[논문]동결/융해와 방사선 가교법에 의한 PVA/CMC 수화젤의 제조 및 특성 평가

조선영; 임윤묵; 윤민호; 권희정; 박종석; 노영창; 신흥수

[국내논문] 동결/융해와 방사선 가교법에 의한 PVA/CMC 수화젤의 제조 및 특성 평가
Fabrication and Characterization of PVA/CMC Hydrogels by Freezing-Thawing Technique and Gamma-Ray Irradiation 원문보기

폴리머 = Polymer (Korea), v.33 no.6, 2009년, pp.551 - 554

조선영 (한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 방사선공업환경연구부) , 임윤묵 (한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 방사선공업환경연구부) , 윤민호 (한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 방사선공업환경연구부) , 권희정 (한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 방사선공업환경연구부) , 박종석 (한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 방사선공업환경연구부) , 노영창 (한국원자력연구원 정읍 방사선과학연구소 방사선공업환경연구부) , 신흥수 (한양대학교 대학원 생명공학과)

초록
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Poly(vinyl alcohol) (PVA)와 carboxymethyl cellulose sodium salt(CMC)는 우수한 생체적합성 및 수용성으로 인하여 생체의학 분야에서 주목하는 재료 중 하나이다. 본 연구에서는 PVA와 CMC를 동결/융해 과정과 감마선 조사에 의하여 인공연골로서 사용 가능한 수화젤을 제조하였다. 수화젤 제조시 PVA/CMC의 농도는 PVA는 7 wt%, CMC는 4 wt%로 고정시켰으며, 동결/융해 과정은 2회 반복하였으며, 감마선은 30 kGy조사하였다. 방사선 조사 전과 후의 겔화율은 눈에 띄는 차이는 보이지 않았으나 팽윤도는 조사 후에 감소하였으며, 겔강도는 증가하였다.CCK-8 assay에 의하여 세포독성이 없는 것으로 확인되었다. 제조된 PVA/CMC 수화젤은 체내에 삽입되는 인공연골 재료로서 사용가능성을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Poly (vinyl alcohol) (PVA) and carboxymethyl cellulose (CMC) have received increasing attention in biomedical and biochemical applications because of their properties such as being water-soluble and biocompatible. In this study, a PVA/CMC hydrogel applicable to artificial cartilage was prepared by a freezing-thawing technique and a gamma-ray irradiation. The solid concentration of PVA was 7 wt% and the concentration of CMC was 4 wt%. The freezing/thawing process was repeated twice and the dose of gamma-ray irradiated was 30 kGy. Results of gelation before and after gamma-ray irradiation were similar, but the swelling degree decreased and compressive strength increased. The cytotoxicity was investigated with CCK-8 assay.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 우수한 기계적 물성을 가지고 있어 다양한 수화 젤과 막의 제조에 자주 이용되는 PVA와 무독성, 생분해성 및 생체적합성을 가지고 있어 수화젤의 원료나 동종이식 전달체로서 의학적으로도 널리 사용되는 천연고분자 CMC를이용하여 PVA/CMC 혼합수용액으로 생체 친화성이 높은 수화젤을 제조하고자 하였다 혼합수용액 중 PVA는 동결/융해과정을 통하여 물리적으로 가교가 일어나는 성질을 13, 14 가지고 있어, 2회 반복하여 물리적인 기교를 수행하였으며, 가교된 PVA/CMC는 방사선(6℃o 감마선) 조사에 의하여 생성되는 라디칼을 이용하여 화학적 가교와 멸균과정을 동시에 수행하였다. 최종적으로 제조된 수화젤의 인공 연골 대체물로서의 적합성을 평가하기 위하여 감마선 조사 전후의 물성을 팽윤도 겔화율, 겔강도 등을 관찰하였다.
압축강도 측정 시 크로스 헤드(cross head) 속도는 10 mm/min이였으며, 시편이 50% 변형이 이루어질 때의 값을 측정하였다. 감마선 조사 전의 수화젤 강도를 대조군으로 하여 감마선이 겔의 강도에 미치는 영향을 연구했다

