KR20180129494A

KR20180129494A - 실크 섬유와 폴리비닐알콜의 복합체, 이의 제조 방법, 및 이의 용도

Info

Publication number: KR20180129494A
Application number: KR1020170065631A
Authority: KR
Inventors: 박귀덕; 김유찬; 노용권; 선정윤; 마진우; 임성수
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 한국과학기술연구원
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-12-05
Also published as: KR101991893B1

Abstract

일 양상에 따른 실크 섬유와 폴리비닐알콜의 복합체, 이의 제조 방법, 및 이를 이용한 의료용 이식물에 따르면, 기계적 강도가 히드로겔의 기계적 물성을 개선하여 높은 탄성 계수와 파괴 인성을 갖고 생체적합성이 우수하여, 의료용 소재로 이용할 수 있다.

Description

실크 섬유와 폴리비닐알콜의 복합체, 이의 제조 방법, 및 이의 용도{Composite of silk fiber and poly(vinyl alcohol), preparation method thereof, and use thereof}

실크 섬유와 폴리비닐알콜의 복합체, 이의 제조 방법, 및 이의 용도에 관한 것이다.

국내외에서 가장 흔한 근골격계 질환 중 하나는 척추 추간판 탈출증을 포함한 척추 디스크 질환이다. 현재 임상적으로 인공 추간판 치환술이 적용되며 가장 많이 사용되는 제품은 Depuy 사의 Charite와 Synthes 사의 Prodisc이다. 이들 제품들은 척추의 움직임을 표현하기 위해 척추 뼈와 연결된 금속 지지체와 금속 지지체 사이의 폴리머 디스크 간 슬라이딩 모션을 사용하는 원리로 작동하며 시술 후 2-3 일 내 활동할 수 있는 장점이 있다. 그러나 임플란트 자체가 매우 딱딱한 소재로서 충격 흡수가 불가하며 인공 디스크를 삽입한 주변 척추 뼈에 2차 피해를 주는 경우가 있다. 따라서 뼈가 상대적으로 부실한 고령층에는 사용하기 어렵다.

히드로겔(hydrogel)은 일반적으로 많은 물을 함유하기 때문에, 매우 약한 기계적 강도를 가지기 때문에 인체 내 높은 하중을 견뎌야 하는 용도로 사용하기에 부적합하다. 히드로겔의 기계적 물성을 강화하기 위해, 다른 물질을 히드로겔에 혼합하는 방법이 주로 연구되었으나 최근에는 히드로겔 내에 다른 물질(예, 고분자 섬유)을 도입하는 방법이 연구되고 있다(Mirahmadi et al., Mat Sci Eng C- Mater. 33; 4786 (2013)).

따라서, 히드로겔의 기계적 물성을 개선하여 높은 탄성 계수와 파괴 인성을 갖고, 생체적합성이 우수한 강화 히드로겔을 개발할 필요가 있다.

실크 섬유-PVA 복합체를 제공한다.

실크 섬유-PVA 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.

실크 섬유-PVA 복합체를 포함하는 의료용 이식물을 제공한다.

일 양상은 표면 개질된 실크 섬유와 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol): PVA)을 포함하는 실크 섬유-PVA 복합체를 제공한다.

상기 실크 섬유는 상기 복합체의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 실크 섬유는 겔화된 PVA로 둘러싸이거나, 매몰되거나, 포매(embedding) 되거나, 또는 내재될 수 있다.

상기 실크 섬유는 아나사, 견사, 지누사, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 실크 섬유는 직경이 약 100 ㎛ 이상, 약 200 ㎛ 이상, 약 300 ㎛ 이상, 약 400 ㎛ 이상, 약 500 ㎛ 이상, 약 600 ㎛ 이상, 약 700 ㎛ 이상, 약 800 ㎛ 이상, 약 900 ㎛ 이상, 또는 약 1 m 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 실크 섬유의 직경은 약 600 ㎛이다.

상기 실크 섬유는 친수성 화합물로 표면 개질된 것일 수 있다. 상기 친수성 화합물은 2-히드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate: 2-HEMA), 2-히드록시-에틸-아크릴레이트(2-hydroxy-ehtyl-acrylate: 2-HEA), 히드록실 프로필 메타크릴레이트, 트리메틸암모늄 2-히드록시 프로필 메타크릴레이트 히드로클로라이드, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트, 글리세롤 메타크릴레이트, Ν,Ν-디메틸아크릴아미드, N-이소프로필아크릴아미드, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 아크릴산, 메타크릴산, 또는 이들의 조합일 수 있다. 표면 처리 화합물은 말레산 무수물(maleic anhydride), 시트라코닉 무수물(citraconic anhydride), 이타코닉 무수물(itaconic anhydride) 디메틸말레산 무수물(2,3-dimethylamliec anhydride), 시스-아코니트 무수물(cis-aconitic anhydride), 페닐말레산 무수물, 숙신산 무수물, 도데실숙신산 무수물, 메틸숙신산 무수물, 부틸숙신산 무수물, 옥테닐숙신산 무수물(2-octen-1-ylsuccinic anhydride), 페닐숙신산 무수물, 또는 이들의 조합일 수 있다.

