[학위논문]Poly(p-dioxanone)(PPDO)의 합성 및 물리적 특성과 monofilament 봉합사의 가수분해거동 Preparation and characterization of poly(p-dioxanone)(PPDO) and hydrolytic degradation behavior of monofilament sutures원문보기
이준희
(Chungbuk National Univ.
Dept. of Chemistry
국내박사)
중합 개시제 함량별, 촉매 함량별, 그리고 안료 투입 유무에 따른 생분해성 폴리다이옥사논 (PPDO) 고분자를 합성하였다. 중합된 PPDO 고분자의 구조 및 조성, 분자량, 열 안정성, 결정화 속도, 용융점도, 그리고 고유점도 등의 중합특성과 물리ㆍ화학적 특성은 각각 핵 자기 공명 분광분석기, 퓨리에 변환 적외 분광분석기, 젤 투과 크로마토그래프, ...
중합 개시제 함량별, 촉매 함량별, 그리고 안료 투입 유무에 따른 생분해성 폴리다이옥사논 (PPDO) 고분자를 합성하였다. 중합된 PPDO 고분자의 구조 및 조성, 분자량, 열 안정성, 결정화 속도, 용융점도, 그리고 고유점도 등의 중합특성과 물리ㆍ화학적 특성은 각각 핵 자기 공명 분광분석기, 퓨리에 변환 적외 분광분석기, 젤 투과 크로마토그래프, 열 중량분석기, 시차 주사열량계, 레오메타, 유동성 흐름시험기, 점도계 등을 이용하여 분석하였다. 중합 개시제로 사용한 라우릴 알코올 [CH3(CH2)11OH]의 함량이 감소함에 따라 폴리다이옥사논 고분자의 중합도는 증가하였다. 폴리다이옥사논 고분자의 열 안정성은 촉매로 사용한 stannous octoate {Sn(II) ethylhexanoate, Sn(Oct)2, [CH3(CH2)3CH(C2H5)COO]2Sn} 함량과 반비례 관계에 있었다. 모노필라멘트 봉합사용 폴리다이옥사논 고분자의 중합특성과 열 안정성을 고려할 때 개시제로서 라우릴 알코올과 촉매로서 stannous octoate의 적절한 함량은 각각 1600~1900 과 20~30 ppm 으로 판단된다. 반결정화 시간에 근거하여 분석할 때, 안료를 일정량 투입한 폴리다이옥사논 chip과 이를 이용하여 제조한 모노필라멘트 봉합사의 경우, 안료를 투입하지 않은 시료에 비해 결정화 속도가 빠르게 분석되었다. 안료 투입 여부에 따라 최대 결정화 속도를 나타내는 온도에서도 차이가 있었는데 안료를 투입한 시료의 경우에 있어서는 40~50℃ 범위에서 가장 빠른 결정화속도를 나타내는 반면, 안료 미 투입 시료의 경우에 있어서는 50~60℃ 범위에서 가장 빠른 결정화 속도를 나타내었다. 또, 결정핵의 성장과 관련 있는 Avrami 지수는 온도에 관계없이 약 2.5로 분석되어 PPDO 고분자의 경우 결정핵이 3차원적으로 성장한다고 판단된다. 기존에 존재하는 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 유연성 (취급용이성)을 개선하기 위하여, 복합방사에 의한 해(海)-도(島) 형태의 복합성분 모노필라멘트 봉합사를 제조하였다. 해 성분은 순수한 폴리다이옥사논 고분자로 구성되어 있고, 도 성분은 부피비로 90:9:1의 폴리다이옥사논 (PPDO)-트리메틸카보네이트 (PTMC)-카프로락톤 (PCL)의 공중합제로 구성되어 있으며, 해성분과 도성분의 전체 구성비는 부피비로 70:30이다. 단일성분 모노필라멘트 봉합사와 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 생체외 (in vitro) 가수분해 특성을 분석하기 위하여 pH 7.4의 인산 완충용액을 사용 29, 33, 37, 40 ℃의 각각 다른 온도에서 약 4 개월 (118 일) 동안 가수분해 시켰다. 