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다층 및 다중구획 하이드로젤 제조 및 4D 마스크팩 적용을 위한 자가접힘 특성 분석
Self-folding of Multi-layered and Compartmented Hydrogel Designed for 4D Mask Pack 원문보기

大韓化粧品學會誌 = Journal of the society of cosmetic scientists of Korea, v.44 no.4, 2018년, pp.399 - 405  

임준우 (숭실대학교 화학공학과) ,  정나슬 (숭실대학교 화학공학과) ,  신성규 (숭실대학교 화학공학과) ,  권혜진 (숭실대학교 화학공학과) ,  정재현 (숭실대학교 화학공학과)

초록
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다층 및 다중구획 하이드로젤을 설계하여 4D 마스크팩 적용을 위한 자가접힘 특성분석을 수행하였다. 온도민감성 분자를 하이드로젤에 도입하여 팽창비가 다른 두 층으로 구성된 하이드로젤을 제조하였다. 나아가 팽창비 차이를 조절하여 자가접힘 정도가 다른 삼중구획 하이드로젤을 설계하였다. 상온에서 각각 0.03, 0, $0.03mm^{-1}$곡률을 갖는 구획화된 하이드로젤은 피부 온도에서 1.33, 0, $1.33mm^{-1}$의 곡률로 변화하여, 안면 밀착성이 현저히 높아지는 것을 확인하였다. 다층 및 다중구획 하이드로젤 제조 기술은 안면의 부위별 굴곡모양에 따라 자가변환이 가능한 맞춤형 4D 마스크팩 구현에 활용될 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The multi-layered and compartmented hydrogel was designed to examine the self-transforming for developing a 4D mask pack. The hydrogel consisting of two layers with different expansion ratios were fabricated to have specific curvature by self-folding assembly. In addition, the hydrogel compartmented...

주제어

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AI 본문요약
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제안 방법