상기 PVA는 물리적으로 또는 화학적으로 가교화(crosslinking)된 것일 수 있다. 상기 PVA는 PVA를 포함한 공폴리머 또는 다른 폴리머와 PVA의 혼합물일 수 있다.

상기 실크 섬유-PVA 복합체는 약 5 MPa 내지 약 20 MPa, 약 7 MPa 내지 약 18 MPa, 약 9 MPa 내지 약 16 MPa, 약 10 MPa 내지 약 15 MPa, 약 11 MPa 내지 약 14 MPa, 약 12 MPa 내지 약 14 MPa, 또는 약 13 MPa 내지 약 14 MPa의 탄성계수(elastic modulus)를 가질 수 있다.

상기 실크 섬유-PVA 복합체는 약 1,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 5,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 10,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 15,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 20,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 25,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 30,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 32,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 34,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 36,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 38,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 40,000 J/m² 내지 약 45,000 J/m², 약 40,000 J/m² 내지 약 44,000 J/m², 약 40,000 J/m² 내지 약 43,000 J/m², 약 40,000 J/m² 내지 약 42,000 J/m², 약 41,000 J/m² 내지 약 42,000 J/m², 약 41,000 J/m² 내지 약 41,700 J/m², 약 41,000 J/m² 내지 약 41,500 J/m², 또는 약 41,000 J/m² 내지 약 41,300 J/m²의 파괴 인성(fracture toughness)을 가질 수 있다.

상기 실크 섬유-PVA 복합체는 히드로겔인 것일 수 있다. 상기 실크 섬유-PVA 복합체는 향상된 기계적 강도를 갖는 강화(tough) 히드로겔일 수 있다. 상기 실크 섬유-PVA 복합체는 젖은 형태(wet form), 또는 건조된 형태(dry form)일 수 있다.

다른 양상은 표면 개질된 실크 섬유를 몰드에 위치시키는 단계;

상기 몰드에 위치한 실크 섬유에 PVA 용액을 가하여 실크 섬유와 PVA 용액의 혼합물을 제조하는 단계로서,

상기 실크 섬유는 상기 몰드의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬된 것인 단계; 및

상기 혼합물을 가교화시켜 실크 섬유-PVA 복합체를 제조하는 단계를 포함하는, 실크 섬유-PVA 복합체를 제조하는 방법을 제공한다.

표면 개질, 실크 섬유, 및 실크 섬유-PVA 복합체는 전술한 바와 같다.

상기 방법은 표면 개질된 실크 섬유를 몰드에 위치시키는 단계를 포함한다.

상기 방법은 몰드에 위치한 실크 섬유에 PVA 용액을 가하여 실크 섬유와 PVA 용액의 혼합물을 제조하는 단계를 포함한다.

상기 실크 섬유는 상기 몰드의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬될 수 있다. 상기 몰드는 하나 이상의 홈을 갖는 것일 수 있다. 홈의 간격은 약 0.1 mm 내지 약 5 cm, 약 0.2 mm 내지 약 4 cm, 약 0.3 mm 내지 약 3 cm, 약 0.4 mm 내지 약 2 cm, 약 0.5 mm 내지 약 1 cm, 약 0.6 mm 내지 약 0.9 mm, 또는 약 0.7 mm 내지 약 0.8 mm일 수 있다.

상기 PVA 용액 중 PVA의 농도는 약 5%(w/v) 내지 약 20%(w/v), 약 6%(w/v) 내지 약 19%(w/v), 약 7%(w/v) 내지 약 18%(w/v), 약 8%(w/v) 내지 약 17%(w/v), 약 8%(w/v) 내지 약 16%(w/v), 약 8%(w/v) 내지 약 15%(w/v), 약 9%(w/v) 내지 약 14%(w/v), 약 10%(w/v) 내지 약 14%(w/v), 약 11%(w/v) 내지 약 14%(w/v), 또는 약 12%(w/v) 내지 약 14%(w/v)일 수 있다. 예를 들어, 상기 PVA 용액 중 PVA의 농도는 약 13%(w/v)이다. 상기 PVA 용액은 수용액일 수 있다.

