KR20220030564A - 타닌산 및 알긴산 가교결합된 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법 - Google Patents

타닌산 및 알긴산 가교결합된 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는, 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

타닌산 및 알긴산 가교결합된 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법{Functional hydrogel cross-linked with tannic acid and alginic acid and its manufacturing method}
본 발명은 고농도의 타닌산, 알긴산, 알부민이 가교결합되고, 1종 이상의 전도성 물질을 포함하는, 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
생체 신호는 물리적 신호 (예: 변형, 운동 및 온도) 및 전기 생리 신호 (예: 심전도 (ECG), 뇌파 (EEG), 심전도)를 포함하여 인체의 다양한 생리 신호를 감지하는 데 널리 적용되며, 지진 방사선 촬영 (SCG), 전기 레티노 그램 (ERG), 광 흉부 사진 (PPG)), 생화학적 정보 (예: pH, 포도당, 저산소증, 효소 및 기타 생체 분자)를 수집한다. 그러나, 생물학적 조직과 전자 공학의 본질적인 차이는 차세대 바이오 전자공학의 개발에 주요 장애물을 제시했다. 예를 들어, 생물학적 조직은 탄성률이 낮고 (보통 <100 kPa) 수분 함량이 높으며 (> 70 %)은 반면, 금속 및 실리콘과 같은 대부분의 기존 전자 재료는 단단하고 건조하며 정적인 특성이 있어 피부, 근육, 척수, 말초 신경 및 심장과 같은 대부분의 조직에서 지속적으로 높은 기계적 자극이 발생되는 문제점이 있다.
이러한, 물리적 특성과 기계적 특성의 불일치는 인간 조직과 전자 장치 간의 상호작용을 조절 혹은 모사하는데 불리하게 작용하며, 그 결과 이식 중 부상으로 인한 염증 반응 및 흉터 조직 형성 및 이음매 접촉으로 인한 증가된 계면 임피던스 발생 등 생체 전자성능을 크게 손상시킬 수 있다.
하이드로젤은 수분 함량이 높고, 화학적 또는 물리적 특성을 조절하여 다양한 분야에 적용할 수 있다는 점에서 주목받고 있는 조성물 중 하나이다. 특히 하이드로젤의 생체적합성을 조절하면 인체의 뼈, 연골, 피부 재생, 약물 전달 및 상처의 치료 등에 사용될 수 있어 조직재생 및 세포치료제로 적용에 있어 그 수요가 날로 높아지는 추세이다. 또한, 하이드로젤은 손상된 인체 조직의 치유를 목적으로 하는 조직공학 기질의 제조에 유용한 후보물질로 알려져 있다. 하이드로젤에 의해 형성되는 3차원 구조는 스캐폴드(scaffold) 또는 지지체라고도 불리며, 이와 같은 지지체는 다양한 조직공학 재료로 사용되고 있다.
하이드로젤은 물리적, 화학적 특성 설계시, 뛰어난 유연성으로 인해 매우 유망한 바이오 일렉트로닉 재료로 이용된다. 현재 이용가능한 바이오 일렉트로닉스는 보조 투명테이프 또는 붕대를 사용하여 바이오 일렉트로닉 장치와 조직 사이의 접촉을 확보함으로써 사용되는 외부 보조 장치이다. 이러한 외부 보조 바이오 일렉트로닉스는 일반적으로 바이오 전극과 표적 조직 사이의 계면 저항이 커서 생물학적 신호 검출시 감도와 안정성이 낮다. 또한 사용이 불편하고 실제 이용시 마모로 인해 불편함을 발생한다.
하이드로젤의 조직과 유사한 독특한 기계적 성질은 보다 등각적인 조직-장치 접촉을 가능하게 하며, 높은 생체 적합 특성으로 생체 전자 주입 후 이물질 반응을 완화시킬 수 있다. 이와 같은 물성의 이점으로 하이드로젤은 기존 전자 재료와 비교하여 인간 조직과의 인터페이스 물성이 크게 개선되고 생체 전자 성능을 향상시킬 수 있으며, 하이드로젤 바이오 일렉트로닉스는 다양한 용도로의 활용가치가 크다고 볼 수 있다.
그러나, 전통적인 하이드로젤은 본질적인 구조 불균일성과 시스템에서의 효과적인 에너지 소산 네트워크의 부족으로 인해 기계적 성능이 열등하지만, 일반적으로, 터프(tough) 하이드로젤은 전통적인 하이드로젤에 비하여 에너지를 소산하는 능력이 보다 우수하므로, 하이드로젤이 균열 전파에 저항하는 능력을 향상시키는 특성을 가진다.
인체조직-일렉트로닉 장치의 인터페이스의 복잡성으로 인해, 바이오 일렉트로닉스 분야로의 적용을 위해 인체조직-바이오일렉트로닉 장치 사이의 강력한 계면 접착은 하이드로젤 개발에 있어서 여전히 해결해야할 과제로 남아있다. 또한 바이오 일렉트로닉스의 복잡한 요구 사항을 충족시키기 위해 이러한 기능적 특성을 복합 하이드로젤 시스템에 동시에 통합시킬 수 있는 연구가 필요하다.
탄소 나노튜브 (CNT)는 구부러진 2 차원 (2D) 그래핀 시트로 만들어진 원통형 분자물질로, CNT는 특별한 기계적 강성 및 전기 전도성을 갖는 것으로 알려져 있다. 또한 국소 약물 전달을 촉진하고 임플란트의 기계적 안정화를 지원하며 신경 튜브의 표면 전도성을 향상시키기 위해 다방면으로 연구 개발이 이뤄지고 있으며, 다양한 조직공학 분야에 활용되는 추세이다. 예를 들어, 전기 활성 세포로서 신경세포는 전도성 기질에 민감하며, 이전 연구에서 CNT 기질이 신경 돌기 연장과 신경세포 성장을 자극한다는 것을 확인하였으며, 생체 골조직에도 유사한 결과가 관찰된다. 시험관 내에서 마우스 골아전구세포의 골 형성 촉진 자극에 의해, 마우스 모델의 대퇴골의 큰 결함 부위에 적용시 생체 내에서 골 형성 유전자 발현 증가가 관찰되었으며, 전기 자극이 또한 뼈 및 혈관 형성을 향상시킨다는 추가 관찰이 보고되고 있다.
