KR20230134180A - Hydrogels made of polar aramid nanofibers - Google Patents

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KR20230134180A KR1020220031159A KR20220031159A KR20230134180A KR 20230134180 A KR20230134180 A KR 20230134180A KR 1020220031159 A KR1020220031159 A KR 1020220031159A KR 20220031159 A KR20220031159 A KR 20220031159A KR 20230134180 A KR20230134180 A KR 20230134180A
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Abstract

본 발명은 극성 아라미드 나노섬유를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조방법을 제공하는 것으로, 상기 하이드로겔은 우수한 수분함량을 가지는 동시에, 현저한 강도를 가질 수 있음으로써, 이를 포함하여 생체 지지체를 대체할 새로운 소재로 사용할 수 있다.The present invention provides a hydrogel containing polar aramid nanofibers and a method for manufacturing the same. The hydrogel has excellent moisture content and can have remarkable strength, thereby providing a new material to replace a biological support. It can be used as

Description

극성 아라미드 나노섬유로 제조한 하이드로겔{Hydrogels made of polar aramid nanofibers}Hydrogel made of polar aramid nanofibers

본 발명은 극성 아라미드 나노섬유를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조방법을 제공하는 것으로, 보다 상세하게는 매우 우수한 강도 및 파괴가 일어나지 않는 새로운 하이드로겔에 관한 것이다.The present invention provides a hydrogel containing polar aramid nanofibers and a method for manufacturing the same, and more specifically, relates to a new hydrogel with excellent strength and no destruction.

하이드로겔과 스폰지는 높은 수분함량 (>70%)와 충분한 생리학적 물질 보유력으로 인하여 생물학적 조직 (biological tissue)의 대체제로 연구되는 물질이다. 따라서 하이드로겔과 스폰지는 모두 조직공학(tissue engineering)의 지지체(scaffold)로써 약물 전달용 운반체나 생물학적 플랫폼의 유망후보로써 광범위하게 연구되었다. Hydrogels and sponges are materials that are being studied as substitutes for biological tissues due to their high moisture content (>70%) and sufficient retention of physiological substances. Therefore, both hydrogels and sponges have been extensively studied as scaffolds for tissue engineering and as promising candidates for drug delivery carriers or biological platforms.

최근에는 웨어러블(Wearable) 전자 및 소프트 로봇 공학 분야에서 생물학적 조직을 모방함으로써, 하이드로겔과 스펀지와 같은 습윤 재료에 대한 수요가 크게 증가하고 있으나, 인공연골과 같은 생체 지지체(생물학적 조직)를 모방하기에는 종래의 하이드로겔 및 스펀지를 사용하기에는 제한이 있다. Recently, the demand for wet materials such as hydrogels and sponges has increased significantly by imitating biological tissues in the fields of wearable electronics and soft robotics. However, to mimic biological scaffolds (biological tissues) such as artificial cartilage, conventional methods have been There are limitations in using hydrogels and sponges.

종래의 하이드로겔은 폴리비닐알코올, 녹말, 셀룰로오스 또는 히알루론산 등과 같은 가교된 친수성 고분자로부터 제조되는 습윤재로써, 우수한 수분함량을 가지나, 강도가 우수하지 못하며, 특히 강한 압력으로 인해 파괴가 일어나는 문제를 가져, 생체 지지체로 사용하기에는 한계가 있다. Conventional hydrogels are wetting materials manufactured from cross-linked hydrophilic polymers such as polyvinyl alcohol, starch, cellulose, or hyaluronic acid, and have excellent moisture content, but are not excellent in strength, and especially suffer from the problem of destruction due to strong pressure. However, there are limits to its use as a biological support.

상기 하이드로겔의 강도 문제를 해결하고자, 강도가 우수하고 파괴가 일어나지 않는 스펀지를 사용할 수 있으나, 하이드로겔 보다 현저히 낮은 수분 함량을 가짐으로써, 또한 생체 지지체로 사용하기에는 한계가 있다. To solve the problem of the strength of the hydrogel, a sponge with excellent strength and no destruction can be used, but it has a significantly lower moisture content than the hydrogel, which limits its use as a biological support.

근래에는 상기와 같은 종래의 스펀지의 단점을 해결하고자, 스펀지에 폴리비닐알코올과 같이 친수성기를 가지는 고분자의 함량을 증가시켜, 우수한 수분함량을 부여하는 기술개발이 이루어지고 있으나, 이러한 접근법은 필연적으로 수분함량과 강도의 상충관계에 직면하게 되고, 생체 지지체를 대체할 강도 및 수분함량을 동시에 만족하지 못하였다.Recently, in order to solve the above-mentioned shortcomings of conventional sponges, technology has been developed to impart excellent moisture content by increasing the content of polymers with hydrophilic groups, such as polyvinyl alcohol, in sponges. However, this approach inevitably causes moisture. A trade-off between content and strength was encountered, and the strength and moisture content to replace the biosupport were not satisfied at the same time.

따라서 종래의 하이드로겔과 스펀지의 한계를 극복할 새로운 습윤제가 필요하고, 더 나아가 하이드로겔 및 스펀지에 수분함량과 강도를 동시에 향상시키는 새로운 접근법이 필요한 실정이다.Therefore, a new wetting agent is needed to overcome the limitations of conventional hydrogels and sponges, and furthermore, a new approach is needed to simultaneously improve the moisture content and strength of hydrogels and sponges.

한국공개특허 10-2018-0057585 AKorean Patent Publication No. 10-2018-0057585 A

종래의 생체 지지체 모방용 하이드로겔 및 스펀지의 문제를 해결하고자, 본 발명은 극성 아리미드 나노섬유를 포함하는 하이드로겔 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of conventional hydrogels and sponges for mimicking biological scaffolds, the present invention aims to provide a hydrogel containing polar arimide nanofibers and a method for manufacturing the same.

본 발명의 또 다른 목적은 극성 아라미드 나노섬유 분산용액의 농도를 조절하여 강도 및 수분함량이 조절된 하이드로겔을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a hydrogel with controlled strength and moisture content by controlling the concentration of the polar aramid nanofiber dispersion solution.

본 발명의 또 다른 목적은 일 구현예에 따른 하이드로겔을 포함한 생체 지지체를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a biosupport including a hydrogel according to one embodiment.

본 발명은 극성 아라미드 나노섬유를 포함하는 하이드로겔로서,The present invention is a hydrogel containing polar aramid nanofibers,

상기 하이드로겔은 수분함량이 50 내지 99.9 중량%인 것인 하이드로겔을 제공한다, The hydrogel provides a hydrogel having a moisture content of 50 to 99.9% by weight,

일 구현 예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 극성 방향족 폴리아미드계 중합체로 이루어진 하이드로겔을 제공할 수 있다.As one embodiment, the polar aramid nanofibers can provide a hydrogel made of a polar aromatic polyamide-based polymer represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

Ar1 Ar2는 서로 독립적으로 C6-C20 헤테로방향족기 또는 방향족기이며, Ar 1 and Ar 2 is independently a C6-C20 heteroaromatic group or an aromatic group,

X1 및 X2는 서로 독립적으로 히드록시기, 카르복시기, 아미드기, 아미노기, 술폰기, 술포기 또는 시아노기이며,X 1 and

n 및 m은 1≤m+n≤12를 만족하는 정수이다.)n and m are integers that satisfy 1≤m+n≤12.)

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 물에 침지하였을 때, 팽윤변화가 2 % 이하일 수 있다. In one embodiment, the hydrogel may have a swelling change of 2% or less when immersed in water.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유는 평균직경이 1 내지 100 nm일 수 있다.As one embodiment, the polar aramid nanofibers may have an average diameter of 1 to 100 nm.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 수분 함량이 60 내지 99.5 중량%일 수 있다.As one embodiment, the hydrogel may have a moisture content of 60 to 99.5% by weight.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 외부압력에 대해서 85% 이하 변형률에서도 파괴가 일어나지 않는 것이 특징일 수 있다,As an embodiment, the hydrogel may be characterized in that it does not fracture even at a strain rate of 85% or less with respect to external pressure.

또한 일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 수분확산 계수가 10-9 m2/s 이상일 수 있다.Additionally, as one embodiment, the hydrogel may have a water diffusion coefficient of 10 -9 m 2 /s or more.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 압축탄성률 0.3 MPa 이상, 인장탄성율이 1.0 MPa 이상일 수 있다.As one embodiment, the hydrogel may have a compressive modulus of elasticity of 0.3 MPa or more and a tensile modulus of elasticity of 1.0 MPa or more.

본 발명은 상술한 하이드로겔로 부터 제조된 생체 지지체을 제공한다.The present invention provides a biological scaffold prepared from the above-described hydrogel.

일 구현예로서, 상기 생체 지지체는 인공연골일 수 있다.In one embodiment, the biological scaffold may be artificial cartilage.

본 발명은 극성 아라미드 나노섬유입자가 포함된 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 제조하는 단계; 및 The present invention includes the steps of preparing a polar aramid nanofiber dispersion solution containing polar aramid nanofiber particles; and

상기 극성 아라미드 섬유 분산용액을 용매 교환하는 단계;Solvent exchanging the polar aramid fiber dispersion solution;

를 포함하는 하이드로겔 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a hydrogel comprising.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액는 극성 방향족 폴리아미드계 수지, 강염기 및 극성용매로 부터 제조되는 것일 수 있다.As one embodiment, the polar aramid nanofiber dispersion solution may be prepared from a polar aromatic polyamide-based resin, a strong base, and a polar solvent.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유입자는 평균직경이 1 내지 100 nm 이고, 평균길이가 0.1 내지 100 ㎛일 수 있다. As one embodiment, the polar aramid nanofiber particles may have an average diameter of 1 to 100 nm and an average length of 0.1 to 100 ㎛.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 섬유 분산용액은 극성 아라미드 나노섬유입자가 0.01 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있다.As one embodiment, the polar aramid fiber dispersion solution may contain 0.01 to 30% by weight of polar aramid nanofiber particles.

일 구현예로서, 상기 용매교환하는 단계는 극성 아라미드 분산용액을 물에 침지하여 용매교환하는 것일 수 있다.As one embodiment, the solvent exchange step may be solvent exchange by immersing the polar aramid dispersion solution in water.

일 구현예로서, 상기 용매교환하는 단계는 2회 이상 수행하는 것일 수 있다. As an embodiment, the solvent exchange step may be performed two or more times.

일 구현예로서, 상기 용매교환하는 단계는 극성 아라미드 나노섬유입자가 극성 아라미드 나노섬유로 자가 조립되는 것이 특징일 수 있다As one embodiment, the solvent exchange step may be characterized in that polar aramid nanofiber particles self-assemble into polar aramid nanofibers.

본 발명의 일 구현에 따른 하이드로겔은 현저한 수분함량 및 강도를 동시에 가질 수 있다.The hydrogel according to one embodiment of the present invention can have significant moisture content and strength at the same time.