상기 PVA는 중량 평균 분자량이 약 100,000 g/mol 내지 약 200,000 g/mol, 약 110,000 g/mol 내지 약 195,000 g/mol, 약 120,000 g/mol 내지 약 190,000 g/mol, 약 130,000 g/mol 내지 약 190,000 g/mol, 약 140,000 g/mol 내지 약 190,000 g/mol, 약 142,000 g/mol 내지 약 189,000 g/mol, 약 144,000 g/mol 내지 약 188,000 g/mol, 약 146,000 g/mol 내지 약 187,000 g/mol, 또는 약 146,000 g/mol 내지 약 186,000 g/mol일 수 있다.

상기 방법은 상기 혼합물을 가교화시켜 실크 섬유-PVA 복합체를 제조하는 단계를 포함한다.

상기 혼합물을 가교화시키는 것은 물리적으로 또는 화학적으로 가교화시키는 것일 수 있다. 상기 혼합물을 가교화시키는 것은 동결 및 해동을 수행하는 것일 수 있다. 동결은 약 -10℃ 내지 약 -70℃, 약 -15℃ 내지 약 -60℃, 약 -20℃ 내지 약 -50℃, 약 -20℃ 내지 약 -40℃, 또는 약 -20℃ 내지 약 -30℃의 온도에서 수행될 수 있다. 동결은 상기 혼합물을 동결하기에 충분한 시간 동안, 예를 들어 약 1초 내지 약 12 시간, 약 1분 내지 약 11 시간, 약 30분 내지 약 10 시간, 약 1시간 내지 약 9 시간, 약 2시간 내지 약 8 시간, 약 3시간 내지 약 7 시간, 약 4시간 내지 약 6 시간, 또는 약 5시간 내지 약 6 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 해동은 약 4℃ 내지 약 60℃, 약 10℃ 내지 약 55℃, 약 15℃ 내지 약 50℃, 약 20℃ 내지 약 45℃, 약 25℃ 내지 약 40℃, 약 25℃ 내지 약 35℃, 또는 실온에서 수행될 수 있다. 해동은 상기 동결된 혼합물을 해동하기에 충분한 시간 동안, 예를 들어 약 1초 내지 약 6 시간, 약 1분 내지 약 5 시간, 약 30분 내지 약 4 시간, 약 1시간 내지 약 4 시간, 약 2시간 내지 약 4 시간, 또는 약 3시간 동안 수행될 수 있다. 상기 동결 및 해동은 1회, 2회, 3회, 4회, 5회, 6회, 7회, 8회, 9회, 10회, 11회, 12회, 13회, 14회, 또는 15회 이상 수행될 수 있다.

상기 방법은 표면 개질된 실크 섬유를 몰드에 위치시키는 단계 이전에, 실크 섬유를 표면 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다른 양상은 표면 개질된 실크 섬유와 PVA를 포함하는 실크 섬유-PVA 복합체를 포함하는 의료용 이식물을 제공한다.

표면 개질, 실크 섬유, PVA, 및 실크 섬유-PVA 복합체는 전술한 바와 같다.

상기 실크 섬유는 상기 복합체의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬된 것일 수 있다.

상기 이식물은 근골격계 조직 수복을 위한 것일 수 있다. 상기 근골격계 조직은 수핵(nucleus pulposus)일 수 있다. 상기 이식물은 사람, 개, 고양이, 말, 소, 돼지, 및 염소를 포함한 동물의 관절에 삽입될 수 있다. 상기 관절은 척추, 무릅, 골반, 어깨, 팔꿈치, 다리, 또는 팔의 관절일 수 있다.

상기 이식물은 멸균된 것일 수 있다.