다당류 알지네이트는 생체적합성 고분자이며, 양이온성 천연고분자로 조직공학 분야에서 많이 사용되고 있으며, Ca2+ 와 같은 2가 이온을 사용하여 이온성 가교결합을 유도하고 있다. 고가의 합성 고분자 보다 편리한 높은 가용성 및 저렴한 고분자 공급원으로 적용되고 있다. 페놀성 가교제 분자인 타닌산(TA)은 단백질의 아민 및 다당류의 카르복실 산기와 강하게 상호 작용할 수 있는 장점을 가지는 화합물이다. 또한, 알부민(BSA) 단백질은 생체 적합성, 생분해성 고분자로서 세포의 부착성이 우수한 의료용 고분자로서, 물질간 상호 작용을 개선하고 또한 세포 친화성을 개선하기 위해 조직 공학에 이용되는 단백질 고분자이다.
최근에는 3D 바이오 프린팅 기술 및 시장이 급격히 성장하는 추세로, 글로벌 주요국들은 3D 프린팅 의료기기에 대한 중요성을 인지하여 다양한 정책을 진행하고 있다. 특히 미국 FDA는 2016년 3D 프린팅 의료기기에 대한 가이드라인을 제시했으며, 3D 프린팅을 활용하여 제품 개발시 설계, 제조, 안정성, 유효성 테스트를 고려하는 방안을 발표한 바 있다.
이와 관련하여, 국내에서도 3D 프린팅 의료기기 특성을 반영한 허가, 심사 가이드라인을 정비하고, 식약처 허가를 받은 범위를 지속적으로 확대하여 의료산업 활성화를 위해 다양한 정책을 시행하고 있다.
그러나, 기존의 바이오소재를 바이오 프린팅 기술을 적용함에 있어서 원하는 물성을 달성할 수 있는 생체적합성 재료로서는 한계점이 있었다. 3D 프린팅 조직공학용 의료기기나 인공지지체는 생체활성물질, 세포, 나노-마이크로 입자 등 다양한 물질(생물학적 물질 혹은 비생물학적 생체활성물질)을 포함하기에 여러가지 문제점이 있고, 인체 유사조직으로 활용하기 위해서는 형태가 장시간 유지될 필요가 있다. 그러나, 일반적으로 합성고분자 기반의 하이드로젤은 세포적합성이 우수하지 못하며, 반면에 천연고분자를 이용하여 3D 프린팅 소재로 활용하는 경우에는 프린팅 특성, 전기전도성, 기계적 물성이 우수하지 않는 문제점이 있는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 생체적합성, 프린팅 특성 및 조직공학용도에 적합한 물성을 가진 바이오소재의 개발이 필요하다.
종래에는 염기성조건(pH 8.5 등)에서 저농도의 타닌산을 이용하여 나노입자, 하이드로젤 등을 제조하거나, 시트레이트(citrate)를 가교결합제로 추가적으로 제공하여 가교결합을 유도하여 하이드로젤을 제조하는 시도가 있었다. 그러나, 저농도의 타닌산을 이용하여 제조된 하이드로젤은 기계적 물성이 낮고, 높은 전기전도성을 제공하기 어려우며, 3D 프린팅시 적층이 잘 되지 않거나, 적층이 되더라도 형태가 유지되지 않는 문제가 있었다. 더욱이, 하이드로젤을 제조하는 과정에서 pH를 변화시키거나 저 농도 타닌산을 사용함으로써 획득한 샘플을 건조하고, 이후 요구되는 기계적 물성에 부합하는 하이드로젤을 따로 제조하기 위해서는 별도의 공정이 요구되므로, 추가적으로 비용이 소요되는 문제점도 있었다.
따라서, 3D 프린팅 지지체를 조직공학 또는 재생의학 용도로 사용하기 위해서는, 세포 부착 특성을 갖거나, 줄기세포분화 유도에 활용 가능한 3D 프린팅용 하이드로젤의 개발이 필요하다.
한국등록특허 제2076909호(등록일: 2020.02.06) 한국공개특허 제2016-0031624호(공개일: 2016.03.23)
본 발명을 통해 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는 기능성 하이드로젤 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
구체적으로는, 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는 제1젤(ABT, alginic acid - bovine serum albumin-tannic acid)을 제조하고, 추가적으로 알긴산, 타닌산, 알부민 및 적어도 1종의 전도성 물질로 이루어지는 제2젤을 제조하고, 상기 제1젤 및 제2젤을 교차로 적층시켜 3D 프린팅 된, 전기전도성 하이드로젤 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. 이 때, 2가의 양이온 화합물을 용액과 함께 혹은 ABT 젤을 형성한 이후에 제공하여 알긴산의 작용기에 이온결합을 추가적으로 제공(예, egg-shell 모델 이온결합)하여 적층된 구조물에 대하여 추가적인 형태 안정성을 제공할 수 있다.
또한 하이드로젤 내부에 세포 혹은 성장인자와 같은 생체활성물질를 봉입할 수 있도록 젤 형성을 위한 용액에 첨가하여 상온 및 중성 pH근처에서 젤을 제조하여 세포에 손상을 최소화할 수 있는 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
하이드로젤 3D 압출 공정시 발생되는 응력에 의해 젤이 기계적 특성을 잃는 현상을 막기위해, 신축성 다당류-탄산-단백질 접합체를 사용함으로써, 3D 프린팅시에도 신축성, 전도성 및 기계적 특성을 유지하면서도, 높은 생체적합성, 세포부착성, 조직재생성을 가질 수 있는 터프(tough) 하이드로젤을 제공하고자 하였다.
다당류-단백질 상호작용으로부터 달성된 자연적 구조-기능 관계에 의해 영감을 얻은 조직공학 및 바이오 일렉트로닉스 응용이 가능한 합성공정은 매우 간단하고, UV 조사, 투석 단계, 불활성 가스 적용 또는 기타 지루한 공정 등과 같은 환경을 적용하지 않더라도 젤 제조성이 보장되는 특징을 가진다. 제안된 타닌산과 칼슘이온 적용 시스템은 다당류의 카르복실산 작용기와 자발적으로 공조립 유도가 가능하고, 또한 페놀성 가교제 분자로서 사용된 타닌산 (TA)은 Ca2+ 또는 Fe3+와 같은 다가 이온과 상호 작용이 가능하다.
아울러, 타닌산과 알부민 상호작용으로 젤의 형태를 생성하는 반면, 타닌산과 칼슘 이온 사이의 페놀성 배위결합으로 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 동적, 공간적 설계를 했으며, 이러한 설계로 하이드로젤 전체의 기계적 특성을 증가시켜 가교 강화된 하이드로젤을 제공하고자 함이다.