본 발명의 일 구현예에 따른 하이드로겔은 우수한 압축탄성율 및 내부 수분확산계수를 가짐으로써, 85% 이하 변형율에서도 파괴가 일어나지 않을 수 있다. The hydrogel according to one embodiment of the present invention has excellent compressive elastic modulus and internal moisture diffusion coefficient, so that failure may not occur even at a strain rate of 85% or less.

본 발명의 일 구현예에 따른 하이드로겔 제조방법은 평균직경이 매우 작은 극성 아라미드 나노섬유로 구성된 하이드로겔을 제조할 수 있다.The hydrogel production method according to one embodiment of the present invention can produce a hydrogel composed of polar aramid nanofibers with a very small average diameter.

본 발명의 일 구현예에 따른 하이드로겔 제조방법은 극성 아라미드 나노섬유 분산용액의 농도를 조절함으로써, 제조되는 하이드로겔의 강도 및 수분함량을 조절할 수 있다.The hydrogel production method according to one embodiment of the present invention can control the strength and moisture content of the produced hydrogel by adjusting the concentration of the polar aramid nanofiber dispersion solution.

도 1은 제조예 1에서 합성된 방향족 폴리아미드 중합체와 비교예 1에서 사용된 방향족 폴리아미드 중합체의 구조식; 및
실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 하이드로겔 실물 사진이다.
도 2는 실시예 2에서 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 용매교환하는 과정을 나타낸 것이다.
도 3는 실시예 2에서 제조한 하이드로겔를 2 kg 추로 압착하였을 때 나타나는 강직한 특성 및 스펀지 특성을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 하이드로겔의 낮은 변형률에 있어 우수한 강도 및 높은 변형률에 있어 파괴가 일어나지 않는 특징을 표현하는 그림이다.
1 shows the structural formulas of the aromatic polyamide polymer synthesized in Preparation Example 1 and the aromatic polyamide polymer used in Comparative Example 1; and
This is an actual photograph of the hydrogel prepared in Example 2 and Comparative Example 1.
Figure 2 shows the process of solvent exchange of the polar aramid nanofiber dispersion solution in Example 2.
Figure 3 is a photograph showing the rigid and sponge properties that appear when the hydrogel prepared in Example 2 is compressed with a 2 kg weight.
Figure 4 is a diagram expressing the characteristics of the hydrogel according to an embodiment of the present invention, which has excellent strength at low strain rates and does not break at high strain rates.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Unless otherwise defined, the technical and scientific terms used in this specification have the meanings commonly understood by those skilled in the art to which this invention pertains, and the gist of the present invention is summarized in the following description and accompanying drawings. Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure are omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Additionally, as used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, units used without special mention in this specification are based on weight, and as an example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and weight % refers to the amount of any one component of the entire composition unless otherwise defined. It refers to the weight percent occupied in the composition.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used in this specification includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the shape and width of the defined range, all double-defined values, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of the lower bounds. Unless otherwise specified in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental error or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어 “나노섬유”는 평균직경이 1 내지 100 nm를 가지는 미세한 섬유를 의미하는 용어 일 수 있고, 전기방사로 제조된 종래의 나노섬유 또는 섬유와는 구별될 수 있다.The term “nanofiber” in this specification may refer to a fine fiber having an average diameter of 1 to 100 nm, and may be distinguished from conventional nanofibers or fibers manufactured by electrospinning.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같이, 종래의 하이드로겔이 가지는 낮은 강도 및 강한 압력에 파괴되는 문제와 종래의 스펀지가 가지는 낮은 수분함량 등과 같은 각각의 습윤재가 가지는 문제를 해결하고자, 우수한 수분함량 및 강도를 가짐과 동시에, 스펀지처럼 높은 변형률에서도 파고가 일어나지 않는 새로운 하이드로겔 및 이의 제조방법을 제공하는 것인다.As described above, the purpose of the present invention is to solve the problems of each wetting material, such as the low strength of the conventional hydrogel and the problem of being broken under strong pressure and the low moisture content of the conventional sponge, and to provide a wet material with excellent moisture content and The aim is to provide a new hydrogel and a manufacturing method thereof that have strength and at the same time do not break even at high strain rates like a sponge.

이처럼 상기 하이드로겔은 우수한 수분함량 및 현저한 강도로 인해, 생체 지지체와 같은 높은 수분함량 및 강도를 필히 필요로 하는 분야에서 사용이 가능할 수 있다.As such, the hydrogel can be used in fields that require high moisture content and strength, such as biosupports, due to its excellent moisture content and remarkable strength.

이하 본 발명의 하이드로겔을 설명한다.The hydrogel of the present invention will be described below.

본 발명은 극성 아리미드 나노섬유를 포함하는 하이드로겔로서,The present invention is a hydrogel containing polar arimide nanofibers,

상기 하이드로겔은 수분함량이 50 내지 99.9 중량%일 수 있다.The hydrogel may have a moisture content of 50 to 99.9% by weight.

구체적으로 상기 하이드로겔은 극성 아라미드 나노섬유가 그물망 구조로 얽혀있는 다공성 구조이며, 하이드로겔의 다공에 수분을 포함하는 것일 수 있다.Specifically, the hydrogel has a porous structure in which polar aramid nanofibers are entangled in a network structure, and the pores of the hydrogel may contain moisture.

상기 하이드로겔은 극성 아라미드 나노섬유를 포함하여 수분을 안정적으로 유지할 있으며, 아라미드 나노섬유의 강직한 특성을 가질 수 있음으로써, 종래의 스펀지가 가지는 수분함량과 강도의 기술적 상충관계를 해결할 뿐 아니라, 놀랍게도 종래의 하이드로겔 보다 현저한 수분함량을 가질 수 있다.The hydrogel contains polar aramid nanofibers to stably maintain moisture and has the rigid properties of aramid nanofibers, so it not only solves the technical trade-off between moisture content and strength of conventional sponges, but surprisingly, It can have a significantly higher moisture content than conventional hydrogels.

이하 본 발명의 하이드로겔에 포함된 극성 아라미드 나노섬유 및 이에 따른 하이드로겔의 효과를 자세히 설명한다.Hereinafter, the polar aramid nanofibers included in the hydrogel of the present invention and the effects of the hydrogel accordingly will be described in detail.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유는 평균직경이 1 내지 100 nm일 수 있으며, 구체적으로는 1 내지 50 nm일 수 있다. As one embodiment, the polar aramid nanofibers may have an average diameter of 1 to 100 nm, specifically 1 to 50 nm.

상기 평균직경의 극성아라미드 나노섬유를 포함한 하이드로겔은 한국공개특허 10-2096574 A에서 기술한 아라미드 나노섬유 분산용액 제조방법을 사용한 것으로써, 종래의 전기방사로 제조되는 아라미드 나노섬유보다 매우 미세한 것일 수 있다.The hydrogel containing polar aramid nanofibers of the above average diameter is prepared using the aramid nanofiber dispersion solution manufacturing method described in Korean Patent Publication No. 10-2096574 A, and may be much finer than aramid nanofibers manufactured by conventional electrospinning. there is.

따라서, 상기 하이드로겔은 매우 미세한 극성 아라미드 나노섬유를 포함함에 따라, 고형분 함량이 감소할 수 있으며, 표면적 증가로 인하여 극성기 영향이 증가함으로써, 현저한 수분함량을 가질 수 있다.Therefore, as the hydrogel contains very fine polar aramid nanofibers, the solid content can be reduced, and the influence of polar groups increases due to an increase in surface area, so it can have a significant moisture content.

상기 극성 아라미드 나노섬유는 극성 방향족 폴리아미드 중합체로 이루어지는 것일 수 있으며, 보다 상세하게 극성 방향족 폴리아미드 중합체는 방향족 폴리아미드계 중합체의 반복단위에 하나 이상 극성기가 치환된 것일 수 있다.The polar aramid nanofiber may be made of a polar aromatic polyamide polymer. More specifically, the polar aromatic polyamide polymer may be one in which one or more polar groups are substituted in the repeating units of the aromatic polyamide-based polymer.

구체적으로 상기 방향족 폴리아미드 중합체는 일예로 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(노멕스), 폴리(p-페닐렌 테레프탈레이트)(케블라), 폴리(벤즈아미드)(코넥스), 폴리테레프타로일 p-아미노벤즈히드라지드(X-500), 코폴리(3,4-디페닐이서/p-페닐렌테레프탈아미드)(Technora), 폴리아미도벤즈이미다졸(FVM) 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(노멕스), 폴리(p-페닐렌 테레프탈레이트)(케블라)일 수 있다. Specifically, the aromatic polyamide polymer includes, for example, poly(m-phenylene isophthalamide) (Nomex), poly(p-phenylene terephthalate) (Kevlar), poly(benzamide) (Conex), and polytere. One or There may be two or more, and more specifically, it may be poly(m-phenylene isophthalamide) (Nomex) or poly(p-phenylene terephthalate) (Kevlar).

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 극성 방향족 폴리아미드계 중합체로 이루어질 수 있다.As one embodiment, the polar aramid nanofiber may be made of a polar aromatic polyamide-based polymer represented by the following formula (1).

[화학식 1] [Formula 1]

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

Ar1 Ar2는 서로 독립적으로 C6-C20 헤테로방향족기 또는 방향족기이며, Ar 1 and Ar 2 is independently a C6-C20 heteroaromatic group or an aromatic group,

X1 및 X2는 서로 독립적으로 히드록시기, 카르복시기, 아미드기, 아미노기, 술폰기, 술포기 또는 시아노기이며, n 및 m은 1≤m+n≤12를 만족하는 정수이다.)X 1 and

구체적으로 상기 화학식 1에서, Ar1 및 Ar2는 서로 독립적으로 C6-C20 방향족기이며, 더욱 구체적으로 C6-C12 아릴기일 수 있다.Specifically, in Formula 1, Ar 1 and Ar 2 may each independently be a C6-C20 aromatic group, and more specifically, a C6-C12 aryl group.

상기 Ar1 및 Ar2가 C6-C12 아릴기인 극성 방향족 폴리아미드계 중합체는 보다 우수한 신도 및 강도를 가질 수 있으며, 섬유구조를 가짐으로써 면 방향에서 가해지는 충격에 대해서는 넓은 각도까지 충격을 흡수할 수 있어 선호될 수 있다.The polar aromatic polyamide-based polymer, in which Ar 1 and Ar 2 are C6-C12 aryl groups, can have superior elongation and strength, and by having a fibrous structure, it can absorb shocks applied from the plane direction to a wide angle. It may be preferred.

또한 구체적으로 상기 화학식 1에서, X1 및 X2는 서로 독립적으로 카르복실기 또는 시아노기일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 시아노기일 수 있다.Additionally, specifically in Formula 1, X 1 and X 2 may each independently be a carboxyl group or a cyano group, and more specifically, may be a cyano group.

상기 화학식 1에서, X1 및 X2가 시아노기인 극성 아라미드 나노섬유는 아라미드 나노섬유가 가지는 물성 유지하면서 신율이 크게 향상될 수 있으며, 특히 현저한 극성을 가짐으로써, 이로부터 제조되는 하이드로겔이 보다 안정적으로 수분을 포함하게 할 수 있다.In Formula 1, the polar aramid nanofibers in which X 1 and It can stably contain moisture.

