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, 2 금오공과대학교화학소재융합학부고분자융합소재공학과 Swelling Properties of Carboxymethylcellulose Hydrogels Prepared by Electron Beam Irradiation Min Hee Kim 1, Donghwan Cho 2, Oh Hyeong Kwon 2, and Won Ho Park 1 1 Department of Advanced Organic Materials and Textile System Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea 2 Department of Polymer Science and Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 39177, Korea Corresponding Author: Won Ho Park E-mail: parkwh@cnu.ac.kr Received October 19, 2016 Revised November 29, 2016 Accepted November 30, 2016 c 2016 The Korean Fiber Society Abstract: In this study, carboxymethylcellulose (CMC) hydrogels were successfully prepared by electron beam irradiation. The morphology and mechanical properties of the hydrogels were examined by scanning electron microscopy and tensile testing, which indicated that the compressive strength of the hydrogels was closely associated with their pore wall thickness. In addition, the equilibrium swelling ratio of the hydrogels was evaluated in both distilled water and different physiological media, which indicated that their maximum swelling ratio was higher in water than that in physiological media. Moreover, their maximum swelling ratio decreased with an increase in salt concentration. The fabricated cellulose-based hydrogels were shown to be promising for applications in drug delivery systems and the field of biomaterials. Keywords: carboxymethylcellulose, hydrogel, irradiation, swelling 1. 서론 고분자수화젤은물뿐만아니라다양한생화학적수용성물질을함유할수있고, 세포부착성및생체적합성이우수하고, 가교량에따라분해시간및기계적강도를조절하기용이하여조직재생의학분야에서창상피복재 ( 화상치료제 ) 나혈관이식및조직공학용지지체등으로의적용을위한연구가활발히진행되고있다 [1]. 일반적으로수화젤은친수성고분자를물리적또는화학적방법으로가교시켜제조된다. 이중공유결합을통해화학적가교를가지는수화젤을형성하는방법은이중결합혹은작용기를포함하고있는단량체또는고분자를이용하여다관능성의가교제를첨가함으로써이루어진다. 그러나, 이러한가교방법은제조과정에서독성이강한유기용매및개시제, 촉매, 단량체, 가교제등이사용되기때문에생체재료나조직공학용재료로응용하기위해서는미반응물이나유해물질을제거하기 위한정제과정이필요하다. 가교제를첨가하는방법이외에도 UV나전자선, 감마선등의방사선조사를통한자유라디칼반응을통해수화젤을형성할수있다. 이러한광에의한가교방법은가교제나다른화학적첨가제등을사용하지않기때문에친환경적이며에너지소비를줄여수화젤을형성할수있다 [2]. 또한방사선조사와동시에멸균처리가가능하여의료용재료의제조에적합한방법이다 [3,4]. 일반적으로화학적수화젤은수성환경에노출될경우평형상태에도달할때까지팽윤이지속적으로일어나며우수한형태안정성으로인해약물전달, 진단소재등다양한응용이가능하다 [5 7]. 생체재료분야에서는천연고분자나합성고분자를이용한수화젤형태의생체조직을대체하는재료에대한연구가활발히진행되고있다. 셀룰로스에테르는셀룰로스의유도체로독성이없고비용이저렴하기때문에의약, 화장품산업, 음식용유화제, 증점제등으로광범위하게사용되고있다. 대표적인셀룰로 397
