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보석 유
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1 Polymer(Korea), Vol. 42, No. 4, pp (2018) ISSN X(Print) ISSN (Online) Alginate/2-HEA/PEGDA 를이용한 ph 민감성하이드로젤합성및물리화학적특성연구 이제윤 박소현 * 서울과학기술대학교에너지바이오대학화공생명공학과, * 서울과학기술대학교정밀화학과 (2017 년 12 월 17 일접수, 2018 년 1 월 31 일수정, 2018 년 3 월 2 일채택 ) Synthesis and Physicochemical Characterization of ph Sensitive-hydrogels Based on Alginate/2-HEA/PEGDA Je Yun Lee and So Hyun Park* Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-Gu, Seoul 01811, Korea *Department of Fine Chemistry, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-Gu, Seoul 01811, Korea (Received December 17, 2017; Revised January 31, 2018; Accepted March 2, 2018) 초록 : 본연구에서는 sodium alginate 에 2-hydroxyethyl acrylate 를그래프팅후, poly(ethylene glycol) diacrylate 로가교시켜하이드로젤을제조하였고, 가교제비율에따른물리화학적분석을수행하였다. 주사전자현미경관찰결과, 하이드로젤은다공성의가교구조를나타내었고, 공극크기는대략 10 µm 였다. 열적중량분석결과, 가교밀도가증가할수록중량감소가적었고수분결합력이높았다. 팽윤거동은 ph 7.4 와 ph 2.5 에서수행되었고, 각각 400~900%, 150~190% 의팽윤을보였다. 또한다양한팽윤매질에따라텍스처분석을수행하였다. 증류수보다 buffer 에팽윤된하이드로젤이경도가높았고, 가교밀도가증가할수록경도가높았다. 결과적으로, 새롭게합성된본하이드로젤은팽윤매질및가교밀도에변화를줌으로써조직공학, 3D 프린터, 약물전달체등의생체재료로이용가능성이있음을시사한다. Abstract: In this study, hydrogels were prepared by grafting 2-hydroxyethyl acrylate onto sodium alginate and then crosslinking with poly(ethylene glycol) diacrylate. Properties were analyzed according to ratio of crosslinking agent. Scanning electron microscopy showed that the hydrogels were porous structure, and the pore size was about 10 µm. Thermal gravimetric analysis showed that weight loss decreased and water binding capacity was high as the crosslink density increased. Swelling behavior was carried out at ph 7.4 and ph 2.5, with swelling of % and %, respectively. Texture analysis was performed according to various swelling media. The hardness of hydrogels swollen in buffer was higher than that of distilled water, and the hardness was higher as the crosslink density increased. As a result, this novel hydrogel has possibilities to be used as biomaterials such as tissue engineering, 3D printer, and drug delivery system by changing swelling medium and crosslinking density. Keywords: alginate, 2-hydroxyethyl acrylate, poly(ethylene glycol) diacrylate, hydrogel, radical polymerization. 서 하이드로젤은물에녹지않고팽윤되어구조내에많은양의수분을함유할수있는 3 차원네트워크구조를갖는친수성고분자물질이다. 1 하이드로젤은수용액에서팽윤된후열 론 To whom correspondence should be addressed. goood234@seoultech.ac.kr, The Polymer Society of Korea. All rights reserved. 역학적으로안정하고, 특유의친수성과유연성으로인해의약학적분야에다양하게이용되고있다. 예를들면, 소프트렌즈, 상처치료용드레싱, 바이오센서, 인공근육, 3D 프린터등의생체재료및약물전달시스템분야에서하이드로젤을이용하고있다. 2,3 용액의 ph 는유기작용기의산도혹은염기도에따라그이온성에변화를준다. 수용액의경우, pka 혹은 pkb 가 1~14 정도의범위에있는작용기에유의미한변화를줄수있다. 또한산염기조건에서유기반응이가능한작용기를이용해 627