제안 방법

최종적으로 제조된 수화젤의 인공 연골 대체물로서의 적합성을 평가하기 위하여 감마선 조사 전후의 물성을 팽윤도 겔화율, 겔강도 등을 관찰하였다.
2)는 Sigma-Aldrich(USA)에서 구매하였다 사용된 PVA 는 정제 과정 없이 사용되었으며, 물은 3차 증류수를 사용했다 세포독성 실험에서는 L-929 (10001, KCLB) 세포를 사용했으며, 사용된 배지는 10% Featal Bovine Serum(FBS, GIBCO, USA) 와 1% Penicillin-streptomycin (P/S, GIBCO, USA)가 첨가된 Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM, GIBCO, USA) 을 사용하였다. 배양된 세포 처리 시 trypsin—EDTA (GIBCO, USA) 와 phosphate buffered saline (PBS, GIBCO, USA)를 사용하였으며 , 세포독성평가는 Cell counting kit-8 (CCK-8, Dojindo, Japan)을 사용하였다.
균일하게 혼합된 수용액에 CMC를 4 wt%를 넣고 75 ℃에서 역시 균일하게 혼합한 후 기포가 없어질 때까지 같은 온도를 유지한다 이때 수용액을 공기에 노출되지 않도록 한다. 제조된 PVA/CMC 용액을 각각 페트리 접시(50 mmX12 mm)와 사각 접시(9.5 mmX 9.5 mm) 에 부어 모양을 만들었다.
접시에 부은 고분자 용액을 동결/융해에 의한 물리적 가교 후 방사선 조사에 의한 화학가교 하는 방법을 이용하여 수화젤을 제조하였다 동결/융해에 의한 물리적 가교는 PVA/CMC 용액을 -76 ℃에서 급속냉동시킨 후 상온에서 해동하는 과정을 거쳤다. 이 과정을 2회 거친 후 30 kGy (선량률; 10 kGy/h, MDS Nordion, Canada, IR 221 n wet storage type C-188, 한국원자력연구원 정읍 방사선 과학연구소)의 감마선(⁶⁰CO)을 조사하였다.
후 상온에서 해동하는 과정을 거쳤다. 이 과정을 2회 거친 후 30 kGy (선량률; 10 kGy/h, MDS Nordion, Canada, IR 221 n wet storage type C-188, 한국원자력연구원 정읍 방사선 과학연구소)의 감마선(⁶⁰CO)을 조사하였다.¹⁶
겔화율 측정과 마찬가지로 건조된 겔을 상온에서 증류수에 침지시킨 후 시간 경과에 따른 무게변화를 평형에 이를 때까지 측정하였다. 팽윤도는 식 (2)에 니타낸 바와 같이 팽윤된 겔의 무게(W_s)와 건조된 겔의 무게(W_{제조된 수화젤의 강도를 알아보기 위하여 압축강도를 측정하였다. 수화젤의 강도는 INSTRON 55690nstron Co.}

수화젤의 강도는 INSTRON 55690nstron Co., USA)를 이용하여 상온에서 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정을 위한 수화 젤의 시편 두께는 4.

5 mm이고 지름은 10 mm이었으며 각 조^마다 6개의 시편을 제조하여 측정하였다. 압축강도 측정 시 크로스 헤드(cross head) 속도는 10 mm/min이였으며, 시편이 50% 변형이 이루어질 때의 값을 측정하였다. 감마선 조사 전의 수화젤 강도를 대조군으로 하여 감마선이 겔의 강도에 미치는 영향을 연구했다

제조된 PVA/CMC 수화젤의 구조변화를 측정하기 위해 FT-IR/ATR (TENSOR 37 Spectrophotometer BRUKER, USA) 를 사'용하였고 DLa TGS detector를 사용하여 4 cm-1 해상도로 16 회 scan하여 4000-500 cm-1 파장범위에서 분석하였다.

