으로 뿌리 형태 및 성장 관찰이 가능함에 따라, 식물 뿌리의 형태 및 성장 변화에 맞추어 토양의 강도를 제어할 수 있어 인삼과 같은 고부가가치 뿌리식물의 연구 및 상품화에 효과적인 뿌리식물 재배용 토양으로 제공될 수 있다.

도 1은 투명토양 조성별 기계적 강도를 확인한 결과로, 도 1A는 투명토양의 변형률(compressive strain, %)에 대한 응력(stress)을 확인한 결과이며, 도 1B는 조성별 영 탄성률(E, elastic modulus)을 확인한 결과이다.
도 2A는 투명토양에 삽입된 영양분 전달체를 나타낸 모식도이며, 도 2B는 영양분 전달체가 포함된 투명토양에서 식물재배 결과이다.
도 3은 하이드로겔 기반 투명토양 내부의 가교개수(N)와 기공크기를 확인한 결과이다.
도 4는 기계적 강도가 상이한 다층형 구조의 하이드로겔 투명 토양에서 인삼을 재배한 결과이다.
도 5는 기계적 물성이 상이한 투명토양에서 뿌리의 성장 거동을 확인한 결과이다.

본 발명은 고분자 말단에 아크릴기가 도입된 생체적합성 또는 수용성 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 300 내지 1,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액과 3,000 내지 10,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액을 혼합하여 기계적 물성 제어가 가능한 하이드로겔 투명 토양용 조성물을 제공할 수 있다.

보다 바람직하게는 400g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액과 3,400g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액을 혼합하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 고분자 말단에 아크릴기가 도입된 고분자는 폴리(에틸렌 글리콜)디아크릴레이트(PEGDA), 메타아크릴릭 알지네이트(Methacrylic Alginate), 폴리아크릴아마이드(PAAm), 아크릴릭 히알루론산(Acrylated Hyaluronic acid) 및 아크릴릭 아가로스(Acrylated Agarose)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

상기 하이드로겔 투명 토양은 300 내지 1,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액과 3,000 내지 10,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액을 3~7 : 7~3의 중량비로 혼합하여 기계적 물성을 제어할 수 있다.

상기 토양의 기계적 물성인 토양 강도가 뿌리식물 생장에 적합하면 뿌리 길이 성장이 최대로 나타나는 반면, 토양 강도가 너무 세거나 약할 경우, 겉 뿌리의 길이 성장에 영향을 주기 때문에, 뿌리 식물 성장 또는 상품화에 최적화된 토양 강도 조절이 매우 중요하며, 상기 하이드로겔 투명 토양은 식물 뿌리의 형태 및 성장 시기 또는 거동에 맞추어 기계적 강도가 다른 다층형 투명토양으로 형성될 수 있다.

또한, 실제 토양은 굳기가 강해지면 수분 투과성이 현저하게 떨어져 식물 성장 저해원인이 되지만, 수분함유량이 우수한 하이드로겔 기반 토양은 수분함유량을 일정하게 유지하면서 강도조절이 가능하여, 맞춤형 토양 강도 조절을 통한 뿌리식물 재배에 유용하게 사용될 수 있다.

또한, 상기 하이드로겔 투명 토양은 영양성분이 포함된 볼 형태의 하이드로겔을 추가로 더 포함할 수 있다.

본 발명은 생체적합성 또는 수용성 고분자 말단에 아크릴기를 도입하는 단계; 상기 아크릴기가 도입된 고분자를 수용액에 용해시켜 300 내지 1,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액 A를 제조하는 단계; 상기 아크릴기가 도입된 고분자를 수용액에 용해시켜 3,000 내지 10,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액 B를 제조하는 단계; 및 상기 고분자 수용액 A 및 고분자 수용액 B를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 특성 제어가 가능한 하이드로겔 투명 토양 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 하이드로겔 투명 토양 제조방법은 영양성분이 포함된 볼 형태의 하이드로겔을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

< 실시예 1> 기계적 물성 제어가 가능한 투명 토양

1. 아크릴기가 도입된 고분자를 이용한 하이드로겔 제조

우수한 생체적합성을 갖는 고분자인 PEG의 말단에 아크릴기를 도입하여 UV 광중합성이 가능한 폴리(에틸렌 글리콜)디아크릴레이트 [Poly(ethylene glycol) diacrylates (PEGDA)]를 합성하였다.