  • 1% (w/v)로 고정하고 AAm의 농도를 12-20% (w/v)로 조절하여 온도민감성이 없는 하이드로젤을 각각 제조하였다. 개시제는 Irgacure2959 (Sigma, USA)를 용매 dimethyl sulfoxide (DMSO, Sigma, USA)에 10% (w/v)용액을 만들어 최종 농도가 0.2% (w/v)가 되도록 첨가했다. 이후 365 nm의 UV (UV lamp, Vilber Lourmat, France)를 이용하여 광중합(photo-polymerization)으로 다층 하이드로젤을 제조하였다.
  • 상온에서 증류수에 최소 12 h 이상 팽윤시켜 다층 하이드로젤의 자가접힘을 유도한 후 37 ℃와 상온으로 온도를 반복하여 바꿔주면서 온도에 따른 형태변환 및 곡률을 분석하였다. 나아가 자가변환 하이드로젤 마스크를 모델 안면(face)에 적용하여 그 특성을 확인하였다.
  • 이번 연구에서는 Figure 1B와 같이, 온도민감성 분자를 하이드로젤에 도입하여 팽창비가 다른 두 층으로 하이드로젤을 제조하였다. 나아가 팽창비 차이를 조절하여 자가 접힘 정도가 다른 삼중구획 하이드로젤을 설계하여 자가변환 거동을 확인하였다. 구획화된 하이드로젤은 상온에서와 피부온도에서 형태변환이 이루어지기 때문에, 온도에 따른 곡률(curvature)을 제어(programmed)하여, 안면 부위별 굴곡모양에 따른 자가변환 뿐아니라 밀착력을 높여주는 효과를 볼 수 있다.
  • 는 하이드로젤을 만든 직후와 팽윤시킨 후의 팽윤비를 나타낸다. 다양한 조성의 온도 민감성이 부여된 하이드로젤의 팽윤 거동은 25 ℃와 37 ℃ 온도에서 팽윤비를 측정함으로써 평가하였다.
  • 다음 두 번째 photomask를 이용하여 다음 층을 중간 부분은 두께 400 µm, 바깥 부분은 두께 200 µm로 중합하여 만들었다.
  • 다층 하이드로젤을 제조하여 자가변환이 가능한 마스크팩을 설계하였다. Figure 1C는 팽창비가 다른 하이드로젤을 두 층으로 제조 시, 물을 함유하여 팽윤하는 정도가 각 층이 다르기 때문에 자가접힘(self-folding) 현상이 일어나는 것을 설명한다[9].
  • 다층 하이드로젤의 자가접힘(self-folding)정도를 예측하기 위해 열에 의한 바이메탈 스트립(bimetallic strip) 곡률 식 (2)를 적용하여 곡률반경(r)을 계산하여 예측하였다.
  • 두께(thickness) 200µm를 갖는 두 개의 spacer가 놓인 석영판(Quartz plate)에 길이(length) 10 mm, 폭(width) 5 mm 크기를 갖는 두개의 두께 바깥 부분을 AAm과 NIPAM이 접목된 젤용액(pre-gel solution)을 도입하고 photomask가 처리되어있는 석영판을 덮어 UV로 광중합하여 제조하였다.
  • 또한 AAm 단독으로 가교 중합하여 온도 민감성이 없는 하이드로젤을 제조하여 물성 분석을 진행하였다. AAm 단독으로 중합된 하이드로젤은 단량체 AAm의 농도와 가교제 MBA의 농도를 조절하여 다양한 팽창비를 갖게 제조할 수 있었다(Figure 3).
  • Acrylamide (AAm, Sigma, USA) 단량체와 N,N'-methylenebisacrylamide (MBA, Sigma, USA) 가교제를 사용하여 다층 및 다중구획 하이드로젤을 제조하였다. 또한 N-isopropylacrylamide (NIPAM, Sigma, USA)를 접목하여 온도에 따른 팽창비 변화를 갖도록 설계하였다. 먼저, 최적의 곡률을 찾기 위하여 각 층의 조성을 다르게 하여 물성 측정을 위한 하이드로젤을 제조하였다.
  • 온도에 따른 다양한 팽창비를 갖는 하이드로젤을 제조하기 위하여, AAm과 NIPAM의 총 농도를 20% (w/v)로 고정하고 NIPAM의 농도를 0-20% (w/v)로 조절하여 젤 용액(pre-polymer solution)을 준비하여 하이드로젤을 제조하였다. 또한 단량체 AAm의 농도를 20% (w/v)로 고정하고 가교제 MBA의 농도를 0.01-0.2% (w/v)로 다양하게 조절한 경우, 그리고 MBA의 농도를 0.1% (w/v)로 고정하고 AAm의 농도를 12-20% (w/v)로 조절하여 온도민감성이 없는 하이드로젤을 각각 제조하였다. 개시제는 Irgacure2959 (Sigma, USA)를 용매 dimethyl sulfoxide (DMSO, Sigma, USA)에 10% (w/v)용액을 만들어 최종 농도가 0.
  • 또한 N-isopropylacrylamide (NIPAM, Sigma, USA)를 접목하여 온도에 따른 팽창비 변화를 갖도록 설계하였다. 먼저, 최적의 곡률을 찾기 위하여 각 층의 조성을 다르게 하여 물성 측정을 위한 하이드로젤을 제조하였다. 온도에 따른 다양한 팽창비를 갖는 하이드로젤을 제조하기 위하여, AAm과 NIPAM의 총 농도를 20% (w/v)로 고정하고 NIPAM의 농도를 0-20% (w/v)로 조절하여 젤 용액(pre-polymer solution)을 준비하여 하이드로젤을 제조하였다.
  • 본 연구에서는 photolithography기법을 이용하여 온도민감성이 도입된 다층 하이드로젤을 제조하여 자가변환이 가능한 마스크팩을 설계하였다. 제조한 하이드로젤은 온도에 따른 팽창비의 차이에 따라 자가접힘 정도를 제어할 수 있었고, 이에 따른 곡률을 조절할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 다층 및 다중구획 하이드로젤을 사용하여, 피부 온도에서 자가변환이 가능한 다중구획 마스크팩을 설계하였다. Figure 1A에서 보는 것처럼, 다층 하이드로젤의 팽창비(expansion ratio) 차이를 개별적으로 제어할 수 있는 다중구획 설계 기술을 도입하면, 안면의 부위별 굴곡모양에 따라 자가변환이 가능한 맞춤형 4D 마스크팩을 구현할 수 있다.
