KR20180130419A - 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 이용하여 다양한 곡률반경을 가지는 생체 로봇의 다리 부분을 설계함으로써 약물전달, 조직공학, 환경공학 및 생체모방공학 분야에 다양하게 활용될 수 있다.
또한, 미세접촉 프린팅(μCP) 방법으로 다리 부분에 원형 패턴으로 파이브로넥틴을 패턴화시켜 분화된 근관세포의 수축력은 0.31±0.32 μN 값을 보인 반면, 100 ㎛ 두께의 선형 패턴으로 파이브로넥틴을 패턴화시켜 분화된 근관세포의 수축력은 1.12±0.30 μN 값을 보여 원형 패턴으로 패턴화시켰을 때 약 3.6배 강한 근관세포의 수축력을 가질 수 있으므로 근관세포의 2D 정렬뿐만 아니라 3D 정렬 기술을 도입하여 우수한 구동 능력을 갖는 생체 로봇을 제공할 수 있다.
또한, 미세접촉 프린팅(μCP) 방법으로 다리 부분에 원형 패턴으로 파이브로넥틴을 패턴화시켜 분화된 근관세포의 수축력은 0.31±0.32 μN 값을 보인 반면, 100 ㎛ 두께의 선형 패턴으로 파이브로넥틴을 패턴화시켜 분화된 근관세포의 수축력은 1.12±0.30 μN 값을 보여 원형 패턴으로 패턴화시켰을 때 약 3.6배 강한 근관세포의 수축력을 가질 수 있으므로 근관세포의 2D 정렬뿐만 아니라 3D 정렬 기술을 도입하여 우수한 구동 능력을 갖는 생체 로봇을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 다층(multi-layered) 하이드로젤 자가 접힘(self-folding)을 이용한 생체 로봇 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
살아있는 세포와 같은 생체물질을 유연하면서도 충분한 강도를 가지는 연성 물질(soft materials)에 결합하여 다양한 생명체의 메카니즘을 구현하고자 하는 생체 로봇(biological machine)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근, 고분자 탄성 중합체(polydimethylsiloxane; PDMS)로 구성된 몸체에 심근세포(cardiomyocyte)를 배양하여 만든 가오리 형태의 생체 로봇 연구가 사이언스(Science) 지에 소개되었다.
심근세포에 광감성 이온 채널 단백질(ChR2)이 발현하도록 유전자 조작을 가하여, 광 자극이 가오리의 날개에 주어지면 방향 전환도 가능토록 설계하였다. 또한 골격근(skeletal muscle) 세포를 사용한 연구도 활발히 진행되고 있으며 생체물질복합체와 3차원 프린팅 방식으로 다양한 형태의 생체 로봇이 개발되었다.
이러한 세포 기반의 생체 로봇은 내부 동력기관 없이 구동이 가능하기 때문에 소형화가 필수인 다양한 응용분야에서 주목 받고 있다.
생체 로봇 개발에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나는 세포와 로봇 몸체로 사용된 연성물질 간의 결합력을 최적화하여 로봇의 작동 효율을 높이는 것이다. 때문에 생체 내 세포외 기질(extracellular matrix; ECM)의 물성을 모사할 수 있는 하이드로젤(hydrogel)이 생체 로봇 몸체의 연성물질로 대두되고 있다.
하이드로젤은 일반적으로 친수성 고분자가 3차원 망상구조(3D network structure)를 이루어 내부에 다량의 수분을 함유할 수 있도록 고안된 물질이다. 그 구조 및 물성이 생체 내 세포외기질과 유사하기 때문에 조직공학, 약물전달 및 식품 산업 등 다양한 분야에 폭 넓게 응용되고 있다.
고분자의 종류, 농도, 가교도(degree of cross-linking)를 조절하면 적용 세포 또는 생체 로봇 설계에 맞는 강도(stiffness) 및 팽윤비(swelling ratio)를 갖도록 하이드로젤의 기계적 물성을 제어할 수 있다.
다만, 구동에 필요한 외부 동력 또는 내부 동력기관이 필요하여, 이에 따른 소형화가 어려우며, 또한 유연한 동작을 구현하기 위한 종래의 탄성물질은 수 마이크로 이하의 크기로 제작이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 다층 하이드로젤 기반의 자가변환 생체 로봇은 약물전달, 조직공학, 환경공학 및 생체모방공학 분야에 다양하게 활용되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 다층 하이드로젤을 사용하여 자가변환(self-transformation)이 가능한 생체 로봇 및 그의 설계방법에 관한 것으로, 생체 로봇의 다리 부분은 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤을 포함하는 다층 하이드로젤로 구성되어 있어, 온도, pH, 또는 광 민감성 고분자의 도입 정도를 조절하여 자가 접힘에 의한 다리 부분 곡률(curvature)을 제어가 가능하고, 근아세포(myoblasts)를 접목하여 외부 에너지 공급 없이 자체적으로 반응하고 운동하는 생체 로봇을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 거리를 두고 있는 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층; 및 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 적층된 베이스 하이드로젤 층;으로 이루어져 있고, 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은, 파이브로넥틴으로 패턴화된 것을 특징으로 하는, 다층 하이드로젤을 제공한다.