2 628 이제윤 박소현 ph 변화에따른반응을유도할수도있다. 따라서이러한 ph 민감성은하이드로젤의고분자특성과접목되어다양한방식으로연구되고있다. 약물전달시스템에서는피부나직장, 비강, 구강, 안구, 질등생체 ph 를고려한효과적인약물전달을위해 ph 민감성을이용하고있다. 4-6 센서분야에서는 ph 에따른팽윤정도를이용해 CO 2 분압을감지하기도한다. 7 이밖에도다양한분야에서 ph 민감성하이드로젤이유용하게사용되고있다. 알긴산 (alginic acid) 은미역, 다시마등다세포성해양생물인갈조류의세포막과세포막간을구성하는물질이다. 8 α(1 4)- L-gulosyluronic acid (G) 와 β(1 4)-D-mannosyluronic acid (M) 로이루어진직쇄의공중합체로된이종다당류로, 알긴산의 (G) 와 (M) 은각각 M 블록과 G 블록또는 MG 블록들이배열되어있는구조로이루어져있다. 9 C, O, H 만으로구성되어있는알긴산은그작용기로수산기 (-OH) 와카복실기 (-COOH) 를가지고있으며, G 블록카복실기의 pka 는약 3.65 이고 M 블록카복실기의 pka 는약 3.38 이다. 따라서이작용기들은중성에서대부분이온화되어있고, ph 에따른이온화정도의변화로그물리화학적특성이바뀌게된다. 또한수산기와카복실기는수소결합을형성할수있어, 알긴산의형태를단단하게할수있고수분을보유할수있다. 그러나알긴산은물에불용이어서, 알긴산나트륨과같은수용성알긴산염 (alginate) 의형태로이용되고있다. 알긴산은알긴산나트륨으로의전환이쉬워가공성이우수하고값이싸다는장점이있다. 이처럼알긴산이특유의물리화학적성질, 생체적합성, 무독성및생분해성을가지므로안구, 성형, 조직공학, 약물전달과같은의학적분야에서널리응용되어사용되고있다. 기능성단량체중 2-hydroxyethyl acrylate(2-hea) 는수산기 (-OH) 를가지고있어, 친수성에따른접착성개선의장점이있으며, 10,11 특히 2-hydroxyethyl methacrylate(2-hema) 와함께콘택트렌즈에많이이용되는생체적합성재료이다. 그러나 2-HEMA 에비하여 2-HEA 가하이드로젤물성에미치는영향에대한연구는아직까지부족한실정이다. 하이드로젤의팽윤은가교밀도와네트워크구조, 팽윤매질과같은다양한요소들의영향을받는다. 12,13 팽윤은약물전달시스템으로의적용에있어중요한요소로판단되는약물의수송능력과직접적으로관련되어있다. 따라서하이드로젤의적용을위해이들은분명히고려되어야하며다양한요소들에따른특성의분석이요구된다. 따라서본연구에서는천연고분자인알긴산에 2-HEA 를그래프팅시켜공중합체 Alg-g-p(2-HEA) 로구성된하이드로젤을다양한가교제농도로제조하였으며, 몇가지다른조건에서이들의물리화학적특성과팽윤특성변화를조사하였다. Fourier transform infrared spectroscopy(ftir) 을이용하여하이드로젤의화학적특성을분석하였으며, scanning electronic microscope(sem) 을이용하여하이드로젤의가교네트워크를형태학적으로분석하였고, 하이드로젤의결정적인특성인팽윤과텍스처특성에있어가교제농도와다양한팽윤매질의영향을조사하였다. 결과적으로본연구에서새로이합성될하이드로젤은알긴산 G 블록과 M 블록의카복실기에의해 ph 민감성을가지며, 실험을통해알게될고유한물성들을고려하여다양한분야 ( 조직공학, 3D 프린터, 약물전달체등 ) 의생체재료로이용되기를기대한다. 실 시약및기기. 하이드로젤합성에사용된 sodium alginate from brown algae(medium viscosity), 2-hydroxyethyl acrylate, poly(ethylene glycol) diacrylate(pegda; Mn 575), potassium peroxodisulfate(kps) 는모두 Sigma-Aldrich Co.(USA) 에서구입하였다. Phosphate buffered saline(pbs) 제조에사용된 potassium phosphate monobasic(kh 2 PO 4 ), sodium phosphate dibasic(na 2 HPO 4 ) 는 Sigma-Aldrich Co.(USA) 에서구입하였고, sodium chloride(nacl) 는 Daejung chemicals & metals Co.(South Korea) 에서구입하였다. Ethanol, acetone과같은용매들은분석용특급시약을, 증류수는 Milli-Q로정제하여사용하였다. 사용장비에는분석저울 (CAS, CAY220), 교반기 (Corning, PC-620D), oil bath(lk Korea, LO-BG160), 원심분리기 (Hanil Science Industrial, FLETA40), 동결건조기 (ilshinbiobase, FD8508), 오븐 (Elba, L61-640), SEM(Tescan Korea, VEGA3), FTIR spectrometer(sensir Technologies, US/Travel IR), 시차열중량분석기 (Shimadzu, JP/DTG-60), 물성분석기 (Zwick Roell, DE/Z0.5TS) 를사용하였다. 하이드로젤제조. 하이드로젤은가교제인 PEGDA의농도를달리하여총 4가지로제조하였으며그조성은 Table 1에나타내었다. 증류수 50 ml에 sodium alginate(alg) 를 0.25 g 넣고, oil bath에서 75 o C, 400 rpm으로교반하며 6시간이상용해시켰 Table 1. Composition of Initial Reaction Mixtures Used for the Preparation of Hydrogels Alg-HEA-PEG-0.21 Alg-HEA-PEG-0.52 Alg-HEA-PEG-1.04 Alg-HEA-PEG-2.05 Alginate (g) 0.25 (0.466%) 0.25 (0.464%) 0.25 (0.462%) 0.25 (0.457%) 험 2-HEA (ml) 3.0 (6.18%) 3.0 (6.16%) 3.0 (6.13%) 3.0 (6.07%) PEGDA (ml) 0.1 (0.208%) 0.25 (0.520%) 0.5 (1.035%) 1.0 (2.048%) KPS (g) 폴리머, 제 42 권제 4 호, 2018 년