본 발명은 2가 이온과 TA 기반 페놀 화합물, 다당류 및 천연 다당류-단백질 상호작용과 유사한 단백질과 TA 사이의 상호작용을 이용함으로써, 현재 이용 가능한 젤의 하이드로젤 성능을 최적화하고, 성능을 개선할 수 있고, 적용 범위의 확장이 용이하다. 생의학 분야에서는 본 발명의 ABT 하이드로젤에 카테콜 그룹, 살균분자 및 성장인자를 고정시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 항균특성 및 생체적합성을 갖는 바이오 일렉트로닉스에 적용할 수 있는 젤의 특성을 제공할 수 있다.
종래의 저농도 타닌산을 포함하는 하이드로젤의 경우, 파우더 형태만 가능한 문제점과 우수한 전기전도성을 구현하기 어려운 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 고농도의 타닌산을 적용함으로써 가교결합되는 하이드로젤을 제조할 수 있었고, 또한 전기전도성 나노입자와 2가의 양이온 화합물을 추가 제공함으로써 우수한 전기전도성, 기계적 강도, 탄성, 3D 프린팅, 전기방사 및 세포 부착성을 갖는 기능성 하이드로젤을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는 기능성 하이드로젤이 제공된다.
일 측에 따르면, 상기 타닌산은 상기 알긴산 또는 알부민 중 적어도 하나의 중량 대비 0.2 내지 6배 중량일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 하이드로젤은, 상기 타닌산에 의해 가교결합되는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 기능성 하이드로젤은, 전도성 물질을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 전도성 물질은 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는 제1젤을 제조하는 단계, 알긴산, 타닌산, 알부민 및 적어도 1종의 전도성 물질로 이루어지는 제2젤을 제조하는 단계 및 상기 제1젤 및 제2젤을 교차로 적층시켜 3D 프린팅 하는 단계를 포함하는 기능성 하이드로젤 제조방법이 제공된다.
본 발명의 하이드로젤은 생체 이용가능한 다양한 물질을 내부 또는 외부에 포함할 수 있고, 고농도로 포함되는 타닌산에 의해 가교결합 되므로 별도의 화학 가교결합제를 사용하지 않고도 세포 부착성 단백질 및 다당류를 가교결합 시킴으로써 높은 생체적합성을 가진 하이드로젤을 제조할 수 있다. 아울러, 고농도의 타닌산을 포함함으로써 기계적 물성이 향상된 고탄성 하이드로젤을 제조할 수 있어, 꼬기나 연신이 가능하고, 특히, 연신된 후에도 전기전도성의 손실없이 자가 복원이 가능한 특징이 있다.
단백질의 아민 및 카르복실 산기와 강하게 상호작용할 수 있는 타닌산을 가교제로 이용하여 하이드로젤을 제조하는 기술이다. 생체적합성, 생분해성 특성을 갖는 아민 작용기를 가진 알부민 단백질과 카복실 산기를 가진 알긴산 다당류를 혼합시켜 다당류-단백질 상호작용을 유도함으로써 (UV 조사, 투석 단계, 불활성 가스와의 화학 반응 등의 공정없이) 매우 간단하면서도 젤 가용성이 보정되는 합성 공정을 제공할 수 있다. 고농도의 타닌산 유도된 가교결합이 가능하기 때문에 높은 인장강도를 갖는 계층적 상호침투 하이브리드 하이드로젤을 수득할 수 있다.
한편, 본 발명의 하이드로젤은 전기전도성 물질을 추가 시에 전기전도성이 향상되는 특징이 있다. 또한, 3D 프린팅시에도 고층 적층이 가능하고, 적층 안정성이 뛰어나다. 따라서, 기계적 물성과 적층이 가능하면서, 전기전도 특성이 제공되는 조직공학 스캐폴드(지지체)로 제조할 수 있으므로, 세포배양 스캐폴드, 조직 재생용 스캐폴드 등 재생의료 분야에 용이하게 사용할 수 있다.
아울러, pH의 변화가 없는 상온의 수용액 상에서 단백질, 다당류, 타닌산을 넣고 한 번에 혼합하여 젤 형성을 진행할 수 있으므로, 제조과정이 단순하여 공정비용이 단축되는 경제적인 이점이 있다. 칼슘이온을 추가로 혼합하여 젤을 제조하는 경우, 이온결합력이 강화되므로 기계적 물성이 더 강화된 하이드로젤을 제조할 수 있다.
본 발명의 하이드로젤은 ABT 하이드로젤은 또한 우수한 신축성 및 유연성을 나타내므로, 연성 및 착용(wearable)이 가능한 바이오 일렉트로닉스에 사용하기에 적합한 터프 하이드로젤이다.
본 발명의 하이드로젤은 세포나 활성물질 등 생체조직에 적용이 가능한 다양한 물질들을 포함할 수 있으므로, 조직공학 지지체, 3D 프린팅, 주사제 등으로 제조할 수 있으며, 통전가능한 플렉서블 소재가 요구되는 다양한 제품(예: 웨어러블 소자 등)에도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ABT 하이드로젤 형성 매커니즘을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2가의 금속이온을 이용한 타닌산 및 알긴산 그룹과의 상호작용(가교결합)을 확인한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 ABT 하이드로젤 FTIR을 측정한 것이다.
도 4는 본 발명의 ABT 하이드로젤의 주사가능성 및 터프(tough) 물성을 확인한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ABT 하이드로젤 및 ABT-CNT 하이드로젤의 점탄성 특성을 평가한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 ABT-CNT 3D 프린팅 하이드로젤 제조과정 및 전기전도성을 검증한 것이다.
도 7은 ABT 하이드로젤을 다양한 형상으로 3D 프린팅 한 결과를 촬영한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 ABT-CNT 하이드로젤의 전기전도성을 검증한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 ABT 하이드로젤 및 ABT-CNT 하이드로젤의 가교 정도에 따른 3D 프린팅 한 이후의 다양한 물성을 확인한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 ABT 하이드로젤을 3D 프린팅 하여 제조된 튜브 및 이의 자가복원력을 검증한 것이다.
도 11은 도 10의 자가복원력은 순환-압축 테스트로 측정한 결과 그래프를 도시한 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는, 기능성 하이드로젤이 제공된다.