또한 본 발명은 용매에 아크릴계 단량체와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체를 첨가한 후 UV 개시제를 첨가하여 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계; 용매에 아크릴계 단량체를 용해시킨 후 가교제를 첨가하여 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계; 거리를 두고 있는 복수개의 파이브로넥틴으로 패턴된 커버 글라스 상에 상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층을 제조하는 단계; 및 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 베이스 하이드로젤 층을 제조하는 단계를 포함하는, 다층 하이드로젤 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 거리를 두고 있는 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층; 및 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 적층된 베이스 하이드로젤 층;으로 이루어져 있고, 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은, 파이브로넥틴으로 패턴화된 것이고, 온도, pH, 또는 광을 조절하여 곡률반경을 가지는 커브드형인 것인, 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇을 제공한다.
본 발명은 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 이용하여 다양한 곡률반경을 가지는 생체 로봇의 다리 부분을 설계함으로써 약물전달, 조직공학, 환경공학 및 생체모방공학 분야에 다양하게 활용될 수 있다.
또한, 미세접촉 프린팅(μCP) 방법으로 다리 부분에 원형 패턴으로 파이브로넥틴을 패턴화시켜 분화된 근관세포의 수축력은 0.31±0.32 μN 값을 보인 반면, 100 ㎛ 두께의 선형 패턴으로 파이브로넥틴을 패턴화시켜 분화된 근관세포의 수축력은 1.12±0.30 μN 값을 보여 원형 패턴으로 패턴화시켰을 때 약 3.6배 강한 근관세포의 수축력을 가질 수 있으므로 근관세포의 2D 정렬뿐만 아니라 3D 정렬 기술을 도입하여 우수한 구동 능력을 갖는 생체 로봇을 제공할 수 있다.
도 1은 온도 민감성을 포함하는 다층 하이드로젤과 C2C12 근아세포(myoblast)의 분화(differentiation)를 포함하는 생체 로봇의 제작 흐름도;
도 2는 팽윤비가 다른 두 층으로 구성된 하이드로젤의 자가 접힘 현상을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 온도 민감성 단량체인 NIPAM의 총농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, NIPAM 단량체의 함량을 변화시키면서 제조한 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 팽윤비 결과((● : 25℃, ■ : 37℃), (▲)는 AAm 단량체 만으로 제조한 하이드로젤의 팽윤도를 나타냄)를 나타낸 도면;
도 4는 본 발명인 다층 하이드로젤의 곡률반경을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명인 생체 로봇 다리 부분의 근관세포의 정렬을 나타낸 도면; 및
도 6은 본 발명인 다층 하이드로젤 자가 접힘에 따른 생체 로봇 시제품 및 이의 물성 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 팽윤비가 다른 두 층으로 구성된 하이드로젤의 자가 접힘 현상을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 온도 민감성 단량체인 NIPAM의 총농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, NIPAM 단량체의 함량을 변화시키면서 제조한 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 팽윤비 결과((● : 25℃, ■ : 37℃), (▲)는 AAm 단량체 만으로 제조한 하이드로젤의 팽윤도를 나타냄)를 나타낸 도면;
도 4는 본 발명인 다층 하이드로젤의 곡률반경을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명인 생체 로봇 다리 부분의 근관세포의 정렬을 나타낸 도면; 및
도 6은 본 발명인 다층 하이드로젤 자가 접힘에 따른 생체 로봇 시제품 및 이의 물성 실험결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명인 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇 및 이의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 다층 하이드로젤의 구동 능력을 최적화하여 약물전달, 조직공학, 환경공학 및 생체모방공학 분야에 다층 하이드로젤 기반의 자가변환 생체 로봇을 활용할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 거리를 두고 있는 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층; 및 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 적층된 베이스 하이드로젤 층;으로 이루어져 있고, 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은, 파이브로넥틴으로 패턴화된 것을 특징으로 하는, 다층 하이드로젤을 제공한다.
