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문제 정의
- 16 다만, 폴리리포익산은 높은 분자량을 얻기 어려우며, 분자량 분포도 넓고, 사슬 구조가 불안정하여 재료로서 활용할 수 있는 물성을 지니고 있지 않다. 따라서 이를 안정적인 하이드로젤 사슬 내에 포함시켜 리포익산의 장점을 활용하면서 안정적인 재료를 개발하고자 한다. 리포익산의 함량을 조절하여 하이드로젤의 소수성 조절도 가능할 것이며, bioadhesive한 특성도 기대해 볼 수 있다.
- 본 연구에서는 약물로서의 활성을 가지는 알파 리포익산을 하이드로젤 재료로 사용하려는 시도로 NIPAM 단량체와의 공중합을 통해 안정적인 하이드로젤을 제조하였다. 폴리리포익산의 단점을 보완한 충분한 물성을 지닌 하이드로젤이 얻어졌으며, 9일까지 리포익산이 분해 방출되지 않는, 안정적인 하이드로젤을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- PNIPAM과 알파 리포익산의 가교를 FTIR로 확인해 보았다(Figure 5). PNIPAM 고분자 네트워크 안에 알파 리포익산이 존재한다는 것을 나타내는 NIPAM의 C=O, -NH와 함께 알파 리포익산 -COOH의 carbonyl(1730 cm-1) 부분에서 흡수 피크가 나타났으며 알파 리포익산의 양이 증가할수록 이 흡수 정도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 다양한 중합 조건에 따른 특성. 가교된 하이드로젤 안에 고분자 사슬이 어떤 형태로 얽혀있는지에 대한 확인을 위해 Raman spectrum과 DSC 분석을 하였다. 첫 번째로는 Raman spectrum을 통해 기존 문헌에서 확인한6,16 570 cm-1 영역에서 PLA의 S-S 피크가 PNIPAM/PLA에서도 관찰된 것으로 보아 리포익산의 중합이 성공적으로 이루어졌음을 확인할 수 있었다(Figure 2).
- 리포익산의 함량에 따른 팽윤도의 변화. 기존 문헌에 많이 알려진 PNIPAM과 비교하여 제조된 하이드로젤 내 알파 리포익산의 함량에 따른 평형 팽윤도를 측정하였다(Figure 6). 30도 전후에 관찰되는 온도 감응성 부피 변화를 거의 모든 하이드로젤 샘플에서 관찰할 수 있었다.
- 하이드로젤을 만든 후 에탄올에 1일, 증류수에 2일 동안 두어(500 mL, 12시간마다 교체) 반응을 하지 않은 단량체와 개시제를 제거하였다(Figure 1). 또한 중합 방법에 따른 특성을 비교하기 위해 두 가지 중합 방법으로 하이드로젤을 제조 하였는데, 첫번째는 중합할 때 공용매에 알파 리포익산을 용해시킨 후 오븐에 넣고 반응을 가하는 방법(공중합 하이드로젤, copolymerized hydrogels)과 두번째는 미리 만들어 건조 시킨 PNIPAM 안에 에탄올에 녹인 알파 리포익산을 넣고 오븐에서 반응을 가하는 방법(순차적으로 중합된 하이드로젤, stepwise polymerized hydrogels)으로 제조하였다.
- 분석에 사용된 샘플은 1분당 10 ℃의 승온 속도로 최소 -50 ℃에서 최대 250 ℃까지 온도를 증가시키며 측정하였고, 유리전이온도(Tg) 분석을 위해 동일 속도로 냉각시킨 후 2차 승온까지 측정하였다. 또한 하이드로젤의 팽윤도를 측정하기 위해서 항온조(Eyela, NCB 1200)를 사용하여, 50 ℃에서 5 ℃까지 온도를 5 ℃씩 낮춰가면서 무게를 측정하였으며, 각각의 온도에서 equilibration time으로 1시간씩을 두었다. 하이드로젤을 꺼낸 후 여분의 수분은 여과지를 이용하여 제거한 후 무게를 측정하였다.