도 1a는 PVA 수용액을 균질화하기 전과 후를 나타내는 이미지이고, 도 1b는 냉각 및 해동 사이클에 따른 PVA 매트릭스의 이미지이다.
도 2a는 몰드 캐스팅과 제조된 PVA 히드로겔 매트릭스의 이미지이고, 도 2b는 반복 사이클에 따른 PVA 히드로겔의 인장 탄성율(kPa) 및 압축 탄성율(kPa)을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 PVA 매트릭스의 세포 독성 여부를 검증하기 위한 실험의 모식도이고, 도 3b는 PVA 매트릭스의 존재 하에서 배양된 연골세포의 세포 생존율은 나타내는 이미지이다(녹색: 생존한 세포, 붉은색: 죽은 세포).
도 4a는 PVA 매트릭스의 생체적합성을 검증하기 위한 실험의 모식도이고, 도 4b는 쥐의 피하에 이식 후 제14일 및 제56일의 PVA 매트릭스의 이미지(위)와 PVA 매트릭스 이식 부위 주변의 조직을 염색한 이미지(아래)이다.
도 5a는 2-HEMA를 사용한 친수성 표면 개질 후 실크 섬유의 모식도이고, 도 5b는 PVA 매트릭스와 표면 개질된 실크 섬유가 복합화된 형태의 모식도이고, 도 5c는 실크 섬유의 이미지(좌)와 2-HEMA로 표면 개질된 실크 섬유의 이미지(우)이다.
도 6a는 말레산 무수물을 실크 섬유에 도입하여 실크 섬유를 표면 개질하고 표면 개질된 실크 섬유에 PVA를 처리하는 과정을 나타내는 모식도이고, 도 6b는 PVA-PVA 매트릭스간 물리적 가교를 형성한 복합체를 나타내는 모식도이고, 도 6c는 실크 섬유의 이미지(좌)와 MA로 표면 개질된 실크 섬유의 이미지(우)이다.
도 7은 강화 히드로겔을 제조하기 위한 몰드의 모식도(좌)와 실크 섬유 강화 히드로겔의 이미지(우)이다.
도 8a는 실크 섬유 강화 히드로겔을 제작하는 모식도이고, 도 8b는 단일 섬유에 의해 강화된 13% PVA 터프 히드로겔 샘플 3개를 시험한 변위-힘의 그래프이고, 도 8c는 터프 히드로겔 복합체의 변위-하중 그래프이고, 도 8d는 초기 크랙 길이에 따른 에너지 그래프이고, 도 8e는 인장 시험 장비를 통해 초기 크랙을 가진 샘플이 마운트되어 있는 이미지이고, 도 8f는 실크 섬유 강화 히드로겔의 탄성율을 측정하기 위해 샘플을 제작하는 모식도이다.
도 9a는 히드로겔의 제작 규격의 모식도이고, 도 9b는 실크 섬유 정렬 몰드의 이미지이고, 도 9c는 실크 섬유 강화 히드로겔의 이미지이고, 도 9d는 실크 섬유 강화 히드로겔을 이용한 원통형의 디스크 형태의 시제품의 이미지이다.

이하 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 강화 히드로겔의 제작 및 그의 특성 확인

1) 강화 히드로겔 매트릭스의 제조

(1) 폴리비닐 알콜 매트릭스의 제조

평균 분자량 146,000 내지 186,000의 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol): PVA, Cat. No. 363065-1KG, Aldrich)을 증류수에 용해시켜 8%(w/v) 내지 15%(w/v)의 PVA 수용액을 준비하고, 고압증기멸균 후 용액을 잘 혼합하였다. 구체적으로, 고농도의 PVA(예, 15%)는 점도가 매우 높아 상온에서 균일하게 섞는 것이 용이하지 않기 때문에, 머리가 아래로 향한 프로펠러(down-headed propeller)를 사용하여 1000 rpm의 속도로 교반하면서 약 60℃ 내지 약 80℃의 온도를 유지하면서 용액을 균질화시켰다(도 1a).

그 후, PVA 히드로겔의 물리적 가교를 유도하기 위해 냉각 및 해동을 실시하였다. 냉각 조건은 -20℃에서 6 시간이고, 해동 조건은 20℃에서 3 시간이고, 3, 6, 9, 또는 12 사이클의 냉각 및 해동을 반복하였다. PVA 히드로겔의 기계적 물성을 확인하기 위해, PVA 수용액을 몰드에 붓고 냉각 및 해동을 반복하여 PVA 히드로겔을 제작하였다(도 2a). 반복 사이클에 따른 PVA 히드로겔의 인장 탄성율(kPa) 및 압축 탄성율(kPa)을 도 2b에 나타내었다.

기계적 물성 결과에 기초하여, PVA 히드로겔의 물리적 가교 조건으로 9 사이클의 냉동 및 해동을 설정하였다. 이 방법으로 제조된 PVA 매트릭스의 이미지를 도 1b에 나타내었다.

(2) PVA 매트릭스의 기계적 물성의 확인

실시예 1.1)에 기재된 바와 같이 제조된 PVA 매트릭스의 기계적 물성을 표준화된 샘플 규격 및 프로토콜에 따라 실시하였다.

기계적 물성 측정을 위해, 순전단(pure shear) 방법으로 히드로겔의 파괴 인성 및 탄성 계수를 측정하였다. 파괴 인성은 균열이 있는 시료를 인장하여 균열이 전파되는 임계 길이를 산출하고, 균열이 없는 시료의 응력-인장 그래프를 임계 길이까지 적분하여 산출하였다. 산출된 PVA 매트릭스의 파괴 인성 및 탄성 계수를 하기 표 1에 나타내었다.