이 들 봉합사의 가수분해 특성은 인장특성, 분자량, 구조 및 조성, 내부구조, 열적특성, 수소이온농도의 변화를 시간과 온도의 함수로 분석하였는데, 이를 위하여 인장시험기, 젤 투과 크로마토그래프, 핵 자기 공명 분광분석기, 전자현미경 과 광학현미경, 그리고 pH 미터를 각각 사용하였다. 복합성분 모노필라멘트 봉합사 (MF suture)가 기존의 단일성분 모노필라멘트 봉합사 (PDSⓇII suture)에 비하여 우수한 유연성을 나타내었고, 이들 봉합사의 가수분해 경향도 다르게 분석되었는데, 이것은 두 봉합사의 화학구조와 결정화도의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 모노필라멘트 봉합사의 가수분해 특성은 온도의존성이 강하게 나타났다. 인장강도 유지율의 경우 가수분해 초기에는 서서히 감소하다가 일정 시간이 지나면 급격하게 감소하였는데, 폴리다이옥사논 모노필라멘트 봉합사의 경우 2단계로 가수분해가 진행된다고 할 수 있다. 따라서 가수분해 초기에는 매개체 등의 침입이 용이한 무정형영역 또는 배향이 덜 진행된 부분에서 우선적으로 분해가 일어나지만, 가수분해 시간이 지남에 따라 결정영역에서도 분해가 진행되어 전체적으로 분해속도가 빨라지는 것으로 판단된다. 두 종류 봉합사의 4 주 (28 일) 강력유지율을 비교해보면, 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 경우 초기 인장강도의 약 80 % 로 분석되었고, 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 경우에는 약 70 % 로 분석되었다. 분자량의 변화의 경우 in vitro 가수분해 시간에 따라 거의 직선적으로 분자량이 감소되었다. 4주 분자량유지율을 비교해 보면, 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 경우 초기 분자량의 약 80 % 를 유지하고 있었으며, 복합성분 모노필랍멘트 봉합사의 경우에는 약 65 % 을 유지하고 있었다. 강력유지율과 분자량과의 상관관계를 살펴보면, 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 경우에는 분자량이 강력유지율과 직선적인 관계를 나타낸 반면, 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 경우에는 분자량의 역수와 강력유지율이 직선적인 관계를 나타내었다. 분해시간에 따른 단일성분 모노필라멘트 봉합사와 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 파라다이옥사논 (p-dioxanone) 모노머 함량은 두 봉합사 모두 비 직선적으로 증가하였는데, 증가되는 경향은 다르게 나타났다. 형태관찰을 통해, 폴리다이옥사논 모노필라멘트 봉합사의 경우 두 가지 다른 내부결정구조를 가지고 있음을 볼 수 있었는데, 모노필라멘트 봉합사의 안쪽부분은 결정화가 많이 진행되어 있는 반면, 바깥부분은 결정화가 덜 진행되어 있었다. 이것은 제조공정상의 열이력에 기인된 것으로 판단된다. 가수분해 시간과 더불어 모노필라멘트 봉합사의 표면에 일종의 결정성 물질을 관찰할 수 있었고, 가수분해가 계속됨에 따라 봉합사의 섬유 축 방향과 직각방향으로 균열이 발생하는 것을 볼 수 있었으며, 내부에 흰색 반점이 관찰되기도 하였다. 가수분해시간과 더불어 모노필라멘트 봉합사의 융점, 결정화도 및 결정화속도는 증가하는 경향을 나타내다가, 일정한 시간이 지나면 이들 특성이 감소하였다. 수소이온농도도 가수분해 시간과 더불어 증가하여, pH 가 서서히 낮아졌는데, 이것은 가수분해와 더불어 분해물질로 산성의 저분자량물질이 생성되었음을 의미한다.