3 Alginate/2-HEA/PEGDA 를이용한 ph 민감성하이드로젤합성및물리화학적특성연구 629 다. 용해된 Alg 용액에 N 2 gas 를 30 분간주입하여플라스크내산소분압을충분히낮춘뒤, 라디칼개시제인 KPS 를 g 넣어주었다. 개시제첨가후 30 분이지나면, 2-HEA 3mL 를넣어그래프팅을시작하였다. 2-HEA 주입후 10~30 분정도후색이변할때 ( 옅은황색 무색 옅은푸른색 ), PEGDA x ml 를모두첨가하여가교시켰다. 2-HEA 를넣은시점부터 3 시간이지나면합성물을상온으로충분히식혀주었다. 합성하는동안교반속도를조절하여균일한합성을유도하였다. 합성물은 5L 증류수에서 3 일이상투석하였고, 24 시간마다증류수를갈아주었다. 합성물속에단량체가많은경우, acetone:ethanol 을 1:1 로섞은용매에 24 시간교반시켜추가정제하였다. 정제가끝난합성물을원심분리 (3500 rpm, 15 분 ) 하여젤을분리하였고, desiccator, 오븐또는동결건조기를이용하여젤을건조시켰다. FTIR. Alginate, 2-HEA, PEGDA 및건조된하이드로젤은 FTIR spectrometer 를통해확인하였다. Smart Orbit ATR accessory 인 diamond crystal 와 Omnic 8.0 software 를사용하여 400~4000 cm -1 범위에서스캔하여측정하였다. 형태학적관찰. 제조된하이드로젤은동결건조기를이용하여 48 시간동안건조시켰다. 건조된하이드로젤에대하여형태학적관찰을실시하였다. 하이드로젤의네트워크구조는 20 kv 가속전압의 SEM 을이용하여확인되었다. 건조된하이드로젤은 Pt 로증착시킨후관찰하였고, 측정시 voltage 를 1.0~1.5 kv 로하여각각의 sample 을 1000, 3000 의배율로촬영하였다. 열적중량분석. 하이드로젤의열적중량분석은시차열중량분석기를이용하여, 60 o C 오븐에서 3 일동안건조된하이드로젤과증류수로 3 일동안수화된하이드로젤을측정하였다. 질소하에서속도 50 ml/min 으로각각 5 o C/min, 10 o C/ min 가열속도, 25~400 o C, 25~600 o C 온도범위에서초기무게약 15, 20 mg 으로진행하였다. 표준물질은 α-alumina powder 를사용하였다. 하이드로젤의팽윤. 하이드로젤의팽윤정도는상온에서 ph 7.4 와 ph 2.5 PBS 완충용액에서측정되었다. 완충용액은각각 , (European Pharmacopoeia 5 th Edition p433, p430) 제조법에따라제조하였다. 합성된하이드로젤을일정한무게 (0.1 g) 로절단한뒤, 팽윤매질에담가두었다. 50 시간동안팽윤시키면서일정한시간마다팽윤된하이드로젤을꺼내고표면에있는물기만을제거한뒤그무게를측정하였다. 팽윤정도 (swelling ratio) 는식 (1) 을이용하여계산하였다 : 텍스처분석. 하이드로젤의경도 (hardness), 응집성 (cohesiveness), 접착성 (adhesiveness), 탄성 (springiness), 탄력성 (resilience), 씹힘성 (chewiness), 깨짐성 (fracturability) 을측정하기위해 10 kg 의로드셀이장착된물성분석기를이용하였다. 40 mm 직경의원반프로브로하이드로젤을 30% 의변형률로연속적으로두번압착하였다. Pre-, test-, post 속도는모두 2.00 mm/s 이었으며, 프로브는젤의표면위에위치하였다. 60 o C 오븐에서 3 일동안건조후증류수, ph 7.4 PBS, ph 2.5 PBS 속에서각각 3 일동안수화된상태의하이드로젤을사용하였고, 젤은약 2cm 2cm 1cm( 가로 세로 높이 ) 의직육면체시편으로제작하였다. 결과및토론 하이드로젤합성. 하이드로젤합성은 KPS 를개시제로, 열조건에서라디칼중합반응에의해합성하였으며, 그메커니즘을 Figure 1 에나타내었다. 라디칼반응은개시, 전파, 종결의 3 단계로구분지을수있으며, 단량체가중합되는전파단 W Swelling ratio (%) = s W d (1) W d W s : 팽윤된하이드로젤의무게 (g) W d : 건조된하이드로젤의무게 (g) Figure 1. Synthesis mechanism of hydrogels through radical polymerization reaction. Polymer(Korea), Vol. 42, No. 4, 2018

라디칼 반응은 매 우 민감하고 그 진행 방향을 예측하기 힘들기 때문에, 단 몇 초 차이로 생성물의 상태를 완전히 바꿔놓을 수 있다. 따라 서 가교제 첨가 전까지 동일한 조건과 환경으로 진행하였다. 하이드로젤의 합성 과정 및 색 변화를 Figure 2에 나타내었 고, Alg-HEA-PEG-0.21, Alg-HEA-PEG-0.52, Alg-HEA-PEG1.

4 630 이제윤 박소현 계가 생성물의 상태를 결정짓는 가장 중요한 단계라고 할 수 있다. 따라서 N2 gas 공급과 온도 조절을 통해, 라디칼의 양 과 반응속도를 일관되게 하는 것이 원하는 생성물을 만드는 데에 중요한 영향을 미쳤다. 가교제 비율이 다른 4가지 하이 드로젤에 일관성을 부여하기 위해, N2 gas 공급과 온도 조절 뿐만 아니라 2-HEA와 PEGDA를 순차적으로 넣는 방법을 사 용하였다. Alginate 용액에 2-HEA를 넣음으로써 Alg-g-p(2HEA)o 합성을 유도하였고, 일정 시간 후 PEGDA를 첨가하여 Alg-g-p(2-HEA)-cl-PEGDA를 합성하였다. 라디칼 반응은 매 우 민감하고 그 진행 방향을 예측하기 힘들기 때문에, 단 몇 초 차이로 생성물의 상태를 완전히 바꿔놓을 수 있다. 따라 서 가교제 첨가 전까지 동일한 조건과 환경으로 진행하였다. 하이드로젤의 합성 과정 및 색 변화를 Figure 2에 나타내었 고, Alg-HEA-PEG-0.21, Alg-HEA-PEG-0.52, Alg-HEA-PEG1.04, Alg-HEA-PEG-2.05의 외관을 Figure 3에 나타내었다. FTIR. 양자화된 분자의 에너지 차이는 적외선 에너지를 이 용한 유기분자의 작용기를 명확히 분석할 수 있도록 한다. 따 라서 새로운 Alg-HEA-PEG 하이드로젤의 합성여부 및 작용 기 비율을 비교하기 위해, alginate, 2-HEA, PEGDA와 동결 건조된 Alg-HEA-PEG 하이드로젤을 FTIR spectrometer로 확 인하였다(Figure 4(A)). 2-HEA와 PEGDA의 FTIR spectrum Figure 2. Schematic reaction process and color change. Figure 3. Images of Alg-HEA-PEG hydrogel appearances. From the left, shown are Alg-HEA-PEG-0.21, Alg-HEA-PEG-0.52, AlgHEA-PEG-1.04, and Alg-HEA-PEG 폴리머, 제42권 제4호, 2018년 Figure 4. FTIR spectrum of (A) alginate, 2-HEA, PEGDA, and Alg-HEA-PEG-0.21; (B) changes in the spectrum pattern depending on the PEGDA concentration; (C) movement of the peak of AlgHEA-PEG hydrogels.