본 발명의 하이드로젤은 생체조직의 손상된 부분을 접착시키거나, 유실된 조직 중 일부를 대체하는 용도로 사용되는 것일 수 있다. 여기서 “생체조직”은 예를 들어 피부, 뼈, 신경, 액손, 연골, 혈관, 각막, 근육, 근막, 뇌, 전립선, 유방, 자궁내막, 폐, 비장, 소장, 간, 정소, 난소, 경부, 직장, 위, 림프절, 골수, 및 신장 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 하이드로젤은 의료기기 또는 의료재료의 일부에 코팅되거나 부착될 수 있다. 혹은, 세포, 생체활성물질, 치료용 약물 또는 약물전달체의 일부를 부착 또는 포함하는 것일 수도 있다. 여기서 세포는 원핵세포 및 진핵세포를 포함한 모든 세포일 수 있고, 일 예로 조골세포(osteoblast), 섬유세포(fibroblast), 간세포(hepatocyte), 신경세포(neurons), 암세포(cancer cell), B세포(B cell), 백혈구세포(white blood cell) 등을 포함하는 면역세포(immunocyte), 배아세포(embryonic cell) 또는 줄기세포일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서, 생리활성물질은 핵산 물질로서 플라스미드 핵산, 당 물질로서 히알루론산, 헤파린 황산염, 콘드로이틴 황산염, 알진염, 단백질 물질로서 호르몬 단백질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서 약물은 화학물질, 소분자, 펩타이드, 단백질 의약품, 핵산, 바이러스, 항균제, 항암제, 항염증제, 또는 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서 약물전달체는 세포 부착성 매트릭스 또는 스캐폴드(scaffold)일 수 있고, 인공 세포외기질로 사용될 수 있다.
본 발명의 하이드로젤은 조직공학 기술에 이용되는 것일 수 있다. 조직공학(Tissue engineering) 기술은 환자의 조직으로부터 분리된 세포 또는 인공 배양된 세포를 지지체에 배양하여 다시 생체 내부로 이식하거나 외부에 적용하는 것을 의미할 수 있다. 예를들면, 하이드로젤을 조직공학 기술에 이용함으로써, 인공 피부, 인공혈관, 인공골, 인공연골, 인공각막, 인공근육, 인공장기 등을 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 하이드로젤은 바이오 잉크(bioinks)일 수 있다. 여기서, 용어 "바이오 잉크(bioinks)"는 3D프린팅 또는 바이오 프린팅에 사용되는 하이드로젤 또는 하이드로젤과 세포의 혼합물을 포함하는 의미일 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오 잉크 조성물은 3D프린팅 또는 바이오 프린팅을 위한 것일 수 있다. 본 발명의 하이드로젤은 3D 프린팅 되어 복수의 적층구조를 갖는 3D 프린팅 하이드로젤일 수 있다. 3D 프린팅 가능한 하이드로젤의 경우, 주사가능한 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다당류인 알긴산(Alginate)은 β-D-만뉴론산(M) 및 α-L-글루론산(G) 잔기의 블록으로 구성된 선형 공중합체 생체재료로, 우수한 생체적합성 및 낮은 독성으로 인해 생체 공학적이고 양이온 성 중합체로 조직공학 분야에서 사용된다. 구체적으로는, 세포-접착 도메인(에, RGD 펩타이드)을 가지도록 개질된 알긴산은 조직공학 응용을 위해 주입가능한 하이드로젤의 재료로 이용될 수 있다. 알긴산은 갈조류에 함유되는 다당류로 칼슘 이온에 노출되면 젤화 하는 성질이 있어 혈액 응고 용도로 사용되기도 한다. 그러나, 알긴산은 2가 양이온(예를 들어 Ca2+)의 존재 하에서 물리적으로 가교된 구조를 형성할 수 있지만, 화학적 가교제 없이는 불가능하므로, 종래에는 화학적 가교제를 이용하여 하이드로젤을 제조하는 방법이 주로 이용되어 왔다. 　고가의 합성 중합체 보다 편리한 높은 가용성 및 저렴한 중합체 공급원으로 적용되고 있으며, 다당류의 카르복실 산기와 자발적으로 공 조립하고 Ca2+ 또는 Fe3+와 같은 다가 이온과 상호 작용하기 위한 페놀 성 가교제 분자 인 타닌산은 단백질의 아민 및 카르복실 산기와 강하게 상호 작용할 수 있는 장점을 가진다.
알부민(BSA)은 혈액 및 조직액에 포함되는 주 단백질로 삼투압 조절 등 역할을 하므로 생체 적합성, 제어 가능한 생분해 및 생체조직 이용 가능성으로 인해 의료 분야에서 다양한 소재에 적용되고 있는 단백질이다. 알부민 단백질은 타닌산 및 알긴산 간의 상호작용을 개선하고 세포친화성을 개선하기 위해 본 발명의 하이드로젤에 적용하였다.
타닌산(Tannin acid, TA)은 천연 폴리페놀 물질로 여러 작용기를 갖는 다양한 중합체의 형태로 존재할 수 있으며, 구체적으로는 하기의 구조식 1일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[구조식 1]
Figure pat00001
일 측에 따르면, 상기 기능성 하이드로젤은, 전도성 물질을 더 포함하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 전도성 물질은, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 구체적으로는, 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유임이 바람직하고, 탄소나노섬유임 가장 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 측에 따르면, 상기 타닌산은, 상기 알긴산 또는 알부민 중 적어도 하나의 중량 대비 0.2 내지 6배 중량일 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 하이드로젤은 알긴산 또는 알부민 중 적어도 하나의 중량과 동일 중량의 타닌산을 포함하는 것이 바람직하다. 전술한 중량범위의 타닌산을 혼합시키게 되면 알긴산 및 알부민을 최대로 가교결합 시킬 수 있다. 이 경우, 알긴산 및 알부민의 중량비는 1:1임이 가장 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.
