KR20220118841A

KR20220118841A - 형상기억고분자, 이의 제조방법 및 용도

Info

Publication number: KR20220118841A
Application number: KR1020210022803A
Authority: KR
Inventors: 장우순; 박지환; 김다솜
Original assignee: 주식회사 퓨처바이오웍스
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-08-26

Abstract

본 발명은 형상기억고분자, 이의 제조방법 및 용도에 관한 것으로, 두 단량체(CL, GMA)의 개환중합반응 및 디이소시아네이트와의 부가중합반응을 이용하여, 생리의학 응용기구에 적합한 융점을 갖는 형상기억고분자를 제조할 수 있고, 단량체의 도입량과 반응시간을 조절하여 다양한 융점을 갖는 형상기억고분자를 용이하게 제조할 수 있다.

Description

형상기억고분자, 이의 제조방법 및 용도{SHAPE MEMORY POLYMER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND THE USE OF THE SAME}

본 발명은 형상기억고분자, 이의 제조방법 및 용도에 관한 것이다.

최근 인간의 수명이 늘어남에 따라, 병들고 기능이 정지되어 적출이 필요한 장기를 대체할 인공장기를 개발하기 위해 조직공학 연구가 각광을 받으면서 진행되고 있다. 주로 생체소재를 통해 제조되는 생체 이식재료는 손상된 조직, 기관, 장기를 재생하거나 대체하는 방향으로 연구가 진행되고, 이에 대한 관심이 집중되고 있는데, 과거에는 플라스틱, 세라믹, 금속 같은 소재가 주로 활용되었으나, 이들은 역할을 끝난 후에도 인체 내에 영구적으로 존재하여 염증을 유발하거나 기타 질병을 유발하는 문제점이 있었다.

구체적으로, 생체 이식재료로서 치아, 뼈, 연골 등의 경조직을 대체하는 의료삽입물의 경우, 생체적합성만 요구된다. 반면, 피부, 혈관, 근육, 인대 등의 연조직의 손상이 있는 경우 인체 내에 도입되는 의료삽입물은 재생이 불가능한 경조직과 달리 손상된 연조직이 재생할 때까지 지지하는 역할을 하는 임시 조직 지지체이므로, 영구적일 것을 요구하지는 않는다. 따라서, 수술 없이 스스로 인체 내에서 제거되도록 생분해성이 더 요구된다.

이에 따라, 연조직 재건을 위한 조직지지체로서 환자의 상황에 따라 크기나 형태 변화가 용이한 물리적, 기계적 물성을 가지면서도 생체적합성 및 생분해성을 만족하는 천연고분자 또는 합성고분자 등을 사용하게 되었다.

그 중, 천연고분자는 콜라겐, 젤라틴 등의 폴릴펩타이드류와 폴리-L-글루탐산, 폴리-L-라이신 등의 폴리아미노산류 및 알긴산, 키틴 등을 포함한 폴리사카라이드류 등이 있으나, 제한된 물성을 지니고 있고, 가공성 및 대량 생산성 등에 문제점이 있다. 반면, 합성고분자는 기계적 물성이 우수하면서도 기능기 부여가 용이하여 생분해 속도 등을 조절하기가 용이하며, 가격도 낮아 천연고분자보다 더 많이 쓰이고 있다.

보다 구체적으로, 합성고분자로는, poly(caprolactone)(PCL), poly(latic acid)(PLA), poly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA), poly(glycolic acid)(PGA) 등이 있고, 이 중에서 PCL은 ε-caprolactone을 개환중합한 고분자로서, 융점이 낮은 편이어서 형상기억고분자 형태로 광가교 및 화학적 변형을 할 수 있는 생체의학 어플리케이션을 위한 미국 FDA 승인을 받은 생분해성 고분자다.

그러나, 이의 융점(T_m)은 45 내지 65℃로 생리학의 응용기구 등(37℃)에 적용하기에는 온도가 너무 높다. 이에 따라, poly(ε-caprolactone)(PCL)와 같은 형상기억고분자는 혈관 및 다른 증상의 치료의 임상적 능력을 제한하고 있는 실정이다. 아울러, 치료목적을 위한 다른 형상기억고분자의 사용은 메탈크릴염의 기능화 단계 또는 단량체의 합성단계 등이 요구되므로 제한적이였다.