농도	파괴 인성(J/m²)	탄성 계수(kPa)	파괴 강도(kPa)
9%(w/v) PVA	400	156	570
13%(w/v) PVA	1024	341	649
15%(w/v) PVA	1088	370	765
17%(w/v) PVA	1496	496	785

표 1에 나타난 바와 같이, PVA 기반 히드로겔만으로는 파괴 강도가 1 MPa에 도달하지 못하지만 섬유 강화로 강도를 높일 수 있기 때문에, 강화 히드로겔의 매트릭스로서 적절한 강도를 갖고 있다는 것이 확인되었다.

(3) PVA 매트릭스의 생체적합성 평가

실시예 1.1)에 기재된 바와 같이 제조된 PVA 매트릭스의 세포 독성 여부를 검증하기 위해, PVA 매트릭스(8 mm x 1.5 mm)를 제조하였다. 상용화된 트랜스웰 인서트(transwell insert)를 이용하여 상층에는 PVA 매트릭스를 위치시키고 하층인 배양 플레이트 바닥에는 2x10⁴개/cm²의 연골 세포를 이식하였다(도 3a). 트랜스웰에 10%(v/v) 우태아 혈청 및 1%(w/v) 페니실린/스트렙토마이신을 포함하는 DMEM 배지를 가하고, 연골 세포를 최대 3일까지 배양하였다. 배양된 세포의 세포 생존율은 Live & Dead Cell Assay 키트를 사용하여 분석하고, 그 이미지를 도 3b에 나타내었다. 도 3b에 나타난 바와 같이, 생존한 세포는 녹색으로, 죽은 세포는 붉은색으로 나타나므로, PVA 매트릭스 존재 하에서 세포 생존율이 우수함을 확인하였다.

또한, 생체적합성 평가를 위해, 디스크 형태(직경 23 mm/두께 1.5 mm)의 PVA 매트릭스를 준비하였다. 6주령의 쥐에 자일라진(Xylazine) HCl을 10 mg/kg의 용량으로 복강 투여하여 마취를 유도하고, 1.5% 내지 2%(100%의 O₂ 함유)의 이소플루란(isoflurane)으로 마취를 유지하였다. 마취된 쥐의 등 부분 피하에 PVA 매트릭스를 이식하였다. 이식 기간은 단기 및 장기로서 14일과 56일째 시료를 각각 채취하여 분석하였다(도 4a). 육안 소견으로 볼 때 PVA 매트릭스 주위로 모두 혈관이 형성되는 것을 확인하였고, 조직 염색(헤마톡실린 및 에오신) 실시를 통해 관찰한 결과 PVA 매트릭스 주변으로 섬유화된 조직이 발견되었다(도 4b). 그러나 면역 반응과 연관된 염증 세포는 거의 활성화되지 않은 것으로 확인되었다.

2) 실크 섬유 표면 개질

(1) 실크 섬유 준비 및 전처리

PVA 매트릭스의 기계적 물성을 더욱 개선하기 위해, 실크 섬유인 아나사를 사용하였다. 실크는 직경에 따라 작은 순서에서 큰 순서로 견사, 지누사, 및 아나사로 구분되고, 아나사는 실크의 직경이 600 ㎛에 달하며 여러 가닥의 실크 섬유의 꼬아짐으로 이루어져 있다. 표면 개질의 전처리 과정으로서, 약 1 g의 실크 섬유를 60℃로 가열된 오븐에서 넣어주고 24시간 동안 인큐베이션하여, 건조된 실크 섬유를 수득하였다.

(2) 2- 히드록시에틸 메타크릴레이트를 사용한 실크 섬유 표면 개질

비친수성 실크 섬유의 표면에 친수성 작용기를 도입하여 실크 섬유와 PVA 매트릭스 간의 계면 접착 결합력을 강화시키기 위해, 실크 섬유를 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate: 2-HEMA)로 코팅하여 실크 섬유의 표면에 히드록시 작용기(-OH)를 생성시켰다. 2-HEMA를 사용한 친수성 표면 개질 후 실크 섬유, 및 PVA 매트릭스와 표면개질 섬유가 복합화된 형태의 모식도를 각각 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.

실시예 1.2)(1)에 기재된 바와 같이 건조된 실크 섬유를 페트리 디쉬(150 x 20 mm)에 올려두고(도 5c의 좌측), 500W의 힘, 지속 시간 10분 동안 공기 플라스마(Air plasma)를 가하여, 비활성의 실크 섬유에 활성화를 유도하였다. 실크 섬유에 2-HEMA(SIGMA-ALDRICH)를 실크 섬유가 충분히 잠길 정도로 가하고, 파장 350 nm의 자외선(CL-1000 Ultraviolet Crosslinker)을 약 30분 동안 조사하였다. 그 후, 페트리 디쉬에서 2-HEMA 용액을 제거하고, 실크 섬유를 탈이온수로 3회 세척하였다. 다량의 탈이온수에 2-HEMA로 표면 개질된 실크 섬유를 가하고, 약 12 시간 동안 초음파 처리한 후 약 50℃의 오븐에서 약 24 시간 동안 건조시켰다. 표면 개질 전 실크 섬유의 이미지와 2-HEMA로 표면 개질된 실크 섬유의 이미지를 도 5c에 나타내었다.