또한 구체적으로 상기 화학식 1에서, n 및 m은 1≤m+n≤6을 만족하는 정수일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 1≤m+n≤3을 만족하는 정수 일 수 있다.Also, specifically, in Formula 1, n and m may be integers satisfying 1≤m+n≤6, and more specifically, may be integers satisfying 1≤m+n≤3.

상기 범위의 극성기를 가지는 극성 방향족 폴리아미드계 중합체는 방향족 폴리아미드계 중합체가 가진 현저한 강도, 내화화석 및 내열성을 유지할 수 있을 뿐 아니라, 동시에 극성기를 가짐으로써, 이로부터 제조된 하이드로겔은 현저한 압축탄성율, 인장탄성율 및 수분함량을 가질 수 있어 선호될 수 있다.The polar aromatic polyamide-based polymer having a polar group in the above range can not only maintain the remarkable strength, fire resistance, and heat resistance of the aromatic polyamide-based polymer, but also has a polar group, and the hydrogel produced therefrom has a remarkable compressive elastic modulus. , tensile modulus and moisture content, so it can be preferred.

보다 상세하게 상기 극성 방향족 폴리아미드계 중합체는 페닐렌디아민계 화합물과 페닐렌디에시드계 화합물을 중합한 것일 수 있으며, 상기 페닐렌아미드계 화합물 또는 페닐렌디에시드계에서 극성기를 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.More specifically, the polar aromatic polyamide-based polymer may be a polymerization of a phenylenediamine-based compound and a phenylene diecide-based compound, and may include one or more polar groups in the phenyleneamide-based compound or phenylene diecide-based compound. It may be.

상기 페닐렌디아민계 화학물은 일예로, 2,5-디아미노벤젠, 1,2-디아미노벤젠, 1,3-디아미노벤젠, 2,5-디아미노벤조트리아조니트릴, 1,2-디아미노벤조트리아조니트릴, 1,3-디아미노벤조트리아조니트릴, 2,5-디아미노벤조산, 1,2-디아미노벤조산 및 1,3-디아미노벤조산 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.The phenylenediamine-based chemicals include, for example, 2,5-diaminobenzene, 1,2-diaminobenzene, 1,3-diaminobenzene, 2,5-diaminobenzotriazonitrile, and 1,2-diaminobenzene. It may be one or two or more selected from diaminobenzotriazonitrile, 1,3-diaminobenzotriazonitrile, 2,5-diaminobenzoic acid, 1,2-diaminobenzoic acid, and 1,3-diaminobenzoic acid. .

또한 상기 페닐렌디에시드계 화합물은 일예로, 테레프탈로일 클로라이드, 벤젠-1,2-디카르보닐 클로라이드, 벤젠-1,3-디카르보닐 클로라이드, 시아노벤젠-1,2-디카르보닐 클로라이드, 시아노벤젠-1,3-디카르보닐 클로라이드, 시아노벤젠-2,5-디카르보닐 클로라이드, 1,3-디(클로로카보닐)벤조산, 1,2-디(클로로카보닐)벤조산 및 2,5-디(클로로카보닐)벤조산에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.In addition, the phenylene diecide-based compounds include, for example, terephthaloyl chloride, benzene-1,2-dicarbonyl chloride, benzene-1,3-dicarbonyl chloride, and cyanobenzene-1,2-dicarbonyl. Chloride, cyanobenzene-1,3-dicarbonyl chloride, cyanobenzene-2,5-dicarbonyl chloride, 1,3-di(chlorocarbonyl)benzoic acid, 1,2-di(chlorocarbonyl) It may be one or two or more selected from benzoic acid and 2,5-di(chlorocarbonyl)benzoic acid.

구체적으로 상기 페닐렌디아민계 화합물은 2,5-디아미노벤젠 및 2,5-디아미노벤조트리아조니트릴 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 상기 페닐렌디에시드계 화합물은 테레프탈로일 클로라이드 또는 2,5-디(클로로카보닐)벤조산 등일 수 있다.Specifically, the phenylenediamine-based compound may be one or two or more selected from 2,5-diaminobenzene and 2,5-diaminobenzotriazonitrile, and the phenylene diecide-based compound is terephthaloyl chloride or It may be 2,5-di(chlorocarbonyl)benzoic acid, etc.

상기 2,5 위치에 작용기가 있는 페닐렌디아민계 화합물 및 페닐렌디에시드계 화합물은 중합하여, 파라구조의 극성 방향족아미드계 중합체로 제조될 수 있음으로써, 메타구조의 극성 방향족아미드계 중합체보다 강도가 우수할 수 있어 선호될 수 있으나 이를 제한하는 것은 아니다. Phenylenediamine-based compounds and phenylene diecid-based compounds having functional groups at positions 2 and 5 can be polymerized to produce para-structured polar aromatic amide-based polymers, which have higher strength than meta-structured polar aromatic amide-based polymers. It may be superior and therefore preferred, but this is not limited.

일 구현에로서 상기 방향족 폴리아미드계 중합체는 중량평균분자량이 2,000 내지 1,000,000 g/mol일 수 있으며, 구체적으로 5,000 내지 500,000 g/mol인 것일 수 있다.In one embodiment, the aromatic polyamide-based polymer may have a weight average molecular weight of 2,000 to 1,000,000 g/mol, specifically 5,000 to 500,000 g/mol.

상기 중량평균분자량을 가진 극성 방향족아미드계 중합체를 포함하는 아라미드 나노섬유는 우수한 강도를 가질 수 있어 선호될 수 있으나, 상기 하이드로겔의 물성을 저해하는 것이 아니라면 이를 제한하는 것은 아니다.Aramid nanofibers containing a polar aromatic amide-based polymer having the weight average molecular weight may be preferred because they may have excellent strength, but this is not limited as long as they do not impair the physical properties of the hydrogel.

이하 본 발명의 하이드로겔을 자세히 설명한다. Hereinafter, the hydrogel of the present invention will be described in detail.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 수분함량이 60 내지 99.5 중량%일 수 있으며, 구체적으로는 70 내지 99.2 중량%일 수 있다.As one embodiment, the hydrogel may have a moisture content of 60 to 99.5% by weight, specifically 70 to 99.2% by weight.

상기 범위의 수분함량을 가지는 하이드로겔은 상술한 바와 같이, 종래의 아라미드 나노섬유에 극성기를 도입하여 안정적으로 수분이 포함할 수 있어 나타나는 현상으로서, 종래의 아라미드 나노섬유의 소수성 문제를 해결했을 뿐 아니라, 놀랍게도 종래의 하이드로겔 보다 우수한 수분함량을 가질 수 있음으로써, 현저한 물질전달 능력을 가질 수 있다.As described above, hydrogels with a water content in the above range are a phenomenon that can stably contain water by introducing polar groups into conventional aramid nanofibers, and not only solve the hydrophobicity problem of conventional aramid nanofibers, but also solve the hydrogel problem. , Surprisingly, it can have a moisture content that is superior to that of conventional hydrogels, and thus can have remarkable mass transfer capabilities.

또한 상기 수분함량을 가진 하이드로겔은 매우 낮은 수분함량을 가질 수 있는 것으로, 강한 압축에서도 파괴 없이 내부 수분이 빠져나가는 스펀지 특성을 가질 수 있음으로써, 우수한 강도 및 내구도가 필요한 분야에 선호될 수 있다. In addition, hydrogels with the above moisture content can have a very low moisture content and can have sponge properties that allow internal moisture to escape without destruction even under strong compression, making them preferred in fields that require excellent strength and durability.

일 구현에로서, 상기 하이드로겔은 압축탄성률 0.3 MPa 이상, 인장탄성율이 1.0 MPa 이상 일 수 있으며, 구체적으로는 압축탄성율이 0.3 내지 60 MPa, 인장탄성율이 1.0 내지 100 MPa일 수 있다.In one embodiment, the hydrogel may have a compressive modulus of elasticity of 0.3 MPa or more and a tensile modulus of elasticity of 1.0 MPa or more. Specifically, the hydrogel may have a compressive modulus of elasticity of 0.3 to 60 MPa and a tensile modulus of elasticity of 1.0 to 100 MPa.

상기 범위의 압축탄성율 및 인장탄성율을 가진 하이드로겔은 포함된 극성 아라미드 나노섬유가 섬유간의 소수성 상호작용(hydrophobic inter-fibrillar interaction)으로 인한 결과일 수 있으며, 우수한 탄성율을 가짐으로써, 외부압력에서 형태가 유지될 수 있어 우수한 내구도를 가질 수 있다.Hydrogels with compressive and tensile moduli in the above range may be the result of hydrophobic inter-fibrillar interaction between the polar aramid nanofibers contained therein, and have excellent elastic modulus, allowing them to change shape under external pressure. It can be maintained and has excellent durability.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 외부압력에 대해서 85 % 이하 변형률에서도 파괴가 일어나지 않을 수 있다.As one embodiment, the hydrogel may not be destroyed even at a strain rate of 85% or less with respect to external pressure.

상기 하이드로겔은 극성 아라미드 나노섬유가 가지는 우수한 인장강도와 수분확산계수를 가짐으로써, 상술한 바와 같이 낮은 압력에서 현저한 탄성율을 가질 수 있을 뿐 아니라, 85 % 이하 변형률과 같은 높은 압력에서도 파괴가 일어나지 않을 수 있어, 일예로 생체 지지체와 같은 외부압력이 강한 분야에서도 사용할 수 있다.The hydrogel has the excellent tensile strength and moisture diffusion coefficient of polar aramid nanofibers, so not only can it have a remarkable elastic modulus at low pressure as described above, but it also does not fracture even at high pressures such as a strain rate of 85% or less. Therefore, for example, it can be used in fields with strong external pressure, such as biological scaffolds.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 수분확산 계수가 10-9 m2/s 이상일 수 있다.As one embodiment, the hydrogel may have a water diffusion coefficient of 10 -9 m 2 /s or more.

보다 상세하게 상기 하이드로겔의 수분확산 계수는 25 ℃ 및 하이드로겔 고형분 함량이 10 중량%에서 측정한 값이며, 상기 수분확산 계수를 가진 하이드로겔은 상술한 바와 같이 85 % 변형율에서 내부 수분이 빠르게 빠져나갈 수 있어 파괴가 일어나지 않을 수 있다.In more detail, the water diffusion coefficient of the hydrogel is a value measured at 25 ℃ and the hydrogel solid content is 10% by weight, and the hydrogel with the water diffusion coefficient quickly loses internal moisture at a strain rate of 85% as described above. You can go out and no destruction will occur.

일 구현예로서, 상기 하이드로겔은 물에 침지하였을 때, 팽윤변화(Swelling ratio)가 2 % 이하일 수 있으며, 구체적으로 1 % 이하일 수 있다. As one embodiment, when the hydrogel is immersed in water, the swelling ratio may be 2% or less, and specifically, 1% or less.