따라서, 비교적 비침습성이고, 고통이 없으며, 낮은 비용으로 적용할 수 있는 혈관치료를 위한 형상기억고분자 또는 형상기억고분자의 제조방법의 개발이 필요한 실정이며, 생리의학 응용기구에 적합한 융점을 갖는 의료기기 또는 소재로 사용 가능한 형상기억고분자의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 생리의학 응용기구에 적합한 융점을 갖는 형상기억고분자 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 형상기억고분자의 새로운 용도를 제공하는데 있다.

본 발명은 형상기억고분자에 관한 것으로, 하나의 예에서, 하기 화학식 1로 나타내는 화합물을 포함하는 형상기억고분자이다.

[화학식 1]

이 때, 상기 화학식 1에서, R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, m, n 및 p는 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이며, A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이고, x 및 y 는 반복 단위의 몰%를 나타내고, x+y는 100이며, x는 80 내지 95이다.

구체적인 예에서, 상기 화학식 1은 R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 메틸기이고, m, n 및 p는 서로 독립적으로 3 내지 12의 정수이며, A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이고, x 및 y는 반복 단위의 몰%를 나타내고, x+y=100이며, x는 88 내지 94인 형상기억고분자이다.

하나의 예에서, 형상기억고분자는 평균 30 내지 48℃의 융점을 갖는다.

다른 하나의 예에서, 형상기억고분자는 광가교 반응 후 평균 28 내지 42℃의 융점을 갖는다.

본 발명은 또한 형상기억고분자를 포함하는 의료용 소재를 제공한다.

본 발명은 또한 형상기억고분자를 제조하는 방법을 제공한다.

하나의 예에서, 화학식 3 내지 5로 나타내는 화합물을 포함하는 혼합물의 개환중합반응을 수행하여 중간생성물을 형성하는 단계(제1 단계); 및 상기 중간생성물을 화학식 6으로 나타내는 화합물과 부가중합반응을 수행하는 단계(제2 단계)를 포함한다.

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 6]

이 때, 상기 화학식 3 내지 6에서, R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, m, n 및 p는 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이며, A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이다.

구체적인 예에서, 상기 제1 단계는 평균 80 내지 140℃에서 합성할 수 있다.

아울러, 상기 제1 단계는 1 내지 12시간동안 합성할 수 있다.

또한, 상기 제2 단계는 평균 60 내지 120℃에서 합성할 수 있다.

다른 하나의 예에서, 제조된 형상기억고분자에 광가교 반응을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 형상기억고분자는 광가교가 가능한 기능기를 포함함으로써, 생리의학 응용기구에 적합한 융점을 갖는 형상기억고분자를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 형상기억고분자의 ¹H-NMR스펙트럼 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 형상기억고분자의 GPC를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-1 및 1-2에서 형상기억고분자의 DSC 분석을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1-2 및 실시예 2에서 제조된 형상기억고분자의 DSC 분석을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 형상기억고분자의 형상기억특성을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "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, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 형상기억고분자에 관한 것으로, 구체적으로, 생리의학 응용기구에 적합한 융점을 갖는 의료기기 또는 소재로 사용 가능한 형상기억고분자에 관한 것이다.

본 발명에서 "형상기억고분자(SMP, Shape Memory Polymer)"란, 특정 조건에서 어떤 물체에서 일정한 모양을 가지도록 만들어 놓으면, 그 이후 외부적 충격에 의해 모양이 달라졌다 하더라도 그 물체를 처음과 동일한 조건(온도, 빛, pH, 습도 등)으로 만들어 주면 다시 원래의 모양으로 돌아가는 성질을 가진 고분자를 의미한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

하기 화학식 1로 나타내는 화합물을 포함하는 형상기억고분자:

[화학식 1]

상기 화학식 1에서,

R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,

m, n 및 p는 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이며,

A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이고,

x 및 y 는 반복 단위의 몰%를 나타내고,

x+y는 100이며, x는 80 내지 95이다.