5 Alginate/2-HEA/PEGDA 를이용한 ph 민감성하이드로젤합성및물리화학적특성연구 631 Figure 4. Continued. 에서각각 1631, 1635 cm -1 은 ester(-coo-) 로컨쥬게이션된 C=C 이중결합의신축진동에해당하는흡수밴드이다. Alg- HEA-PEG 은컨쥬게이션된 C=C 이중결합의신축진동 (1600~1650 cm -1 ) 에해당하는흡수밴드가사라진것으로보아, 라디칼반응을통해이중결합이물질간공유결합에기여한것으로판단할수있다. 또한 2884, 1334, 845 cm -1 는각각 methyne(3 차탄소 ) C-H 의신축진동, 굽힘진동, C-C 의골격진동을포함하는흡수밴드로, 14 반응을통해 3 차탄소가형성된것으로사료된다. 이밖에, 하이드로젤의 FTIR spectrum 에서 3400 cm -1 는알코올 (-OH) O-H 의신축진동흡수밴드를나타내며, 자유알코올 O-H 의신축진동 (3650~3600 cm -1 ) 에비해낮은흡수밴드를가지는것은수소결합을통해결합세기가약화되었기때문이다 와 2884 cm -1 은각각 methylene(-ch 2 -) C-H 의비대칭신축진동흡수밴드와 methyne C-H 의신축진동을포함하는 methylene C-H 의대칭신축진동흡수밴드이다 cm -1 은 ester C=O 의신축진동흡수밴드이며, 자유 ester C=O 의신축진동 (1735 cm -1 ) 에비해더낮은흡수밴드를나타낸것은수소결합을통해결합세기가약화되었기때문이다 cm -1 는 methylene C-H 의굽힘진동흡수밴드이다 cm -1 은 alginate 골격에있는카복실레이트 (-COO - ) 의대칭신축진동흡수밴드이다 와 1164 cm -1 는 ester C-O 의신축진 동흡수밴드이며, 2-HEA의 1276, 1191 cm -1 와 PEGDA의 1274, 1195 cm -1 에있는 ester C-O의신축진동에비해낮은파수에서흡수밴드를보이는것은 α,β-unsaturated ester(-c=c- COO-) 의이중결합이없어지면서 ester C-O 결합세기가약화되었기때문이다. 1076과 945 cm -1 는각각 2차알코올 C- O의신축진동을포함하는 ether(-coc-) C-O의비대칭신축진동흡수밴드와 ether C-O의대칭신축진동흡수밴드이며, PEGDA에있는 ether C-O의신축진동 (1107, 952 cm -1 ) 에비해낮은파수에서흡수밴드를보이는것은수소결합에의한결합세기의약화때문일것으로사료된다 cm -1 은 1차알코올 C-O의신축진동흡수밴드이다. 895 cm -1 는 alginate의당단위체간 glycoside linkage(-c-o-c-) 의대칭신축진동흡수밴드이다. 17, cm -1 는 methylene C-H의변형진동을포함하는 methyne C-C의골격진동흡수밴드로사료된다. 14, cm -1 은 alginate 고리내 C-C의신축진동흡수밴드이다. 18 주목할점은가교제농도에따른 spectrum 양상의변화이다 (Figure 4(B)). 가교제농도가증가할수록 (Alg-HEA-PEG Alg-HEA-PEG-0.52 Alg-HEA-PEG-1.04 Alg- HEA-PEG-2.05), alginate와 2-HEA의알코올 O-H에해당하는 3400 cm -1 과 alginate의카복실레이트, glycoside linkage, 고리내 C-C에해당하는 1396, 895, 756 cm -1 흡수량에비하여, methyne에해당하는 2884, 845 cm -1 와 ether에해당하는 1076, 945 cm -1 흡수량이증가하였다. 이를통해, 하이드로젤내의 2-HEA의비율이감소한것과 alginate에대해 ether 작용기및 3차탄소의비율이증가한것을알수있다. 이는가교제의농도가증가함에따라이중결합의붕괴로더많은단량체들이연결되어가교밀도가증가했음을나타낸다. 또한 2- HEA와 PEGDA ester의 C-O에해당하는 1249와 1164 cm -1 흡수량에비하여, PEGDA ether의 C-O에해당하는 1080와 949 cm -1 흡수량이증가하였다. 이를통해, 하이드로젤내에서 ester 작용기에비해 ether 작용기의비율이증가한것을알수있으며, 이는 2-HEA에비해 PEGDA 비율이증가하고있음을증명해준다. 또한 methylene C-H에해당하는 2949, 1450 cm -1 와 ester C=O에해당하는 1723 cm -1 의흡수량은일정한것으로보아, 가교제의농도가증가해도합성된하이드로젤내의 methylene(-ch2-) 작용기와 ester(-coo-) 작용기의비율은거의변하지않음을알수있다. 다음으로 Figure 4(C) 에서피크의이동을살펴보면, 알코올 O-H 신축진동 (3400 cm cm -1 ), methyne의 C-H 굽힘진동 (1334 cm cm -1 ) 이변화한것을볼수있다. 이는각각가교제의농도가증가함에따라, 합성된하이드로젤에서 O-H 작용기에의한수소결합력의약화와 methyne 작용기의 C-H 굽힘진동에너지의증가로해석할수있다. 형태학적관찰. SEM을이용하여동결건조된 4가지하이드로젤을 1000과 3000의배율로각각 2번촬영하여가교구조를확인하였다 (Figure 5). 하이드로젤은고분자사슬이연 Polymer(Korea), Vol. 42, No. 4, 2018

632 이제윤 박소현 Figure 5. SEM images of the cross-sectional morphology of freezedried hydrogels (left is 1000 ; right is 3000 magnification). 결된 3차원 네트워크를 가져 높은 수분흡수능과 점탄성의 특 징을 나타낸다.