상기 범위의 팽윤변화는 하이드로겔의 탄성압력(elastic pressure)이 삼투압(osmotic pressure)보다 높아 나타나는 현상으로써, 형태학적으로 매우 안정할 수 있으며, 추가 수분흡수로 인한 하이드로겔의 강도 저하가 일어나지 않을 수 있어 선호될 수 있다.The swelling change in the above range is a phenomenon that occurs when the elastic pressure of the hydrogel is higher than the osmotic pressure, so it can be morphologically very stable and the strength of the hydrogel may not decrease due to additional moisture absorption. It may be preferred.

이하 본 발명의 하이드로겔 제조방법을 자세히 설명한다. Hereinafter, the method for producing the hydrogel of the present invention will be described in detail.

본 발명은 극성 아라미드 나노섬유입자가 포함된 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 제조하는 단계; 및 The present invention includes the steps of preparing a polar aramid nanofiber dispersion solution containing polar aramid nanofiber particles; and

상기 극성 아라미드 섬유 분산용액을 용매교환하는 단계;Solvent exchanging the polar aramid fiber dispersion solution;

를 포함하는 하이드로겔 제조방법을 제공한다. It provides a method for producing a hydrogel comprising.

보다 상세하게 상기 하이드로겔 제조방법은 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 제조하여 비용매 상전이법을 사용하는 방법을 사용함으로써, 상술한 바와 같이 평균직경이 1 내지 100 nm인 극성 아라미드 나노섬유를 포함한 하이드로겔을 제조할 수 있다.In more detail, the hydrogel manufacturing method uses a method of preparing a polar aramid nanofiber dispersion solution and using a non-solvent phase transfer method, thereby producing a hydrogel containing polar aramid nanofibers with an average diameter of 1 to 100 nm as described above. can be manufactured.

이하 상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액 제조단계에 대해 설명한다.Hereinafter, the steps for preparing the polar aramid nanofiber dispersion solution will be described.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액는 극성 방향족 폴리아미드계 수지, 강염기 및 극성용매로부터 제조되는 것일 수 있다. As one embodiment, the polar aramid nanofiber dispersion solution may be prepared from a polar aromatic polyamide-based resin, a strong base, and a polar solvent.

상기 극성 방향족 폴리아미드계 수지는 상술한 극성 방향족 폴리아미드계 중합체로 이루어진 방사 섬유형태 또는 섬유형태로 방사되지 않은 고체형태일 수 있으며, 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 제조공정에서 당업자가 인식 가능한 입자크기를 가진 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.The polar aromatic polyamide-based resin may be in the form of a spun fiber made of the above-described polar aromatic polyamide-based polymer or in a solid form that is not spun in the form of a fiber, and may be formed in a particle size recognizable by a person skilled in the art during the manufacturing process of the polar aramid nanofiber dispersion solution. If you have one, you can use it without restrictions.

상기 극성 방향족 폴리아미드 중합체는 방향족 폴리아미드계 중합체에 극성기가 치환된 것일 수 있으며, 구체적으로는 상기 방향족 폴리아미드 중합체의 반복단위에 하나 이상 극성기가 치환된 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.The polar aromatic polyamide polymer may be an aromatic polyamide-based polymer substituted with a polar group. Specifically, it may be one in which a repeating unit of the aromatic polyamide polymer is substituted with one or more polar groups. More specifically, it is represented by the following formula (1): It may be displayed.

[화학식 1][Formula 1]

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

Ar1 Ar2는 서로 독립적으로 C6-C20 헤테로방향족 또는 방향족기이며, Ar 1 and Ar 2 is independently a C6-C20 heteroaromatic or aromatic group,

X1 및 X2는 서로 독립적으로 히드록시기, 카르복시기, 아미드기, 아미노기, 술폰기, 술포기 또는 시아노기이며, n 및 m은 1≤m+n≤12를 만족하는 정수이다.)X 1 and

또 다른 일 구현예로서, 상기 극성 방향족 폴리아미드계 수지는 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 첨가제가 극성 방향족 폴리아미드계 중합체 100 중량부에 대해서, 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있으나, 이를 제한하는 것은 아니다.As another embodiment, the polar aromatic polyamide-based resin may further include an additive, and the additive may include 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the polar aromatic polyamide-based polymer, but this is limited. That is not the case.

구체적으로 상기 첨가제는 일예로 가소제, 안료, 충진제, 활제 및 안정제 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 당업자가 인식 가능한 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.Specifically, the additive may be, for example, one or two or more selected from plasticizers, pigments, fillers, lubricants, and stabilizers, but any additive recognized by a person skilled in the art may be used without limitation.

일 구현예로서, 상기 극성용매는 디메틸술폭사이드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), 헥사메틸포스포아미드(HMPA), N,N,N',N'-테트라메틸 우레아(TMU), N,N-디메틸포름아미드(DMF)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. In one embodiment, the polar solvent is dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylacetamide (DMAc), hexamethylphosphoramide (HMPA), N ,N,N',N'-tetramethyl urea (TMU) and N,N-dimethylformamide (DMF).

구체적으로 상기 극성용매는 디메틸술폭사이드(DMSO), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있으며, 더욱 구체적으로 디메틸술폭사이드(DMSO), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.Specifically, the polar solvent may be one or two or more selected from dimethyl sulfoxide (DMSO), N,N-dimethylacetamide (DMAc), and N,N-dimethylformamide (DMF), and more specifically, dimethyl sulfoxide. It may be side (DMSO), N,N-dimethylacetamide (DMAc), or a mixture thereof.

상기 DMSO 또는 DMAc는 극성 방향족 폴리아미드계 중합체에 대한 용해가 우수하여 극성 방향족 폴리아미드계 수지가 박리되는 시간을 단축할 수 있으며, 더욱 미세한 크기의 극성 아라미드 나노섬유입자를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 물과 혼합이 잘되어 용매교환되는 시간을 단축할 수 있어 선호될 수 있다.The DMSO or DMAc has excellent solubility in polar aromatic polyamide-based polymers, so it can shorten the peeling time of polar aromatic polyamide-based resins and produce finer-sized polar aramid nanofiber particles. It may be preferred because it mixes well with water and can shorten the solvent exchange time.

일 구현에로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액은 강염기가 극성용매 100 중량부에 대해서, 0.01 내지 5 중량부를 포함할 수 있으며, 구체적으로는 0.01 내지 3 중량부를 포함할 수 있다.In one embodiment, the polar aramid nanofiber dispersion solution may contain 0.01 to 5 parts by weight of a strong base, and specifically 0.01 to 3 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polar solvent.

상기 강염기 농도를 포함한 극성 아라미드 나노섬유 분산용액은 극성 방향족 폴리아미드계 중합체의 물성을 저해하지 않을 수 있으며, 과량의 강염기로 인한 환경오염이 발생하지 않아 선호될 수 있다.The polar aramid nanofiber dispersion solution containing the above strong base concentration may not impair the physical properties of the polar aromatic polyamide-based polymer and may be preferred because it does not cause environmental pollution due to excessive strong base.

구체적으로 상기 강염기는 할로겐 알카리 금속염일 수 있으며, 일예로 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화마그네슘 및 수산화칼슘 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.Specifically, the strong base may be a halogen alkali metal salt, and for example, may be one or two or more selected from sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, and calcium hydroxide.

상기 할로겐 알카리 금속염은 미량을 첨가하여도 극성 방향족 폴리아미드계 수지를 매우 미세하게 박리할 수 있고, 박리시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라, 물에 용해성이 매우 우수함으로써, 제조되는 하이드로겔에 잔류하지 않을 수 있어 선호될 수 있다.Even if a trace amount of the halogen alkali metal salt is added, the polar aromatic polyamide-based resin can be very finely peeled off, the peeling time can be shortened, and its solubility in water is very excellent, so it does not remain in the produced hydrogel. It may not be possible, so it may be preferred.

상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액은 극성 방향족 폴리아미드계 수지를 강염기가 포함된 극성용매에 첨가 후, 50 ℃이하에서 70 시간 이하 동안 교반하여 상기 방향족 폴리아미드계 수지가 미세하게 박리시켜 제조되는 것일 수 있다.The polar aramid nanofiber dispersion solution may be prepared by adding a polar aromatic polyamide-based resin to a polar solvent containing a strong base, followed by stirring at 50° C. or lower for 70 hours or less to finely exfoliate the aromatic polyamide-based resin. there is.

구체적으로 상기 교반온도는 20 내지 30 ℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있으며, 상기 교반 시 질소, 아르곤 등의 불활성기체 분위기 하에서 교반하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the stirring temperature may be performed at a temperature of 20 to 30° C., and the stirring may be performed under an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, but is not limited thereto.

또한 상기 교반은 1 내지 1000 rpm, 구체적으로 5 내지 800 rpm, 더욱 구체적으로 10 내지 500 rpm에서 수행되는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Additionally, the stirring may be performed at 1 to 1000 rpm, specifically 5 to 800 rpm, and more specifically 10 to 500 rpm, but is not limited thereto.

구체적으로 상기 교반시간은 1 내지 70 시간일 수 있으며, 더욱 구체적으로 10 내지 60 시간일 수 있으나, 안으로 확인하였을 때, 극성 아라미드 나노섬유입자가 보이지 않을 때 까지 수행하는 것임으로써, 당업자가 인식 가능한 범위에 조절할 수 있다.Specifically, the stirring time may be 1 to 70 hours, and more specifically 10 to 60 hours, but is carried out until no polar aramid nanofiber particles are visible when checked inside, so it is within a range recognizable to those skilled in the art. can be adjusted.

이하 본 발명의 하이드로겔 제조방법에 용매교환하는 단계;를 설명한다. Hereinafter, the step of solvent exchange in the hydrogel production method of the present invention will be described.

일 구현예로서, 상기 용매교환하는 단계;는 극성 아라미드 나노섬유입자가 극성 아라미드 나노섬유로 자가 조립되는 것일 수 있다.As one embodiment, the solvent exchange step may be performed by self-assembling polar aramid nanofiber particles into polar aramid nanofibers.

구체적으로 상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액은 극성 아라미드 나노섬유입자, 극성용매 및 강염기로 이루어진 것으로, 상기 용매교환하는 단계에서 극성용매 및 강염기 제거 및 극성 아라미드 나노섬유입자의 상전이가 일어날 수 있다. Specifically, the polar aramid nanofiber dispersion solution is composed of polar aramid nanofiber particles, a polar solvent, and a strong base. In the solvent exchange step, removal of the polar solvent and strong base and phase transition of the polar aramid nanofiber particles may occur.

상기 용매교환하는 단계;는 극성 나노섬유 분산용액에 포함된 극성 아라미드 나노섬유입자가 응축하여, 망상구조의 극성 아라미드 나노섬유가 형성되어 하이드로겔이 제조되는 것일 수 있다.The solvent exchange step may be performed by condensing the polar aramid nanofiber particles contained in the polar nanofiber dispersion solution to form network-structured polar aramid nanofibers to produce a hydrogel.