본 발명에 따른 형상기억고분자는 카프로락톤 단량체와 글리시딜기를 포함하는 아크릴 단량체가 중합된 공중합체에 이소시아네이트 단량체가 중합된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 형상기억고분자는 카프로락톤 단량체(caprolactone; CL), 글리시딜메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate; GMA) 및 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyantae, HMDI)를 중합한 구조(PCL-PGMA-PU)를 가질 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 형상기억고분자는 카프로락톤 단량체와 아크릴 단량체의 배열순서는 특별히 제한되지 않고, 교호, 랜덤 또는 블록으로 배열될 수 있다.

또한, 상기 화학식 1을 단위로 포함하는 중합체의 말단에는 히드록시기, 이소시아네이트기 등이 결합되어 있을 수 있다. 이와 같이 말단에 히드록시기 또는 이소시아네이트기가 결합되어 있는 중합체는 말단에 히드록시기가 결합되어 있는 개시제 등을 사용하여 중합함으로써 제조할 수 있다.

한편, 아크릴 단량체에 포함되는 글리시딜기는 가교성 관능기일 수 있으며, 광가교성 관능기 또는 열가교성 관능기일 수 있다.

또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형상기억고분자를 이루고 있는 카프로락톤 단량체와 글리시딜기를 포함하는 아크릴 단량체량에 따라 융점 등을 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 화학식 1에서 x 및 y 는 반복 단위의 몰%를 나타내고, x+y는 100이며, x는 80 내지 95이다. 보다 구체적으로는, x는 88 내지 94일 수 있다.

여기서 몰%라 함은 x 및 y의 반복 단위의 비율을 의미하는 것으로, 구체적으로, 몰분율을 의미할 수 있다. 하나의 예로, PCL과 PGMA의 반복 단위의 몰분율을 의미할 수 있다.

참고로, 상기 화학식 1에서, x가 80 미만인 경우에는 형상기억고분자의 융점이 28℃미만으로 떨어져 상온에서 형상변형으로 인해 인체에 적용하기 어려울 수 있으며, x가 95를 초과하는 경우에는 융점이 42℃를 초과하여 형상 복원을 위한 형상기억고분자 상전이 온도도 높아져서 인체 온도(37℃)에 적용하기 어려울 수 있다.

이에 따른 형상기억고분자의 융점은 30 내지 48℃일 수 있으며, 합성한 고분자에 광가교를 처리함으로써 융점을 낮출 수 있다.

보다 구체적으로, 광가교 반응 후의 형상기억고분자는 평균 28 내지 42℃의 융점을 갖을 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억고분자는 체온의 온도를 포함하고 있는 28 내지 42℃의 온도에서 90% 이상의 변형회복률을 나타내기 때문에 생리의학 응용기구 또는 의료용 소재 등에 다양한 적용이 가능하다.

한편, 본 발명의 형상기억고분자를 포함하는 의료용 소재는 인체 내로 삽입 전에는 삽입 및 시술이 용이한 형태로 제작되고, 인체 내 삽입되어 체온에 노출되면, 의학적으로 필요한 형태로 되돌아가는 특성이 필요한 경우라면 어떤 용도로든 적용될 수 있다. 즉, 연조직 재건을 위한 임시 조직지지체, 일시적인 유로 확장 및 체액 유도에 사용 가능한 스텐트(stent) 등의 의료용 소재라면 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 혈관 이식용 지지체, 혈관 이식용 스텐트(stent), 혈관 확장용 스텐트(stent), 혈관문합용 소재, 혈관 이식용 소재, 비혈관 이식용 지지체, 수술용 봉합사, 약물 전달용 플랫폼(carrier), 요도, 식도, 담관, 전립선 등을 위한 임플란트 관 등으로 이용될 수 있다.

또한, 본 발명은 화학식 3 내지 5로 나타내는 화합물을 포함하는 혼합물의 개환중합반응을 수행하여 중간생성물을 형성하는 단계(제1 단계); 및 상기 중간생성물을 화학식 6으로 나타내는 화합물과 부가중합반응을 수행하는 단계(제2 단계)를 포함하는 형상기억고분자의 제조방법을 제공한다.