상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은 온도 민감성 고분자, pH 민감성 고분자, 또는 광 민감성 고분자가 폴리 아크릴계 고분자에 접목된 형태로 이루어진 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 온도 민감성 고분자는 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드) 또는 폴리(N,N-디메틸아크릴아마이드) 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 pH 민감성 고분자는 메타크릴산-메틸메타크릴레이트 공중합체, 메타크릴산-메틸아크릴레이트 공중합체, 및 메타크릴산-메틸아크릴레이트-메틸메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광 민감성 고분자는 폴리(2,2-디메톡시 니트로벤질 메타크릴레이트-r-메틸 메타크릴레이트-r-폴리(에틸렌 글라이콜) 메타크릴레이트)[poly(2,2-dimethoxy nirobenzyl methacrylate-r-methyl methacrylate-r-poly(ethylene glycol) methacrylate; PDMP)일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 베이스 하이드로젤 층은 폴리 아크릴계 고분자로 이루어진 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층과 베이스 하이드로젤 층은 평균 두께가 80 내지 120 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 용매에 아크릴계 단량체와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체를 첨가한 후 UV 개시제를 첨가하여 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계; 용매에 아크릴계 단량체를 용해시킨 후 가교제를 첨가하여 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계; 거리를 두고 있는 복수개의 파이브로넥틴으로 패턴된 커버 글라스 상에 상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층을 제조하는 단계; 및 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 베이스 하이드로젤 층을 제조하는 단계를 포함하는, 다층 하이드로젤 제조방법을 제공한다.
상기 온도 민감성 단량체는 N-이소프로필아크릴아마이드 또는 N,N-디메틸아크릴아마이드 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 pH 민감성 단량체는 메타크릴산, 메틸메타크릴레이트, 및 메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
광 민감성 단량체는 2,2-디메톡시 니트로벤질 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 또는 폴리(에틸렌 글라이콜) 메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 아크릴계 단량체는 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 노르말부틸아크릴레이트, 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 아크릴산(acrylic acid), 아크릴아마이드(acrylamide), 및 노말아이소프로필아크릴아마이드(N-isopropylacrylamide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계는 용매 부피 기준으로 아크릴계 단량체와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체를 총 10 중량%(w/v)으로 고정하고, 아크릴계 단량체 2 내지 8 중량%(w/v)와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체 2 내지 8 중량%(w/v)를 첨가는 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계는 용매 부피 기준으로 아크릴계 단량체 8 내지 10 중량%(w/v)를 용해시킨 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층을 제조하는 단계 및 베이스 하이드로젤 층을 제조하는 단계는 3D 프린팅 기법을 이용한 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 거리를 두고 있는 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층; 및 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 적층된 베이스 하이드로젤 층;으로 이루어져 있고, 상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은, 파이브로넥틴으로 패턴화된 것이고, 온도, pH, 또는 광을 조절하여 곡률반경을 가지는 커브드형인 것인, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇을 제공한다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇 및 이의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
1. 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액 준비
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 아크릴아마이드(acrylamide, Sigma, 이하 'AAm') 단량체와 이소프로필아크릴아마이드(Nisopropylacrylamide, Sigma, 이하 'NIPAM') 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 8 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 2 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비하였다.
이후, 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, Sigma, 이하 'DMSO')의 부피 기준으로 UV 개시제인 2-하이드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로파논(Irgacure 2959, Sigma) 10 중량%(w/v)를 첨가하여 UV 개시제 용액을 준비하였다.
제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액의 부피 기준으로 UV 개시제 용액 0.2 중량%(w/v)를 제2 하이드로젤 프리-폴리머 용액에 첨가하여 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하였다.
2. 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액 준비
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 10 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제2 하이드로젤 프리-폴리머 용액(Hydrogel pre-polymer solution)을 준비하였다.
이후, 제2 하이드로젤 프리-폴리머 용액의 부피 기준으로 가교제인 메틸렌비스아크릴아마이드(N,N'-methylenebisacrylamide, Sigma, 이하 'MBA') (2.0)중량%(w/v)을 첨가하여 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하였다.
3. 3D 프린터를 이용한 다층 하이드로젤 제조
이후, 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액과, 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 각각 바텀-업(bottom-up) 방식으로 광중합 시켜 다층 하이드로젤을 제조하였다.
구체적으로, DLP 3D printer(SPACE D, 3D Factory)를 이용하여 파이브로넥틴으로 패턴된 커버 글라스 위에 캐드(CAD)로 설계한 이미지 파일에 따라 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 100 ㎛ 두께의 온도 민감성 하이드로젤을 중합하였다.
온도 민감성 하이드로젤은 온도 민감성 고분자인 poly-NIPAM가 poly-AAm에 접목된 형태로 이루어져 있다.