- 알파 리포익산의 개환에 따른 고분자화에 대한 연구 논문에서16 리포익산의 녹는점인 63 ℃ 이상에서 60%의 상대적으로 높은 개환율이 발생하였으며, 개환된 리포익산들은 대부분 disulfide 고분자로 변하고, 개환율이 커질수록 고분자화되는 양이 많아진다는 것이 보고된 바 있다. 본 실험에서는 그와 동일한 중합 조건에서 알파 리포익산과 PNIPAM을 같이 중합하여 하이드로젤을 제조하였다(Figure 1). 그들의 명칭과 최종 하이드로젤 안에 남아있는 리포익산의 잔여량(ARL, amount of residual lipoic acid)은 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 하이드로젤을 만들기 위해 유리판과 실리콘을 이용해 몰드를 만들고, 고정시킨 몰드를 오븐에 넣고, 2시간 동안 80 ℃의 온도 조건하에서 하이드로젤을 만들었다. 이들 반응은 밀폐된 환경에서 진행되었다.
- 리포익산의 함량을 조절하여 하이드로젤의 소수성 조절도 가능할 것이며, bioadhesive한 특성도 기대해 볼 수 있다. 본 연구에서는 농도를 달리한 알파 리포익산이 가열에 의한 라디칼 반응을 통해 개환함으로써 NIPAM과 화학적 하이드로젤을 만든 후 순수 PNIAPM과 비교를 하여 외부자극에 대한 반응 팽윤도를 조사하였다. 아울러 이들의 중합 방법을 달리하여 하이드로젤의 내부 구조를 조절하고, 그 특성을 파악하여 보았다.
- 하이드로젤 내의 고분자 사슬에 대한 확인을 위해 사용한 라만 분광계(Raman spectrometer)로는 T64000(HORIABA, 프랑스)을 사용하였고, 시차 주사 열량계(differential scanning calorimeter, DSC)로는 DSC 2920(TA Instrument, Delaware, 미국)과 Jade DSC(Perkin Elmer, 스위스)를 사용하여 질소 기체 하에 측정이 이루어졌다. 분석에 사용된 샘플은 1분당 10 ℃의 승온 속도로 최소 -50 ℃에서 최대 250 ℃까지 온도를 증가시키며 측정하였고, 유리전이온도(Tg) 분석을 위해 동일 속도로 냉각시킨 후 2차 승온까지 측정하였다. 또한 하이드로젤의 팽윤도를 측정하기 위해서 항온조(Eyela, NCB 1200)를 사용하여, 50 ℃에서 5 ℃까지 온도를 5 ℃씩 낮춰가면서 무게를 측정하였으며, 각각의 온도에서 equilibration time으로 1시간씩을 두었다.
- 본 연구에서는 농도를 달리한 알파 리포익산이 가열에 의한 라디칼 반응을 통해 개환함으로써 NIPAM과 화학적 하이드로젤을 만든 후 순수 PNIAPM과 비교를 하여 외부자극에 대한 반응 팽윤도를 조사하였다. 아울러 이들의 중합 방법을 달리하여 하이드로젤의 내부 구조를 조절하고, 그 특성을 파악하여 보았다.
- 알파 리포익산과 PNIPAM을 중합하는 방법에 따라 제조된 하이드로젤 안에 고분자 상이 어떠한지 DSC를 이용하여 확인해 보았다(Figure 4). 그 결과 Figure 3에서 보여주는 결과와 마찬가지로 알파 리포익산의 양이 많아질수록 PNIPAM/ PLA과 PNIPAM+PLA 하이드로젤의 PNIPAM 부분 Tg가 낮아졌고, 반면 PLA의 Tg는 PNIPAM 함량이 증가함에 따라 증가하였다.
- 알파 리포익산과 PNIPAM의 가교도를 확인하기 위해 fourier transform infrared(FTIR) spectrometer(Magna 750, 미국)를 사용하였다. 분석에 사용된 샘플은 KBr 펠렛으로 제조하였으며, 샘플은 32 scans을 하여 분석하였다.
- 분석에 사용된 샘플은 KBr 펠렛으로 제조하였으며, 샘플은 32 scans을 하여 분석하였다. 제조된 하이드로젤 내 리포익산의 잔여량을 확인하기 위해 Ultraviolet visible spectroscopy(UV-VIS, V-500, JASCO, 일본)를 사용하였다. 샘플은 340 nm의 흡수파장과 상온에서 측정하였다.