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 6]

상기 화학식 3 내지 6에서,

R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 탄소(C)수 1 내지 6의 알킬기(C_nH_2n+1-)이고,

m,n 및 p는 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이며,

A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 형상기억고분자는 카프로락톤 단량체와 글리시딜기를 포함하는 아크릴 단량체가 중합된 공중합체에 이소시아네이트 단량체가 중합된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 형상기억고분자는 카프로락톤 단량체(caprolactone; CL), 글리시딜메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate; GMA) 및 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyantae, HMDI)를 중합한 구조(PCL-PGMA-PU)를 가질 수 있다.

이 때, 상기 화학식 5는 연쇄반응을 하기 위해 사용되는 개시제일 수 있으며, 하나의 예로, 1,6-헥산디올을 개시제로 사용할 수 있다. 특히, 중합 반응시 화학식 3 및 화학식 4가 화학식 5를 기준으로 축합중합될 수 있으며, 화학식 5를 기준으로 교호, 랜덤 또는 블록으로 배열될 수 있다.

또한, 화학식 6은 화학식 4의 글리시딜기 내 O와 부가중합반응하여, 우레탄 결합을 형성할 수 있다.

하나의 예로, 본 발명의 형상기억고분자의 제조방법은,

먼저, 단량체인 카프로락톤(CL)과 글리시딜메틸아크릴산(GMA)을 적당한 몰비로 혼합하고, 여기에 개시제를 첨가한 뒤 반응온도 평균 80 내지 140℃, 또는 90 내지 130℃ 또는 100 내지 120℃에서 반응시킨다.

그리고 열적으로 안정되었다고 판단되었을 때 촉매 화합물을 첨가한 뒤 공중합 반응을 1 내지 12시간, 2 내지 8시간, 또는 3내지 6시간 반응을 실시하고 이후 중간생성물을 수득한다.

이후 중간생성물을 평균 60 내지 120℃, 70 내지 110℃ 또는 80 내지 100℃로 가열하고 열적으로 안정되었을 때, 촉매화합물을 첨가하여 상기 온도에서 30분 내지 3시간, 또는 50분 내지 1시간 30분 반응을 실시하고, 이후 중합물을 침전 및 건조시켜 형상기억고분자를 제조할 수 있다.

하나의 예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억고분자의 중합 메커니즘은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, CL과 GMA를 개환중합반응 단계를 포함한다.

[반응식 1]

이에 더하여, 반응식 1에 의해 생성된 중간생성물(PCL-PGMA)을 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, HMDI와 부가중합하여, 형상기억고분자(PCL-PGMA-PU)를 제조한다.

[반응식 2]

상술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 형상기억고분자의 제조방법은 제1 단계인 반응식 1에 의해 PCL-PGMA를 합성하는 개환중합반응단계와 제2 단계인 반응식 2에 의해 PCL-PGMA-PU를 합성하는 부가중합반응단계를 포함한다.

먼저, 제1 단계는 반응식 1과 같이 수행된다. 구체적으로, 단량체로서 카프로락톤(CL)과 글리시딜메틸아클릴산(GMA)을 개환중합반응시키는 단계를 포함한다.

이 때, 상기 제1 단계는 촉매 하에서 수행할 수 있으며, 상기 촉매는 1,5,7-트리아자바이씨클로[4.4.0]-5-데센(1,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene; TBD), 주석(II)(2-에칠헥사노에이트)(tin(II) (2-ethylhexanoate)), 트리메틸로프로판 트리스(3-머캅토프로피오네이트)(trimethylopropane tris(3-mercaptopropionate)), 및 숙신산 아연(Zinc succinate) 중 어느 하나 이상일 수 있다. 구체적인 예로, TBD를 촉매로 사용하면, 적은 사용량으로 높은 수율 달성이 가능하며, 형상기억고분자의 합성 시간을 단축시킬 수 있다.

촉매의 사용량은 특별히 제한되지 않으나, 출발 물질 100몰부 대비 0.01 내지 3몰, 0.2 내지 1.5몰, 0.5 내지 2몰, 또는 0.8 내지 1.2몰 사용할 수 있다.

또한, GMA 단량체를 넣기 전에 개시제와 함께 중합억제제를 투입하여 온도에 민감한 GMA의 아크릴간 반응을 억제시킬 수 있다.