일 측에 따르면, 상기 하이드로젤은, 상기 타닌산에 의해 가교결합되는 것일 수 있다. 세포부착성 단백질인 알부민과 다당류인 알긴산 및 타닌산을 수용액상에서 혼합하게 되면, 수소결합이 발생하고, 또한 에스터 작용기의 가수분해가 진행되는 경우에는 타닌산의 폴리올 작용기가 더욱 생성되기 때문에 알긴산 또는 알부민과 수소결합이 더 형성할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 하이드로젤은 칼슘이온을 더 포함하는 것일 수 있다. 하이드로젤에 칼슘이온을 추가하게 되면, 알긴산에 이온결합을 유도할 수 있으므로, 이온결합력을 높일 수 있다. 추가적인 이온결합의 형성으로 하이드로젤 구조가 보다 견고해지므로 기계적 물성이 향상될 수 있으며, 고탄성 특징을 가질 수 있다. 즉, 수소결합 및 이온결합을 포함하는 하이드로젤은 3D 프린팅시 고층으로 적층하더라도 형태안정성이 뛰어난 이점이 있다. 수소결합 및 이온결합이 형성된 본 발명의 하이드로젤은 도 1의 구조를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ABT 하이드로젤 형성 매커니즘을 개략적으로 도시한 것으로, 도 1을 보면, 타닌산의 알코올 작용기를 이용하여 타닌산-알부민, 타닌산-알지네이트 사이의 수소결합에 의한 젤 형성을 유도하고 있으며, 타닌산-알지네이트-알부민의 조성을 달리하여 강도, 세포부착성, 유연성, 조직 재생성 등의 물성을 조절할 수 있다. 또한 알지네이트의 카복실 작용기에 2가의 이온들을 추가함으로써, 이온결합에 의한 젤 형성과 강도를 보강할 수 있으며, 이 때, 첨가되는 이온들의 종류와 농도를 조절하여 젤의 물성을 조절할 수 있는 특징을 가진다.
일 측에 따르면, 본 발명의 하이드로젤은, 알긴산, 타닌산 및 알부민으로 이루어지는 하이드로젤 및 상기 하이드로젤에 전도성 물질이 더 포함된 전도성 하이드로젤이 교차로 적층되어 3D 프린팅 된 것일 수 있다. 탄소나노섬유 또는 탄소나노튜브 등의 전도성 물질을 포함하므로, 전기전도성을 갖는 3D 프린팅 하이드로젤, 주사형 하이드로젤을 제조할 수 있다.
본 발명의 하이드로젤은, 꼬기와 연신 등이 가능할 정도로 높은 기계적 물성을 가지며, 연신된 이후에도 원래의 형상으로 복원되는 자가 복원력이 뛰어난 특징이 있으며, 특히, 전기전도성 손실없이 복원이 가능한 특징이 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 하이드로젤은 3D 프린팅 구조가 가능하고, 전기전도성 및 자가 복원력이 우수하므로, 줄기세포 증식 및 분화유도에도 적용할 수 있으므로, 재생의료 분야에도 적용이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는 제1젤을 제조하는 단계; (b) 알긴산, 타닌산, 알부민 및 적어도 1종의 전도성 물질로 이루어지는 제2젤을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 제1젤 및 제2젤을 교차로 적층시켜 3D 프린팅하는 단계를 포함하는, 기능성 하이드로젤 제조방법이 제공된다. 이 때, 상기 기능성 하이드로젤은 전도성 하이드로젤임이 바람직하다. 상기 (a) 단계는 상온의 수용액 상에서 알긴산, 타닌산, 알부민을 혼합하는 것일 수 있다. 이 때, 타닌산은 알긴산 또는 알부민 중 적어도 하나의 중량 대비 0.2 내지 6배 중량일 수 있고, 구체적으로는 0.5 내지 1.2배 중량 포함될 수 있으며, 알긴산 또는 알부민 중 적어도 하나의 중량 혹은 1/2 작용기 몰 수로 포함되는 것이 바람직하다.
타닌산은 에스터 결합을 가지고 있으므로, 수용액 내에서 에스터결합은 가수분해되어 폴리올로 전환된다. 따라서, 수용액 상에 알긴산, 타닌산 알부민을 혼합시키게 되면, 타닌산의 가수분해로 폴리올 전환되어 수소결합을 보다 더 많이 형성하게 되므로, 기계적 물성이 우수하고 세포부착성이 향상된 생체적합성 하이드로젤을 제조할 수 있다. 또한 타닌산 구조는 고리형을 가지고 있으므로, 하이드로젤의 기계적 강도를 향상시킨다.
(b) 단계는 상온의 수용액 혹은 버퍼용액 상에서 알긴산, 타닌산, 알부민 및 적어도 1종의 전도성 물질을 혼합하는 것일 수 있다. 구체적으로는, 탄소나노튜브를 상기 혼합물에 첨가 및 단순 혼합하여 탄소나노튜브가 첨가된 알긴산-타닌산-알부민(ABT) 터프(tough) 하이드로젤을 합성할 수 있다. 본 발명의 명세서에 기재된 터프(tough) 하이드로젤 또는 터프(tough) 젤은 높은 밀도로 가교되어 프린팅이나 주사시에 형상이 유지되는 견고한 물성을 갖는 하이드로젤 또는 젤을 의미하는 것일 수 있다.
상기 (a) 단계의 제1젤은 알긴산-타닌산-알부민 결합된 하이드로젤로, 실시예로 제조되는 ABT 하이드로젤일 수 있다. 상기 (b) 단계의 전도성 물질로 탄소나노튜브(CNT)를 이용하는 경우, 제2젤은 알긴산-타닌산-알부민-탄소나노튜브가 결합된 하이드로젤로, 실시예로 제조되는 ABT-CNT 하이드로젤일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 (a) 단계 또는 (b) 단계는, 가교결합되지 않는 세포 또는 생체활성물질을 추가적으로 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 세포 또는 생체활성물질은 제1젤 또는 제2젤 내부에 담지되거나, 외부에 코팅되는 방식으로 포함될 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.
일 측에 따르면, 상기 하이드로젤은, 상기 2가의 이온 화합물 추가에 의해 이온결합에 의한 가교결합이 추가되는 것일 수 있다. 구체적으로는 상기 (a) 단계 또는 (b) 단계는, 칼슘이온을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 수용액 상에서 칼슘이온을 추가하면, 기존의 수소결합 이외의 이온결합이 추가적으로 형성되므로, 이온결합력을 높일 수 있어 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 또한, 3D 프린팅 된 적층구조에서 하이드로젤의 적층 안정성을 향상시킬 수 있다.
<실시예>
실시예 1. ABT 하이드로젤의 제조
실시예 1-1. ABT 하이드로젤 제조-1
1.5g 타닌산을 5mL 증류수가 포함된 50mL 유리 플라스크에 녹인 다음(300 rpm 30분), 1.5g 알긴산을 녹여서 타산-알긴산 용액을 상온에서 제조하였다. 유리 바이얼에 0.25g bovine serum albumin(BSA)를 5mL 수용액에 녹여 알부민 용액을 상온에서 제조하였다(300 rpm 30분). 알부민용액을 타닌산-알긴산용액에 섞어 10분동안 단순 혼합하여 ABT 하이드로젤을 상온에서 제조하였다.