- 샘플은 340 nm의 흡수파장과 상온에서 측정하였다. 하이드로젤 내의 고분자 사슬에 대한 확인을 위해 사용한 라만 분광계(Raman spectrometer)로는 T64000(HORIABA, 프랑스)을 사용하였고, 시차 주사 열량계(differential scanning calorimeter, DSC)로는 DSC 2920(TA Instrument, Delaware, 미국)과 Jade DSC(Perkin Elmer, 스위스)를 사용하여 질소 기체 하에 측정이 이루어졌다. 분석에 사용된 샘플은 1분당 10 ℃의 승온 속도로 최소 -50 ℃에서 최대 250 ℃까지 온도를 증가시키며 측정하였고, 유리전이온도(Tg) 분석을 위해 동일 속도로 냉각시킨 후 2차 승온까지 측정하였다.
- 폴리리포익산(polylipoic acid, PLA)을 함유한 하이드로젤은 알파 리포익산을 NIPAM의 5, 10, 20, 30 wt%로 넣어 중합을 하여 하이드로젤을 형성하였다. 하이드로젤을 만든 후 에탄올에 1일, 증류수에 2일 동안 두어(500 mL, 12시간마다 교체) 반응을 하지 않은 단량체와 개시제를 제거하였다(Figure 1). 또한 중합 방법에 따른 특성을 비교하기 위해 두 가지 중합 방법으로 하이드로젤을 제조 하였는데, 첫번째는 중합할 때 공용매에 알파 리포익산을 용해시킨 후 오븐에 넣고 반응을 가하는 방법(공중합 하이드로젤, copolymerized hydrogels)과 두번째는 미리 만들어 건조 시킨 PNIPAM 안에 에탄올에 녹인 알파 리포익산을 넣고 오븐에서 반응을 가하는 방법(순차적으로 중합된 하이드로젤, stepwise polymerized hydrogels)으로 제조하였다.
대상 데이터
- N-이소프로필아크릴아마이드(NIPAM, 98.0%), N,N'-메틸렌비스아크릴아마이드(BAAm, 99.0%)는 Aldrich(미국)에서 구입하였고, 아조비스이소부틸로니트릴(AIBN)은 Junsei(일본)에서 구입하였다.
- 이들 반응은 밀폐된 환경에서 진행되었다. 공용매로 증류수와 에탄올(1:1 wt ratio)을 사용하였고, 단량체로 N-이소프로필아크릴아마이드와 가교제로는 BAAm, 개시제로는 AIBN을 사용하였다. 폴리리포익산(polylipoic acid, PLA)을 함유한 하이드로젤은 알파 리포익산을 NIPAM의 5, 10, 20, 30 wt%로 넣어 중합을 하여 하이드로젤을 형성하였다.
- 알파 리포익산과 PNIPAM의 가교도를 확인하기 위해 fourier transform infrared(FTIR) spectrometer(Magna 750, 미국)를 사용하였다. 분석에 사용된 샘플은 KBr 펠렛으로 제조하였으며, 샘플은 32 scans을 하여 분석하였다. 제조된 하이드로젤 내 리포익산의 잔여량을 확인하기 위해 Ultraviolet visible spectroscopy(UV-VIS, V-500, JASCO, 일본)를 사용하였다.
- 제조된 하이드로젤 내 리포익산의 잔여량을 확인하기 위해 Ultraviolet visible spectroscopy(UV-VIS, V-500, JASCO, 일본)를 사용하였다. 샘플은 340 nm의 흡수파장과 상온에서 측정하였다. 하이드로젤 내의 고분자 사슬에 대한 확인을 위해 사용한 라만 분광계(Raman spectrometer)로는 T64000(HORIABA, 프랑스)을 사용하였고, 시차 주사 열량계(differential scanning calorimeter, DSC)로는 DSC 2920(TA Instrument, Delaware, 미국)과 Jade DSC(Perkin Elmer, 스위스)를 사용하여 질소 기체 하에 측정이 이루어졌다.
- 에탄올(HPLC, gradient grade ≥99.8%) 은 Fluka(영국)에서 구입하였고, 증류수(HPLC grade)는 J.T. Baker(미국)에서 구입하였고, DL-리포익산(치옥트산, LA)은 Tokyo Kasei Kogyo(일본)에서 구입하였다.
-
하이드로젤(Poly(N-isopropylacrylamide))과 알파 리포익산의 하이드로젤 제조.