398 김민희 조동환 권오형 박원호 Textile Science and Engineering, 2016, 53, 397-402 스에테르유도체는메틸셀룰로스 (MC), 에틸셀룰로스 (EC), 하이드록시에틸셀룰로스 (HEC), 하이드록시프로필메틸셀룰로스 (HPMC), 카르복시메틸셀룰로스 (CMC) 등있다. 셀룰로스에테르중에 CMC만이고분자전해질이며 ph와이온강도변화에민감한성질을가진다. 때문에전기적전하를갖는 CMC로제조된수화젤은우수한팽윤특성을나타내게된다 [8]. CMC는셀룰로스유도체중에서가장잘알려진수용성유도체이다. CMC는주원료인셀룰로스에수산화나트륨 (NaOH) 를반응시켜알칼리셀룰로스를형성하고여기에모노클로로아세트산의나트륨염을반응시켜셀룰로스의알콜기 (-OH) 를카르복시메틸기 (-CH 2 COONa) 로치환시켜제조되며수용액상에서높은점도를가지는천연고분자물질이다 [9]. CMC는 0.4부터 1.4의범위의치환도 (degree of substitution, DS) 를가지는것이주로합성된다. 이때중합도 (degree of polymerization, DP) 는보통 200에서부터 1,000 까지의범위를가진다. CMC의물에대한용해도는 DS가증가함에따라증가하며 DS 값이 0.6 0.8 범위에서물에대한용해성은우수하지만 0.05 0.25의범위에서는알칼리성용매에서만용해되는특성이있다. 따라서, 본연구에서는화학적가교제나개시제의첨가없이전자선조사를통해 CMC 수화젤을제조하고제조된수화젤의물리적, 화학적특성변화를분석하고자하였다. 또한수화젤의중요한특성중하나인팽윤특성에초점을맞춰 CMC 농도나전자선조사량, 다양한용매환경에서의 CMC 수화젤의팽윤특성변화를살펴보고자하였다. 2. 실험 2.1. 재료 Sodium carboxymethyl cellulose CMC(Mw: ~250,000) 는 Sigma-Aldrich( 미국 ) 에서구입하여사용하였고, 염의농도에따른팽윤거동을보기위하여 KANTO CHEMICAL( 일본 ) 에서구입한 CaCl 2, 대정화학 ( 대한민국 ) 에서구입한 MgCl 2, Sigma-Aldrich( 미국 ) 에서구입한 NaCl, 덕산과학 ( 대한민국 ) 에서구입한 KCl을사용하였다. 2.2. CMC 수화젤의제조방사선조사를통해 CMC 수화젤을제조하기위하여구입한 CMC 고분자를증류수에 5 20 wt%(w/v) 의농도로용해하였다. 제조된 CMC 수용액을페트리접시 (petri-dish) 에붓고, 용액내기포를제거하기위해상온에서 24시간동안방치하였다. 기포가제거된용액은전자선가속기 (ELV- 8, EB-tech, Korea) 를이용하여회당 10 kgy 조사선량으로 10 100 kgy의총조사량으로전자선을조사하여수화젤을제조하였다. 2.3. 특성분석제조한 CMC 수화젤의기공특성변화를주사전자현미경 (Field emission scanning electron microscope(fe-sem), JEOL JSM-7000F) 을사용하여관찰하였다. 전자선가교에의해제조된수화젤은일정크기로절단하여 48시간이상동결건조시킨후, 건조된수화젤을증류수에 12시간침지시켜가교되지않은 CMC를제거하였다. 가교되지않은 CMC를충분히제거한후, 다시동결건조시켰다. 최초에사용한 CMC 무게 (w i ) 와 2차건조후남은무게 (w d ) 로부터젤화율을다음식 (1) 과같이계산하였다 [10]. w d w i 젤화율 (%) = ----- 100 (1) 또한, 전자선조사를통해제조한수화젤의기계적특성을확인하기위해압축강도를측정하였다. 압축강도는마이크로재료시험기 (Instron Co., INSTRON 5848) 를이용하여제조된수화젤의압축강도를측정하였다. 압축강도를측정하기위해직경 10 mm, 높이 5 mm의원통형태로수화젤을절단한후, 5 N 하중계를이용하여측정속도 5 mm/ min, 50% 압축률로압축강도를측정하였다. CMC 수화젤의팽윤도를측정하기위해다양한조건으로제조한수화젤을직경 10 mm, 높이 5 mm 크기로제조한후, 37 o C 조건에서증류수와 phosphate buffer solution (PBS), 생리식염수에서의팽윤도를측정하였다. 또한, 증류수의 ph를조절하거나다양한염의첨가를통해 CMC 수화젤의팽윤거동에미치는 ph나염의농도의영향을확인하였다. 