PEG(polyethylene glycol, Sigma) 20g을 다이클로로메탄(dichloromethane, Sigma) 100mL에 완전히 녹인 후, TEA(triethylamine, Fisher Chemical)를 20wt%가 되도록 첨가하고, 상기 혼합물을 질소 환경에서 30분간 퍼징(purging)시킨 후, 아크릴로일 클로라이드(Acryloyl chloride, Sigma)를 첨가하여 24시간 동안 반응시켰다. 이때 PEG, 아크릴로일 클로라이드, TEA의 몰 비율(molar ratio)은 1:4:4를 유지시켰으며, 반응 후, 녹지 않는 염(TEA-HCl)을 제거하고 반응용액을 다이에틸 에테르(diethyl ether)에 침전시켜 PEGDA 파우더를 얻고, ¹H-NMR(300MHz, QE300, General Electric)로 확인하였다.

2. 투명 토양 제조

상기 합성된 PEGDA 고분자를 수용액 상에서 10 wt%로 준비하여 사용하였으며, 광개시제 이르가큐어(Irgacure) 2959 및 819 (Civa)를 DMSO 용매에 10 wt%로 준비하여 사용하였다.

400g/mol 및 3,400g/mol 분자량의 PEGDA 고분자에 광 개시제의 최종 농도가 1.0 wt% 유지되도록 준비하고 상기 두 분자량의 PEGDA 고분자 수용액을 각각 3:7, 5:5 및 7:3의 다양한 비율로 혼합하여 하이드로겔 투명 토양 준비용액(pre-gel solution)을 제조하였다.

상기 준비용액을 배양용기에 넣고 UV 조사기(Filtered Lamp for Fluorescence, Vilber Lourmet)로 광중합시켜 하이드로겔 기반의 투명 토양을 제조하였다. 기계적 물성이 다른 다층 투명 토양을 제조하기 위해서는 광 조사가 진행되어 경화된 첫 번째 하이드로겔 기반 투명 토양층 단면에 신속히 두 번째 하이드로겔 준비용액을 도포하여 앞선 방식처럼 UV 조사기로 광중합 시켰다.

3. 투명 토양의 물성 확인

상기 다양한 혼합비율로 제조된 하이드로겔 투명 토양의 물성을 확인하기 위해, 팽윤비(swelling ratio)와 영 탄성률(elastic modulus)을 확인하였다.

먼저, 하이드로겔 투명 토양을 지름 8mm, 높이 1mm로 규격화하여 각각 총 5개의 샘플을 제작하고 만능재료시험기를 이용하여 팽윤비(swelling ratio)와 영 탄성률(elastic modulus)을 확인하였다.

팽윤비는 제조된 하이드로겔이 물을 최대한 흡수하였을 때의 무게와 완전히 건조되었을 때의 무게 비율을 측정하여 계산할 수 있으며, 팽윤도(degree of swelling)는 하기 식(1)으로 계산할 수 있다.

만능재료시험기의 설정 값은 측정거리 시험비율 10%, 시험 속도 0.5 mm/min, 하중 범위는 1.0 kg_f로 동일한 조건에서 수행되었다.

그 결과, 도 1과 같이 고분자의 혼합비율에 따라 하이드로겔의 영 탄성률에 차이가 나타났다.

상기 결과로부터 팽윤비 또는 수분 함유량을 일정하게 유지하면서 고분자의 평균 분자량을 조절함으로써 기계적 강도가 다른 하이드로겔 투명 토양 제조가 가능한 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 다양한 수용성 고분자를 사용하여 하이드로겔 기반의 투명토양을 제조한 결과, 고분자 종류, 농도 및 조성에 따라 기계적 강도를 1.0 kPa 에서 1.0 GPa 에 이르기까지 조절할 수 있었다.

상기 측정된 팽윤도와 인장강도 결과 값을 사용하여 하이드로겔 투명토양 구조의 중요 고려 대상인 Number of cross-links (N) 과 투명토양 내부의 기공크기(Pore-size)를 하기 식(2) 및 식(3)으로 확인하였다.