중합 개시제 함량별, 촉매 함량별, 그리고 안료 투입 유무에 따른 생분해성 폴리다이옥사논 (PPDO) 고분자를 합성하였다. 중합된 PPDO 고분자의 구조 및 조성, 분자량, 열 안정성, 결정화 속도, 용융점도, 그리고 고유점도 등의 중합특성과 물리ㆍ화학적 특성은 각각 핵 자기 공명 분광분석기, 퓨리에 변환 적외 분광분석기, 젤 투과 크로마토그래프, 열 중량분석기, 시차 주사열량계, 레오메타, 유동성 흐름시험기, 점도계 등을 이용하여 분석하였다. 중합 개시제로 사용한 라우릴 알코올 [CH3(CH2)11OH]의 함량이 감소함에 따라 폴리다이옥사논 고분자의 중합도는 증가하였다. 폴리다이옥사논 고분자의 열 안정성은 촉매로 사용한 stannous octoate {Sn(II) ethylhexanoate, Sn(Oct)2, [CH3(CH2)3CH(C2H5)COO]2Sn} 함량과 반비례 관계에 있었다. 모노필라멘트 봉합사용 폴리다이옥사논 고분자의 중합특성과 열 안정성을 고려할 때 개시제로서 라우릴 알코올과 촉매로서 stannous octoate의 적절한 함량은 각각 1600~1900 과 20~30 ppm 으로 판단된다. 반결정화 시간에 근거하여 분석할 때, 안료를 일정량 투입한 폴리다이옥사논 chip과 이를 이용하여 제조한 모노필라멘트 봉합사의 경우, 안료를 투입하지 않은 시료에 비해 결정화 속도가 빠르게 분석되었다. 안료 투입 여부에 따라 최대 결정화 속도를 나타내는 온도에서도 차이가 있었는데 안료를 투입한 시료의 경우에 있어서는 40~50℃ 범위에서 가장 빠른 결정화속도를 나타내는 반면, 안료 미 투입 시료의 경우에 있어서는 50~60℃ 범위에서 가장 빠른 결정화 속도를 나타내었다. 또, 결정핵의 성장과 관련 있는 Avrami 지수는 온도에 관계없이 약 2.5로 분석되어 PPDO 고분자의 경우 결정핵이 3차원적으로 성장한다고 판단된다. 기존에 존재하는 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 유연성 (취급용이성)을 개선하기 위하여, 복합방사에 의한 해(海)-도(島) 형태의 복합성분 모노필라멘트 봉합사를 제조하였다. 해 성분은 순수한 폴리다이옥사논 고분자로 구성되어 있고, 도 성분은 부피비로 90:9:1의 폴리다이옥사논 (PPDO)-트리메틸카보네이트 (PTMC)-카프로락톤 (PCL)의 공중합제로 구성되어 있으며, 해성분과 도성분의 전체 구성비는 부피비로 70:30이다. 단일성분 모노필라멘트 봉합사와 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 생체외 (in vitro) 가수분해 특성을 분석하기 위하여 pH 7.4의 인산 완충용액을 사용 29, 33, 37, 40 ℃의 각각 다른 온도에서 약 4 개월 (118 일) 동안 가수분해 시켰다. 이 들 봉합사의 가수분해 특성은 인장특성, 분자량, 구조 및 조성, 내부구조, 열적특성, 수소이온농도의 변화를 시간과 온도의 함수로 분석하였는데, 이를 위하여 인장시험기, 젤 투과 크로마토그래프, 핵 자기 공명 분광분석기, 전자현미경 과 광학현미경, 그리고 pH 미터를 각각 사용하였다. 복합성분 모노필라멘트 봉합사 (MF suture)가 기존의 단일성분 모노필라멘트 봉합사 (PDSⓇII suture)에 비하여 우수한 유연성을 나타내었고, 이들 봉합사의 가수분해 경향도 다르게 분석되었는데, 이것은 두 봉합사의 화학구조와 결정화도의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 모노필라멘트 봉합사의 가수분해 특성은 온도의존성이 강하게 나타났다. 