실시예 1-2. ABT 하이드로젤 제조-2
1.25g 타닌산을 5mL 증류수가 포함된 50mL 유리 플라스크에 녹인 다음, 1.5g 알긴산을 녹여서 타틴산-알긴산 용액을 상온에서 제조하였다. 20mL 유리 바이얼에 0.5g BSA(bovine serum albumin)를 2.5 mL 증류수에 녹여 알부민 용액을 상온에서 제조하였다. 알부민용액을 타닌산-알긴산용액에 섞어 10분동안 단순 혼합하여 ABT 하이드로젤을 상온에서 제조하였다.
실시예 1-3. ABT 하이드로젤 제조-3
2.0g 타닌산을 5mL 증류수가 포함된 50mL 유리 플라스크에 녹인 다음, 1g 알긴산을 녹여서 타틴산-알긴산 용액을 상온에서 제조하였다. 20mL 유리 바이얼에 0.25g bovine serum albumin(BSA)를 2.5 mL 증류수에 녹여 알부민 용액을 상온에서 제조하였다. 알부민용액을 타닌산-알긴산용액에 섞어 10분동안 단순 혼합하여 ABT 하이드로젤을 상온에서 제조하였다.
실시예 1-4. ABT 하이드로젤 제조-4
1.5 g 타닌산을 10 ml 물에 넣고 용해시킨 후 1.5 g 알긴산을 상기용액에 넣고, 30분간 교반하면서 고분자를 완전히 녹였다. 1 ml 와 2.5 ml 소혈청 알부민 단백질(5 wt% /5 ml 물)을 상기 타닌산-알긴산 용액에 각각 넣고 젤이 형성될 때까지 교반하였다. 탄소나노튜브(CNT) 샘플의 경우에는, 탄소나노섬유와 탄소나노튜브를 상기의 타닌산에 넣고, 초음파진동을 20분간 진행하고, 30분동안 교반공정을 2회 반복하여 탄소섬유가 첨가된 전기전도성의 ABT 하이드로젤을 제조하였다. 제조된 전기전도성 하이드로젤을 주사기에 넣고, 유리 플라스크에 주사하여 섬유상으로 제작하였다.
전술한 실시예 1-1 내지 1-4와 동일한 방법으로, 하기 표 1의 조성을 갖는 하이드로젤 샘플 1 내지 7을 제조하였다.
샘플 번호 샘플 코드 Alginate (g) TA (g) BSA (g) CNT (mg) CaCl 2 (M)
1 Alg 1.5 0.5
2 AT 1.5 1.5 0.5
3 AB 1.5 0.25 0.5
4 ABT 1.5 1.5 0.25
5 ABT 1.5 1.5 0.25 0.5
6 ABT-CNT 1.5 1.5 0.25 50 0.5
7 ABT-CNT 1.5 1.5 0.25 250 0.5
전술한 ABT 하이드로젤 및 전도성 하이드로젤 제조시, 가교결합은 CaCl2 용액을 이용하여 2가의 칼슘이온으로 알긴산의 에그쉘 가교결합 모델에 의해 하이드로젤의 기계적 물성강화와 3D 프린팅 및 형태안정성 조절에 사용할 수 있다. 또한 칼슘 이온 이외에도 FeCl3 및 MgCl2를 사용하여 가능하다. 2가 및 3가 금속 이온은 타닌산 및 알긴산 그룹과 상호작용할 수 있다. (도 2)
실시예 2. 하이드로젤의 화학적 분석, 용도 및 물성 확인
실시예 1로 제조된 하이드로젤의 형태안정성과 3D 프린팅 용도로 사용가능한지 검증하기 위해 주사된 전기전도성 하이드로젤을 주사한 각각의 폴리스타이렌 플라스크에 다양한 농도의 염화칼슘용액에 첨가되고(표 1), 30분동안 37℃ 인큐베이터에 넣은 다음, 용액을 제거하고, 증류수로 세척하였다. 가교결합 된 전기전도성 ABT 하이드로젤을 주사기에 의해 주사된 전기전도성 ABT 젤 섬유는 3일동안 물속에 넣어둔 다음에, 젤 섬유의 안정성을 테스트 하였고, FTIR을 이용하여 화학적분석을 진행하였다. 제조한 젤 및 대조군 알지네이트의 FTIR 스펙트럼은 화학 구조의 가능한 변화를 확인하기 위해 비교되었다. 모든 젤 샘플은 알지네이트에 상응하는 특징적인 피크 (1600 cm-1 근처)를 보여 주었고, TA가 젤에 포함되었을 때는 TA에 대한 특징적인 피크 (1750 cm-1 근처)를 나타냈다.(도 3)
실시예 2-1. 3D 프린팅 용도 가능성 확인(주사 및 터프 물성 확인
실시예 1로 제조된 하이드로젤을 3D 프린팅 용도로 사용가능한지 검증하기 위해 주사된 전기전도성 하이드로젤을 주사한 각각의 폴리스타이렌 플라스크에 다양한 농도의 염화칼슘용액에 첨가되고, 30분동안 37도씨 인큐베이터에 넣어 놓은 다음에, 용액을 제거하고, 증류수로 세척하였다. 가교결합 된 전기전도성 ABT 하이드로젤을 주사기에 의해 주사된 전기전도성 ABT 하이드로젤 섬유는 3일동안 물 속에 넣어둔 다음, 안정성을 테스트 하였다.
구체적으로는 3D 바이오 프린팅에 사용되는 플라스틱 바늘과 연결된 주사기를 사용하여 ABT 젤의 주사 가능성을 확인하기 위해, ABT 젤이 장착된 주사기를 서로 다른 간격 (0.5cm, 1cm 및 2.5cm 간격) 구조로 주사하여 젤이 일정한 간격의 하중에 저항하면서 형상을 유지하고, 공기 중에서 구조를 유지하는지를 실험하였다. 그 결과, 도 4과 같이 젤이 떨어지거나 끊어지지 않고 두 모서리 사이에서 우수한 저항력을 갖는 점이 확인되었다. 이를 통해 본 발명의 하이드로젤이 주사 가능(injectable)하면서도 코 형상과 같이 돌출된 형상을 외부의 지지대 없이 프린팅 가능한 터프(tough)한 물성을 가지는 점을 예상할 수 있었다.