아래식 (2) 를이용하여팽윤된젤의무게 (W s ) 와건조된젤의무게 (W d ) 로부터팽윤도를계산하였다 [11]. W 팽윤도 (g/g) = s W d ------------------- (2) 3. 결과및고찰 W d 3.1. 전자선조사를통한 CMC 수화젤의제조전자선조사가 CMC 수화젤형성에미치는영향을확인하기위해 5 20% 농도의 CMC 수용액을전자선조사를통해 CMC 수용액의농도, 전자선흡수선량에따른 CMC 수화젤의형성거동을살펴보았다. CMC 수용액을회당 10 kgy 의흡수선량으로총선량은각각 10 100 kgy의전자선을조사하였다. 그결과, 10% 이하농도의경우, 낮은조사량 (20 kgy 이하 ) 에서는수화젤이형성되지않았으며 30 kgy 이상조사하였을때수화젤이형성된것을확인할수있었다. 또한형성된수화젤을육안으로살펴본결과, 5% 농도의 CMC 수용액을이용하여제조한경우완전한수화젤이형성되지않은것을알수있었다. 그러나, CMC 수용액의
전자선 조사를 통해 제조한 카복시메틸셀룰로스 수화젤의 팽윤거동 399 Figure 1. Schematic representation of the preparation of carboxymethylcellulose (CMC) hydrogels by electron beam irradiation. Figure 2. Gel fraction of chemically cross-linked CMC hydrogels according to irradiation dose. 농도와 전자선 조사량이 증가할수록 수화젤의 형태안정성 이 향상되었으며, 15% 농도에서 50 kgy 이상 조사한 경우 우수한 형태안정성을 나타내었다. Figure 1에 CMC 수화젤 의 제조과정을 모식도로 나타내었다. 전자선 조사한 CMC 수화젤의 젤화율을 측정한 결과, 역 시 앞서 언급한 내용과 마찬가지로 5%의 CMC 수용액을 전자선 조사한 경우 낮은 젤화율을 나타냈으며, CMC 수용 액의 농도가 10% 이상의 경우에서 젤화율이 전자선 조사 량이 증가할수록 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 전리방사선인 전자선 조사 시 CMC 수 용액 내에서 라디칼이 형성되고 라디칼 반응에 의해 분자 간 가교구조가 형성되어 화학적 가교를 갖는 수화젤이 제 조된 것을 확인할 수 있었다. 전자선 조사를 통해 제조한 CMC 수화젤의 젤화율 측정 결과는 Figure 2에 나타내었다. 3.2. 전자선 조사를 통해 제조된 CMC 수화젤의 형태학적 분석 전자선 조사를 통해 제조된 CMC 수화젤의 형태에 미치 는 영향을 확인하기 위해 다양한 농도의 CMC 수용액을 각 각 30 90 kgy의 조사량으로 전자선 조사한 후 동결건조시 켜 농도, 조사량 변화에 따른 CMC 수화젤의 단면 기공형 태를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 다양한 조건 에 따른 CMC 수화젤의 단면형태는 Figure 3에 나타내었으 며 모든 조건에서 CMC 수화젤의 기공크기는 비교적 균일 한 분포를 나타내었다. 전자선 조사량 변화에 따른 CMC 수화젤의 단면형태를 살펴보았을 때(Figure 3(A)), 15% 농도의 CMC 수용액을 30 90 kgy 흡수선량으로 조사한 경우 전자선 조사량에 따 라 기공의 크기나 기공벽의 두께에는 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한 농도변화에 따른 CMC 수화젤의 단면형태 변 화를 살펴보았을 때(Figure 3(B)), 다양한 농도의 CMC 수 용액을 50 kgy 조사한 결과, CMC 수용액의 농도가 증가 할수록 기공의 크기는 크게 변하지 않았으며 기공벽의 두 께는 점점 두꺼워지는 경향을 나타내었다. 3.3. 전자선 조사를 통해 제조된 CMC 수화젤의 압축강도 변화 CMC 수화젤의 제조 시 CMC 수용액의 농도와 전자선 Figure 3. Scanning electron microscopy (SEM) images of the cross-section of CMC hydrogels prepared under different conditions; (A) effect of irradiation dose using 15% CMC solutions and (B) effect of CMC concentration at 50 kgy irradiation dose.