인장강도 유지율의 경우 가수분해 초기에는 서서히 감소하다가 일정 시간이 지나면 급격하게 감소하였는데, 폴리다이옥사논 모노필라멘트 봉합사의 경우 2단계로 가수분해가 진행된다고 할 수 있다. 따라서 가수분해 초기에는 매개체 등의 침입이 용이한 무정형영역 또는 배향이 덜 진행된 부분에서 우선적으로 분해가 일어나지만, 가수분해 시간이 지남에 따라 결정영역에서도 분해가 진행되어 전체적으로 분해속도가 빨라지는 것으로 판단된다. 두 종류 봉합사의 4 주 (28 일) 강력유지율을 비교해보면, 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 경우 초기 인장강도의 약 80 % 로 분석되었고, 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 경우에는 약 70 % 로 분석되었다. 분자량의 변화의 경우 in vitro 가수분해 시간에 따라 거의 직선적으로 분자량이 감소되었다. 4주 분자량유지율을 비교해 보면, 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 경우 초기 분자량의 약 80 % 를 유지하고 있었으며, 복합성분 모노필랍멘트 봉합사의 경우에는 약 65 % 을 유지하고 있었다. 강력유지율과 분자량과의 상관관계를 살펴보면, 단일성분 모노필라멘트 봉합사의 경우에는 분자량이 강력유지율과 직선적인 관계를 나타낸 반면, 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 경우에는 분자량의 역수와 강력유지율이 직선적인 관계를 나타내었다. 분해시간에 따른 단일성분 모노필라멘트 봉합사와 복합성분 모노필라멘트 봉합사의 파라다이옥사논 (p-dioxanone) 모노머 함량은 두 봉합사 모두 비 직선적으로 증가하였는데, 증가되는 경향은 다르게 나타났다. 형태관찰을 통해, 폴리다이옥사논 모노필라멘트 봉합사의 경우 두 가지 다른 내부결정구조를 가지고 있음을 볼 수 있었는데, 모노필라멘트 봉합사의 안쪽부분은 결정화가 많이 진행되어 있는 반면, 바깥부분은 결정화가 덜 진행되어 있었다. 이것은 제조공정상의 열이력에 기인된 것으로 판단된다. 가수분해 시간과 더불어 모노필라멘트 봉합사의 표면에 일종의 결정성 물질을 관찰할 수 있었고, 가수분해가 계속됨에 따라 봉합사의 섬유 축 방향과 직각방향으로 균열이 발생하는 것을 볼 수 있었으며, 내부에 흰색 반점이 관찰되기도 하였다. 가수분해시간과 더불어 모노필라멘트 봉합사의 융점, 결정화도 및 결정화속도는 증가하는 경향을 나타내다가, 일정한 시간이 지나면 이들 특성이 감소하였다. 수소이온농도도 가수분해 시간과 더불어 증가하여, pH 가 서서히 낮아졌는데, 이것은 가수분해와 더불어 분해물질로 산성의 저분자량물질이 생성되었음을 의미한다.
A series of [poly(1,4-dioxane-2-one), poly(p-dioxanone), PPDO] polymers were prepared by varying initiator content, catalyst content, and by including or not including pigment (dyed vs. undyed). The bulk polymerization and physicochemical properties, such as structure and composition, molecular weig...