실시예 2-2. 기계적 물성 확인
텍스처 특성 테스트는 하이드로젤의 특성을 측정하기 위한 실험으로, 하이드로젤의 접착성, 응집성, 응집력, 경도, 탄력성 및 복원력 (springness)이 측정되고 분석되어 종합적으로 하이드로젤의 물성 특성을 축정하고 결정하는데 활용하기 위해 측정한 것이다. 실시예 1로 제조된 샘플 1 내지 3 및 샘플 5를 원통형 몰드(직경 0.5 cm 및 높이 1 cm)를 사용하여 튜브형으로 제조한 후, 각각의 물성을 측정하여 기계적물성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 2-3. 점탄성 특성 확인
실시예 1로 제조된 ABT 하이드로젤 및 ABT-CNT 하이드로젤의 점탄성 특성을 확인하였다. 상이한 ABT 및 ABT-CNT 하이드로젤 (최소 2ml)의 유변학적 특성을 측정했으며, 전단-박화 특성은 간격이 1mm 인 25mm 평행 판으로 구성된 레오미터(점탄성 측정장치)를 사용하여 평가하였다. 실험은 실온에서 수행되었으며 점도 대 전단 속도 비율은 100 초 동안 1-100s-1 사이의 전단속도에서 결정되었고, ABT 및 ABT-CNT 하이드로젤의 저장 모듈러스 및 손실 모듈러스는 1Hz ~ 10Hz의 주파수 범위에 대해 측정되었다.
하이드로젤의 저장 계수 및 손실 계수는 유변학 기계를 사용했으며, 주파수 스윕(sweep)은 하이드로젤이 본질적으로 점탄성인 높은 기계적 특성을 가진다는 것을 의미한다. 탄성 계수 저장 계수, 점성 계수 및 손실 계수는 ABT 및 ABT-CNT 기반 하이드로젤 모두에서 유사하게 나타날 수 있으나, CNT의 농도가 증가하면 모듈러스 값이 더욱 향상 될 것으로 예측하고 실험을 진행하였다. 측정 결과, 도 5와 같이 하이드로젤의 전단 희석 효과를 확인하였다. 도 5를 보면, CNT가 첨가된 샘플은 점도가 증가했지만 전단 희석 효과도 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 전단 속도가 증가함에 따라 하이드로젤은 압출 기반 3D 프린팅 방법에 필요한 전단 박화(shear thinning) 효과를 나타냈다. 따라서 본 실험을 통해 본 발명의 하이드로젤이 3D 프린팅에 적합하다는 것을 검증하였다.
실시예 3. 3D 프린팅 전도성 하이드로젤의 제조 및 평가
실시예 1로 제조된 ABT 하이드로젤 및 ABT-CNT 하이드로젤을 교차로 적층시켜 3D 프린팅함으로써, 도 6의 (e)와 같은 3D 프린팅 전도성 하이드로젤을 제조하였다.
도 6의 (a) 내지 (e)는 3D 모델링에 기초하여 ABT 하이드로젤 및 ABT-CNT 하이드로젤을 교차로 적층시킨 하이드로젤 3D 프린팅 과정을 나타낸 것이다. 구체적으로, 전기전도성이 없는 ABT 하이드로젤 사이에 ABT-CNT를 넣어 샌드위치 형태로 제조되는 것일 수 있다. 이 때, (e)와 같이 제조된 3D 프린팅 전도성 하이드로젤에 전기를 흘려준 결과, 전기전도성을 가진다는 것을 확인하였다.
ABT 하이드로젤을 주사기에 넣고 3D 프린터에 고정한 뒤, 정사각형, 선이 있는 원형, 튜브, 뾰족한 코 모양의 구조, 사람의 귀 모양과 같은 디자인은 Simplify3D 소프트웨어를 사용하여 설정된 3D 프린터에 따라 G 코드로 변환되고 수정되었으며, G 코드는 3D 프린터로 전송되었다. 그 후, G 코드가 3D 프린터의 Motion 소프트웨어에 업로드 되어 적절한 설정이 최적화 되었고 프린팅은 실온에서 초기 테스트 후 실행되었다. 전단 희석된 ABT 하이드로젤은 공압 기반 3D 프린터에서 높은 프린팅 특성을 보여주었다. 노즐 속도, 압력, 노즐 직경이 최적화되었고 매개 변수는 다른 모양의 추가 프린팅시 사용되었다. 처음에는 2 개 층과 4 개 층 구조를 프린팅하여 층 간 접착력과 프린팅 된 구조의 충실도를 확인했으며, 튜브형 구조는 20 개 층으로 프린팅 되었다. 또한, 코 모양과 귀 모양을 포함한 다른 인체 해부학적 구조가 ABT 젤을 사용하여 프린팅 되었다.
도 7의 (a)는 2층으로 적층된 정사각형 모양, (b)는 4층으로 적층된 정사각형 모양, (c)는 4층으로 적층된 내측에 선이 배열된 원 모양, (d) 및 (e)는 튜브형상의 적층구조체의 평면도 및 측면도, (f) 내지 (h)는 일측방향으로 경사면이 있는 코 모양, (i) 내지 (l)은 사람의 귀 모양을 다른 형상으로 구현한 것이다. 즉, 본 발명의 하이드로젤을 이용하여 인간의 귀 모양 프린팅은 지지 재료 없이도 매달린 구조로 프린팅 가능한 물성을 갖는 점을 확인하였다.(도 7)
실시예 3-1. 전기전도성 확인
앞서 제조된 3D 프린팅 전도성 하이드로젤의 전기전도성을 확인하기 위해, 도 8의 (a) 내지 (e)와 같이 실험을 진행하였다. CNT의 분포가 균일하게 형성된 ABT-CNT 전도성 하이드로젤(ABT-CNT) 샘플을 주사기에서 압출하고 30 분 동안 CaCl2 용액에서 가교 결합시켰다. 샘플은 균일하고 가교 후 매끄러운 표면을 나타내는 것으로 관찰되었다. 섬유 형태로 제조된 샘플은 와이어와 같은 구조를 제조되었고, 이후에 LED에 연결된 두 개의 1.5V 배터리를 사용하여 샘플의 전기 전도도를 테스트하였다. ABT-CNT 샘플을 회로 사이에 연결하여 제조된 섬유의 전기전도성을 확인 하기 위해, 도 8의 (a) 내지 (c)와 같이 각각 ~2.5cm, 5cm 및 8cm의 하이드로젤을 준비하여 테스트한 결과, 모든 섬유에서 우수한 전기 전도성이 나타나는 점을 확인하였다. 더욱이, 도 8의 (e)와 같이 여러 번 섬유 샘플을 연신시키거나 굽혀도 전기전도성의 물성이 유지되는 것을 확인하였다.