(2): Number of elastically effective cross-links

N = Number of elastically effective cross-links

S = Sheer modulus

R = Gas constant = 8.314 J/mol·K

T = Temperature = 25℃ = 298K

Q = Degree of swelling

(3): 3차원 네트워크 하이드로겔 투명토양 내부의 기공크기(Pore-size,

)

그 결과, 도 2와 같이 분자량이 작은 PEGDA를 사용한 경우, 팽윤도가 급격히 작아진 반면 인장강도는 우수한 것으로 측정되었다. 측정된 값을 사용하여 투명토양 내부의 가교 개수를 계산하면 0.9×10^- ³ mol/cm³ 으로 확인되었으며, 또한 내부의 기공 크기는 2.8 nm로 확인되었다.

한편, 3,400 g/mol의 큰 분자량을 갖는 PEGDA를 사용한 경우, 팽윤도가 급격히 증가하고 인장강도는 현격히 떨어지는 것으로 나타났다. 때문에 투명토양 내부의 가교 개수는 0.25×10^- ³ mol/cm³ 으로 확인되었으며, 내부의 기공 크기는 10.3 nm인 것으로 나타났다.

상기 결과로부터 극명한 차이가 나타나는 물성 값을 보이는 두 하이드로겔을 사용하여 다양한 기계적 물성을 갖는 투명토양을 제조할 수 있다.

< 실시예 2> 투명 토양을 이용한 뿌리 식물 재배 효과 확인

상기 실시예 1과 같은 과정으로 제조된 하이드로겔 투명 토양을 이용하여 뿌리 식물인 인삼을 재배하였다.

인삼종자를 발아시키고 청정한 환경에서 12~16개월 배양시켜 휴면이 끝난 묘삼을 깨끗한 물에 비료염을 용해시켜 만든 배양액으로 준비된 하이드로겔 투명 토양에 심는다. 하이드로겔 투명 토양은 배양액이 소모될 때마다 토양 높이가 줄어들기 때문에 용기 눈금 표시자를 통해 늘 일정한 토양 높이를 유지할 수 있도록 분무기 등을 사용하여 배양액을 공급하여 하이드로겔 투명 토양 부피를 일정하게 유지시켰다.

그 결과, 도 3 및 4와 같이 뿌리 식물인 인삼의 성장을 실시간으로 관찰할 수 있으며, 기계적 강도의 제어가 가능하여 뿌리 생장 주기별로 기계적 강도를 다층 형태로 제조할 수 있었다.

또한, 하이드로겔 토양의 공간분포를 자유롭게 하여, 3차원적으로 다양한 강도를 갖는 하이드로겔 기반의 투명토양을 제조하여 뿌리 성장 거동을 관찰하였다.

이때, 하이드로겔 토양의 공간분포를 자유롭게 설계하기 위해 DLP 3D printer(SPACE D, 3D Factory) 등의 3D 프린터를 활용할 수 있다.

그 결과, 도 5와 같이 기계적 강도가 내림차순으로 강해지는 토양의 경우, 뿌리 길이 성장이 최대로 나타나는 반면, 오름차순으로 기계적 강도가 강해지는 토양의 경우, 겉 뿌리의 길이 성장에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 수분 함유량과 기계적 물성에 따른 구획(I, II, III, IV)별로 실시간 관찰이 가능함으로, 뿌리식물의 성장 시기에 따른 적합한 토양 강도 연구에 플렛폼 기술로도 활용 가능하다.

상기 결과로부터 본 발명의 하이드로겔 기반의 투명 토양은 뿌리식물 재배 시 실시간으로 뿌리 성장 및 발달 과정을 확인할 수 있었으며, 하이드로겔 물성 제어를 통하여 토양의 기계적 강도를 조절함으로써 뿌리 식물 성장 및 뿌리 발달과정을 제어할 수 있으므로, 토양 강도 맞춤형 식물재배에 효과적으로 사용될 수 있다.

< 실시예 3> 하이드로겔 영양분 전달체

1. 투명토양에 삽입 가능한 하이드로겔 영양분 전달체 제조 방법

메타아크릴릭 알지네이트(Methacrylic Alginate)와 알지네이트(Alginate)를 이용하여 영양분 전달체를 제조하였다.