이후, 상기와 같은 방법으로 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합시켜 온도 민감성 하이드로젤 층 상에 100 ㎛ 두께의 베이스 하이드로젤 층을 중합시켜 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 2> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 6 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 4 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 3> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 4 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 6 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 4> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 2 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 8 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 5> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 9 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제2 하이드로젤 프리-폴리머 용액(Hydrogel pre-polymer solution)을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 6> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 6 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 4 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 5와 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 7> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 4 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 6 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 5와 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 8> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 2 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 8 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 5와 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 9> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 8 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제2 하이드로젤 프리-폴리머 용액(Hydrogel pre-polymer solution)을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 10> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 6 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 4 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 9와 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 11> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 4 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 6 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 9와 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 12> 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조
용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 NIPAM 단량체의 총 농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체 2 중량%(w/v), 및 NIPAM 단량체 8 중량%(w/v)를 첨가한 후 용해시켜 제1 하이드로젤 프리-폴리머 용액을 준비한 것을 제외하고는, 상기 실시예 9와 동일한 조건으로 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
<실시예 13> 생체 로봇의 설계
실시예 1 내지 실시예 12에 따라 제조된 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 사용하여 자가변환이 가능한 생체 로봇을 설계하였다.
구체적으로, 도 1(a) 내지 도 1(d)를 참조하면, 세포를 균일하게 파종하고 안착시키기 위해 곡률이 없는 형태로 있다가, 작동 온도가 되면(도 1(f) 참조) 다리 부분이 접혀 자가변환이 되도록 하였다(도 1(e) 참조). 이후, 구동이 가능하도록 뒤집어주었다(도 1(f) 참조).
3차원 구조의 다층 하이드로젤은 3차원 망상 구조(3D network structure)를 이루어 내부에 다량의 수분을 함유할 수 있다. 다리 부분은 두 층으로, 몸통 부분은 단층으로 구성된 3차원 구조를 가질 수 있고, 다리 부분에 근아세포를 부착하기 위해 접착 단백질인 파이브로넥틴(fibronectin)을 선형 패턴화 하여 근관세포로 분화를 유도한다.
자극 온도(37℃)에서 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 자가 접힘을 유도하여 생체 로봇을 제조할 수 있다.
두께 100 ㎛, 길이 3 mm, 폭 1.5 mm 크기의 두 다리 부분을 패턴 처리된 커버 글라스 상에서 온도 민감성 하이드로젤을 제조하였다(도 1(a) 참조).
이후 다리 부분은 두께 100 ㎛, 몸통 부분은 두께 200 ㎛로 폴리아크릴아마이드 단독으로 두 번째 하이드로젤 층을 제조하였다(도 1(b) 참조).
상온(25℃)에서 3차원 구조의 다층 하이드로젤 상에 C2C12 근아세포를 파종(seeding)한 후, 자극 온도(37℃)에서 다층 하이드로젤의 자가 접힘을 유도하였다(도 1(f) 참조).
C2C12 근아세포를 배양한 후 자극 온도(37℃)에서 3차원 구조의 다층 하이드로젤 부분이 자가 접힘에 의해 도 6(a)와 같이 일어서는 형태를 갖게 된다. 다리 부분은 도 6(b)와 같이 패턴 형태에 따라 정렬된 근관세포가 도입되었다.
<실험예 1> 다층 하이드로젤 분석
실시예 1 내지 실시예 12에 따라 제조된 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 증류수에 최소 12시간 이상 담궈 충분히 팽윤시킨 후 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 무게(Ws)를 측정하였고, 이것을 다시 60℃에서 최소 6시간 이상 건조시킨 후 무게(Wd)를 측정하여 하기 식 1과 같이 팽윤비(Qm)를 계산하였다.
[식 1]
도 2는 팽윤비가 다른 두 층으로 구성된 하이드로젤의 자가 접힘 현상을 설명하고 있다. 상기 식 1과 같이, 팽윤비는 하이드로젤이 물을 함유하여 팽윤하는 정도를 나타낸다. 상온(25℃)에서는 팽윤비 차이가 없다가 자극 온도(37℃)에서 팽윤비 차이가 발생하면 3차원 구조의 다층 하이드로젤은 자가 접힘에 의해 곡률을 갖게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 용매인 탈이온수의 부피 기준으로 AAm 단량체와 온도 민감성 고분자인 NIPAM 단량체의 총농도를 10 중량%(w/v)로 고정하고, NIPAM 단량체의 함량을 변화시키면서 제조한 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 팽윤비 결과를 나타내고 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, NIPAM 단량체의 함량이 증가할수록 하이드로젤의 온도 민감성도 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 중합된 poly-NIPAM의 임계하한온도(low critical solution temperature; LCST)가 32℃이기 때문에 LCST 이상의 자극 온도(37℃)에서는 하이드로젤이 수축하기 때문이다.
따라서 AAm 단량체와 온도 민감성 고분자 단량체인 NIPAM의 총 농도를 고정하고 온도 민감성 단량체의 함량을 변화시켜 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 팽윤비를 조절하는 것이 가능함을 알 수 있다.