400 김민희 조동환 권오형 박원호 Textile Science and Engineering, 2016, 53, 397-402 Figure 4. Maximum compressive strength of CMC hydrogels prepared under different conditions; (A) effect of irradiation dose using 15% CMC solutions and (B) effect of CMC concentration at 50 kgy irradiation dose. Figure 5. Swelling ratio of CMC hydrogels prepared under different conditions; (A) effect of irradiation dose at 15% CMC solutions and (B) effect of CMC concentration at 50 kgy irradiation dose. 조사량이수화젤강도에미치는영향을확인하기위해 CMC 수용액의농도와전자선조사량의조건을변화시켜제조한수화젤의압축강도를측정하였으며그결과를 Figure 4에나타내었다. 마이크로재료시험기를이용하여 CMC 수화젤의조사량과농도별최대압축강도를측정하였을때, CMC 수화젤의최대압축강도는조사량이증가할수록, CMC 수용액의농도가증가할수록증가하는경향을나타내었다 (Figure 4(A)). 이는 CMC 수화젤의제조시조사량이증가할수록, CMC 수용액의농도가증가할수록자유라디칼에의한화학적가교량의증가로인해압축강도가증가하는것으로보인다. 또한, 앞서형태학적구조변화에서살펴본바와마찬가지로 CMC 수용액의농도가증가할수록수화젤의기공벽의두께가두꺼워지며수화젤의압축강도도증가하는것으로보인다 (Figure 4(B)). 3.4. 전자선조사를통해제조된 CMC 수화젤의팽윤거동전자선조사를통해제조한 CMC 수화젤의전자선조사 량과농도, 용매의종류에따른팽윤거동을확인하였다. 먼저조사량에따른 CMC 수화젤의팽윤거동을확인하기위해 15% CMC 수화젤을 37 o C 증류수에넣고시간에따른무게변화를측정한결과, 시간에따라수화젤의팽윤도가증가하는것을확인하였으며전자선조사량이증가할수록최대팽윤도는감소하는경향을나타내었다 (Figure 5(A)). 이는전자선조사량이증가할수록라디칼반응에의한가교밀도의증가로인해팽윤도가감소하는것으로보인다. 또한, 농도에따른 CMC 수화젤의팽윤거동을살펴보기위해 50 kgy 조사량의 CMC 수화젤을 37 o C 증류수에넣어무게변화를확인한결과, 시간에따라수화젤의팽윤도가증가하였으며, CMC 농도가증가할수록최대팽윤도가감소하는경향을보였다 (Figure 5(B)). 이는앞서 Figure 5(A) 의결과와마찬가지로농도가증가할수록수화젤의가교밀도의증가로인해젤화율이증가하며이로인해팽윤도가감소한것으로보인다. CMC 수화젤의팽윤도에미치는용액종류의영향을확인하기위해팽윤도를관찰한결과 (Figure 6), 증류수에서
전자선조사를통해제조한카복시메틸셀룰로스수화젤의팽윤거동 401 Figure 6. Effect of solution media on the swelling properties of CMC hydrogels. Figure 8. Effect of ph on the swelling ratio of CMC hydrogels. 보인다 [12]. Figure 8는증류수의 ph에따른 15% CMC 수화젤의팽윤도를나타낸다. ph에따른수화젤의팽윤도는 ph 2 3 영역에서더낮은값을나타내었으며, ph 4 이상에서는거의일정한값을나타내었다. 이는 CMC 사슬에존재하는카르복시기 (-COOH) 의해리도에의한것으로보이며, 낮은 ph 영역에서는카르복시기의해리가일어나지않지만일정 ph 이상 (ph 3) 에서는카르복시기의해리가일어나기시작하며해리된카르복시기간의전기적반발력이증가함에따라물분자의침투가많아지며이로인해최대팽윤도가증가한것으로보인다. Figure 7. Effect of various salt concentrations on the swelling ratio of CMC hydrogels. 의팽윤도가가장높았으며생리식염수와 PBS에서는팽윤도가증류수에비해낮은수준을나타내었다. 이는생리식염수나 PBS에존재하는염에의해수화젤과용액과의농도구배가낮아지며삼투압이작용하여수화젤의팽윤도가감소한것으로보이며생리식염수와 PBS를비교했을때 PBS에존재하는염의농도가더높아생리식염수보다낮은팽윤도를나타낸것으로보인다. CMC 수화젤의팽윤도에미치는염의효과를확인하기위해 4가지염 (NaCl, KCl, CaCl 2, MgCl 2 ) 을이용하여염의종류와농도에따른팽윤도변화를살펴보았다 (Figure 7). 그결과, CMC 수화젤의팽윤도는염의종류에상관없이증류수에존재하는염의농도가증가할수록팽윤도는감소하는경향을보였으며, 1가양이온인 Na + 이나 K + 에비해 2가양이온인 Ca 2+ 와 Mg 2+ 에서의팽윤도가더감소하는경향을확인하였다. 이러한현상은용액과수화젤간의삼투압차이와염의종류에따른이온성차폐의영향인것으로 4. 결론 본연구에서는다양한농도의 CMC 수용액에전자선을조사하여 CMC 수화젤을제조하였으며, 제조된수화젤에대한특성분석을수행하였다. 30 kgy 이상의조사선량의전자선조사시, 형태안정성이우수한 CMC 수화젤이형성되었으며구조적인변화없이라디칼반응에의한화학적가교를갖는수화젤이형성된것을확인할수있었다. 또한조사량및 CMC 수용액의농도변화에따른압축강도를확인한결과, 조사량과수용액의농도가증가할수록수화젤의압축강도는증가하였다. 이를입증하기위해수화젤의기공크기를확인하였으며 CMC 수용액의농도가증가할수록기공크기는큰차이가없었지만기공벽이두꺼워지는것을확인할수있었다. 이는 CMC 용액의농도가증가할수록 CMC 분자사슬간거리가감소하며전자선조사를통한가교반응이촉진되어기공특성이변화한것으로보이며이러한기공특성의변화는수화젤의압축강도증가에기여한것으로판단된다. 또한, 전자선조사를통해제조한 CMC 수화젤의다양한조건에서의팽윤거동을살펴본결과, 우수한팽윤특성