일 구현예로서 극성 아라미드 나노섬유 분산용액은 극성 아라미드 나노섬유입자가 0.01 내지 30 중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 0.05 내지 20 중량%일 수 있다.As one embodiment, the polar aramid nanofiber dispersion solution may contain 0.01 to 30% by weight of polar aramid nanofiber particles, specifically 0.05 to 20% by weight.

상기 농도인 극성 아라미드 나노섬유 분산용액은 교반시간이 단축할 수 있으며, 이로부터 제조되는 하이드로겔의 고형분 함?을 조절하여 현저한 수분함량 및 강도를 동시에 구현할 수 있어 선호될 수 있다.The polar aramid nanofiber dispersion solution at the above concentration can be preferred because the stirring time can be shortened and the solid content of the hydrogel produced from it can be adjusted to achieve significant moisture content and strength at the same time.

일 구현예로서, 상기 극성 아라미드 나노섬유입자는 평균직경이 1 내지 100 nm, 평균길이가 0.1 내지 100 ㎛일 수 있으며, 구체적으로는 평균직경이 1 내지 50 nm이고, 평균길이가 0.1 내지 50 ㎛일 수 있다. As one embodiment, the polar aramid nanofiber particles may have an average diameter of 1 to 100 nm and an average length of 0.1 to 100 ㎛, specifically, an average diameter of 1 to 50 nm and an average length of 0.1 to 50 ㎛. It can be.

상기 범위의 평균길이 및 평균직경을 가진 극성 아라미드 나노섬유입자는 종래의 전기방사로 제조되는 아라미드 나노섬유보다 매우 미세한 입자이며, 이를 포함하여 제조된 하이드로겔은 평균직경이 1 내지 100 nm인 극성 아라미드 나노섬유를 포함함으로써, 종래의 스펀지보다 현저한 수분함량을 가질 수 있어 선호될 수 있다.Polar aramid nanofiber particles with an average length and average diameter in the above range are much finer particles than aramid nanofibers produced by conventional electrospinning, and the hydrogel produced including them is a polar aramid with an average diameter of 1 to 100 nm. By including nanofibers, it can have a significant moisture content compared to conventional sponges and may be preferred.

일 구현예로서, 용매교환하는 단계;는 극성 아라미드 분산용액을 물에 침지하여 용매교환하는 것일 수 있다.As one embodiment, the solvent exchange step may be solvent exchange by immersing the polar aramid dispersion solution in water.

보다 상세하게 상기 용매교환하는 단계;는 극성 아라미드 나노섬유 분산용액이 고형틀 또는 투석팩에 담은 후, 물과 용매교환 하는 것일 수 있다.In more detail, the solvent exchange step may involve putting the polar aramid nanofiber dispersion solution in a solid frame or dialysis pack and then exchanging the solvent with water.

상기 고형틀 또는 투석팩은 용매교환하는 단계;에서 극성 아라미드 나노섬유 분산용액에 포함된 극성용매 및 강염기만 투과되는 것일 수 있으며, 공극 크기가 1 내지 10 kDa MWCO(Molecular weight cut off)일 수 있으나 이를 제한하는 것은 아니다.The solid frame or dialysis pack may be permeable only to the polar solvent and strong base contained in the polar aramid nanofiber dispersion solution in the solvent exchange step, and the pore size may be 1 to 10 kDa MWCO (Molecular weight cut off). This is not intended to limit this.

또한 상기 고형틀 또는 투성팩은 포함된 중합체가 일예로 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 플로라이드 또는 폴리페닐렌 에테르 등의 내화학성이 우수한 중합체를 사용하는 것이 극성용매에 용해되지 않아 좋을 수 있으나, 이를 제한하는 것은 아니다.In addition, the solid frame or transparent pack may be better to use a polymer with excellent chemical resistance, such as polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, or polyphenylene ether, as it does not dissolve in polar solvents. It is not limiting.

구체적으로 상기 용매교환하는 단계;는 물이 10 내지 50 ℃일 수 있으며, 구체적으로 20 내지 30 ℃일 수 있다.Specifically, in the solvent exchange step, water may be at a temperature of 10 to 50°C, and specifically, may be at a temperature of 20 to 30°C.

상기 온도의 물은 극성용매와 용매교환이 우수할 수 있으며, 극성 아리미드 나노섬유입자가 빠르게 응축 및 상전이하여, 하이드로겔 제조시간을 단축할 수 있어 선호될 수 있다.Water at the above temperature may be preferred because it may have excellent solvent exchange with polar solvents, and polar arimide nanofiber particles may condense and undergo phase transition quickly, shortening the hydrogel production time.

또한 구체적으로 상기 용매교환하는 단계;는 물에 침지하는 시간이 1 내지 50시간일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1 내지 24 시간일 수 있으나, 사용하는 투석팩 또는 고형틀에 따라, 단축 또는 연장될 수 있음으로 이를 제하는 것은 아니다.Also, specifically, the solvent exchange step; the immersion time in water may be 1 to 50 hours, more specifically 1 to 24 hours, but may be shortened or extended depending on the dialysis pack or solid mold used. Just because it exists does not exclude it.

일 구현예로서, 상기 용매교환하는 단계;는 2회 이상 수행하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 2 내지 5회 수행하는 것일 수 있다.As an embodiment, the solvent exchange step may be performed two or more times, and specifically, may be performed 2 to 5 times.

보다 상게하게 상기 용매교환하는 단계;는 2회 이상부터 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 용매교환하는 것이 아니라, 1회 용매교환에서 상전이 하여 제조된 하이드로겔을 추가적으로 용매교환하는 것일 수 있다.More specifically, the solvent exchange step may not be to solvent exchange the polar aramid nanofiber dispersion solution two or more times, but to additionally solvent exchange the hydrogel prepared by phase transition in one solvent exchange.

상기 2회 이상 용매교환을 함으로써, 미량으로 남아있는 극성용매 및 강염기를 제거할 수 있으며, 상전이 하지 못한 극성 아라미드 나노섬유입자를 다시 상전이 함으로써, 보다 우수한 순도 및 강도를 가진 하이드겔을 제조 할 수 있어 선호될 수 있다.By exchanging the solvent twice or more, trace amounts of remaining polar solvent and strong base can be removed, and by re-phase-transferring the polar aramid nanofiber particles that failed to undergo phase transformation, a hydrogel with superior purity and strength can be manufactured. may be preferred.

상술한 하이드로겔은 현저한 수분흡수 및 강도를 가질 수 있으며, 높은 변형율에서도 파괴되지 않을 수 있을 뿐 아니라, 이의 제조방법에 있어 물성을 조절이 가능함으로써, 경질 또는 연질 모도 제조가 가능할 수 있어 다양한 분야에 적용 가능할 수 있으며, 특히 생체 지지체(Bio-scaffolds)를 대체가 가능할 수 있다.The above-described hydrogel can have significant moisture absorption and strength, and can not be destroyed even at high strain rates. In addition, its physical properties can be adjusted in its manufacturing method, making it possible to manufacture hard or soft material, making it suitable for use in various fields. It may be applicable, and in particular, it may be possible to replace bio-scaffolds.

보다 구체적으로 상기 하이드로겔의 물성 및 측정방법은 하기와 같을 수 있다.More specifically, the physical properties and measurement methods of the hydrogel may be as follows.

상기 하이드로젤은 수분함량이 50 내지 99.99 중량%일 수 있으며, 또 다른 일 구현으로 상기 하이드로겔은 스펀지 특성을 가짐으로써, 수분함량이 1 내지 99.99 중량%, 수분함량이 10 중량% 이상, 20 중량% 이상, 30 중량% 이상, 40 중량% 이상, 50 중량% 이상, 60 중량% 이상, 70 중량% 이상, 80 중량% 이상, 90 중량% 이상, 99.99wt% 이하 및 상기 각 수치와 수치들 사이의 함량을 가질 수 있다. The hydrogel may have a moisture content of 50 to 99.99% by weight, and in another embodiment, the hydrogel has sponge characteristics, so that the moisture content is 1 to 99.99% by weight, the moisture content is 10% by weight or more, and 20% by weight. % or more, 30% by weight or more, 40% by weight or more, 50% by weight or more, 60% by weight or more, 70% by weight or more, 80% by weight or more, 90% by weight or more, 99.99wt% or less and between each of the above values. It may have a content of

좋게는 60wt% 이상, 70wt% 이상, 80wt% 이상, 90wt% 이상, 99wt% 이하, 및 상기 각 수치와 수치들 사이의 함량을 가질 수 있다.Preferably, it may be 60wt% or more, 70wt% or more, 80wt% or more, 90wt% or more, 99wt% or less, and a content between each of the above values.

또한 상기 하이드로젤은 25mm X 4mm X 3.5mm의 시편으로 제작하였고, 상기 시편을 만능시험 장치(Instron 사, Intstron-5943)로 ASTM D 638규격으로, 크로스헤드 속도는 1mm/min로 총 5번 측정하여 그 평균값을 계산하여을 때, 인장탄성율이 0.5MPa 이상, 1MPA 이상, 5MPa 이상, 10MPa 이상, 20MPa 이상, 40MPa 이상, 50MPa 이상, 70MPa 이하 및 상기 수치들 상이의 값일 수 있다.In addition, the hydrogel was manufactured into a specimen of 25mm When calculating the average value, the tensile modulus may be 0.5 MPa or more, 1 MPa or more, 5 MPa or more, 10 MPa or more, 20 MPa or more, 40 MPa or more, 50 MPa or more, 70 MPa or less, and a value different from the above values.

또한 상기 하이드로젤의 압축 탄성율은 제조된 하이드로겔을 20mm X 20mm X 10mm의 시편으로 제작하여 만능시험 장치(Instron 사, Intstron-5943)로 ASTM D 695의 규격에 따라 로드쉘을 1KN을 사용하여 5번 측정하여 그 평균값 구했을 때, 0.5 MPa 이상, 1 MPA 이상, 5 MPa 이상, 10 MPa 이상, 20 MPa 이상, 40MPa 이상, 50 MPa 이상, 70 MPa 이하 및 상기 수치들 상이의 값일 수 있다.In addition, the compressive elastic modulus of the hydrogel was measured by making the produced hydrogel into a specimen of 20mm When measured multiple times and the average value is calculated, it may be 0.5 MPa or more, 1 MPa or more, 5 MPa or more, 10 MPa or more, 20 MPa or more, 40 MPa or more, 50 MPa or more, 70 MPa or less, and a value different from the above values.

또한 상기 하이드로젤의 팽윤율 변화(Change of swelling ratio)는 제조한 하이드로겔을 전자저울(Mettler toledo, Mettler precision balance ME30021)을 사용하여 질량을 측정하여 기록하고 이어서 이를 25 ℃ 탈이온화 물에 12 시간동안 정치하여 전자저울로 그 무게를 측정하여 기록하여 하기 식 3으로 구하였을 때, 2 %이내, 1 %이내, 0.5 %이내, 0.1 % 이내의 값을 가질 수 있다.In addition, the change in swelling ratio of the hydrogel was recorded by measuring the mass of the prepared hydrogel using an electronic balance (Mettler toledo, Mettler precision balance ME30021) and then placed in deionized water at 25°C for 12 hours. When left to stand for a while, the weight is measured and recorded with an electronic scale, and calculated using Equation 3 below, the value can be within 2%, within 1%, within 0.5%, and within 0.1%.