3차원 구조의 다층 하이드로젤의 하층(bottom layer)인 온도 민감성 하이드로젤 층은 AAm 단량체와 NIPAM 단량체를 혼합하여 중합하여 온도 민감성 고분자인 poly-NIPAM이 poly-AAm에 접목된 형태이므로 온도 민감성을 가지며, 상층(top layer)인 베이스 하이드로젤 층은 AAm 단량체를 단독으로 가교 중합한 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조한 것으로서, 이때, 자가 접힘에 의한 다층 하이드로젤의 최적 곡률(desired curvature)을 얻기 위해 각 층의 조성비 선정이 중요하다.
예를 들어, 4 중량%(w/v)의 AAm 단량체와 6 중량%(w/v)의 NIPAM 단량체(함량비 4:6)를 포함한 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액으로 중합한 온도 민감성 하이드로젤 층(하층)과, AAm 단량체 단독으로 10 중량%(w/v)를 포함한 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액으로 중합한 베이스 하이드로젤 층(상층)으로 이루어진 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 경우(실시예 3 참조), 자극 온도(37℃)에서 자가 접힘을 할 수 있는 충분한 팽윤비 차이(1405-1236= 169)를 얻을 수 있다.
하지만, 이 경우 상온(25℃)에서도 팽윤비 차이(1386-1312= 74)가 발생하여 상온(25℃)에서도 평평한 3차원 구조의 다층 하이드로젤이 아닌 곡률을 갖게 되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 상층으로 적합한 팽윤비를 갖는 하이드로젤을 설계하기 위해, AAm 단량체의 농도를 변화시키면서 팽윤비를 측정하였다.
도 3을 참조하면, AAm 단량체의 농도를 감소시키면 팽윤비는 증가함을 알 수있다.
구체적으로, AAm 단량체 단독으로 9 중량%(w/v)를 포함한 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액으로 준비한 베이스 하이드로젤 층(상층)의 팽윤비는 약 1390 정도를 갖기 때문에 상층으로 선정하기에 적합함을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 실시예 12에 따라 제조된 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 자가 접힘 정도를 예측하기 위해, 열에 의한 바이메탈 스트립(bimetallic strip) 곡률 식을 적용하여 하기 식 2와 같이 곡률반경(r)을 계산하였다.
[식 2]
상기 식 2에서, E1, 및 E2는 다층을 이루고 있는 하이드로젤 각 층의 압축 강도(elastic moduli)를, t1, 및 t2는 각 측의 두께를, Δε는 다층을 이루고 있는 하이드로젤 층의 확장비(expansion ratio, S) 차이를 나타낸다.
실시예 1 내지 실시예 12에 따라 제조된 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 기계적 특성은 만능재료시험기(universal testing machine, UTM, DrTech) 장치를 이용하여 수행하였다.
압축 강도 측정을 위한 3차원 구조의 다층 하이드로젤은 지름 8 mm, 높이 1 mm로 규격화하여 압축 강도를 측정하였다. 만능재료시험기의 설정 값은 측정거리 시험비율 10%, 시험 속도 0.5 mm/min, 및 하중 범위 1.0 kgf로 동일하게 적용하였다.
상기 식 2를 사용하면 다층 하이드로젤의 곡률반경(r)을 계산할 수 있다.
구체적으로, 4 중량%(w/v)의 AAm 단량체와 6 중량%(w/v)의 NIPAM 단량체(함량비 4:6)을 포함한 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액으로 중합한 온도 민감성 하이드로젤 층(하층)과, AAm 단량체 단독으로 9 중량%(w/v)를 포함한 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액으로 중합한 베이스 하이드로젤 층(상층)으로 이루어진 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 경우(실시예 7 참조), 상온(25℃)에서 곡률반경이 47.0 mm 정도로 아주 작은 곡률(k=1/r=0.021 mm-1)을 갖게 됨을 알 수 있다.
그러나, 자극 온도(37℃)에서는 각 층의 압축 강도가 각각 35 kPa(E1), 60 kPa(E2), 확장비가 각각 0.159(S1), 0.210(S2)이기 때문에, 곡률반경이 5.3 mm가 되어 생체 로봇의 다리 부분으로 적합한 곡률을 갖게 된다. 실험 측정 곡률 값은 도 4의 (4) 부분에서 보는 것처럼 약 6.3 mm를 갖는다.
다만, 2 중량%(w/v)의 AAm 단량체와 8 중량%(w/v)의 NIPAM 단량체(함량비 2:8)를 포함한 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 이용할 경우, 온도 민감성은 더 커지지만 자극 온도(37℃)에서 곡률반경이 0.5 mm(critical curvature: 3 mm 길이를 갖는 하이드로젤이 완전히 구형이 되는 곡률반경)보다 작아져 3차원 구조의 다층 하이드로젤이 말리는 형태가 되어 다리 부분으로 적합하지 않게 된다(도 4 참조).