이때, 상기 중합억제제는 중합 후반 국부적으로 발생하는 발열 반응의 억제와 미반응 잔류 라디칼을 제거하여 반응을 종결시키는 역할을 하기도 한다. 중합억제제는 특별히 한정되는 것은 아니나, 하이드로퀴논(hydroquinone; HQ), 하이드로퀴논 모노메틸 에테르(hydroquinone monomethyl ether), 파라 벤조퀴논(p-benzoquinone) 및 페노티아진(phenothiazine)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.

아울러, 상기 제1 단계는 평균 80 내지 140℃ 또는 100 내지 130℃에서 PCL-PGMA를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 80℃미만에서 고분자 합성이 진행되는 경우, 촉매반응이 진행되지 않을 수 있으며, 140℃을 초과한 온도에서 고분자 합성이 진행되면 촉매반응 속도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 제1 단계는 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 분위기 하에 수행할 수 있다.

이때, 제1 단계의 반응시간은 1 내지 12시간, 2 내지 8시간, 또는 3 내지 6시간 수행할 수 있다. 반응시간에 따라 합성되는 형상기억고분자의 중량평균분자량(weight average molecular weight; Mw) 및 다분산도 지수(polydispersity index; PDI)를 조절하여, 다양한 융점을 갖는 고분자를 유도할 수 있다. 구체적으로, 반응시간이 길수록 Mw, PDI, 및 융점이 모두 증가하는 경향을 보인다.

상기 제1 단계의 결과물인 중간생성물은 반응식 2에 의한 부가중합반응(제2 단계)을 더 수행한다.

구체적으로, 중간생성물을 용매에 넣고 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate; HMDI)와 반응을 수행한다.

상기 용매는 제2 단계 반응에 영향이 없는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 일 예로, 톨루엔(toluene) 등일 수 있다.

또한, 제2 단계는 촉매 하에서 수행될 수 있다. 상기 촉매는 우레탄결합 형성을 돕는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 예로, 디부틸주석 디라우레이트(Dibuthyltin dilaurate; DBTDL), 옥토산 주석(Stannous octoate), 디아자바이시 클로옥탄(1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane), 트리페닐 비스무스(Triphenyl bismuth), 테트라메틸 벤젠디아민 (Tetramethyl-1,4- benzenediamine), 트리에틸렌디아민(Trietylenediamine), 포타슘 옥테이트(Potassium Octoate), 및 아연 옥테이트(Zinc Octoate) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.

촉매량은 특별히 제한되는 것은 아니나, 용매 100 중량부에 대해 0.01 내지 0.5, 0.03 내지 0.2, 또는 0.05 내지 0.15 중량부일 수 있다.

또한, 제2 단계의 반응시간은 30분 내지 3시간, 또는 50분 내지 1시간 30분일 수 있다.

이에 더하여, 중합이 이뤄진 형상기억고분자에 광가교 반응을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다.

특히, 합성한 형상기억고분자에 광가교 반응을 유도함으로써, 융점을 더 낮출 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 고분자의 분자량이 증가할수록 융점도 높아지므로, UV 처리를 통한 광가교 반응으로 융점을 낮출 수 있는 기술적 의의가 더욱 증가한다. 구체적인 예로, 320 내지 500nm의 자외선(UV, ultraviolet)을 0.1 내지 1.5W/cm³, 0.3 내지 1.2, 또는 0.5W/cm³ 내지 1.0W/cm³의 세기로, 1 내지 60초 또는 5 내지 20초동안 조사하여, 융점을 28 내지 42℃의 온도로 낮출 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

<실험준비>

1. 시료 및 기구

카프로락톤(caprolactone; CL), 글리시딜메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate; GMA), 1,6-헥산디올(1,6-hexane diol; HD), 하이드로퀴논(hydroquinone; HQ), 1,5,7-트리아자바이씨클로[4.4.0]-5-데센(1,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene; TBD), 헥사메틸렌디이소시아네이트(hexamethylene diisocyantae; HMDI), 디부틸주석 디라우레이트(Dibuthyltin dilaurate; DBTDL), 톨루엔(toluene), 아세토니트릴(Acetonitrile), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), 클로로포름(Chloroform), N-메틸피롤리돈(N-methyl pyrrolidone)및 디에틸 에테르(Diethyl ether)은 sigma-aldrich에서 구매하였다.

