최근 바다거북이 코에 플라스틱 빨대가 박힌 채 신음하고, 북극곰이 플라스틱을 뜯어 먹고 있는 현장 사진이 전 세계적으로 이슈를 일으킨 바 있다. 이처럼 비분해성 플라스틱의 환경파괴 문제가 점차 대두됨에 따라, 사회·정치적으로 생분해성을 지닌 고분자를 대체 소재로 사용하자는 의견이 제기되고 있다. 생분해성 고분자(Biodegradable ...
최근 바다거북이 코에 플라스틱 빨대가 박힌 채 신음하고, 북극곰이 플라스틱을 뜯어 먹고 있는 현장 사진이 전 세계적으로 이슈를 일으킨 바 있다. 이처럼 비분해성 플라스틱의 환경파괴 문제가 점차 대두됨에 따라, 사회·정치적으로 생분해성을 지닌 고분자를 대체 소재로 사용하자는 의견이 제기되고 있다. 생분해성 고분자(Biodegradable polymer)는 생체 내에서 분해가 가능하다는 큰 장점을 가지고 있기 때문에, 이전부터 체내 이식용 생체재료(Biomaterials)로 많이 사용되어왔다. 하지만 생분해성 고분자는 비분해성 고분자나 다른 소재에 비해 현저히 낮은 기계적 물성(Mechanical properties)을 가지고 있다. 이로 인해 현재 다양한 산업분야에서 활용되지 못하고 있고 생체재료로써 사용되는 경우에도 이식부위의 확장에 제한이 있다는 것이 큰 한계점으로 지적된다. 특히, 현재 이식용 의료기기를 위한 생체재료로써 가장 많이 사용하고 있는 생분해성 고분자 중 하나가 바로 폴리락티드(Polylactide, PLA)이다. 폴리락티드는 생분해성 열가소성 폴리에스터로써 주로 옥수수나 사탕수수와 같은 식물성 전분으로 만들 수 있는 친환경적 소재이며, 자연 상태에서 L-형과 D-형 두 종류의 거울상 이성질체를 가진다. 폴리락티드는 다른 생분해성 고분자들에 비해 상대적으로 높은 생체적합성, 생분해도, 기계적 및 열적 강도, 가공성을 지니고 있다. 그러나 여전히 비분해성 고분자보다 낮은 기계적 및 열적 강도를 지니고 있고, 결정화 속도가 매우 느리기 때문에 척추나 두개골, 무릎과 같이 높은 하중을 견뎌야 하는 부위에 이식용 소재로 활용하기가 매우 어렵다. 따라서, 본 연구는 기존 생분해성 고분자의 한계점으로 여겨온 기계적 및 열적 강도, 결정화도와 같은 물성을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 또한, 생체적합성이나 가공성, 마이크로 단위의 표면 형태와 같은 특성들이 크게 발전된 폴리락티드 기반의 생분해성 고분자 지지체를 개발하고자 연구를 수행하였다. 그리고 이러한 목표를 달성하기 위해 두 가지 접근법으로 연구를 진행함으로써 기존의 연구들보다 기계적 물성이 크게 향상된 생분해성 고분자 소재를 개발할 수 있었다. 먼저 첫 번째 파트에서는 생분해성 고분자의 기계적 강도를 향상시키기 위해 가공방법을 통한 접근법으로 실험을 수행하였다. 이는 고분자 소재의 합성 이후에 2차 가공을 통한 물성 향상법이다. 본 연구에서는 고상연신 (Solid-state drawing), 형상어닐링 (Shaped-annealing process), 용융튜브연신 (Melt-tube drawing)이라는 새로운 가공 방법들을 고안함으로써 그 물성에 대한 향상 효과를 입증하였다. 특히, 고상연신을 통해 가공한 경우, 가공 전보다 최대 9배 이상의 인장강도가 향상되는 효과를 확인할 수 있었다. 그리고 형상어닐링과 용융튜브연신으로 가공한 생분해성 고분자 지지체의 경우, 기계적 강도가 향상되었을 뿐만 아니라 스텐트와 같이 혈관 이식용 지지체로써 사용하기 위해 지녀야 할 중요한 특성인 형태회복률에 있어서도 우수한 결과를 입증하였다. 따라서 본 연구에서 고안한 가공 방법들은 혈관 내에 이식하는 장치를 개발하기 위해 효과적인 가공법임을 증명할 수 있었다. 두 번째 파트에서는 생분해성 고분자 소재가 지닌 본래의 기계적 강도를 향상시키기 위해, 합성방법을 통한 접근법으로 실험을 수행하였다. 이는 단량체중합 또는 고분자 간의 합성 단계에서 결정 배열 및 결정핵 생성을 조절함으로써 높은 결정화도를 유도하여 기계적 강도를 향상시키는 방법이다. 또한, 매트릭스 고분자에 필러를 첨가한 컴포짓(Composite)을 만듦으로써 기계적 강도를 향상시킬 수 있었다. 이러한 방법을 통해 기존 소재보다 최대 두 배 이상 기계적 강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 요컨대 본 연구에서는 두 가지 접근법을 통하여 다양한 강도 향상 방법들을 새롭게 제시함으로써 생분해성 고분자의 기계적 물성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 증명하였다. 이는 기존 생분해성 고분자 소재의 큰 한계점으로 지적되어 온 낮은 기계적 물성에 대한 문제를 해결할 수 있는 대안을 제시한다는 데 시사점이 있다. 또한, 이와 같은 연구 결과를 토대로 생분해성 고분자를 기반으로 한 생체재료의 이식 범위를 확장시킬 수 있고, 생분해성 고분자의 산업용 소재 활용도를 크게 확대시킬 수 있다. 즉, 본 연구의 결과를 통해 현재 전세계적으로 문제가 되고 있는 비분해성 고분자의 대체재로서 생분해성 고분자가 성공적으로 활용될 수 있도록 기여했다는 점에 연구의 의의가 있다.