따라서, 다층을 이루고 있는 하이드로젤 각 층 또는 국소적으로 하이드로젤의 조성을 조절함으로써 다양한 자가 변환 소자를 설계할 수 있음을 확인하였다.
<실험예 2> 근관세포의 정렬
근관세포의 정렬 정도에 따른 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 구동 능력을 확인하기 위해 생물 분자로 패턴(pattern) 처리된 하이드로젤을 제조하였다.
소프트 식각(softlithography) 기술을 이용하여 원형 패턴(직경: 500 ㎛)과 선형 패턴(두께: 500 ㎛, 및 100 ㎛)을 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, DOW CORNING, 이하 'PDMS') 스탬프로 제조하였다.
3차원 구조의 다층 하이드로젤에 근아세포를 붙이기 위해 인간 혈장으로부터 얻은 접착 단백질인 파이브로넥틴(fibronectin, Sigma, 이하 'Fn') 0.2 mg/㎖에 폴리에틸렌글라이콜 연결제(acryl-polyethylene glycol-acryl, 5000 g/mol, Laysan Bio, Inc.) 5.0 mg/㎖를 첨가하여 Fn-연결제 용액을 합성하였다.
제조한 Fn-연결제 용액을 PDMS 스탬프 위에 붓고 2시간이 경과한 후에 남은 용액을 제거하고 커버 글라스(cover glass, 18 × 18 mm, Marienfeld)에 PDMS 스탬프를 올려 패턴을 커버 글라스로 옮겼다.
이후, 아세트산에 3-(트리메톡시실릴)프로필메타크릴레이트(3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, Sigma, 0.4%)를 첨가한 전처리 용액으로 전처리 시킨 커버 글라스를 준비하였다.
패턴이 옮겨진 커버 글라스 위에 하이드로젤 용액을 올리고, 전처리된 커버 글라스로 덮었다. 이때 사용된 전처리 커버 글라스는 패턴을 하이드로젤 표면에 위치하기 위해 사용하였다.
근아세포(myoblast, C2C12, ATCC)는 75 cm2 플라스크에서 DMEM 배지(Dulbecco's modified eagle medium, Biowest, 이하 'DMEM')에 10% 소태아혈청(fetal bovine serum, Biowest, 이하 'FBS')과 1% 페니실린-스트렙토마이신(penicillin-streptomycin, 100X, Biowest, 이하 'P/S')을 첨가한 배양액을 사용하여 37℃, 5% CO2 환경에서 배양했다.
배양한 근아세포를 40 ㎕ 당 5×104 농도로 패턴이 된 온도 민감성 하이드로젤 층 표면 상에 분주하고 7일 동안 배양했다. 배양 6일차에 근관세포로의 분화를 유도하기 위해 배양액을 DMEM에 10% 말 혈청(horse serum, Biowest, 이하 'HS')과 1% P/S를 첨가한 배양액으로 교체했다. 배양액은 2일 주기로 교체했으며, 광학 현미경(optical microscopy, Nikon Eclipse TS100)으로 세포들의 거동을 관찰했다.
근관세포의 정렬 정도에 따른 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 구동 능력을 확인하기 위해 생물 분자로 패턴 처리된 하이드로젤을 제조하였다.
도 5(a)에서 보는 것처럼 미세접촉 프린팅(micro-contact printing; 이하 'μCP') 기법을 사용하여 Fn(4.6×10-9 g/㎛2)을 원형 패턴(직경: 500 ㎛)과 선형 패턴(두께: 500 ㎛, 및 100 ㎛)으로 각각 커버 글라스 위에 옮겨주었다.
커버 글라스 상에 온도 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 올리고 광중합 시켜 100 ㎛의 두께를 갖는 하이드로젤 층(하층)을 중합시키고, 상기와 같은 방법으로 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 온도 민감성 하이드로젤 층 상에 100 ㎛ 두께의 베이스 하이드로젤 층을 중합시킴으로써 3차원 구조의 다층 하이드로젤을 제조하였다.
패턴된 하이드로젤에서 C2C12 근아세포를 배양하면 패턴과 동일한 형태로 세포 군집을 이루는 것을 확인할 수 있다(도 5(b) 참조). 배양 6일째가 되면 각 패턴에 세포가 증식하여 꽉 차게 되고, 이때부터 분화배양액 하에서 C2C12 근아세포가 근관세포로 분화하게 된다(도 5(c) 참조).
일반적으로 신경, 심근, 골격근, 각막, 혈관 조직 등 인체 내 세포 및 조직의 정렬 정도(degree of alignment)가 그 기능에 큰 영향을 준다고 알려져 있다. 특히, 골격근에서 세포의 정렬 정도는 조직의 수축력(contractile force)을 최대화하는데 필수적이다. 때문에 본 발명에서는 패턴에 따른 근관세포의 정렬 정도를 확인하였다.