402 김민희 조동환 권오형 박원호 Textile Science and Engineering, 2016, 53, 397-402 을나타냈으며팽윤조건이변화함에따라삼투현상, 이온성차폐효과에의해팽윤거동이변화한것을확인할수있었다. 감사의글 : 본논문은미래창조과학부방사선융합기술개발사업 (2015M2A2A6A03044942) 에의해수행되었으며이에감사드립니다. References 1. T. H. Kim and Y. C. Nho, Synthesis of PVA/PVP Hydrogel by Irradiation Crosslinking, J. Appl. Polym. Sci., 2001, 25, 270 278. 2. J. K. Kim, C. Basavaraja, T. Yamaguchi, and D. S. Huh, Preparation and Characterization of Smart Hydrogel Nanocomposites Sensitive to Oxidation-Reduction, Polym. Bull., 2013, 70, 207 220. 3. W. E. Hennink and C. F. van Nostrum, Novel Crosslinking Methods to Design Hydrogels, Adv. Drug Deliver. Rev., 2002, 54, 13 36. 4. M. Bianconi, E. Albertazzi, S. Balboni, L. Colombo, G. Lulli, and A. Satta, Channeling Characterization of Defects in Silicon: An Atomistic Approach, Nucl. Instrum. Meth. B, 2005, 230, 185 192. 5. J. H. Cho, Y. J. Lee, Y. M. Lim, P. H. Kang, J. Shin, and Y. C. Nho, Radiation Processing of Polymeric Materials, Polym. Sci. Tech., 2007, 18, 253 258. 6. M. H. Kim and W. H. Park, Chemically Cross-linked Silk Fibroin Hydrogel with Enhanced Elastic Properties, Biodegradability, and Biocompatibility, Int. J. Nanomed., 2016, 11, 2967 2978. 7. K. Makuuchi and S. Keizo, Radiation Processing of Polymer Materials and Its Industrial Applications, John Wiley & Sons, NY, 2012, pp.103 130. 8. A. Sannino, C. Demitri, and M. Madaghiele, Biodegradable Cellulose-based Hydrogels: Design and Applications, Materials, 2009, 2, 353 373. 9. J. H. Chang, K. Park, J. W. Park, J. K. Shin, T. Kajiuchi, and Y. Shinya, Characteristics of Carboxymethylcellulose(CMC) Using Regenerated Cellulose Fiber, Applied Chemistry, 2002, 6, 567 570. 10. D. Zhao, G. Liao, G. Gao, and F. Liu, Influences of Intramolecular Cyclization on Structure and Cross-linking Reaction Processes of PVA Hydrogels, Macromolecules, 2006, 39, 1160 1164. 11. R. A. Wach, H. Mitomo, F. Yoshii, and T. Kume, Hydrogel of Biodegradable Cellulose Derivatives. II. Effect of Some Factors on Radiation-Induced Cross-linking of CMC, J. Appl. Polym. Sci., 2001, 81, 3030 3037. 12. C. Chang, B. Duan, J. Cai, and L. Zhang, Superabsorbent Hydrogels Based on Cellulose for Smart Swelling and Controllable Delivery, Eur. Polym. J., 2010, 46, 92 100.