6 632 이제윤 박소현 Figure 5. SEM images of the cross-sectional morphology of freezedried hydrogels (left is 1000 ; right is 3000 magnification). 결된 3차원 네트워크를 가져 높은 수분흡수능과 점탄성의 특 징을 나타낸다. Figure 5에서와 같이 하이드로젤은 다공성 구 조를 보였으며, 전체적으로 비슷한 형태로 관찰되었다. 가교 제가 비교적 적게 들어간 Alg-HEA-PEG-0.21과 Alg-HEAPEG-0.52에서 공극 크기는 대략 10 µm 정도로 관찰되었으 며, 가교제 농도가 증가할수록 공극의 크기와 함께 공극률이 감소하였다. Alg-HEA-PEG-2.05의 경우, 그 내부의 네트워크 구조를 관찰하기 어려웠다. 모든 하이드로젤의 공극들은 비 교적 균일한 분포를 나타내었다. 하이드로젤은 공극의 크기와 구조에 따라 4가지로 분류될 수 있다.19 공극의 크기에 따라, 공극이 없는 non-porous, 100~1000 Å 직경의 공극을 가진 micro-porous, 0.1~1 µm 직 폴리머, 제42권 제4호, 2018년 경의 macro-porous 및 수십에서 수백 µm 직경의 superporous로 나뉘며, 이 중 non-porous, micro-porous, macroporous는 공극간의 연결이 없는 closed cell 구조이다. 반면, 가교제 농도가 낮은 Alg-HEA-PEG의 경우, 이보다 큰 직경 으로 내부 공극간에 서로 연결된 open cell 구조를 보이는 super-porous hydrogel(sph)로 판단된다. SPH는 공극 구조 내 부로 빠르게 수분을 포착하는 모세관 체계로 약물 전달 시스 템이나 조직공학에 많이 이용되고 있다.19,20 본 연구에서 합 성된 Alg-HEA-PEG 하이드로젤은 SPH 중에서도 작은 직경 의 공극을 가졌다고 할 수 있으며, 이는 약물 방출 시간을 지 연시키는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 약제의 서방적 방출 제형으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 열적 중량 분석. 열 중량 분석(thermo gravimetric anlysis, TGA)은 물질들의 다양한 특징을 확인하기 위해 사용되는 기 술이다. TGA 곡선은 온도에 따른 함수로써 물질의 질량 변 화를 측정하여 다중 성분 물질의 성분 분석, 열적 안정도, 수 분 함량과 같은 유용한 정보를 제공한다. 특히 약물전달 분 야에서의 수분함량은 중요한 특징이다. 본 연구에서의 TGA 곡선은 하이드로젤의 수분 결합력, 수 분 증발 속도 그리고 안정도를 평가하기 위해 사용되었다. 사 용된 하이드로젤은 60 oc 오븐에 3일 동안 건조된 젤(dry)과 증류수에서 3일 동안 팽윤된 젤(wet)을 사용하였으며, 각각 5, 10 oc/min 가열속도로 질량감소를 측정하였다(Figure 6). 60 oc 오븐에 건조된 젤은 하이드로젤 네트워크 속에 소량의 수분을 가지고 있다. Dry 젤 TGA 곡선에서 그 수분은 약 220~240 oc 정도부터 증발하였으며, 가교밀도가 증가함에 따 라 증발 시작 온도가 약 oc로 증 가하였다. 이는 가교밀도 증가가 네트워크 내 수분 결합력을 증가시킨 것으로 사료된다. 젤이 직접적으로 타기 시작하는 온도는 약 375~380 oc 정도부터로 관찰되었다. Wet 젤의 TGA 곡선에서는 약 150 oc가 되었을 때 대부분의 수분이 증 발하였고, 약 375~400 oc 정도에서 젤이 타기 시작하였다. 여기서 주목할 점은 가교밀도가 증가함에 따라, 전체적으 로 질량 감소율이 줄어들고 있다는 것이다. 이는 수분 결합 력 증가에 따른 수분 증발 속도의 감소, 팽윤 정도의 감소에 따른 하이드로젤 내 수분함량의 감소에 의한 결과로 사료된 다. 25~250 oc까지 dry 젤은 각각 -19.4, -17.0, -13.6, -11.2% 의 질량 감소를 보였고, wet 젤은 각각 -91.6, -89.9, -86.2, -85.3%의 질량 감소를 보였다. 가교밀도에 따른 Alg-HEA-PEG 하이드로젤의 안정성은 dry 젤 TGA 곡선에서 평가할 수 있다. 60 oc 오븐에서 3일 동안 건조된 젤은 하이드로젤 네트워크 내의 수분이 대부분 증발 된 상태이다. 따라서 질량 감소율은 젤의 안정성을 나타낼 수 있다. 수분이 완전히 제거된 후 300 oc에서의 남은 질량은 Alg-HEA-PEG-0.21(74.0%) < Alg-HEA-PEG-0.52(75.6%) < Alg-HEA-PEG-1.04(78.6%) < Alg-HEA-PEG-2.05(81.4%)로

7 Alginate/2-HEA/PEGDA 를이용한 ph 민감성하이드로젤합성및물리화학적특성연구 633 이온들이하이드로젤의전하를중화시키면서야기되는전하차폐효과에기인된것이며, 이는하이드로젤네트워크와외부용액사이의삼투압감소로나타난다. 27 또한전하의중화에의한안팎의전기적구배감소는하이드로젤표면에서의전기장을약화시키고, 전기장내에서전하를띤입자가받는전기력식 (2) 에따라쌍극자인물분자가받는전기력이감소한다. F= qe (2) q: 전하량 E: 전기장 따라서염농도의증가는하이드로젤내부로의수분포집속도도감소시킬것으로사료된다. 많은고분자전해질의작용기는하이드로젤의 ph 민감성특성을부가하기위해사용되고있다 알긴산의카복실기는 ph 가증가할때이온화되어카복실레이트를형성하고, 이들의음전하는정전기적반발을일으켜하이드로젤네트워크공극을팽창시킨다. 따라서본실험에서는 Alg-HEA-PEG 하이드로젤의 ph 민감성에대해가교밀도의영향을관찰하고자하였다 (Figure 7). 먼저, 앞서언급했듯이 alginic acid 의 G 블록카복실기의 pka 는약 3.65 M 블록카복실기의 pka 는약 3.38 이다. 따라서용매가물인경우, ph 에따라 Alg-HEA- PEG 의이온화도는크게달라질수있으며, 팽윤정도가달라질수있다. ph 에의한영향을판단하기위해, Henderson- Hasselbalch 식을이용해팽윤매질에서 Alg-HEA-PEG 하이드로젤의이온화정도를알아보았다. Figure 6. TGA curves of Alg-HEA-PEG hydrogels. 