  • 상온에서 증류수에 최소 12 h 이상 팽윤시켜 다층 하이드로젤의 자가접힘을 유도한 후 37 ℃와 상온으로 온도를 반복하여 바꿔주면서 온도에 따른 형태변환 및 곡률을 분석하였다. 나아가 자가변환 하이드로젤 마스크를 모델 안면(face)에 적용하여 그 특성을 확인하였다.
  • 온도 변화에 따라 다양한 곡률 반경을 확인하기 위하여 온도민감성이 부여된 첫 번째 층은 AAm 20%(w/v))에 MBA 농도가 0.1% (w/v)인 하이드로젤로, 두 번째 층은, NIPAM 20% (w/v)에 MBA의 농도가 0.1%(w/v)인 하이드로젤로 구성하여 제조하였다. 25 ℃에서 37 ℃로, 37 ℃에서 25 ℃로 반복하여 온도를 변화시켜주었을 때, 세 구획으로 되어있는 다층 하이드로젤에서 양쪽 부분은 온도에 따라 곡률이 변하는 것을 확인할 수 있었고 중간 부분은 변화하지 않는 것을 확인할 수 있었다(Figure 4A-C).
  • 먼저, 최적의 곡률을 찾기 위하여 각 층의 조성을 다르게 하여 물성 측정을 위한 하이드로젤을 제조하였다. 온도에 따른 다양한 팽창비를 갖는 하이드로젤을 제조하기 위하여, AAm과 NIPAM의 총 농도를 20% (w/v)로 고정하고 NIPAM의 농도를 0-20% (w/v)로 조절하여 젤 용액(pre-polymer solution)을 준비하여 하이드로젤을 제조하였다. 또한 단량체 AAm의 농도를 20% (w/v)로 고정하고 가교제 MBA의 농도를 0.
  • 이렇게 제조한 하이드로젤 마스크를 모델 안면 부위(modeled facial geometry)에 적용하는 실험을 진행하였다. Figure 5A에서 보는 것과 같이, 안면 부위의 굴곡과 비슷한 곡률을 갖도록 다중 구획 하이드로젤을 제조하여 모델 안면 부위에 부착한 후 들어올렸을 때, 밀착력이 충분치 않아서 쉽게 탈착되는 것을 확인할 수 있다.
  • 이번 연구에서 다층 및 다중구획 하이드로젤은 바깥 부분은 서로 조성이 다른 두 층으로 중간 부분은 하나의 조성으로 구성된 두 층, 세 구획 하이드로젤로 제조하였다. Photolithography 기법을 이용하여 photomask를 통해 광중합이 필요한 부분만 반응을 유도하였다[13].
  • Figure 1A에서 보는 것처럼, 다층 하이드로젤의 팽창비(expansion ratio) 차이를 개별적으로 제어할 수 있는 다중구획 설계 기술을 도입하면, 안면의 부위별 굴곡모양에 따라 자가변환이 가능한 맞춤형 4D 마스크팩을 구현할 수 있다. 이번 연구에서는 Figure 1B와 같이, 온도민감성 분자를 하이드로젤에 도입하여 팽창비가 다른 두 층으로 하이드로젤을 제조하였다. 나아가 팽창비 차이를 조절하여 자가 접힘 정도가 다른 삼중구획 하이드로젤을 설계하여 자가변환 거동을 확인하였다.
  • 이후 365 nm의 UV (UV lamp, Vilber Lourmat, France)를 이용하여 광중합(photo-polymerization)으로 다층 하이드로젤을 제조하였다. 이후, Figure 1B에서 보는 것과 같이, 리소그라피 기법을 사용하여 광중합으로 다층 및 다중구획 하이드로젤을 제조하였다. 본 연구에서는 두 층(two layers)으로 구성되고 세 개의 구획(three different self-folded geometries)으로 나눈 하이드로젤로 한정하여 실험하였다.
  • 이후, 바깥 부분이 제조된 하이드로젤이 있는 석영판에 두께 400 µm를 갖는 두 개의 spacer를 도입하여 바깥 부분은 200 µm, 중간 부분은 400 µm로 AAm 단독으로 구성된 두 번째 하이드로젤 층을 다른 photomask가 처리된 석영판 아래서 제조하였다(Figure 1B).
  • 각 층의 물성 분석을 위한 하이드로젤은 직경 8 mm, 두께 1 mm의 원통형으로 규격화였다. 제조한 하이드로젤은 증류수에 최소 12 h 이상 담가 충분히 팽윤시킨 후 하이드로젤의 무게(Ws)를 측정하였고 이것을 다시 60℃ 이상에서 최소 12 h 이상 건조시킨 후 무게(Wd)를 측정하여 팽윤비(swelling ratio, Qm)를 계산하였다.
  • 첫 번째 photomask를 통하여 온도 민감성이 도입된 바깥 부분은 두께 200 µm로 중합하여 만들었다.
  • 하이드로젤의 기계적 물성은 만능재료시험기(universal testing machine, UTM, DrTech, Korea) 장치로 분석하였다. 하이드로젤은 압축 강도 측정을 위해 직경 8 mm, 두께 1 mm로 규격화하였고 각각 총 6개의 샘플을 제작하여 충분히 팽윤시킨 후에 측정하였다. 만능재료시험기의 설정 값은 측정거리 시험비율 10%, 시험 속도 1.
  • 는 각 층의 두께는 두 하이드로젤 층의 팽창비 차이를 나타낸다. 하이드로젤의 1차원적 팽창을 비교하기 위해, 팽윤비(Qm)를 활용하여 팽창비(S)를 계산하였다.
  • 하이드로젤의 기계적 물성은 만능재료시험기(universal testing machine, UTM, DrTech, Korea) 장치로 분석하였다. 하이드로젤은 압축 강도 측정을 위해 직경 8 mm, 두께 1 mm로 규격화하였고 각각 총 6개의 샘플을 제작하여 충분히 팽윤시킨 후에 측정하였다.