보다 상세하게 상기 생체 지지체는 일예로 세포외 기질(extracellular matrix; ECM), 인공장기, 인공연골, 인공골격 또는 생체흡수 차폐막일 수 있으며, 생체 내에서 세포 또는 조직을 지지하는 역할 및 물질전달을 수행하는 것으로써, 인공적으로 제조되는 생체 지지체는 수분함량 및 강도가 모두 우수하여 한다. 또한 생체 지지체는 우수한 인체 무해성을 가져야 염증이 발생되지 않을 수 있다. In more detail, the bioscaffold may be, for example, an extracellular matrix (ECM), an artificial organ, an artificial cartilage, an artificial skeleton, or a bioabsorbable shield, and plays the role of supporting cells or tissues and transporting substances in vivo. By doing so, the artificially manufactured biological support has excellent moisture content and strength. In addition, the biological scaffold must have excellent harmlessness to the human body to prevent inflammation.

이하 본 발명의 하이드로겔로부터 제조되는 생체 지지체를 설명한다. Hereinafter, a bioscaffold prepared from the hydrogel of the present invention will be described.

본 발명은 상술한 하이드로겔로부터 제조되는 생체 지지체를 제공할 수 있다.The present invention can provide a biological scaffold manufactured from the above-described hydrogel.

본 발명의 일 구현현예로 제조된 하이드로겔은 우수한 수분함량 및 강도를 가짐으로써, 이로부터 제조된 생체 지지체는 우수한 물질전단을 가질 수 있으며, 현저한 강도를 가져 세포 및 조직을 보다 안정적으로 지지할 수 있다.The hydrogel produced in one embodiment of the present invention has excellent moisture content and strength, so the bioscaffold produced therefrom can have excellent material shear and has remarkable strength to support cells and tissues more stably. there is.

일 구현예로서, 상기 생체 지지체는 인공 연골일 수 있다. As one embodiment, the biological scaffold may be artificial cartilage.

일 구현예로 제조된 하이드로겔은 85% 변형율에서도 파괴가 일어나지 않음으로써, 강한 내구성이 필요로 하는 인공연골에 적합할 수 있으며, 종래에 사용된 스펀지 보다 현저한 수분함량을 가질 수 있고, 금속보철에서 발생하는 염증 문제가 일어나지 않을 수 있다. The hydrogel produced in one embodiment does not break even at a strain rate of 85%, so it can be suitable for artificial cartilage that requires strong durability, can have a significantly higher moisture content than sponges used conventionally, and can be used in metal prosthetics. Inflammation problems may not occur.

이하 본 발명을 실시예를 들어 설명한다. 즉, 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이다. 그러나 본 발명의 실시예가 첨부된 특허 청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described by way of examples. That is, the present invention can be better understood by the following examples, and the following examples are for illustrative purposes of the present invention. However, the embodiments of the present invention are not intended to limit the scope of protection limited by the appended patent claims.

[측정방법][measurement method]

1. 대수점도(inherent viscosity) 측정 1. Inherent viscosity measurement

ISO 3105 규정으로 측정 하였으며, 25 ℃에서 황산(농도: 98 중량%)용액을 Ubbelohde viscometer(IIc, diameter of 1.36 mm)를 사용하여 점도를 측정하여 기록하고, 상기 황산용액에 중합체를 0.5 g/dl 농도로 용해한 후, 상기 방법과 동일하게 점도를 측정하여 고분자용액 점도를 기록하였다. Measured according to ISO 3105 regulations, the viscosity of a sulfuric acid (concentration: 98% by weight) solution was measured and recorded at 25°C using an Ubbelohde viscometer (IIc, diameter of 1.36 mm), and the polymer was added to the sulfuric acid solution at 0.5 g/dl. After dissolving to the correct concentration, the viscosity was measured in the same manner as above and the polymer solution viscosity was recorded.

그 후, 하기 식 1로 계산하여, 대수점도를 구하였다.After that, the logarithmic viscosity was obtained by calculating using Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

대수점도(dL/g) = In(고분자용액 점도/황산용액 점도)/0.5 g/dlLogarithmic viscosity (dL/g) = In (polymer solution viscosity/sulfuric acid solution viscosity)/0.5 g/dl

2. 하이드로겔 수분함량 측정 2. Hydrogel moisture content measurement

제조된 하이드로겔의 초기질량을 측정하여 기록하고, 상기 하이드로겔을 진공오븐(삼흥과학상사, SH-VDO-08NG)을 사용하여 120 ℃에 48 시간 건조한 후, 전자저울을 사용하여 건조된 하이드로겔 질량을 측정하여 기록하였다. The initial mass of the prepared hydrogel was measured and recorded, and the hydrogel was dried at 120°C for 48 hours using a vacuum oven (Samheung Scientific Company, SH-VDO-08NG), and then dried using an electronic balance. The mass was measured and recorded.

그 후, 기록된 초기 하이드로겔 질량 및 건조된 하이드로겔 질량을 하기 식 2로 계산하여, 하이드로겔 물 함량을 구하였다.Afterwards, the recorded initial hydrogel mass and dried hydrogel mass were calculated using Equation 2 below to obtain the hydrogel water content.

[식 2][Equation 2]

하이드로겔 물 함량(%) = (Wh-Wd/Wh) × 100Hydrogel water content (%) = (W h -W d /W h ) × 100

(Wh는 초기 하이드로겔 질량이며, Wd는 건조된 하이드로겔 질량이다.)(W h is the initial hydrogel mass, and W d is the dried hydrogel mass.)

3. 인장 탄성율 측정3. Tensile modulus measurement

제조된 하이드로겔을 25mm X 4mm X 3.5mm의 시편으로 제작하였고, 상기 시편을 만능시험 장치(Instron 사, Intstron-5943)로 ASTM D 638규격으로 측정하였다. 이때 크로스헤드 속도는 1mm/min로 측정하였고 총 5번 측정하여 그 평균값을 기재하였다.The prepared hydrogel was manufactured into a specimen of 25 mm At this time, the crosshead speed was measured at 1 mm/min, measured a total of 5 times, and the average value was recorded.

4. 압축 탄성율 측정4. Compressive modulus measurement

제조된 하이드로겔을 20mm X 20mm X 10mm의 시편으로 제작하였고, 상기 시편을 만능시험 장치(Instron 사, Intstron-5943)로 ASTM D 695의 규격에 따라 측정하였다. 이때 로드쉘은 1 KN을 사용하였고, 총 5번 측정하여 그 평균값을 구하였다.The prepared hydrogel was manufactured into a specimen of 20 mm At this time, 1 KN was used for the load shell, and the average value was obtained by measuring a total of 5 times.

5. 팽윤율 변화(Change of swelling ratio) 측정5. Measurement of change in swelling ratio

제조한 하이드로겔을 전자저울(Mettler toledo, Mettler precision balance ME30021)을 사용하여 질량을 측정하여 기록하였고, 그 후, 25 ℃ 탈이온화 물에 12 시간동안 정치하여 전자저울로 그 무게를 측정하여 기록하였다. The mass of the prepared hydrogel was measured and recorded using an electronic balance (Mettler toledo, Mettler precision balance ME30021), and then left in deionized water at 25°C for 12 hours, and the weight was measured and recorded using an electronic balance. .

그 후, 하기 식 3으로 계산하여 팽윤율 변화를 구하였다. Afterwards, the change in swelling ratio was obtained by calculating using Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

팽윤율 변화(%) = ((Ws-Wh)/Wh) X 100Swelling rate change (%) = ((W s -W h )/W h )

(Ws는 물에 정치한 하이드로겔 질량이고, Wh는 제조된 하이드로겔의 초기질량이다.)(Ws is the mass of the hydrogel left standing in water, and Wh is the initial mass of the produced hydrogel.)

6. 하이드로겔 내부 물의 확산계수 측정6. Measurement of diffusion coefficient of water inside hydrogel

20 ℃, 상대습도 0% 및 1기압 압력에서, 10 mm × 10 mm × 10 mm 용기에 들어간 증류수를 8시간 동안 방치한 후, 증발된 증류수의 질량(A)을 측정하였으며, 10 mm × 10 mm × 10 mm 하이드로겔에서 8시간 동안 방치한 후, 증발된 물의 질량(B)을 측정하여 하기 식 4에 N을 B/A 값으로 구하여 대입함으로써 하이드로겔의 확산계수를 측정하였다. At 20°C, 0% relative humidity, and 1 atm pressure, distilled water in a 10 mm × 10 mm × 10 mm container was left for 8 hours, and then the mass (A) of the evaporated distilled water was measured. After leaving the hydrogel for 8 hours, the diffusion coefficient of the hydrogel was measured by measuring the mass (B) of the evaporated water and substituting N as the B/A value in Equation 4 below.

그 후, 하기 식 4로 계산하여 하이드로겔 내부의 물 확산계수를 구하였다.Afterwards, the water diffusion coefficient inside the hydrogel was obtained by calculating using Equation 4 below.

[식 4][Equation 4]

D = D0 × ND = D 0 × N

(D는 하이드로겔 내부 물 확산계수이며, D0은 증류수 확산계수(1.95 × 10-9 m2/s)이고, N은 하이드로겔 내부 물의 확산계수 대비 증류수의 확산계수의 비율이다.)(D is the diffusion coefficient of water inside the hydrogel, D 0 is the diffusion coefficient of distilled water (1.95 × 10 -9 m 2 /s), and N is the ratio of the diffusion coefficient of distilled water to the diffusion coefficient of water inside the hydrogel.)

7. 나노섬유 평균직경 측정7. Nanofiber average diameter measurement

하이드로겔 시편을 극저온초미세절단술(cryo-ultramicrotoming)과정을 통해 20 nm이하의 두께로 자른 후, 투과전자현미경(FEI company (USA), FEI Tecnai G2 Spirit TWIN)으로 촬영하였다. The hydrogel specimen was cut to a thickness of 20 nm or less through a cryo-ultramicrotoming process and then photographed using a transmission electron microscope (FEI company (USA), FEI Tecnai G2 Spirit TWIN).

상기 TEM으로 촬영된 사진을 소프트웨어(Image J)를 사용하여, 100 곳의 나노섬유 직경을 측정하였고, 그 평균값 나타내었다.The photos taken with the TEM were used to measure the nanofiber diameters at 100 locations using software (Image J), and the average values were shown.