(3) 말레산 무수물과 PVA 를 사용한 실크 섬유의 표면 개질

실크 섬유의 표면 개질을 위한 다른 시도로서, 말레산 무수물(Maleic Anhydride: MA)을 실크 섬유에 도입하고 개질된 실크 섬유에 PVA를 처리하였다(도 6a). 또한, 개질된 실크 섬유에 PVA를 처리하여 PVA-PVA 매트릭스 간 물리적 가교를 통해 더욱 강한 계면 결합을 유도하였다(도 6b).

구체적으로, 실시예 1.2)(1)에 기재된 바와 같이 건조된 실크 섬유를 준비하였다. 액체 상태인 80 ㎖의 아세트산 무수물과 분말 형태인 4g의 말레산 무수물(MA)을 혼합하고, 핫 플레이트에서 약 100℃로 가열한 물에 중탕하여 혼합액을 가열하였다. 가열된 혼합액을 약 1 g의 건조된 실크 섬유 및 0.22 g의 과산화 벤조일을 가하고, 약 2 시간 동안 인큐베이션하였다. 아세톤으로 실크 섬유를 1회 세척하고, 아세톤에서 약 24 시간 동안 초음파 처리하였다. 실크 섬유를 약 50℃ 오븐에서 약 24 시간 동안 건조시켜 MA에 의해 표면 개질된 실크 섬유를 수득하였다(도 6c).

1.2 g의 PVA와 19 ㎖의 탈이온수를 혼합하여 6%(w/v) PVA 용액을 제조하였다. 제조된 PVA 용액을 MA 표면 개질된 실크 섬유에 가하고, 약 70℃ 오븐에서 약 24시간 인큐베이션하여 탈이온수를 증발시켰다. 이후, 오븐을 약 140℃로 가열하고 약 2 시간 동안 인큐베이션하여 실크 섬유 표면의 MA와 PVA 고분자 간 열-유도된 에스테르화를 유도하였다. 잔존하는 PVA는 속슬렛 추출기(Soxhlet extractor)를 사용하여 약 10 시간 동안(대략 50 사이클) 진행하여 제거하였다. 실크 섬유를 오븐에서 건조시킨 후, 건조된 실크 섬유를 PVA 매트릭스 강화재를 사용하였다.

3) 강화 히드로겔의 제조 및 제조된 강화 히드로겔의 물성 평가

(1) 폴리비닐알콜 매트릭스와 표면 개질 실크 섬유의 복합화

실시예 1.1)에서 PVA 매트릭스 제작에 사용한 아크릴 몰드와 유사하게 새로운 몰드를 제작하였다.

구체적으로, 레이저 커터(VLS3.50, 광원 50W, 1000 dpi/25 micron) 장비를 사용하고, 블랙 파워 60%, 속도 4% 및 레드 파워 5%, 속도 5%의 조건으로 레이저 커팅하였다. 몰드의 규격은 외부 76 x 52 mm이고, 내부 60 x 47 mm이며, 가로 축에 대하여 0.8 mm 간격의 규칙적 홈을 지닌 형태이다(도 7의 좌측). 규칙적으로 주어진 홈에 실크 섬유를 끼워줌으로서 실크 섬유가 일방향으로 정렬된 상태를 유지할 수 있다. 실크 섬유가 한 방향으로 정렬되어 끼워진 몰드에 13%(w/v) PVA 용액을 골고루 부어준 뒤 슬라이드 글라스를 사용하여 기포가 들어가지 않도록 잘 덮어주었다. 그 후, 1)에 기재된 바와 같이 냉동 및 용해의 과정을 9 사이클을 수행하여 실크 섬유 강화 히드로겔을 제조하였다(도 7의 우측).

(2) 실크 섬유 강화 히드로겔의 기계적 물성의 평가

실시예 1.3)(1)에 기재된 바와 같이 제작한 실크 섬유 강화 터프 히드로겔의 기계적 물성 지표 중에서 가장 중요한 탄성 계수(elastic modulus)과 파괴 인성(fracture toughness)을 측정하였다. 특히 PVA 매트릭스가 아닌 실크 섬유에 의해 강화된 터프 히드로겔의 파괴 인성을 측정하기 위해, 하기 수학식을 적용하였다:

(Г_tot=전체 파괴 인성, Г_m=매트릭스의 파괴 에너지, n=매트릭스 중 크랙 전파가 일어나는 미소 변위(c) 내 섬유(f)의 갯수, Г_d=매트릭스(m)와 섬유(f)간의 분리 에너지, c=크랙 전파가 일어나는 미소 변위, h=복합체의 세로 길이(height), r=섬유의 반지름).