최근 바다거북이 코에 플라스틱 빨대가 박힌 채 신음하고, 북극곰이 플라스틱을 뜯어 먹고 있는 현장 사진이 전 세계적으로 이슈를 일으킨 바 있다. 이처럼 비분해성 플라스틱의 환경파괴 문제가 점차 대두됨에 따라, 사회·정치적으로 생분해성을 지닌 고분자를 대체 소재로 사용하자는 의견이 제기되고 있다. 생분해성 고분자(Biodegradable polymer)는 생체 내에서 분해가 가능하다는 큰 장점을 가지고 있기 때문에, 이전부터 체내 이식용 생체재료(Biomaterials)로 많이 사용되어왔다. 하지만 생분해성 고분자는 비분해성 고분자나 다른 소재에 비해 현저히 낮은 기계적 물성(Mechanical properties)을 가지고 있다. 이로 인해 현재 다양한 산업분야에서 활용되지 못하고 있고 생체재료로써 사용되는 경우에도 이식부위의 확장에 제한이 있다는 것이 큰 한계점으로 지적된다. 특히, 현재 이식용 의료기기를 위한 생체재료로써 가장 많이 사용하고 있는 생분해성 고분자 중 하나가 바로 폴리락티드(Polylactide, PLA)이다. 폴리락티드는 생분해성 열가소성 폴리에스터로써 주로 옥수수나 사탕수수와 같은 식물성 전분으로 만들 수 있는 친환경적 소재이며, 자연 상태에서 L-형과 D-형 두 종류의 거울상 이성질체를 가진다. 폴리락티드는 다른 생분해성 고분자들에 비해 상대적으로 높은 생체적합성, 생분해도, 기계적 및 열적 강도, 가공성을 지니고 있다. 그러나 여전히 비분해성 고분자보다 낮은 기계적 및 열적 강도를 지니고 있고, 결정화 속도가 매우 느리기 때문에 척추나 두개골, 무릎과 같이 높은 하중을 견뎌야 하는 부위에 이식용 소재로 활용하기가 매우 어렵다. 따라서, 본 연구는 기존 생분해성 고분자의 한계점으로 여겨온 기계적 및 열적 강도, 결정화도와 같은 물성을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 또한, 생체적합성이나 가공성, 마이크로 단위의 표면 형태와 같은 특성들이 크게 발전된 폴리락티드 기반의 생분해성 고분자 지지체를 개발하고자 연구를 수행하였다. 그리고 이러한 목표를 달성하기 위해 두 가지 접근법으로 연구를 진행함으로써 기존의 연구들보다 기계적 물성이 크게 향상된 생분해성 고분자 소재를 개발할 수 있었다. 먼저 첫 번째 파트에서는 생분해성 고분자의 기계적 강도를 향상시키기 위해 가공방법을 통한 접근법으로 실험을 수행하였다. 이는 고분자 소재의 합성 이후에 2차 가공을 통한 물성 향상법이다. 본 연구에서는 고상연신 (Solid-state drawing), 형상어닐링 (Shaped-annealing process), 용융튜브연신 (Melt-tube drawing)이라는 새로운 가공 방법들을 고안함으로써 그 물성에 대한 향상 효과를 입증하였다. 특히, 고상연신을 통해 가공한 경우, 가공 전보다 최대 9배 이상의 인장강도가 향상되는 효과를 확인할 수 있었다. 그리고 형상어닐링과 용융튜브연신으로 가공한 생분해성 고분자 지지체의 경우, 기계적 강도가 향상되었을 뿐만 아니라 스텐트와 같이 혈관 이식용 지지체로써 사용하기 위해 지녀야 할 중요한 특성인 형태회복률에 있어서도 우수한 결과를 입증하였다. 따라서 본 연구에서 고안한 가공 방법들은 혈관 내에 이식하는 장치를 개발하기 위해 효과적인 가공법임을 증명할 수 있었다. 두 번째 파트에서는 생분해성 고분자 소재가 지닌 본래의 기계적 강도를 향상시키기 위해, 합성방법을 통한 접근법으로 실험을 수행하였다. 이는 단량체 중합 또는 고분자 간의 합성 단계에서 결정 배열 및 결정핵 생성을 조절함으로써 높은 결정화도를 유도하여 기계적 강도를 향상시키는 방법이다. 또한, 매트릭스 고분자에 필러를 첨가한 컴포짓(Composite)을 만듦으로써 기계적 강도를 향상시킬 수 있었다. 이러한 방법을 통해 기존 소재보다 최대 두 배 이상 기계적 강도가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 요컨대 본 연구에서는 두 가지 접근법을 통하여 다양한 강도 향상 방법들을 새롭게 제시함으로써 생분해성 고분자의 기계적 물성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 증명하였다. 이는 기존 생분해성 고분자 소재의 큰 한계점으로 지적되어 온 낮은 기계적 물성에 대한 문제를 해결할 수 있는 대안을 제시한다는 데 시사점이 있다. 또한, 이와 같은 연구 결과를 토대로 생분해성 고분자를 기반으로 한 생체재료의 이식 범위를 확장시킬 수 있고, 생분해성 고분자의 산업용 소재 활용도를 크게 확대시킬 수 있다. 즉, 본 연구의 결과를 통해 현재 전세계적으로 문제가 되고 있는 비분해성 고분자의 대체재로서 생분해성 고분자가 성공적으로 활용될 수 있도록 기여했다는 점에 연구의 의의가 있다.
Over the past few decades, ill effects of non-degradable plastics on environment have created a cause for concern all over the world. The recent photographs of a sea turtle groaning with a plastic straw stuck in its nose, and a polar bear eating plastics have once again stirred up this issue globall...
Over the past few decades, ill effects of non-degradable plastics on environment have created a cause for concern all over the world. The recent photographs of a sea turtle groaning with a plastic straw stuck in its nose, and a polar bear eating plastics have once again stirred up this issue globally. Consequently, the issue of environmental destruction caused by non-degradable plastics has gradually emerged and as a result, voices have been raised in both social and political contexts to replace them with biodegradable alternatives. Biodegradable polymers have long been used as biomaterials for implantation in human body, because of their ability to degrade in a living body. However, biodegradable polymers have noticeably lower mechanical strength compared to non-degradable polymers or other materials including metals. This has limited their use for industrial applications, and even when they are used as biomaterials. Polylactide (PLA) is the most widely used biodegradable polymer as a biomaterial in biomedical implants. PLA is biodegradable thermoplastic polyester and an environment-friendly material that can be made from vegetable starch such as corn