성능/효과
- PNIPAM과 알파 리포익산의 가교를 FTIR로 확인해 보았다(Figure 5). PNIPAM 고분자 네트워크 안에 알파 리포익산이 존재한다는 것을 나타내는 NIPAM의 C=O, -NH와 함께 알파 리포익산 -COOH의 carbonyl(1730 cm-1) 부분에서 흡수 피크가 나타났으며 알파 리포익산의 양이 증가할수록 이 흡수 정도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 amide I(~1649 cm-1) C-H stretching과 amide II(~1546 cm-1) C=O stretching의 흡수 피크로 PNIPAM의 중합을 확인할 수 있었다.
- 알파 리포익산의 첨가는 NIPAM의 가교 후 알파 리포익산이 개환중합되는 것보다 NIPAM과 동시에 라디칼 반응이 진행되는 경우 더 높은 수율이 얻어졌다. 가교된 하이드로젤의 팽윤도를 측정한 결과 알파 리포익산의 양이 증가할수록 팽윤도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 재료는 소수성을 조절할 수 있는 새로운 온도감응성 고분자 소재일 뿐만 아니라, 리포익산의 항산화성과 mucoadhesive 특징을 동시에 기대해 볼 수 있을 것이다.
- 가교된 하이드로젤인 PNIPAM/PLA의 경우는 최소 96% 이상의 알파 리포익산이 중합에 참여하였음을 확인할 수 있었다. 그에 반해 순차적으로 중합한 하이드로젤인 PNIPAM+PLA의 경우는 대부분의(약 2/3) 알파 리포익산이 반응을 하지 않고 검출되어 나왔음을 확인하였다(Table 1).
- 알파 리포익산과 PNIPAM을 중합하는 방법에 따라 제조된 하이드로젤 안에 고분자 상이 어떠한지 DSC를 이용하여 확인해 보았다(Figure 4). 그 결과 Figure 3에서 보여주는 결과와 마찬가지로 알파 리포익산의 양이 많아질수록 PNIPAM/ PLA과 PNIPAM+PLA 하이드로젤의 PNIPAM 부분 Tg가 낮아졌고, 반면 PLA의 Tg는 PNIPAM 함량이 증가함에 따라 증가하였다. PNIPAM/PLA10과 PNIPAM+PLA10의 경우는 PNIPAM Tg가 비슷한 영역에서 나타났는데, 리포익산의 함량이 낮아 생긴 결과로 보인다.
- 가교된 하이드로젤인 PNIPAM/PLA의 경우는 최소 96% 이상의 알파 리포익산이 중합에 참여하였음을 확인할 수 있었다. 그에 반해 순차적으로 중합한 하이드로젤인 PNIPAM+PLA의 경우는 대부분의(약 2/3) 알파 리포익산이 반응을 하지 않고 검출되어 나왔음을 확인하였다(Table 1). 따라서 NIPAM의 라디칼 중합이 리포익산의 개환중합에 영향을 끼치는 것으로 판단되며, PNIPAM/PLA의 경우 두 단량체가 공중합될 가능성이 크다.
- 두 번째로는 DSC를 이용하여 Tg를 비교하였는데, 알파 리포익산의 양이 증가할수록 Tg 값은 감소하는 것을 확인할 수 있었다(Figure 3). 168 ℃에서 PNIPAM의 Tg와 55-70 ℃에서 PLA의 Tg를 확인할 수 있는데, PNIPAM/PLA5와 PNIPAM/ PLA10의 경우는 저분자인 알파 리포익산의 양이 상대적으로 적어 하나의 Tg가 나타났는데, 이는 PNIPAM 고분자 사슬과 리포익산의 고분자 사슬이 단일상으로 존재하고 있는 것으로 생각되며, 그와 달리 PNIPAM/PLA20, PNIPAM/PLA30은 중합에 참여한 리포익산의 양이 많아 두 개의 상(phase)이 존재하여 Tg 값이 2개로 나타난 것으로 추측되어진다.
- 반면, 하이드로젤 사슬에 참여하지 못한 리포익산은 쉽게 방출되는 것을 알 수 있다. 따라서 개환중합은 가능하나 재료로서 사용되기에는 분자량이 낮고, 그 분포도 상대적으로 넓은 폴리리포익산 대신 NIPAM 단량체와의 공중합을 통해 성공적으로 충분한 물성을 지녀 free standing이 가능한 하이드로젤을 얻을 수 있었다.