상기 수학식에 따라, 기존의 히드로겔 PVA 매트릭스 파괴 인성 계산과 더불어 실크 섬유와 PVA 매트릭스 간 표면 결합 에너지를 계산하는 방식으로 실크 섬유 강화 터프 히드로겔의 파괴 인성을 계산하였다. 실크 섬유에 의해 강화된 13% PVA 터프 히드로겔 복합체는 Г_m=1,024 J/m², Г_d=1,170 J/m²이었고, 최종적으로 Г_tot=34,800 J/m²이었다.

여기서 Г_d(=매트릭스(m)와 섬유(f)간의 분리 에너지)의 계산은 다음과 같이 수행하였다. 도 8a에서 보이는 것처럼 가로 30 mm ×세로 20 mm × 두께 2 mm의 겔에 실크 처리 섬유를 한가닥 배열하여 제작하였다. 인장 시험장비를 통해 실을 당겨주는 단일 섬유 풀아웃 테스트(Single fiber pullout test)를 수행하고, 그 결과를 도 8b에 나타내었다. 도 8b는 단일 섬유에 의해 강화된 13% PVA 터프 히드로겔 샘플 3개를 시험한 변위-힘의 그래프이다. 곡선에서 최대 하중까지의 면적을 적분한 값, 에너지(U_d)를 실크 섬유의 수직 단면적으로 나누어 줌으로서 Г_d(매트릭스와 섬유간 분리 에너지)=1,170 J/m²를 얻을 수 있었다.

순전단(Pure shear) 방법을 이용하여 섬유에 의해 강화된 13% PVA 터프 히드로겔 복합체의 파괴 인성을 측정하였다. 터프 히드로겔 복합체에 c₀의 초기 크랙을 주고 인장시험장비를 통해 변위-하중 그래프를 얻었다(도 8c). 각 그래프에서 최대 하중을 보일 때의 변위 중 가장 낮은 수치를 보이는 연신에서의 면적 즉, 에너지(U)를 얻었다. 이를 초기 크랙 길이에 따른 에너지 그래프를 얻었고(도 8d), 섬유에 의해 강화된 13% PVA 터프 히드로겔 복합체의 최종적으로 측정한 파괴 인성은 약 41,100 J/m²이다. 인장 시험 장비를 통해 초기 크랙을 가진 샘플이 마운트되어 있는 이미지를 도 8e에 나타내었다.

한편, 실크 섬유 강화 터프 히드로겔의 탄성 계수(elastic modulus)를 계산하기 위하여 개의 뼈(dog bone) 모양의 샘플을 제작하고, 제작 방법의 모식도를 도 8f에 나타내었다. 제작된 샘플의 두께는 2 mm이고, 표점 거리(gauge length)는 12.8 mm이고, 폭은 5 mm였다. 인장 시험장비(Instron model 3343, 1 kN)를 사용하여 준비된 샘플의 탄성 계수를 측정하였다. 13 wt% PVA 히드로겔 매트릭스 기반 복합체 세개의 샘플의 반복 실험 및 평균 결과 탄성 계수는 13.041 MPa로 측정되었다.

3) 실크 섬유 강화 히드로겔 시제품의 제작

실제 척추 디스크 수핵부와 유사한 원기둥 형태의 실크 섬유 강화 히드로겔 복합체를 제작하였다.

히드로겔의 제작 규격은 가로 32 mm × 세로 32 mm × 높이 10 mm로 제작하였고, 그 모식도를 도 9a에 나타내었다.

몰드 제작 규격은 내부에 홈이 있는 가로 120 mm × 세로 120 mm × 높이 2 mm의 5복합층 구조이고, 0.8mm 간격의 규칙적 홈을 갖고 각 축에 20개씩을 갖도록 제작하였다. 구체적으로, 레이터 커터(VLA3.50, 광원 50W, 1000dpi/25 미크론) 장비를 사용하고, 몰드를 블랙 파워 30%, 속도 5% 및 레드 파워 80%, 속도 5%의 조건으로 레이저 커팅하였다. 몰드 단층의 홈에 표면처리 실크 섬유를 끼워줌으로서 정렬된 상태를 만들어주었다. 이후, 다음 층의 몰드를 부착한 후 실크 섬유를 반복적으로 끼워주었다. 이렇게 5번의 과정을 반복하여 5중층 실크 섬유 정렬 몰드를 얻었고, 실크 섬유 정렬 몰드의 이미지를 도 9b에 나타내었다.