or sugarcane starch. In the natural state, it has two types of enantiomers, L-type and D-type. PLA has relatively high biocompatibility, biodegradability, mechanical and thermal strengths, and processability when compared to other biodegradable polymers. However, it still has lower mechanical and thermal strengths than non-degradable polymers, and the crystallization speed is very low. Therefore, it is difficult to use it as an implant material at the body parts that need to endure high loads, such as spine, skull, and knee. This study was conducted with the aim to improve those properties of biodegradable polymers such as mechanical and thermal strengths and degree of crystallization, which have restricted their use in industrial applications. Furthermore, this study aimed to develop PLA-based biodegradable polymer support having greatly enhanced properties such as biocompatibility, processability, and micro-unit surface shape. To accomplish these goals, two approaches were followed to develop a biodegradable polymer material having greatly improved mechanical properties compared to the previously existing materials. In the first part, experiments were conducted using an approach based on the processing method to improve the mechanical strength of the biodegradable polymer. This method improved the properties through secondary processing after synthesizing the polymer material. This study devised new processing methods called solid-state drawing, shaped-annealing process, and melt-tube drawing, and confirmed an improvement in the properties of the polymer material. The solid-state drawing in particular, increased the material’s tensile strength by more than nine times. In the case of biodegradable polymer support processed based on the shaped-annealing process and the melt-tube drawing, it was observed that not only the mechanical strength improved, but great improvement also resulted in the shape recovery rate, which is an important property to possess when the material is used as a support for blood vessel implant such as a stent. Therefore, it is verified that the processing methods devised in this study are effective methods for developing an implantable device in blood vessels. In the second part, experiments were performed using an approach based on the synthesis and polymerization method to improve the original mechanical strength of biodegradable polymer material. The resultant method improved the mechanical strength by inducing high degree of crystallization achieved by controlling the crystal arrangement and crystal nucleus generation in the polymerization stage. The mechanical strength could further be improved by making a composite whereby a filler is added to matrix polymer. The results of this experiment confirmed that the mechanical strength improved by more than two times when the polymer material was synthesized using the method developed in this study, when compared to the conventional materials. In conclusion, this study proposed various new strength enhancement methods through the two approaches, and confirmed that the mechanical properties of biodegradable polymers could be effectively improved. This has a significant implication in that alternative solutions are provided to solve the problems regarding low mechanical properties, which have been pointed out as a big limitation of conventional biodegradable polymer materials. Furthermore, based on the results of this study, the implant range of biodegradable polymer-based biomaterial, and the usability of biodegradable polymers as industrial materials can be greatly expanded. In other words, this study is significant in that its results can contribute to successful use of biodegradable polymers as substitutes of non-degradable polymers, which have become a threat to the global environment.