도 5(c)의 형광 이미지에서 보는 것처럼 구형 패턴에서는 각도 편차(angle of deviation)가 20˚ 이하가 되는 근관세포가 전체 대비 31%에 불과하였다. 선형 패턴(두께: 500 ㎛)에서 분화한 근관세포는 그 값이 47% 정도로 소폭 상승하였다.
그러나 선형 패턴(두께: 100 ㎛)에서 분화한 근관세포는 각도 편차가 20˚ 이하가 되는 근관세포가 전체 대비 91%에 이를 정도로 정렬도가 향상되었다. 비등방성(anisotropy)을 보이는 패턴된 세포외기질이 세포골격의 구조 및 분화에 영향을 준다는 이전 결과와 상응하는 결과이다.
<실험예 3> 면역염색(Immunostaining)
다층 하이드로젤에 근아세포를 분주하고 10일 후, 인산완충식염수(phosphate buffer saline; 이하 'PBS') 완충액으로 두 번 세척하고, 상온(25℃)에서 10분 동안 4%(v/v) 포름알데하이드 용액으로 고정(fixation)하였다.
0.2%(v/v) 트라이톤-X 100(Triton-X 100, Sigma) 용액으로 10분 동안 처리하여 세포 투과성을 높여주었다.
세포는 1%(w/v) 소혈청알부민(bovine serum albumin, Sigma, 이하 'BSA') 용액으로 30분 동안 억제(blocking)시킨 후 PBS 완충액으로 다시 세척해 주었다.
이후 세포는 4℃에서 항-미오신 중쇄(anti-myosin heavy chain, MF-20)를 12시간 동안 처리해 주고, 이후 37℃에서 항-마우스 IgG(anti-mouse IgG, invitrogen)와, 플루오레세인이소티오시안산염(fluorescein isothiocyanate; 이하 'FITC')이 태그된 팔로이딘(phalloidin, Sigma), 4,6-디아미디노-2-페닐인돌 (4,6-diamidino-2-phenylindole, Sigma, 이하 'DAPI')를 12시간 동안 처리하여 염색하였다.
염색한 세포는 형광 현미경(fluorescent microscope, Nikon Eclipse Ti)을 사용하여 관찰하였고, 이미지는 Image J software로 분석하였다.
<실험예 4> 생체 로봇의 구동
전극을 설치한 6 well plate에서 전기인가 장치(AGF3011C, Tektronics)를 사용하여 1 Hz에서 20 V로 전기 자극을 주었고, 근관세포의 수축 활동은 전기 자극에 동기화(synchronized)하여 반복되었다.
전기 자극에 의한 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 수축 및 이완 과정을 실체 현미경(stereoscope, Olympus SZ61)을 통해 관찰했다.
20 V에서 1, 2, 및 5 Hz로 전기 자극을 주면 근관세포는 1초당 평균적으로 1.01, 2.03, 4.97번 수축한다.
근관세포가 도입된 다층 하이드로젤을 20 V에서 1 Hz로 전기 자극을 주어, 도 6(d)와 같이 수축력(contractile force)을 측정하였다.
[식 3]
상기 식 3에서 F는 근관세포의 수축력, kh는 다층 하이드로젤의 강도(stiffness), δ는 이완상태(relaxation state)로부터 수축상태(contraction state)가 되었을 때 하이드로젤 정점의 거리 차이를 각각 의미한다.
[식 4]
다층 하이드로젤의 강도는 식 4와 같이 온도 민감성 하이드로젤 층(하층)과 베이스 하이드로젤 층(상층)의 압축 강도(E1 및 E2), 두께(t1, t2), 및 하이드로젤 층의 길이(L)와 너비(w)를 통해 구할 수 있다.
온도 민감성 하이드로젤 층(하층)은 상온(25℃)에서 63×103 N/m2, 자극 온도(37℃)에서 35×103 N/m2의 압축강도를 가지며, 베이스 하이드로젤 층(상층)은 60×103 N/m2의 압축 강도를 갖는다(도 6(e) 참조).
3차원 구조의 다층 하이드로젤의 kh 값을 식 4로 구하면 상온(25℃)에서 0.0068 N/m, 자극 온도(37℃)에서 0.0050 N/m 값을 각각 갖는다. 패턴 형태에 따라 전기 자극에 의해 수축한 정도를 측정하여 식 4에 의해 수축력을 계산하여 도 6(f)에 나타내었다.
원형 패턴(직경: 500 ㎛)으로 분화된 근관세포의 수축력은 0.31±0.32 μN 값을 보인 반면, 선형 패턴(두께: 100 ㎛)으로 분화된 근관세포의 수축력은 1.12±0.30 μN 값을 보여 약 3.6배 강한 것을 확인할 수 있었다.