수용액 여과 후, 동결 건조시킨 메타아크릴릭 알지네이트와 알지네이트를 전체 고분자 용액의 각각 1.0 wt%가 되도록 용해시켜 주었다. 제작한 고분자 용액을 교반중인 0.5M CaCl₂ 용액에 26 게이지 주사기로 떨어뜨려 마이크로미터 크기의 구형 전달체를 제조하였다. 전달체 내로 봉입된 영양분은 Ca(NO₃)₂, KNO₃, Fe-EDTA, (NH₄)H₂PO₄, MgSO₄,CuSO₄, H₃BO₃, MnSO₄H₂O, ZnSO₄ 및 Na₂MoO₄ 배양액 건조성분이 포함되었으며, 하이드로겔 기반 영양분 전달체로 사용되는 고분자는 알지네이트, PEG, PLGA, 키토산, 히알루론산, 아가로스, 펙틴, PLA 등의 고분자도 사용이 가능하다.

2. 하이드로겔 영양분 전달체 효과 확인

투명토양에 삽입한 하이드로겔 영양분 전달체의 영양분 방출 거동을 확인하기 위해, 모델 단백질 영양분(BSA, Sigama)을 봉입하였다. BSA가 봉입된 전달체를 영양분 배지 20mL에 넣고, 상온에서 200 rpm 으로 교반시켜 주었다. 일정한 시간 간격을 두고 배지 상층액의 BSA 농도를 측정하여, 전달체에서 방출된 영양분의 양을 확인하였다(ELISA, Mlultiskan GO, Thermo Scientific, at 560nm). 영양분 방출 거동은 Ritger-Peppas 식(4)을 사용하여 피팅(fitting)한 결과, 확산 지배 모델(diffusion-controlled sphere model)에 적합한 것을 확인할 수 있었다.

(4)

영양분 전달체에 봉입된 전체 영양분의 양을 M_∞, 시간(t)에 따라 방출된 영양분의 축적된 양을 M_t, kinetic rate constant를 k, 방출 지수 값을 n으로 나타낸다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

고분자 말단에 아크릴기가 도입된 생체적합성 또는 수용성 고분자를 포함하며, 상기 고분자는 300 내지 1,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액과 3,000 내지 10,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액을 혼합하여 기계적 물성 제어가 가능한 하이드로겔 투명 토양용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 고분자 말단에 아크릴기가 도입된 생체적합성 또는 수용성 고분자는 폴리(에틸렌 글리콜)디아크릴레이트(PEGDA), 메타아크릴릭 알지네이트(Methacrylic Alginate), 폴리아크릴아마이드(PAAm), 아크릴릭 히알루론산(Acrylated Hyaluronic acid) 및 아크릴릭 아가로스(Acrylated Agarose)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 투명 토양용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 하이드로겔 투명 토양용 조성물은 300 내지 1,000g/mol의 분자량을 갖는 합성 고분자 수용액과 3,000 내지 10,000g/mol의 분자량을 갖는 합성 고분자 수용액을 3~7 : 7~3의 중량비로 혼합하여 기계적 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 투명 토양용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 하이드로겔 투명 토양용 조성물은 영양성분이 포함된 볼 형태의 하이드로겔을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 투명 토양용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 하이드로겔 투명 토양용 조성물은 식물 뿌리의 형태 및 성장 거동에 맞추어 기계적 강도가 다른 다층형 투명토양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 투명 토양용 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 하이드로겔 투명 토양용 조성물은 뿌리식물 재배용인 것을 특징으로 하는 하이드로겔 투명 토양용 조성물.
생체적합성 또는 수용성 고분자 말단에 아크릴기를 도입하는 단계;
상기 아크릴기가 도입된 고분자를 300 내지 1,000g/mol의 분자량 갖는 고분자 수용액 A를 제조하는 단계;
상기 아크릴기가 도입된 고분자를 수용액에 용해시켜 3,000 내지 10,000g/mol의 분자량을 갖는 고분자 수용액 B를 제조하는 단계; 및
상기 고분자 수용액 A 및 고분자 수용액 B를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 특성 제어가 가능한 하이드로겔 투명 토양 제조방법.
청구항 7에 있어서, 상기 하이드로겔 투명 토양 제조방법은 영양성분이 포함된 볼 형태의 하이드로겔을 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 투명 토양 제조방법.