Over the past few decades, ill effects of non-degradable plastics on environment have created a cause for concern all over the world. The recent photographs of a sea turtle groaning with a plastic straw stuck in its nose, and a polar bear eating plastics have once again stirred up this issue globally. Consequently, the issue of environmental destruction caused by non-degradable plastics has gradually emerged and as a result, voices have been raised in both social and political contexts to replace them with biodegradable alternatives. Biodegradable polymers have long been used as biomaterials for implantation in human body, because of their ability to degrade in a living body. However, biodegradable polymers have noticeably lower mechanical strength compared to non-degradable polymers or other materials including metals. This has limited their use for industrial applications, and even when they are used as biomaterials. Polylactide (PLA) is the most widely used biodegradable polymer as a biomaterial in biomedical implants. PLA is biodegradable thermoplastic polyester and an environment-friendly material that can be made from vegetable starch such as corn or sugarcane starch. In the natural state, it has two types of enantiomers, L-type and D-type. PLA has relatively high biocompatibility, biodegradability, mechanical and thermal strengths, and processability when compared to other biodegradable polymers. However, it still has lower mechanical and thermal strengths than non-degradable polymers, and the crystallization speed is very low. Therefore, it is difficult to use it as an implant material at the body parts that need to endure high loads, such as spine, skull, and knee. This study was conducted with the aim to improve those properties of biodegradable polymers such as mechanical and thermal strengths and degree of crystallization, which have restricted their use in industrial applications. Furthermore, this study aimed to develop PLA-based biodegradable polymer support having greatly enhanced properties such as biocompatibility, processability, and micro-unit surface shape. To accomplish these goals, two approaches were followed to develop a biodegradable polymer material having greatly improved mechanical properties compared to the previously existing materials. In the first part, experiments were conducted using an approach based on the processing method to improve the mechanical strength of the biodegradable polymer. This method improved the properties through secondary processing after synthesizing the polymer material. This study devised new processing methods called solid-state drawing, shaped-annealing process, and melt-tube drawing, and confirmed an improvement in the properties of the polymer material. The solid-state drawing in particular, increased the material’s tensile strength by more than nine times. In the case of biodegradable polymer support processed based on the shaped-annealing process and the melt-tube drawing, it was observed that not only the mechanical strength improved, but great improvement also resulted in the shape recovery rate, which is an important property to possess when the material is used as a support for blood vessel implant such as a stent. Therefore, it is verified that the processing methods devised in this study are effective methods for developing an implantable device in blood vessels. In the second part, experiments were performed using an approach based on the synthesis and polymerization method to improve the original mechanical strength of biodegradable polymer material. The resultant method improved the mechanical strength by inducing high degree of crystallization achieved by controlling the crystal arrangement and crystal nucleus generation in the polymerization stage. The mechanical strength could further be improved by making a composite whereby a filler is added to matrix polymer. The results of this experiment confirmed that the mechanical strength improved by more than two times when the polymer material was synthesized using the method developed in this study, when compared to the conventional materials. In conclusion, this study proposed various new strength enhancement methods through the two approaches, and confirmed that the mechanical properties of biodegradable polymers could be effectively improved. This has a significant implication in that alternative solutions are provided to solve the problems regarding low mechanical properties, which have been pointed out as a big limitation of conventional biodegradable polymer materials. Furthermore, based on the results of this study, the implant range of biodegradable polymer-based biomaterial, and the usability of biodegradable polymers as industrial materials can be greatly expanded. In other words, this study is significant in that its results can contribute to successful use of biodegradable polymers as substitutes of non-degradable polymers, which have become a threat to the global environment.
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