패턴에 따라 도입된 단위면적당 세포 숫자로 정규화(normalized)하면 약 5.67배 강한 수축력을 보이는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 하이드로젤에 도입된 근관세포에 의해 발생한 기계적 힘을 측정한 결과는 생체 로봇 구동 연구뿐 아니라 실제 골격근 모사 연구에도 활용될 수 있다.
본 발명에서 적용한 3차원 구조의 다층 하이드로젤의 자가 접힘 현상 및 근관세포 수축에 의한 생체 로봇 움직임을 활용하면 다양한 형태의 구동(actuating) 소자 및 바이오멤스(bio-microelectromechanical systems; bioMEMS)에 응용할 수 있으리라 기대된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명은 대한민국 미래창조과학부의 지원 하에서 과제번호 NRF-2014R1A1A1005710에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "이공분야기초연구사업/이공학기초연구지원사업/신진연구(유형1)", 연구과제명은 "생체모사 카멜레온 나노전달체 제조 및 응용", 주관기관은 숭실대학교 산학협력단, 연구기간은 2014.05.01. ~ 2017.04.30.이다.
Claims (16)
- 거리를 두고 있는 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층; 및
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 적층된 베이스 하이드로젤 층;으로 이루어져 있고,
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은,
파이브로넥틴으로 패턴화된 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 청구항 1에 있어서,
상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은,
온도 민감성 고분자, pH 민감성 고분자, 또는 광 민감성 고분자가 폴리 아크릴계 고분자에 접목된 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 청구항 2에 있어서,
상기 온도 민감성 고분자는,
폴리(N-이소프로필아크릴아마이드) 또는 폴리(N,N-디메틸아크릴아마이드) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 청구항 2에 있어서,
상기 pH 민감성 고분자는,
메타크릴산-메틸메타크릴레이트 공중합체, 메타크릴산-메틸아크릴레이트 공중합체, 및 메타크릴산-메틸아크릴레이트-메틸메타크릴레이트 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 청구항 2에 있어서,
상기 광 민감성 고분자는,
폴리(2,2-디메톡시 니트로벤질 메타크릴레이트-r-메틸 메타크릴레이트-r-폴리(에틸렌 글라이콜) 메타크릴레이트)[poly(2,2-dimethoxy nirobenzyl methacrylate-r-methyl methacrylate-r-poly(ethylene glycol) methacrylate; PDMP)인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 청구항 1에 있어서,
상기 베이스 하이드로젤 층은,
폴리 아크릴계 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층과 베이스 하이드로젤 층은,
평균 두께가 80 내지 120 ㎛인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤. - 용매에 아크릴계 단량체와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체를 첨가한 후 UV 개시제를 첨가하여 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계;
용매에 아크릴계 단량체를 용해시킨 후 가교제를 첨가하여 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계;
거리를 두고 있는 복수개의 파이브로넥틴으로 패턴된 커버 글라스 상에 상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층을 제조하는 단계; 및
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 광중합 시켜 베이스 하이드로젤 층을 제조하는 단계
를 포함하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 온도 민감성 단량체는,
N-이소프로필아크릴아마이드 또는 N,N-디메틸아크릴아마이드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 pH 민감성 단량체는,
메타크릴산, 메틸메타크릴레이트, 및 메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
광 민감성 단량체는,
2,2-디메톡시 니트로벤질 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 또는 폴리(에틸렌 글라이콜) 메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 둘 이상인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 아크릴계 단량체는,
메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 노르말부틸아크릴레이트, 2-하이드록시에틸메타아크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 아크릴산(acrylic acid), 아크릴아마이드(acrylamide), 및 노말아이소프로필아크릴아마이드(N-isopropylacrylamide)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계는,
용매 부피 기준으로 아크릴계 단량체와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체를 총 10 중량%(w/v)로 고정하고, 아크릴계 단량체 2 내지 8 중량%(w/v)와 온도, pH, 또는 광 민감성 단량체 2 내지 8 중량%(w/v)를 첨가는 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 베이스 하이드로젤 제조용 전구체 용액을 준비하는 단계는,
용매 부피 기준으로 아크릴계 단량체 8 내지 10 중량%(w/v)를 용해시킨 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층을 제조하는 단계 및 베이스 하이드로젤 층을 제조하는 단계는,
3D 프린팅 기법을 이용한 것을 특징으로 하는, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 제조방법. - 거리를 두고 있는 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층; 및
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층 상에 적층된 베이스 하이드로젤 층;으로 이루어져 있고,
상기 복수개의 온도, pH, 또는 광 민감성 하이드로젤 층은,
파이브로넥틴으로 패턴화된 것이고,
온도, pH, 또는 광을 조절하여 곡률반경을 가지는 커브드형인 것인, 3차원 구조의 다층 하이드로젤 자가 접힘을 이용한 생체 로봇.
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