[제조예 1][Production Example 1]

2,5-디아미노벤조니트릴(2,5-diaminobenzonitrile) 10.06 g (75.6 mmol), 리튬카보네이트(lithium carbonate) 5.58 g (75.6 mol), N,N-디메틸아세트아미드 100 ml를 250 ml 둥근 바닥 플라스크에 투입하고 2 ℃ 및 질소 환경에서 1시간 동안 350 rpm으로 교한하였다.Add 10.06 g (75.6 mmol) of 2,5-diaminobenzonitrile, 5.58 g (75.6 mol) of lithium carbonate, and 100 ml of N,N-dimethylacetamide to a 250 ml round bottom flask. and stirred at 350 rpm for 1 hour at 2°C and in a nitrogen environment.

그 후, 테레프탈로일 클로라이드(terephthaloyl chloride) 15.35 g (75.6 mol) 분말을 2회에 나누어 1분 간격으로 플라스크에 투입하고, 10 rpm으로 24시간 동안 교반하였다. Afterwards, 15.35 g (75.6 mol) of terephthaloyl chloride powder was added to the flask in two portions at 1-minute intervals, and stirred at 10 rpm for 24 hours.

교반이 끝난 후, 증류수 700 ml, 메탄올 700 ml 혼합용매에 침전시키고, 필터(LK LAB Korea Inc, Membrane filter, PTFE Membrane filter (Φ47mm)로 침전물을 분리하였으며, 분리된 침전물을 증류수 및 아세톤으로 총 5회 세척한 후, 진공건조기(삼흥과학상사, SH-VDO-08NG)으로 24시간 동안 건조 하였다. After stirring, it was precipitated in a mixed solvent of 700 ml of distilled water and 700 ml of methanol, and the precipitate was separated using a filter (LK LAB Korea Inc, Membrane filter, PTFE Membrane filter (Φ47mm)). The separated precipitate was mixed with distilled water and acetone for a total of 5 times. After washing, it was dried for 24 hours using a vacuum dryer (Samheung Science & Technology, SH-VDO-08NG).

그 후, 상기 측정방법으로 수득율 및 대수점도를 측정하여 수득율: 97%, 대수점도: 4.9 dL/g인 중합체가 합성된 것을 확인하였다.Afterwards, the yield and logarithmic viscosity were measured using the above measurement method, and it was confirmed that a polymer with a yield of 97% and a logarithmic viscosity of 4.9 dL/g was synthesized.

[실시예 1] [Example 1]

상기 제조예 1에서 제조된 중합체 0.1g, KOH 0.15g 및 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide) 9.9 g을 둥근 바닥 플라스크에 투입하여 25 ℃ 및 질소 환경에서 100 rpm으로 7일 동안 교반하여, 1 중량% 농도의 나노섬유 분산용액을 제조하였다. 0.1 g of the polymer prepared in Preparation Example 1, 0.15 g of KOH, and 9.9 g of dimethyl sulfoxide were added to a round bottom flask and stirred at 100 rpm for 7 days at 25°C and in a nitrogen environment to obtain a concentration of 1% by weight. A nanofiber dispersion solution was prepared.

상기 나노섬유 분산용액을 투석팩(Spectra/Por® 6 Dialysis Membrane, Pre-wetted RC tubing MWCO:3.5 kD, Width:45 mm, Diameter:29 mm, Length: 10 mm)에 담은 후, 25 ℃ 물에 72 시간 동안 담구어 용매교환을 진행하였다.The nanofiber dispersion solution was placed in a dialysis pack (Spectra/Por® 6 Dialysis Membrane, Pre-wetted RC tubing MWCO: 3.5 kD, Width: 45 mm, Diameter: 29 mm, Length: 10 mm) and then placed in water at 25°C. Solvent exchange was performed by soaking for 72 hours.

1회 용매교환을 한 투석팩을 상기 용매교환과 동일한 방법으로 2회 용매교환을 더 진행하였고, 투석팩을 제거하여 하이드로겔을 수득하였다. The dialysis pack that had undergone one solvent exchange was further solvent exchanged twice in the same manner as the solvent exchange, and the dialysis pack was removed to obtain a hydrogel.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

실시예 2] Example 2]

상기 제조예 1에서 제조된 중합체 0.2 g, KOH 0.3 g 및 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide) 9.8 g을 사용하여, 2 중량% 농도의 나노섬유 분산용액을 제조는 것을 제외하고는 동일하게 하이드로겔을 제조하였다.A hydrogel was prepared in the same manner, except that a nanofiber dispersion solution with a concentration of 2% by weight was prepared using 0.2 g of the polymer prepared in Preparation Example 1, 0.3 g of KOH, and 9.8 g of dimethyl sulfoxide. did.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

[실시예 3] [Example 3]

상기 실시예 1에서, 제조예 1의 방향족 폴리아미드 0.3 g, KOH 0.45 g 및 Dimethyl sulfoxide(DMSO) 9.7 g을 사용하여, 3 중량% 농도의 나노섬유 분산용액을 제조하는 것을 제외하고는 동일하게 하이드로겔을 제조하였다.In Example 1, a nanofiber dispersion solution with a concentration of 3% by weight was prepared using 0.3 g of aromatic polyamide, 0.45 g of KOH, and 9.7 g of dimethyl sulfoxide (DMSO) of Preparation Example 1. A gel was prepared.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

[실시예 4] [Example 4]

상기 실시예 1에서, 제조예 1의 방향족 폴리아미드 0.5 g, KOH 0.75 g, Dimethyl sulfoxide(DMSO) 9.5 g를 사용하여, 5 중량% 농도의 나노섬유 분산용액을 제조하는 것을 제외하고는 동일하게 하이드로겔을 제조하였다.In Example 1, a nanofiber dispersion solution with a concentration of 5% by weight was prepared using 0.5 g of aromatic polyamide, 0.75 g of KOH, and 9.5 g of dimethyl sulfoxide (DMSO) of Preparation Example 1. A gel was prepared.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

[실시예 5] [Example 5]

상기 실시예 1에서, 제조예 1에서 제조한 방향족 폴리아미드 1 g, KOH 1.5 g, Dimethyl sulfoxide(DMSO) 8.5 g를 사용하여, 10 중량% 농도의 나노섬유 분산용액을 제조하는 것을 제외하고는 동일하게 하이드로겔을 제조하였다.In Example 1, 1 g of aromatic polyamide, 1.5 g of KOH, and 8.5 g of dimethyl sulfoxide (DMSO) prepared in Preparation Example 1 were used, except that a nanofiber dispersion solution with a concentration of 10% by weight was prepared. A hydrogel was prepared as follows.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

[비교예 1] [Comparative Example 1]

상기 실시예 1에서, Kevlar 섬유(Kevlar-49, 평균 직경 12 μm) 0.1g, KOH 0.15g 및 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide) 9.9 g를 사용하여 1 질량% 농도의 나노섬유 분산용액을 제조하는 것을 제외하고는 동일하게 하이드로겔을 제조하였다.In Example 1, a nanofiber dispersion solution with a concentration of 1 mass% was prepared using 0.1 g of Kevlar fiber (Kevlar-49, average diameter 12 μm), 0.15 g of KOH, and 9.9 g of dimethyl sulfoxide. Hydrogel was prepared in the same manner except that.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

[비교예 2] [Comparative Example 2]

Acrylamide 0.97 g, N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine(TEMED) 0.01g, Ammonium persulfate(APS) 0.02g, 증류수 9.0 g을 둥근 바닥 플라스크에 투입하여 25 ℃ 및 질소 환경에서 100 rpm으로 1분간 교반하여 10 질량% 농도의 수용액을 제조하였다. Add 0.97 g of acrylamide, 0.01 g of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED), 0.02 g of ammonium persulfate (APS), and 9.0 g of distilled water into a round bottom flask and incubate at 100 rpm for 1 minute in a nitrogen environment at 25°C. An aqueous solution with a concentration of 10% by mass was prepared by stirring.

상기 수용액을 틀에 부어, 72시간 동안 방치하여 하이드로겔을 제조하였다.The aqueous solution was poured into a mold and left for 72 hours to prepare a hydrogel.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

[비교예 3] [Comparative Example 3]

PVA (polyvinyl alchol) 1.0 g, 증류수 9.0 g을 둥근 바닥 플라스크에 투입하여 25 ℃ 및 질소 환경에서 100 rpm으로 12시간 교반하여 10 질량% 농도의 고분자 수용액을 제조하였다.1.0 g of PVA (polyvinyl alcohol) and 9.0 g of distilled water were added to a round bottom flask and stirred at 100 rpm for 12 hours in a nitrogen environment at 25°C to prepare an aqueous polymer solution with a concentration of 10% by mass.

상기 수용액을 틀에 부어, -15 ℃에서 10시간동안 냉동하고, 냉동된 수용액을 다시 상온에 24시간 방치하여 해동하였다. 상기의 냉동 및 해동 과정을 총 2회 반복하여 하이드로겔을 제조하였다.The aqueous solution was poured into a mold and frozen at -15°C for 10 hours, and the frozen aqueous solution was left at room temperature for 24 hours to thaw. The above freezing and thawing process was repeated a total of two times to prepare a hydrogel.

그 후, 제조된 하이드로겔을 상기 측정방법으로 측정하고, 하기 표 1에 나타내었다.Afterwards, the prepared hydrogel was measured using the above measurement method, and is shown in Table 1 below.

섬유직경
(nm)
fiber diameter
(nm)
수분함량
(%)
moisture content
(%)
압축탄성률
(MPa)
Compressive modulus
(MPa)
인장탄성률
(MPa)
tensile modulus
(MPa)
팽윤율 변화
(%)
Swelling rate change
(%)
확산계수
(m2/s)
diffusion coefficient
( m2 /s)
실시예 1Example 1 9.5±3.49.5±3.4 9999 0.610.61 2.342.34 0.10.1 D0 × 0.95D 0 × 0.95 실시예 2Example 2 9.8±4.19.8±4.1 9898 1One 3.983.98 0.20.2 D0 × 0.90 D 0 × 0.90 실시예 3Example 3 10.5±4.810.5±4.8 9797 8.38.3 7.757.75 0.30.3 D0 × 0.81 D 0 × 0.81 실시예 4Example 4 11.8±5.411.8±5.4 9595 25.825.8 15.115.1 0.60.6 D0 × 0.75 D 0 × 0.75 실시예 5Example 5 12.9±6.612.9±6.6 9090 50.550.5 79.979.9 0.80.8 D0 × 0.69D 0 × 0.69 비교예 1Comparative Example 1 9.6±3.49.6±3.4 측정불가Not measurable 측정불가Not measurable 측정불가Not measurable 측정불가Not measurable 측정불가Not measurable 비교예 2Comparative Example 2 측정불가Not measurable 9090 0.10.1 0.020.02 5.85.8 D0 ×0.09D 0 ×0.09 비교예 3 Comparative Example 3 측정불가Not measurable 9090 0.20.2 0.050.05 5.15.1 D0 ×0.28 D 0 ×0.28

상기 표 1에 실시예 1 내지 5를 보면, 실시예 1 내지 5에서 제조된 하이드로겔은 극성 아라미드 나노섬유 분산용액의 농도가 달라짐으로써, 포함되는 극성 아라미드 나노섬유 평균직경이 달라지는 것을 확인할 수 있다.Looking at Examples 1 to 5 in Table 1, it can be seen that the average diameter of the polar aramid nanofibers included in the hydrogels prepared in Examples 1 to 5 varies as the concentration of the polar aramid nanofiber dispersion solution varies.