관찰되었다. 이를통해, 가교밀도가증가할수록 Alg-HEA- PEG 의안정성이증가하는것을알수있다 하이드로젤의팽윤. 하이드로젤의팽윤정도는용질의확산과유동성, 점탄성, 광학적그리고기계적인특징에큰영향을미치므로생의학및약학분야에서의적용에있어팽윤특성을이해하는것은매우중요하다. 24 특히약물전달시스템으로응용될시, 약물의흡수와방출거동에직접적으로관련되어있다. 중성의하이드로젤팽윤은일반적으로시스템의자유에너지에기여하는고분자와용매의혼합과네트워크의탄력과수축에의해설명된다. 반면, 알긴산과같은고분자전해질로구성된하이드로젤의팽윤거동은네트워크자체의이온화할수있는그룹에의해염농도, ph 와같은요인들이관여한다. 25,26 염농도에의한팽윤을매질제조법에따라고려해보면, ph 7.4 에비해 ph 2.5 PBS 에서총염농도가약 5 배높다. Alg-HEA-PEG 은 alginate 에카복실레이트 (-COO - ) 가있으며, 이와같은이온성하이드로젤은염농도가증가할수록팽윤정도가감소하게된다. 이것은반대전하를가진 ph = pka+log([ 짝염기 ]/[ 산 ]) (3) Ka : 산해리상수 ph 7.4 에서 alginate 의카복실작용기는 -COOH:-COO 가약 1:10000 으로대부분이온화된상태로존재하며, ph 2.5 에서는약 10:1 로이온화되지않은카복실작용기가더많다. 따라서 Alg-HEA-PEG 는이온성이높은 ph 7.4 에서수용액상용해도가높고, 음전하의정전기적반발로공극의팽창정도가크며, 팽윤정도가클것으로사료된다. Figure 7 에서 50 시간을기준으로 ph 7.4 에서약 400~900% 의수분흡수를보인반면, ph 2.5 에서는하이드로젤모두 200% 를넘기지못했다. 하이드로젤의공극이팽창되는것은가교사이의고분자사슬이늘어나는것과관련되어있으며, 그정도는고분자의가교밀도에의해결정된다. 31 앞선형태학연구에서 Alg- HEA-PEG 의가교밀도는뚜렷하게증가하는것을관찰할수있다. 동일한 ph 에서는가교밀도가높을수록팽윤율이감소하였다 (Figure 7). 이는가교밀도가증가함에따라물리적팽창정도와전체공극부피가감소된결과로이해할수있으 Polymer(Korea), Vol. 42, No. 4, 2018

8 634 이제윤 박소현 Table 2. Time Constant of Swelling Depending on ph and Crosslinker Concentration Alg-HEA-PEG Time constant (h) ph 7.4 ph 2.5 Alg-HEA-PEG Alg-HEA-PEG Alg-HEA-PEG Alg-HEA-PEG Figure 7. Swelling ratio in ph 7.4 and ph 2.5 according to eq. (1) for Alg-HEA-PEG hydrogels. 며, 부차적으로 -COO 작용기비율의감소를생각해볼수있다. 조밀하게가교된네트워크에서정전기적반발력에의한공극의팽창은제한적이며, 동일부피내공극이차지하는부피는작다. FTIR spectrum 결과에서도알수있듯이, 가교제농도가증가할수록하이드로젤내에 alginate 혹은 -COO 작용기비율이감소하기때문에하이드로젤의이온성이감소한다는것역시원인이될수있다. 또한 FTIR spectrum 에서는높은가교밀도일수록 -OH 작용기의비율이감소하고그수소결합력이조금약화되었는데, 수용액에서는하이드로젤의팽윤이제한되므로다르게생각해볼수있다. 높은가교밀도에서사슬간의거리가더가깝고, 동일거리에수소결합가능한작용기수가많아져전체적으로더강한수소결합이있을것으로사료된다. ph 민감성은낮은가교밀도에서뚜렷하게나타났으나, 높은가교밀도에서는그정도가감소하는것이관찰되었다. Alg-HEA-PEG-2.05 의경우, 50 시간에서팽윤율이 ph 7.4 는약 450%, ph 2.5 는약 160% 로 ph 에따른팽윤율변화가가장작았다. 이는가교밀도증가에따라공극의팽창이제한된결과로사료된다. 또한이러한결과는 ph 에민감한카복실기의수소결합에의해일부설명될수있다. 하이드로젤내네트워크간의수소결합은 ph 의존적인수분흡수에영향을미친다. 32 본연구에서는 ph 와가교밀도에따른시상수의변화를알아보았다 (Table 2). 여기서시상수는 50 시간의팽윤을최대로, 63.2% 팽윤까지의시간으로정의하였다. 시상수는하이드로젤의팽윤속도를나타내는지표로사용될수있으며, 초기약물방출속도와밀접한관련이있다. 시상수는 ph 와가교밀도뿐만아니라염농도, 작용기비율, 공극의크기등다양한변수에영향을받을것으로사료된다. 실험결과, PEGDA 0.52% 이상에서는가교밀도가높을수록시상수가작아졌고, 모든하이드로젤은 ph 2.5 에서보다 ph 7.4 에서시상수가더컸다. 하이드로젤을공극의크기와구조로분류했을때, macro-porous hydrogel(mph) 은 0.1~1 µm 직경의 closed cell 구조로, 주된팽윤메커니즘은팽창된공극을통한확산이다. 19 반면, 수십 µm 이상의직경의 open cell 구조를가지는 SPH 는모세관력에의해팽윤되고, MPH 와는달리 sample 크기에무관하게빠른팽윤속도를보인다. 본실험에서합성된 Alg-HEA-PEG 의경우, 대략 10 µm 내외의직경으로 MPH 와 SPH 의사이에있다고할수있다. 따라서팽윤속도에서임계값이존재할수있다고판단된다. 그임계값은본실험에서시상수변화로드러났으며, PEGDA 0.21~0.52% 사이에서주된팽윤메커니즘이모세관력에서확산으로바뀌며그팽윤속도가감소된것으로사료된다. 이를통해 PEGDA 0.21~0.52% 에서공극의크기가팽윤속도의주된변수로작용했음을알수있다. 반면, PEGDA 0.52% 이상에서는가교밀도가증가함에따라나타난팽창정도와공극부피의감소가시상수의감소에영향을미친것으로사료된다. ph 에따른시상수변화역시팽창정도가영향을미친것으로판단된다. ph 2.5 에비해 ph 7.4 에서최대팽윤율이크기때문에팽창시간이고려되어더큰시상수값을보였다. 텍스처분석. 하이드로젤의효과적인활용을위해서는목 폴리머, 제 42 권제 4 호, 2018 년

Alginate/2-HEA/PEGDA 를이용한 ph 민감성하이드로젤합성및물리화학적특성연구 635 Figure 8. Texture properties of Alg-HEA-PEG hydrogels. 적에맞는적절한텍스처와기계적특성이요구되며, 하이드로젤에서팽윤의정도는이를결정하는주요요소이다.