한편, 융점은 TA Instrument 사의 시차 주사 열량분석기(Differential Scanning Calorimetry; DSC) 장비를 이용하여 알루미늄 팬 내에 5 내지 10 mg 사이의 샘플 질량을 가지고 측정하였다. 그리고, 가열의 속도는 10℃/min으로 3분 등온을 포함하여 -80℃부터 100℃까지 2번 반복하여 측정하였다.

아울러, 중량 평균 분자량(weight average molecular weight; Mw)은 Agilent Technologies, Inc의 1260 Infinity Ⅱ라는 겔 투과크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography; GPC) 장비를 이용하여 측정하였으며, 이때 사용된 칼럼은 Plagel 5 μm MIXED-D이며, 사용된 용매는 테트라하이드로퓨란이고, 유속은 1.0mL/min로 측정하였다.

또한, 고분자 UV 가교는 Lumen Dynamics 사의 자외선/가시광선 가교장비를 이용하여 형성하였으며, 이때 사용된 세기는 724mW/cm²이고, 반응 시간은 10초였다.

본 발명의 UV 가교 필름은 UTM(Univeral Testing Machine)을 이용하여 ASTM D882 규격 시험에 따라 UTS(Ultimate Tensile Strength) 및 신율(Failure Strain)을 측정하여 가교 필름의 기계적 물리적 물성을 확인하였다.

<실시예>

실시예 1-1. PCL-PGMA-PU_19kDa의 합성

[CL]₀/[GMA]₀/[HD]₀/[HQ]₀/[TBD]₀/[HMDI]₀=90/10/0.5/1/1/3의 반응물 투입비로 합성하였다. (표 1 참조)

(단위: mmol	)CL	GMA	HD	HQ	TBD	HMDI
실시예 1-1	180	20	1	2	2	6

먼저, 유리반응기에 CL(20.55g, 180mmol), HD(0.1182g, 1mmol), HQ(0.2202g, 2mmol)을 넣어 Sonication을 통해 혼합하고, 불활성 기체 N₂를 50cc/min으로 주입하는 조건에서 GMA(2.843g, 20mmol)를 상기 유리반응기에 투입하였다.

그리고, 두 단량체(CL, GMA)를 혼합한 유리반응기 내부의 온도를 110℃로 승온시키면서 200rpm으로 교반하였다. 그 후, 유리반응기 내부가 열적으로 안정되었다고 판단되면, CL과 GMA의 동시 개환중합을 유도하기 위한 촉매로 TBD(0.2784g, 2mmol)를 아세토니트릴(2ml)에 용해한 후 유리반응기 내에 주입하고 3시간동안 교반시켜 중간생성물을 생성하였다.

상기 중간생성물이 형성된 유리반응기 내에 톨루엔(60ml)을 투입하고, 온도를 90℃로 도달 시켰다. 15분 후에 HMDI를 톨루엔(6ml)에 용해한 후 유리반응기 내에 주입하고, 우레탄 결합 형성을 돕는 촉매로 DBTDL을 톨루엔(24ml)에 용해한 후 유리반응기 내에 주입했다.

반응 후 반응물을 디에틸에테르(1.2L)에 서서히 떨어뜨리면서 침전시켰다. 다음으로 침전물을 거름종이로 진공 여과시킨 후 진공 건조시켜 PCL-PGMA-PU 고분자를 수득하였다.

¹H-NMR(nuclear magnetic resonance)을 이용하여 합성된 고분자의 구조분석을 하였으며, 분석 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1을 참조하면, ¹H-NMR 분석을 통하여 상기 PCL-PGMA-PU 중합체가 제조되었음을 확인하였다.

아울러, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 중합체의 GPC 분석을 통한 분자량을 확인한 결과 Mw 값이 19kDa임을 확인하였다. 또한, PDI 값도 1.66으로 확인하였다.