실크 섬유가 교차 정렬되어 끼워진 몰드에 13%(w/v) PVA 용액을 골고루 부어준 뒤, 아크릴 판으로 제작한 120 mm × 세로 120 mm × 높이 5 mm의 덮개를 사용하여 기포가 들어가지 않도록 잘 덮어주었다. 그 후, 1)에 기재된 바와 같이 냉동 및 용해의 과정을 9회 반복하여 실크 섬유 강화 히드로겔을 제조하고, 제조된 실크 섬유 강화 히드로겔의 이미지를 도 9c에 나타내었다.

레이터 커터(VLA3.50, 광원 50W, 1000dpi/25 micron) 장비를 사용하여 실크 섬유 강화 히드로겔을 수회 커팅을 하여 지름 20 mm의 원통형의 디스크 형태의 시제품을 제작하고, 그 이미지를 도 9d에 나타내었다.

Claims

표면 개질된 실크 섬유와 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol): PVA)을 포함하는 실크 섬유-PVA 복합체로서, 상기 실크 섬유는 상기 복합체의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬된 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 1에 있어서, 상기 실크 섬유는 아나사, 견사, 지누사, 또는 이들의 조합인 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 1에 있어서, 상기 실크 섬유는 친수성 화합물로 표면 개질된 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 3에 있어서, 상기 친수성 화합물은 2-히드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate: 2-HEMA), 2-히드록시-에틸-아크릴레이트(2-hydroxy-ehtyl-acrylate: 2-HEA), 히드록실 프로필 메타크릴레이트, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트, 글리세롤 메타크릴레이트, 아크릴산, 메타크릴산, 또는 이들의 조합인 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 3에 있어서, 청구항 3에 있어서, 표면 처리 화합물은 말레산 무수물(maleic anhydride), 시트라코닉 무수물(citraconic anhydride), 이타코닉 무수물(itaconic anhydride) 디메틸말레산 무수물(2,3-dimethylamliec anhydride), 시스-아코니트 무수물(cis-aconitic anhydride), 페닐말레산 무수물, 숙신산 무수물, 도데실숙신산 무수물, 메틸숙신산 무수물, 부틸숙신산 무수물, 옥테닐숙신산 무수물(2-octen-1-ylsuccinic anhydride), 페닐숙신산 무수물, 또는 이들의 조합인 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 1에 있어서, 상기 PVA는 물리적으로 또는 화학적으로 가교화된 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 1에 있어서, 상기 실크 섬유-PVA 복합체는 5 MPa 내지 20 MPa의 탄성계수(elastic modulus)를 갖는 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
청구항 1에 있어서, 상기 실크 섬유-PVA 복합체는 1,000 J/m² 내지 45,000 J/m²의 파괴 인성(fracture toughness)을 갖는 것인 실크 섬유-PVA 복합체.
표면 개질된 실크 섬유를 몰드에 위치시키는 단계;
상기 몰드에 위치한 실크 섬유에 PVA 용액을 가하여 실크 섬유와 PVA 용액의 혼합물을 제조하는 단계로서,
상기 실크 섬유는 상기 몰드의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬된 것인 단계; 및
상기 혼합물을 가교화시켜 실크 섬유-PVA 복합체를 제조하는 단계를 포함하는,
실크 섬유-PVA 복합체를 제조하는 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 PVA 용액 중 PVA의 농도는 5%(w/v) 내지 20%(w/v)인 것인 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 PVA는 중량 평균 분자량이 100,000 g/mol 내지 200,000 g/mol인 것인 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 혼합물을 가교화시키는 것은 물리적으로 또는 화학적으로 가교화시키는 것인 방법.
청구항 12에 있어서, 물리적으로 가교화시키는 것은 동결 및 해동을 수행하는 것인 방법.
청구항 13에 있어서, 동결은 -10℃ 내지 -70℃의 온도에서 수행하는 것인 방법.
청구항 13에 있어서, 동결은 1초 내지 12 시간 동안 수행하는 것인 방법.
청구항 13에 있어서, 상기 동결 및 해동은 1회 이상 수행하는 것인 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 방법은 실크 섬유를 표면 개질하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
표면 개질된 실크 섬유와 PVA를 포함하는 실크 섬유-PVA 복합체를 포함하는 의료용 이식물로서,
상기 실크 섬유는 상기 복합체의 내부에 하나 이상의 방향으로 정렬된 것인 의료용 이식물.
청구항 18에 있어서, 상기 이식물은 근골격계 조직 수복을 위한 것인 이식물.
청구항 19에 있어서, 상기 근골격계 조직은 척추 디스크의 수핵부(nucleus pulposus), 인대, 연골, 반월판, 또는 이들의 조합인 것인 이식물.