- 열분석 결과는 알파 리포익산의 함량이 증가하면 리포익산과 NIPAM이 각각의 상을 형성함을 알 수 있었다. 알파 리포익산의 첨가는 NIPAM의 가교 후 알파 리포익산이 개환중합되는 것보다 NIPAM과 동시에 라디칼 반응이 진행되는 경우 더 높은 수율이 얻어졌다. 가교된 하이드로젤의 팽윤도를 측정한 결과 알파 리포익산의 양이 증가할수록 팽윤도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 폴리리포익산의 단점을 보완한 충분한 물성을 지닌 하이드로젤이 얻어졌으며, 9일까지 리포익산이 분해 방출되지 않는, 안정적인 하이드로젤을 얻을 수 있었다. 열분석 결과는 알파 리포익산의 함량이 증가하면 리포익산과 NIPAM이 각각의 상을 형성함을 알 수 있었다. 알파 리포익산의 첨가는 NIPAM의 가교 후 알파 리포익산이 개환중합되는 것보다 NIPAM과 동시에 라디칼 반응이 진행되는 경우 더 높은 수율이 얻어졌다.
- 가교된 하이드로젤 안에 고분자 사슬이 어떤 형태로 얽혀있는지에 대한 확인을 위해 Raman spectrum과 DSC 분석을 하였다. 첫 번째로는 Raman spectrum을 통해 기존 문헌에서 확인한6,16 570 cm-1 영역에서 PLA의 S-S 피크가 PNIPAM/PLA에서도 관찰된 것으로 보아 리포익산의 중합이 성공적으로 이루어졌음을 확인할 수 있었다(Figure 2). 이 결과와 Table 1에서의 결과를 통해 PNIPAM 고분자 사슬과 알파 리포익산의 고분자 사슬이 공중합체 형태로도 존재하고, 단일중합체 형태로도 존재하는 것으로 추측 할 수 있다.
- 팽윤도 값은 리포익산의 함량에 매우 민감했는데, 측정 결과 알파 리포익산과 가교된 PNIPAM 하이드로젤의 경우 PNIPAM보다 더 소수성이 강하여 팽윤도가 감소하는 것을 확인할 수 있어다.
- 본 연구에서는 약물로서의 활성을 가지는 알파 리포익산을 하이드로젤 재료로 사용하려는 시도로 NIPAM 단량체와의 공중합을 통해 안정적인 하이드로젤을 제조하였다. 폴리리포익산의 단점을 보완한 충분한 물성을 지닌 하이드로젤이 얻어졌으며, 9일까지 리포익산이 분해 방출되지 않는, 안정적인 하이드로젤을 얻을 수 있었다. 열분석 결과는 알파 리포익산의 함량이 증가하면 리포익산과 NIPAM이 각각의 상을 형성함을 알 수 있었다.
후속연구
- 가교된 하이드로젤의 팽윤도를 측정한 결과 알파 리포익산의 양이 증가할수록 팽윤도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 재료는 소수성을 조절할 수 있는 새로운 온도감응성 고분자 소재일 뿐만 아니라, 리포익산의 항산화성과 mucoadhesive 특징을 동시에 기대해 볼 수 있을 것이다.
- 유사한 구조를 가지는 리포익산의 disulfide기는 bioadhesive한 특성도 기대할 수 있어, 흥미로운 생체재료로서 사용될 수 있을 것이다. 아울러, 하이드로젤 내의 리포익산은 장기적으로 단량체 LA로 서서히 방출될 가능성이 있어 리포익산의 약물로서의 활성을 장기적으로 기대할 수 있는 약물전달체로도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- Sulfide와 disulfide기를 가지는 고분자들은 bioadhesive한 특성이 있어 다양한 고분자들이 Thiomer®란 계열로 상업화되어 있다. 유사한 구조를 가지는 리포익산의 disulfide기는 bioadhesive한 특성도 기대할 수 있어, 흥미로운 생체재료로서 사용될 수 있을 것이다. 아울러, 하이드로젤 내의 리포익산은 장기적으로 단량체 LA로 서서히 방출될 가능성이 있어 리포익산의 약물로서의 활성을 장기적으로 기대할 수 있는 약물전달체로도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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