A series of [poly(1,4-dioxane-2-one), poly(p-dioxanone), PPDO] polymers were prepared by varying initiator content, catalyst content, and by including or not including pigment (dyed vs. undyed). The bulk polymerization and physicochemical properties, such as structure and composition, molecular weight, thermal stability, crystallization speed, melt viscosity, and intrinsic viscosity were studied using a 1H NMR and FTIR, GPC, TGA, DSC, Rheometer and Melt indexer, and Viscometer, respectively. The degree of PPDO polymerization decreased as the content of the initiator, lauryl alcohol[CH3(CH2)11OH], increased. The thermal stability of the PPDO was inversely proportional to the content of the catalyst, stannous octoate {Sn(II) ethylhexanoate, Sn(Oct)2, [CH3(CH2)3CH(C2H5) COO]2Sn}. Considering the efficiency of polymerization and the thermal stability of the PPDO, the proper contents of lauryl alcohol as an initiator and stannous octoate as a catalyst were 1600~1900 and 20~30 ppm, respectively. Based on the determination of the half crystallization time, the crystallization speeds of dyed PPDO chips and dyed monofilament sutures were faster than those of undyed PPDO chips and undyed monofilament sutures. The maximum rates of crystallization of the dyed and undyed samples were observed at around 40~50 and 50~60 ℃, respectively. The values of Avrami exponent, n, were relatively constant at around 2.5 for all temperatures investigated, indicating the crystal growth is three-dimensional. A sea-island type bicomponent monofilament suture was prepared by the conjugate spinning method to improve the flexibility of the existing homopolymer monofilament suture (PDSⓇII suture). Pure PPDO was used as a sea component and the content of the sea was 70 % by volume. Terpolymer of poly(p-dioxanone-co-trimethylenecarbonate-co- ε-caprolactone) was used as an island component and the content of the island component (90:9:1) was 30 % by volume and the number of islands was eight. The in vitro hydrolytic degradation behavior of those sutures were also studied in a phosphate buffer solution of pH 7.4 at different temperatures of 29, 33, 37, and 45 ℃ over a 16-week (118 days) period under shaking conditions. The degradation properties of those sutures were evaluated by analyzing the changes in the tensile properties, molecular weight, structure and composition, morphology, thermal properties, and pH using a Tensile tester, GPC, 1H NMR, SEM and OM, DSC, and pH meter, respectively. The bicomponent monofilament suture (MF suture) was more flexible and more easily degradable than the homopolymer suture (PDSⓇII suture), and the degradation patterns of the PDSⓇII and MF sutures were a little different. The main explanation for this behavior can be attributed to chemical structure of polymers and crystallinity. The degradation properties of the monofilament sutures are strongly temperature dependent. At the beginning of the in vitro time, the tensile strength of the monofilament sutures decreased slowly but decreased considerably after a certain period, indicating that the degradation proceeded in two steps, the first occurring in the amorphous regions and the second in the crystalline regions. After 4 weeks (28 days), the breaking strength retention (BSR) of the PDSⓇII and MF sutures were approximately 80 and 70 % of their initial tensile strengths, respectively. The molecular weight of the sutures decreased continuously from the beginning of the in vitro time and followed a first order behavior, due to the random nature of the degradation process. After 4 weeks (28 days), the molecular weight retention of the PDSⓇII and MF sutures were approximately 80 and 65 % of their initial molecular weights, respectively. The relationship between the BSR and 1/Mn and 1/Mw of the PDSⓇII and MF sutures exhibited a linear curve and an involution curve, respectively. The increase of the PDO monomer content of the PDSⓇII and MF sutures exhibited a non-linear dependence on the degradation medium with the in vitro time, but the patterns were also different. From the image analyses, we could observe that the monofilament suture has two different physical states. The outer was a more crystallized region and the inner was a less crystallized region due to the different thermal history. And, as the degradation time exposed to the buffer solution increased, a kind of crystalline material could be seen on the surface of the suture. We could also observe the forma- tion of small cracks perpendicular to the orientation direction of the suture surface as well as the formation of a white spot in the middle of the filament as the degradation continued. The melting point, crystallinity, and crystallization speed of the monofilament sutures increased for a certain period of in vitro time, but after a certain period of time, those properties decreased with time. The pH in the buffer solution was reduced with the hydrolysis time, indicating that some acidic species with low molecular weights are generated as degradation products.