실시예 1-2. PCL-PGMA-PU_28kDa의 합성

중간생성물을 5시간동안 합성하는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 합성하였다.

실시예 1-1과 마찬가지로, ¹H-NMR을 이용하여 합성된 고분자의 구조분석을 하였으며, 실시예 1-2의 경우도 도 1에 도시된 바와 같은 실시예 1-1과 동일한 분석결과를 얻었다. 이로부터, 실시예 1-2도 실시예 1-1과 동일한 구조를 갖는 PCL-PGMA-PU 중합체가 제조되었음을 알 수 있었다.

아울러, 도 2에 나타낸 바와 같이, GPC 분석을 통한 분자량 확인한 결과 Mw 값이 28kDa임을 확인하였다. 또한, PDI 값은 2.55로 확인하였다.

따라서, 실시예 1-1 및 1-2의 결과를 통해, 반응시간이 길어질수록 Mw 값 및 PDI 값이 모두 증가하는 것을 확인하였다.

실시예 2. 광가교된 PCL-PGMA-PU 형상기억고분자의 합성.

실시예 1-2에서 합성한 고분자에 724mW/cm² 세기의 UV 광(320-500nm)으로 10초동안 조사하여 광가교를 수행한 형상기억고분자를 제조하였다.

구체적으로, 실시예 1-2에서 합성한 고분자를 N-메틸피롤리돈에 90wt/wt%로, 광개시제는 0.1wt/wt%로 용해시켰다. 상기 용해된 용액을 테프론 몰드에 위치시킨다. 이어서, 광가교 장비를 통하여, 724mW/cm² 세기의 UV 광(320-500nm)으로 10초동안 조사하는 광가교 반응을 진행하였다.

<실험예>

1. 형상기억고분자의 융점 분석

1-1. DSC 분석-1

도 3은 실시예 1-1 및 1-2에서 합성한 고분자의 DSC 분석을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 고분자의 성분에 따른 융점(meting temperature; T_m)을 분석하기 위하여 시차주사 열량측정법(Differential Scanning Calorimetry; DSC)를 측정하였다.

도 3을 참고하면, 본 발명에 해당하는 합성 고분자인 PCL-PGMA-PU_19kDa(실시예 1-1), PCL-PGMA-PU_28kDa(실시예 1-2)의 융점(T_m)은 각각 38.7℃, 42.3℃로 생체 온도와 유사하여, 인체에 삽입시 환부에 필요로 하는 형태로 변형이 가능함을 확인하였다.

1-2. DSC 분석 -2

도 4는 실시예 1-2 및 실시예 2에서 합성한 형상기억고분자의 DSC 분석을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, PCL-PGMA-PU_28kDa의 융점(T_m)이 UV를 처리한 후, 42.3℃에서 32.9℃로 낮아짐을 확인할 수 있었다. 즉, 광가교를 통해 고분자의 융점(T_m)이 생체 온도에 더 가까워지므로 체내 안에서의 형상 기억 능력이 향상되었음을 확인하였다.

2. 형상기억고분자의 기계적 물리적 물성

본 발명의 UV 가교 필름은 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 ASTM D882 규격 시험에 따라 UTS(Ultimate Tensile Strength) 및 신율(Failure Strain)을 측정하여 가교 필름의 기계적 물리적 물성을 확인하였다. (표 2 참조)

물질명	UTS	신율
PCL-PGMA-PU_19kDa (실시예 1-1)	3.93 MPa	44%
PCL-PGMA-PU_28kDa (실시예 1-2)	3.72 MPa	26%

구체적으로, UTS는 가교 필름이 파단되지 않고 버틸 수 있는 최대 응력으로서, 실시예 1-1 및 1-2의 값이 각각 3.93 MPa, 3.72 MPa로 측정되었다.

또한, 신율이란 하기 계산식 1과 같이 정의되며, 형상기억고분자의 변형 용이성 및 기계적 강도를 나타내는 지표로 활용할 수 있다.