보다 상세하게는 상기 표 1의 실시예 5는 극성 아라미드 나노섬유입자 10중량%를 포함하는 극성 아라미드 나노섬유 분산용액으로 제조된 하이드로겔로써, 직경이 증가함에 따라, 인장탄성율 및 압축탄성율이 증가하나, 수분함량을 감소되는 것으로 확인되었다.More specifically, Example 5 of Table 1 is a hydrogel prepared from a polar aramid nanofiber dispersion solution containing 10% by weight of polar aramid nanofiber particles. As the diameter increases, the tensile modulus and compressive modulus increase. , it was confirmed that the moisture content was reduced.

따라서 하이드로겔은 상기 실시예 1 내지 5와 같이 아라미드 나노섬유 분산용액의 농도를 조절함에 따라, 포함된 극성 아라미드 나노섬유의 평균직경을 조절함으로써, 강도 및 수분함량을 조절 할 수 있는 것을 시사한다.Therefore, it is suggested that the strength and moisture content of the hydrogel can be adjusted by adjusting the average diameter of the polar aramid nanofibers included by adjusting the concentration of the aramid nanofiber dispersion solution as in Examples 1 to 5 above.

상기 표 1에서 비교예 1를 보면, 종래의 Kevlar 섬유로 제조된 하이드로겔은 극성기를 포함하지 않아 하이드로겔을 제조할 수 없는 것을 확인할 수 있었다.Looking at Comparative Example 1 in Table 1 above, it was confirmed that hydrogels made from conventional Kevlar fibers did not contain polar groups and thus could not be produced.

상기 표 1에서 비교예 2를 보면, 비교예 2는 아크릴아미드 및 TEMED를 강한 산화제인 과황산암모늄을 사용하여 제조된 하이드로겔로서, 수분함량이 90 %로 우수한 수분함량을 가지나, 압축탄성율 및 인장탄성율이 실시예 1 내지 5보다 현저히 낮으며, 팽윤율 변화가 5.8 %임으로써, 물에 침지되었을 경우, 삼투압을 견디지 못하고 하이드로겔 내부에 물이 침투하여 물성이 더욱 하락하는 것을 시사한다.Looking at Comparative Example 2 in Table 1, Comparative Example 2 is a hydrogel manufactured using acrylamide and TEMED using ammonium persulfate, a strong oxidizing agent, and has an excellent moisture content of 90%, but has low compressive modulus and tensile strength. The elastic modulus is significantly lower than that of Examples 1 to 5, and the change in swelling rate is 5.8%, which suggests that when immersed in water, the hydrogel cannot withstand osmotic pressure and water penetrates into the hydrogel, further deteriorating its physical properties.

특히 상기 비교예 2는 확산계수가 D0×0.09 m2/s를 가지며, 실시예 1 내지 5보다 현저히 낮은 값을 가짐으로써, 강한 압력을 가하였을 때, 파괴가 일어나는 것을 시사한다. In particular, Comparative Example 2 has a diffusion coefficient of D 0 × 0.09 m 2 /s, which is significantly lower than that of Examples 1 to 5, suggesting that destruction occurs when strong pressure is applied.

상기 표 1에서 비교예 3은 폴리비닐알코올을 포함하여 제조되는 하이드로겔로서, 상기 비교예 2와 같이, 실시예 1 내지 5 보다 현저히 낮은 압축탄성율 및 인장 탄성율을 가지며, 강한압력에서 파괴가 일어나는 것을 확인하였다. In Table 1, Comparative Example 3 is a hydrogel manufactured including polyvinyl alcohol, and like Comparative Example 2, it has significantly lower compressive and tensile modulus than Examples 1 to 5, and fracture occurs under strong pressure. Confirmed.

따라서, 상기 표 1에서 확인한 바와 같이, 실시예 1 내지 5는 90 중량%의 수분함량을 가지며, 비교예 2 내지 3 보다 압축탄성율이 약 10배 이상, 인장탄성율이 약 100배 이상으로 현저한 강도를 가지는 것으로 확인되었다.Therefore, as confirmed in Table 1, Examples 1 to 5 have a moisture content of 90% by weight, and have a compressive elastic modulus of about 10 times more and a tensile modulus of about 100 times more than Comparative Examples 2 to 3, showing remarkable strength. It was confirmed to have.

또한 실시예 1 내지 5는 팽윤율 변화가 1 % 이하로 추가적으로 수분을 흡수하지 않아 물성하락이 없으며, 특히 D0×0.69 내지 D0×0.95 m2/s의 수분확산계수를 가져, 강한압력에서 파괴 없이, 수분이 빠르게 빠져나갈 수 있는 스펀지 특성을 가지는 것으로 확인되었다.In addition, Examples 1 to 5 have a swelling rate change of 1% or less and do not absorb additional moisture, so there is no decrease in physical properties. In particular, they have a moisture diffusion coefficient of D 0 × 0.69 to D 0 × 0.95 m 2 /s, and are It was confirmed to have sponge properties that allow moisture to escape quickly without destruction.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention described above is merely illustrative, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, it will be understood that the present invention is not limited to the forms mentioned in the detailed description above. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all modifications that are equivalent or equivalent to the scope of this patent claim shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (17)

극성 아라미드 나노섬유를 포함하는 하이드로겔로서,
상기 하이드로겔은 수분함량이 50 내지 99.9 중량%인 것인 하이드로겔.
A hydrogel comprising polar aramid nanofibers,
The hydrogel is a hydrogel having a moisture content of 50 to 99.9% by weight.
제 1항에 있어서,
상기 극성 아라미드 나노섬유는 하기 화학식 1로 표시되는 극성 방향족 폴리아미드계 중합체로 이루어진 하이드로겔:
[화학식 1]

상기 화학식 1에서,
Ar1 Ar2는 서로 독립적으로 C6-C20 헤테로방향족기 또는 방향족기이며,
X1 및 X2는 서로 독립적으로 히드록시기, 카르복시기, 아미드기, 아미노기, 술폰기, 술포기 또는 시아노기이며,
n 및 m은 1≤m+n≤12를 만족하는 정수이다.
According to clause 1,
The polar aramid nanofiber is a hydrogel made of a polar aromatic polyamide-based polymer represented by the following formula (1):
[Formula 1]

In Formula 1,
Ar 1 and Ar 2 is independently a C6-C20 heteroaromatic group or an aromatic group,
X 1 and
n and m are integers that satisfy 1≤m+n≤12.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔은 물에 침지하였을 때, 팽윤변화가 2 % 이하인 하이드로겔.
According to clause 1,
The hydrogel is a hydrogel that has a swelling change of 2% or less when immersed in water.
제 1항에 있어서,
상기 극성 아라미드 나노섬유는 평균직경이 1 내지 100 nm인 하이드로겔.
According to clause 1,
The polar aramid nanofiber is a hydrogel with an average diameter of 1 to 100 nm.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔은 수분 함량이 60 내지 99.5 중량%인 하이드로겔.
According to clause 1,
The hydrogel is a hydrogel with a moisture content of 60 to 99.5% by weight.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔은 외부압력에 대해서 85% 이하 변형률에서도 파괴가 일어나지 않는 것이 특징인 하이드로겔.
According to clause 1,
The hydrogel is a hydrogel characterized by no destruction even at a strain rate of 85% or less with respect to external pressure.
제 6항에 있어서,
상기 하이드로겔은 수분확산 계수가 10-9 m2/s 이상인 하이드로겔.
According to clause 6,
The hydrogel is a hydrogel with a water diffusion coefficient of 10 -9 m 2 /s or more.
제 1항에 있어서,
상기 하이드로겔은 압축탄성률 0.3 MPa 이상, 인장탄성율이 1.0 MPa 이상인 하이드로겔.
According to clause 1,
The hydrogel is a hydrogel having a compressive modulus of elasticity of 0.3 MPa or more and a tensile modulus of elasticity of 1.0 MPa or more.
제 1항 내지 8항에서 선택되는 한 항의 하이드로겔로 부터 제조된 생체 지지체.A bioscaffold manufactured from a hydrogel selected from claims 1 to 8. 제 9 항에 있어서,
상기 생체 지지체는 인공연골인 생체 지지체.
According to clause 9,
The biological scaffold is an artificial cartilage.
극성 아라미드 나노섬유입자가 포함된 극성 아라미드 나노섬유 분산용액을 제조하는 단계; 및
상기 극성 아라미드 섬유 분산용액을 용매 교환하는 단계;
를 포함하는 하이드로겔 제조방법.
Preparing a polar aramid nanofiber dispersion solution containing polar aramid nanofiber particles; and
Solvent exchanging the polar aramid fiber dispersion solution;
Hydrogel manufacturing method comprising.
제 11항에 있어서,
상기 극성 아라미드 나노섬유 분산용액는 극성 방향족 폴리아미드계 수지, 강염기 및 극성용매로 부터 제조되는 것인 하이드로겔 제조방법.
According to clause 11,
A hydrogel production method wherein the polar aramid nanofiber dispersion solution is prepared from a polar aromatic polyamide-based resin, a strong base, and a polar solvent.
제 11항에 있어서,
상기 극성 아라미드 나노섬유입자는 평균직경이 1 내지 100 nm 이고, 평균길이가 0.1 내지 100 ㎛인 하이드로겔 제조방법.
According to clause 11,
The polar aramid nanofiber particles have an average diameter of 1 to 100 nm and an average length of 0.1 to 100 ㎛.
제 11항에 있어서,
상기 극성 아라미드 섬유 분산용액은 극성 아라미드 나노섬유입자가 0.01 내지 30 중량%를 포함하는 것인 하이드로겔 제조방법.
According to clause 11,
A hydrogel production method wherein the polar aramid fiber dispersion solution contains 0.01 to 30% by weight of polar aramid nanofiber particles.
제 11항에 있어서,
상기 용매교환하는 단계는 극성 아라미드 분산용액을 물에 침지하여 용매교환하는 것인 하이드로겔 제조방법.
According to clause 11,
The solvent exchange step is a method of producing a hydrogel in which the solvent is exchanged by immersing the polar aramid dispersion solution in water.
제 16항에 있어서,
상기 용매교환하는 단계는 2회 이상 수행하는 것인 하이드로겔 제조방법.
According to clause 16,
A hydrogel manufacturing method wherein the solvent exchange step is performed two or more times.
제 11항에 있어서,
상기 용매교환하는 단계는 극성 아라미드 나노섬유입자가 극성 아라미드 나노섬유로 자가 조립되는 것이 특징인 하이드로겔 제조방법.
According to clause 11,
The solvent exchange step is a hydrogel manufacturing method characterized in that the polar aramid nanofiber particles self-assemble into polar aramid nanofibers.
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