1 g/mL의 비율로 세포 배양 배지에 첨가하여 37 ℃에서 72시간 용출하여 20 얻은 용출액을 사용하였다 L-929 섬유아 세포를 배양액에 24시간 배양(1X lC)3/well) 한 후 용출액을 처리한다. 24시간 후 배양액을 버리고 10 μL의 CCK-8 용액을 첨가시켜 2시간 동안 배양한 후 분광광도계(450 nm)로 CCK-8의 흡광도를 측정하여 대조군과 비교 조사하였다

감마선을 조사한 PVA/CMC 수화젤의 구조변화를 확인하기 위해 FT-IR/ATR spectrophotometer# 이용하여 분석하였다. Figure 4의 그래프에서 889 ci"1 와 1089 cm '는 C—0그룹, 1236 crrL는 -OH, 1469 cmLe C-H그룹을 나타낸다.

대상 데이터

PVA는 분지량) 1.24X 105-1.86X105, hydrolyzed 98-99%< Aldrich (USA) 사에서 구입하여 사용하였으며, CMC (D.S 1.2)는 Sigma-Aldrich(USA)에서 구매하였다 사용된 PVA 는 정제 과정 없이 사용되었으며, 물은 3차 증류수를 사용했다 세포독성 실험에서는 L-929 (10001, KCLB) 세포를 사용했으며, 사용된 배지는 10% Featal Bovine Serum(FBS, GIBCO, USA) 와 1% Penicillin-streptomycin (P/S, GIBCO, USA)가 첨가된 Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM, GIBCO, USA) 을 사용하였다. 배양된 세포 처리 시 trypsin—EDTA (GIBCO, USA) 와 phosphate buffered saline (PBS, GIBCO, USA)를 사용하였으며 , 세포독성평가는 Cell counting kit-8 (CCK-8, Dojindo, Japan)을 사용하였다.
, USA)를 이용하여 상온에서 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정을 위한 수화 젤의 시편 두께는 4.5 mm±0.5 mm이고 지름은 10 mm이었으며 각 조^마다 6개의 시편을 제조하여 측정하였다. 압축강도 측정 시 크로스 헤드(cross head) 속도는 10 mm/min이였으며, 시편이 50% 변형이 이루어질 때의 값을 측정하였다.

이론/모형

PVA/CMC 수화젤의 세포독성을 확인하기 위하여 dojindo 에서 제시한 기술 지침서를 참고하여 CCK-8(Cell counting kit—8) assay를¹⁹ 이용하여 관찰하였다. 감마선 조사에 의해 제조된 수화젤을 0.

성능/효과

PVA/CMC 혼합 수용액을 이용하여 수화젤을 제조하였다 실험 결과 방사선 조사에 의해 PVA/CMC 수화젤의 겔화율에 큰 변화는 없었으나 팽윤도는 조사 후에 낮은 값은 보였다. 수화젤의 강도를 알아보기 위한 압축강도 측정은 방사선 조사 후에 높게 나타났으나 인공 연골로서 이용하기엔 강도 값이 낮아 강도 개선에 대한 연구가 요구된다.
수화젤의 강도를 알아보기 위한 압축강도 측정은 방사선 조사 후에 높게 나타났으나 인공 연골로서 이용하기엔 강도 값이 낮아 강도 개선에 대한 연구가 요구된다. FTTR/ATR을 이용하여 분석한 결과 방사선 조사에 의하여 구조적인 변화는 없는 것으로 보여졌다 세포독성평가를 통해 나타난 결과 제조된 수화젤의 독성은 없는 것으로 판단 가능하다 따라서, 동결/융해과정을 통해 물리적 가교된 PVA/CMC 수화젤은 방사선 조사에 의하여 겔 자체의 구조는 변화하지 않고 방사선 조사에 의하여 형성된 화학적 가교가 진행됨을 예측할 수 있었다.

후속연구

수 있음을 Figure 5에서 확인할 수 있다. 실험 결과 각 농도의 물질처리에서 세포가 모두 80% 이상의 생존율을 보여 본 실험에 이용된 수화 젤은 세포독성이 없는 생체 소재로 체내 삽입이 가능하며, 다양한 생체 재료로의 응용도 예측할 수 있다
이와 같이 본 연구에서 수화젤은 방사선 가교방법을 이용하여 가교와 동시에 멸균이 이루어져 생산공정을 단순화시켜 인공 연골 재료로서 개발 가능성을 보였다.

참고문헌 (25)

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