9 Alginate/2-HEA/PEGDA 를이용한 ph 민감성하이드로젤합성및물리화학적특성연구 635 Figure 8. Texture properties of Alg-HEA-PEG hydrogels. 적에맞는적절한텍스처와기계적특성이요구되며, 하이드로젤에서팽윤의정도는이를결정하는주요요소이다. 따라서팽윤결과를바탕으로 Alg-HEA-PEG 하이드로젤의몇가지텍스처특성을가교밀도, 팽윤매질에따라조사하였다 (Figure 8). 각각의특성은텍스처분석기기의측정방법에따라정의하고해석하였다. 33 먼저, 경도 (hardness) 는첫번째압착과정에서정해진변형에도달하기위해필요한힘으로측정되며, g-force 의단위를갖는다. 가교밀도가증가할수록경도는높아졌으며, 팽윤매질에있어 ph 2.5 에서현저히높았다. ph 2.5 에서는 -COOH 작용기대부분이비이온화됨으로써, 팽윤정도가크게감소하고젤내부수소결합수증가에의해내부결합력이강해지기때문에경도가높게측정된것으로사료된다. 접착성 (adhesiveness) 은다른물질과의결합성으로시료가프로브에서떨어지는데요구되는충격량으로측정되며, g-force sec 의 단위를갖는다. 접착성은증류수에팽윤된젤이높았으며, ph 7.4 에팽윤된젤이가장낮았다. 또한가교밀도가증가할수록접착성은낮아졌다. 그러나 Alg-HEA-PEG 의접착성수치는전반적으로낮았다. 크롬과철의합금으로이루어진프로브와의접착성은수화된하이드로젤과프로브표면산화크롬과의결합력이강해질수록높아질것으로사료된다. 이에영향을미치는요인으로하이드로젤의이온성과수소결합을들수있다. 증류수에팽윤된젤의경우, 고분자상에서이온화되어있는카복실레이트가대부분온전한음전하를나타낸다. 때문에정전기적인반발을고려하여젤내부작용기간의직접적인수소결합보다는수분과강한수소결합을이루며팽윤상태를유지할것이다. 이렇게젤과수분간의강한네트워크가산화크롬의산소와강한수소결합을이루게하여접착성을증가시킬것으로사료된다. 반면에, ph 7.4 이나 ph 2.5 의경우, 염농도증가에따라산화크롬과의수소결합이방해받기때문에상대적으로접착성이낮아질것이다. 또한 ph 7.4 의경우, 염에의해하이드로젤의이온성이감소되어수분과약한네트워크를형성할것으로사료된다. 응집성 (cohesiveness) 은두번째압착에필요한총에너지를첫번째압착에서필요한총에너지로나눈값으로측정되며, 단위는무차원이다. 응집성은구성성분사이의인력에의한물질의내부적인강도를의미하며, 본하이드로젤은모든조건에서 0.8 이상의높은응집성으로측정되었다. 이는하이드로젤의점탄성에기인한결과로사료된다. 한편, 가교밀도와팽윤매질에따라그것의미세한차이를보였는데, 팽윤매질은 water > ph 7.4 > ph 2.5 순으로응집성이작아졌다. 탄성 (springiness) 은초기젤의높이에대한압착후젤의높이에의해측정되며, 단위는무차원이다. 탄성은가교밀도및팽윤매질에무관하게거의 1 의값으로측정되었다. 탄력성 (resilience) 은첫번째압착의 downstroke 동안의총에너지를첫번째압착의 upstroke 동안의총에너지로나눈값으로측정되며, 단위는무차원이다. 탄력성은대부분 0.8~1.0 값으로측정되었고, 가교밀도가높아질수록증가하는경향을보였다. 씹힘성 (chewiness) 은경도 응집성 탄성값으로측정되며, 단위는 g-force 이다. 씹힘성은경도와거의비슷한경향을보였다. 깨짐성 (fracturability) 은젤이부서질때만측정되어부서지는피크에서힘의크기로나타나며, 단위는 g-force 이다. 깨짐성은가교밀도가낮은 Alg-HEA-PEG-0.21 와 Alg-HEA-PEG-0.52 에서는관찰되지않았으며, 가교밀도가가장높은 Alg-HEA-PEG-2.05 를 ph 2.5 에서팽윤시켰을때가장높은값을보였다. 또한 Alg-HEA- PEG-2.05 는팽윤매질에무관하게잘부서지는경향을보였다. 높은가교밀도에서는경도의증가로변형에의한젤의부서짐이쉬운것으로판단되며, ph 2.5 에서높은깨짐성은젤내부결합력이증가했기때문으로사료된다. 팽윤의결과와함께이러한텍스처특성들을고려할때, 하이드로젤의텍스처는단순히팽윤정도에의해결정되는것은아니며, 적합 Polymer(Korea), Vol. 42, No. 4, 2018

10 636 이제윤 박소현 한특성을위해서는가교네트워크와팽윤이적절하게조절되어야할것임을시사한다. 결 본연구에서는라디칼중합반응을통해 sodium alginate 에 2-hydroxyethyl acrylate 를그래프팅시킨후, poly(ethylene glycol) diacrylate 로가교시켜하이드로젤을합성하였다. 또한가교제 PEGDA 의비율을증가시킴에따라제조된 4 가지하이드로젤의물리화학적특성을분석하였다. 1) FTIR 분석에서 C=C 이중결합의소멸과 3 차탄소의형성을통해젤합성을확인하였고, 가교제농도증가에따른가교밀도의증가를확인하였다. 또한가교제농도가증가할수록 -OH 비율은감소했고 -COC- 비율은증가했다. 2) SEM 을통해관찰한결과, 하이드로젤은다공성의 3 차원가교구조를나타내었고, 공극의크기는대략 10 µm 이었다. 가교제비율이증가할수록공극크기는감소하였고, 조밀한기공구조를나타내었다. 3) 열적중량분석 (TGA) 결과, dry 젤에서가교밀도가증가할수록 -19.4, -17.0, -13.6, -11.2% 의질량감소를보였고, wet 젤은가교밀도가증가할수록 -91.6, -89.9, -86.2, -85.3% 의질량감소를보였다. 가교밀도가증가할수록중량감소가적고, 수분결합력이높게나타났다. 4) 팽윤거동은 ph 7.4 와 ph 2.5 에서수행되었고, 각각 400~900, 150~190% 의팽윤을보임으로써 ph 가증가할수록팽윤율이높았다. 또한동일한 ph 에서는가교밀도가증가할수록팽윤율이감소하였다. 5) 다양한팽윤매질 ( 증류수, ph 2.5 및 7.4 buffer) 에따라텍스처분석을수행하였다. 증류수 < ph 7.4 buffer < ph 2.5 buffer 순으로경도가높았고, 가교밀도가증가할수록경도가높았다. 가교밀도가증가할수록접착성은낮아졌으며, 깨짐성이나타났다. 결과적으로, 새롭게합성된 Alg-HEA-PEG 하이드로젤은팽윤매질및가교밀도에변화를줌으로써다양한분야 ( 조직공학, 3D 프린터, 약물전달체등 ) 의생체재료로이용가능성이있을것으로기대된다. 론 참고문헌 1. J. Chen, S. Jo, and K. Park, Handbook of Biodegradable Polymers, Overseas Publishers Association, Amsterdam, p 203 (1997). 2. N. A. Peppas, P. Bures, W. Leobandung, and H. Ichikawa, Eur. J. Pram. Biopharm., 50, 27 (2000). 