A series of [poly(1,4-dioxane-2-one), poly(p-dioxanone), PPDO] polymers were prepared by varying initiator content, catalyst content, and by including or not including pigment (dyed vs. undyed). The bulk polymerization and physicochemical properties, such as structure and composition, molecular weight, thermal stability, crystallization speed, melt viscosity, and intrinsic viscosity were studied using a 1H NMR and FTIR, GPC, TGA, DSC, Rheometer and Melt indexer, and Viscometer, respectively. The degree of PPDO polymerization decreased as the content of the initiator, lauryl alcohol[CH3(CH2)11OH], increased. The thermal stability of the PPDO was inversely proportional to the content of the catalyst, stannous octoate {Sn(II) ethylhexanoate, Sn(Oct)2, [CH3(CH2)3CH(C2H5) COO]2Sn}. Considering the efficiency of polymerization and the thermal stability of the PPDO, the proper contents of lauryl alcohol as an initiator and stannous octoate as a catalyst were 1600~1900 and 20~30 ppm, respectively. Based on the determination of the half crystallization time, the crystallization speeds of dyed PPDO chips and dyed monofilament sutures were faster than those of undyed PPDO chips and undyed monofilament sutures. The maximum rates of crystallization of the dyed and undyed samples were observed at around 40~50 and 50~60 ℃, respectively. The values of Avrami exponent, n, were relatively constant at around 2.5 for all temperatures investigated, indicating the crystal growth is three-dimensional. A sea-island type bicomponent monofilament suture was prepared by the conjugate spinning method to improve the flexibility of the existing homopolymer monofilament suture (PDSⓇII suture). Pure PPDO was used as a sea component and the content of the sea was 70 % by volume. Terpolymer of poly(p-dioxanone-co-trimethylenecarbonate-co- ε-caprolactone) was used as an island component and the content of the island component (90:9:1) was 30 % by volume and the number of islands was eight. The in vitro hydrolytic degradation behavior of those sutures were also studied in a phosphate buffer solution of pH 7.4 at different temperatures of 29, 33, 37, and 45 ℃ over a 16-week (118 days) period under shaking conditions. The degradation properties of those sutures were evaluated by analyzing the changes in the tensile properties, molecular weight, structure and composition, morphology, thermal properties, and pH using a Tensile tester, GPC, 1H NMR, SEM and OM, DSC, and pH meter, respectively. The bicomponent monofilament suture (MF suture) was more flexible and more easily degradable than the homopolymer suture (PDSⓇII suture), and the degradation patterns of the PDSⓇII and MF sutures were a little different. The main explanation for this behavior can be attributed to chemical structure of polymers and crystallinity. The degradation properties of the monofilament sutures are strongly temperature dependent. At the beginning of the in vitro time, the tensile strength of the monofilament sutures decreased slowly but decreased considerably after a certain period, indicating that the degradation proceeded in two steps, the first occurring in the amorphous regions and the second in the crystalline regions. After 4 weeks (28 days), the breaking strength retention (BSR) of the PDSⓇII and MF sutures were approximately 80 and 70 % of their initial tensile strengths, respectively. The molecular weight of the sutures decreased continuously from the beginning of the in vitro time and followed a first order behavior, due to the random nature of the degradation process. After 4 weeks (28 days), the molecular weight retention of the PDSⓇII and MF sutures were approximately 80 and 65 % of their initial molecular weights, respectively. The relationship between the BSR and 1/Mn and 1/Mw of the PDSⓇII and MF sutures exhibited a linear curve and an involution curve, respectively. The increase of the PDO monomer content of the PDSⓇII and MF sutures exhibited a non-linear dependence on the degradation medium with the in vitro time, but the patterns were also different. From the image analyses, we could observe that the monofilament suture has two different physical states. The outer was a more crystallized region and the inner was a less crystallized region due to the different thermal history. And, as the degradation time exposed to the buffer solution increased, a kind of crystalline material could be seen on the surface of the suture. We could also observe the forma- tion of small cracks perpendicular to the orientation direction of the suture surface as well as the formation of a white spot in the middle of the filament as the degradation continued. The melting point, crystallinity, and crystallization speed of the monofilament sutures increased for a certain period of in vitro time, but after a certain period of time, those properties decreased with time. The pH in the buffer solution was reduced with the hydrolysis time, indicating that some acidic species with low molecular weights are generated as degradation products.
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