[계산식 1]

신율 δ=(I ₁ -I ₀ ) / I ₀ × 100(%)

I ₀ : 최초 표점 거리

I ₁ : 파단 후의 표점 거리

이에 따라, 실시예 1-1 및 1-2의 신율은 각각 44%, 26%로 측정되었다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 형상기억고분자는 뛰어난 기계적 강도를 가지면서 변형 용이성을 지니고 있음을 확인할 수 있었고, 융점이 낮아 생체 재료로 적합한 것으로 판단된다.

3. 형상기억고분자의 복원

상기 실시예 2에서 합성한 형상기억고분자의 형상기억특성을 도 5에 나타내었다((a) 초기 상태, (b) 변형된 상태, (c) 복원된 상태).

구체적으로, 실시예 2에서 합성한 형상기억고분자를 재료로 필름을 제작하고, 50℃로 열처리 하여 초기 상태(도 5(a))에서 변형된 것을 확인(도 5(b))하였다. 이어서, 다시 초기 온도인 40℃로 온도 조절하였더니 초기 상태로 다시 복원된 것을 확인할 수 있었다. (도 5(c))

아울러, 변형회복률을 측정하였다.

상기 변형회복률이란 하기 계산식 2와 같이 정의되며, 고분자 수지의 형상기억 거동의 지표로 사용될 수 있다.

[계산식 2]

변형회복률(Rr) = {(I _e-I _r) / (I _e-I _o)} × 100 (%)

I _o: 초기 샘플의 길이

I _e: 변형된 샘플의 길이

I _r: 회복 후의 샘플의 길이

구체적으로, 실시예 2에서 합성한 형상기억고분자 재료로 필름 형태의 샘플을 제작하고 초기 길이를 측정하였다. 상기 샘플을 50℃로 열처리한 후 0℃까지 냉각하여 형태를 고정한 상태에서, 변형된 샘플의 길이를 측정하였다. (도 5(b)) 그리고, 상기 고분자의 융점을 고려한 40℃로 온도를 조절하여, 회복 후의 샘플의 길이를 측정하였다

이에 따라, 실시예 2의 값은 약 96%로 측정되었다. (I _o 는 약 41mm, I _e 는 약 66mm, I _r 는 약 42mm)

따라서, 실시예 2의 변형회복률은 90%이상으로, 복원력이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 융점이 체온과 유사하여, 생체 재료로 적합한 것으로 판단된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims

하기 화학식 1로 나타내는 화합물을 포함하는 형상기억고분자:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,
m, n 및 p는 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이며,
A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이고,
x 및 y 는 반복 단위의 몰%를 나타내고,
x+y는 100이며, x는 80 내지 95이다.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서,
R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 메틸기이고,
m, n 및 p는 서로 독립적으로 3 내지 12의 정수이며,
A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이고,
x 및 y는 반복 단위의 몰%를 나타내고,
x+y=100이며, x는 88 내지 94인 형상기억고분자.
제1항에 있어서,
평균 30 내지 48℃의 융점을 갖는 형상기억고분자.
제1항에 있어서,
광가교 반응 후 평균 28 내지 42℃의 융점을 갖는 형상기억고분자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 형상기억고분자를 포함하는 의료용 소재.
화학식 3 내지 5로 나타내는 화합물을 포함하는 혼합물의 개환중합반응을 수행하여 중간생성물을 형성하는 단계(제1 단계); 및
상기 중간생성물을 화학식 6으로 나타내는 화합물과 부가중합반응을 수행하는 단계(제2 단계)를 포함하는 형상기억고분자의 제조방법.
[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 5]

[화학식 6]

상기 화학식 3 내지 6에서,
R₁, R₂ 및 R₃는 서로 독립적으로 수소(H) 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고,
m,n 및 p는 서로 독립적으로 1 내지 20의 정수이며,
A 및 B는 서로 독립적으로 산소(O) 또는 황(S)이다.
제6항에 있어서,
상기 제1 단계는
평균 80 내지 140℃에서 합성하는 것을 특징으로 하는 형상기억고분자의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 단계는
1 내지 12시간동안 합성하는 것을 특징으로 하는 형상기억고분자의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 제2 단계는
평균 60 내지 120℃에서 합성하는 것을 특징으로 하는 형상기억고분자의 제조방법.
제6항에 있어서,
제조된 형상기억고분자에 광가교 반응을 유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억고분자의 제조방법.