3. S. J. Park and C. H. Kim, Tissue Eng. Regen. Med., 4, 471 (2007). 4. S. S. Kwon, B. J. Kong, and S. N. Park, Eur. J. Pharm. Biopharm., 92, 146 (2015). 5. A. Puranik, L. Pao, V. White, and N. Peppas, Eur. J. Pharm. Biopharm., 108, 196 (2016). 6. B. Demirdirek and K. Uhrich, Int. J. Pharm., 528, 406 (2017). 7. S. Herber, W. Olthuis, P. Bergveld, and A. van den Berg, Sens. Actuators B, 103, 284 (2004). 8. A. Pourjavadi, M. S. Amini-Fazl, and H. Hosseinzadeh, Macromol. Res., 13, 45 (2005). 9. S. M. Han, C. W. Nam, and S. W. Ko, J. Korean Fiber Soc., 37, 365 (2000). 10. C. H. Park, S. J. Lee, T. H. Lee, and H. J. Kim, React. Funct. Polym., 100, 130 (2016). 11. J. Kajtna, B. Alic, M. Krajnc, and U. Sebenik, Int. J. Adhes., 49, 130 (2014). 12. Y. Bao, J. Ma, and N. Li, Carbohydr. Polym., 84, 76 (2011). 13. L. Messager, N. Portecop, E. Hachet, V. Lapeyre, I. Pignot- Paintrand, B. Catargi, R. Auzely-Velty, and V. Ravaine, J. Mater. Chem. B, 1, 3369 (2013). 14. J. Coates, Encyclopedia of Analytical Chemistry, Wiley, New Jersey, p (2000). 15. Q. A. Xiao, X. H. Gu, and S. O. Tan, Food Chem., 164, 179 (2014). 16. S. P. Zhang, F. U. Xiang-ka, and Y. F. Gong, Nanocomposite electrolytes in Oxymethylene-linked Polyoxyethylene Multi-block Polymer: FT-IR, Spectral transmittance and Conductivity studies, Sciencepaper Online, China ( ). 17. M. Sekkal, V. Dincq, P. Legrand, and J. P. Huvenne, J. Mol. Struct., 349, 349 (1995). 18. R. Z. Kizil, I. D. Joseph, and S. T. Koushik, Food Chem., 50, 3912 (2002). 19. F. Ganji, S. Vasheghani-Farahani, and E. Vasheghani-Farahani, Iran. Polym. J., 19, 375 (2010). 20. F. A. Dorkoosh, J. C. Verhoef, G. Borchard, M. Rafiee-Tehrani, J. H. M. Verheijden, and H. E. Junginger, Int. J. Pharm., 247, 47 (2002). 21. S. Z. Zu and B. H. Han, J. Phys. Chem. C, 113, (2009). 22. Z. Weian, L. Wei, and F. Yue e, Mater. Lett., 59, 2876 (2005). 23. B. Guo, A. F. Wistrand, and A. C. Albertsson, Biomacromolecules, 12, 2601 (2011). 24. N. A. Pepas and A. S. Hoffman, Hydrogels, in Biomaterials Science, Third Edition, Academic Press, United States, Vol 35 (2013). 25. P. J. Flory and Jr J. Rehner, J. Chem. Phys., 11, 521 (1943). 26. L. Brannon-Peppas and N. A. Peppas, Chem. Eng. Sci., 46, 715 (1991). 27. J. Grignon and A. M. Scallan, J. Appl. Polym. Sci., 25, 2829 (1980). 28. Y. F. Zeng, S. J. Tseng, I. M. Kempson, S. F. Peng, Y. T. Wu, and J. R. Liu, Biomaterials, 33, 9239 (2012). 29. Y. Wang, X. N. Shi, W. B. Wang, and A. Q. Wang, Turk. J. Chem., 37, 149 (2013). 30. R. Liu, D. Li, B. He, X. Xu, M. Sheng, Y. Lai, G. Wang, and Z. Gu, J. Controlled Release, 152, 49 (2011). 31. N. A. Peppas and A. R. Khare, Adv. Drug Deliv. Rev., 11, 1 (1993). 32. R. Barbucci, A. Magnani, and M. Consumi, Macromolecules, 33, 7475 (2000). 33. M. Pons and S. M. Fiszmaw, J. Texture Stud., 27, 597 (1996). 폴리머, 제 42 권제 4 호, 2018 년

(박원호).fm

(박원호).fm 한국섬유공학회지, Vol. 53, No. 6, 397-402 https://doi.org/10.12772/tse.2016.53.397 ISSN 1225-1089 (Print) ISSN 2288-6419 (Online) 전자선조사를통해제조한카복시메틸셀룰로스수화젤의팽윤거동 김민희 1 조동환 2 권오형 2 박원호 1 1 충남대학교공과대학유기소재 섬유시스템공학과,