즉, 주사된 샘플에 대해 연신(확장) 및 다중 굽힘 테스트는 본 발명의 하이드로젤의 전도성 특성에 영향을 미치지 않는 것으로 관찰되었으며, 이러한 결과를 통해 CNT가 ABT 젤 내부에 정렬되고 π-π 탄소 결합으로 인해 연속 전도성 네트워크를 생성한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 향상된 기계적 특성 및 전기 전도성 특성은 초기에는 관찰되었으나, 섬유 샘플이 분리되었을 때는 전자 전달이 차단되어 LED가 켜지지 않는 것을 확인하였다.
전기전도성 물질인 CNT를 하이드로젤에 첨가했을 때의 전기 전도도를 측정하는 실험으로, 전압을 변경하여 하이드로젤을 통해 흐르는 전류를 측정하고 하이드로젤의 전기 전도도를 측정값으로 도출된 그래프 기울기를 통해 비교하였다. 실온 (25 ° C)에서 준비된 농도가 다른 3종의 ABT-CNT 하이드로젤은 염화칼슘용액을 사용하여 30 분 동안 가교 결합되었으며, 최종적으로 정사각형 구조 (3cm x 3cm)의 샘플로 제작되었다. 제작된 샘플은 2400 소스 미터 SMU 기기(Keithley 제조)를 사용하여 전도성을 측정했으며, 측정 프로브는 샘플 반대쪽 가장자리에 연결되고 실험은 -15V ~ 15V 범위에서 0.1V 단위로 수행하였다. 서로 다른 농도의 CNT를 가진 ABT-CNT 하이드로젤은 우수한 전기 전도도를 나타냈다. 샘플 중 8 % CNT 샘플(ABT-CNT8)은 15V에서 가장 높은 전류 값을 보였다. 그러나 10 % CNT 샘플(ABT-CNT10)은 응집이 증가하고 역치 수준이 높아져 더 낮은 값이 나타났으며, 1%의 CNT 샘플(ABT-CNT1)은 ABT-CNT8과 동등한 우수한 전도성을 나타내었다. 그러나 모든 샘플은 전자 이동이 제한되는 최대 1V의 초기 충전시간을 보여주었으나, 이 시점 이후에는 전자의 움직임이 증가하고 위의 그림과 같이 선형 적으로 더 높은 전기 전도도가 관찰되었다.(도 8)
ABT 하이드로젤 및 ABT-CNT 하이드로젤의 3D 프린팅 구조는 도 9의 (a), (b)와 같이 안정적이고 신축성이 있는 것으로 확인되었다. CaCl2 용액에서 30 분 동안 가교 후에도 하이드로젤 구조에 큰 차이가 없는 것으로 관찰되었으며, 2종류의 샘플 모두 가교 후 신축성, 안정성 및 굽힘 거동이 증가한 것으로 확인되었다.
실시예 3-2. 자가복원력 확인
실시예 1로 제조된 ABT 하이드로젤을 튜브 형태로 3D 프린팅하고, 제조된 튜브를 심하게 구부린 후에 원래 형태로 돌아오는지 확인하였다.
도 10과 같이 몰드를 사용하여 ABT 젤을 사용하여 튜브형 구조를 준비했다. 젤을 원통형 튜브에 넣은 후, 작은 바늘 모양의 막대을 삽입하여 중앙에 균일한 직경의 구멍을 만들고, 전체 용액을 가교를 위해 염화칼슘 용액 내에 넣었다.
30 분 동안 가교시킨 후, 샘플을 꺼내고 공기 중에서 건조시켰다. 이어서, 샘플을 압축하고, 굽힘 및 혼합 공정을 통하여 제조된 젤의 기계적 안정성을 확인하였다. 접힌 샘플은 모양을 유지하고 변형없이 즉시 회복되었다. 소형 튜브는 높은 정확도로 형성되었으며, 젤 샘플은 도 7과 같이 높은 기계적 특성을 나타낸 것을 확인하였다. 굽힘, 접힘, 압축 등 여러 번의 테스트 후에도 모양을 잃지 않고 구조를 유지되는 것을 관찰할 수 있었다.
도 10에 도시한 바와 같이, 원래 상태로 복원되는 자가복원력을 순환압축 테스트를 통하여 검증하였다. 반복적인 순환 압축 테스트는 하이드로젤을 일정한 압력으로 반복적으로 압축하여 하이드로젤의 안정성을 테스트한 것으로, 하이드로젤이 압력을 받을 때 유지될 힘을 측정하고 반복된 압력을 받을 때 하이드로겔의 변형을 확인하였다. 테스트용 샘플로는 실온 (25 ℃)에서의 Alg, AT, AB, ABT(왼쪽부터, 샘플 1 내지 3 및 5)를 준비하였다. 하이드로젤을 높이 10mm, 직경 15mm의 실린더로 만들기 위해 48 개 세포 배양 플레이트에 넣은 후, 샘플을 꺼내어 0.1M 염화칼슘용액에서 30 분 동안 가교 결합하였다. 샘플이 준비된 후 TA XT plus 분석기(Stable Micro Systems 제조)를 사용하여 순환 압축을 측정했으며, 주파수를 1Hz로 설정하고 100주기를 진동하여 측정한 결과 도 11과 같이 측정되었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는, 기능성 하이드로젤.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타닌산은, 상기 알긴산 또는 알부민 중 적어도 하나의 중량 대비 0.2 내지 6배 중량인, 기능성 하이드로젤.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로젤은, 상기 타닌산에 의해 가교결합되는, 기능성 하이드로젤.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로젤은, 전도성 물질을 더 포함하는, 기능성 하이드로젤.
  5. (a) 알긴산, 타닌산, 알부민으로 이루어지는 제1젤을 제조하는 단계;
    (b) 알긴산, 타닌산, 알부민 및 적어도 1종의 전도성 물질로 이루어지는 제2젤을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 제1젤 및 제2젤을 교차로 적층시켜 3D 프린팅하는 단계;
    를 포함하는, 기능성 하이드로젤 제조방법.
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