대상 데이터

  • Acrylamide (AAm, Sigma, USA) 단량체와 N,N'-methylenebisacrylamide (MBA, Sigma, USA) 가교제를 사용하여 다층 및 다중구획 하이드로젤을 제조하였다.
  • 각 층의 물성 분석을 위한 하이드로젤은 직경 8 mm, 두께 1 mm의 원통형으로 규격화였다. 제조한 하이드로젤은 증류수에 최소 12 h 이상 담가 충분히 팽윤시킨 후 하이드로젤의 무게(Ws)를 측정하였고 이것을 다시 60℃ 이상에서 최소 12 h 이상 건조시킨 후 무게(Wd)를 측정하여 팽윤비(swelling ratio, Qm)를 계산하였다.
  • 이후, Figure 1B에서 보는 것과 같이, 리소그라피 기법을 사용하여 광중합으로 다층 및 다중구획 하이드로젤을 제조하였다. 본 연구에서는 두 층(two layers)으로 구성되고 세 개의 구획(three different self-folded geometries)으로 나눈 하이드로젤로 한정하여 실험하였다.
  • 본 연구에서는 두 층으로 구성되고 세 개의 구획으로 나눈 하이드로젤로 제조하였다. 두께(thickness) 200µm를 갖는 두 개의 spacer가 놓인 석영판(Quartz plate)에 길이(length) 10 mm, 폭(width) 5 mm 크기를 갖는 두개의 두께 바깥 부분을 AAm과 NIPAM이 접목된 젤용액(pre-gel solution)을 도입하고 photomask가 처리되어있는 석영판을 덮어 UV로 광중합하여 제조하였다.

이론/모형

  • 이번 연구에서 다층 및 다중구획 하이드로젤은 바깥 부분은 서로 조성이 다른 두 층으로 중간 부분은 하나의 조성으로 구성된 두 층, 세 구획 하이드로젤로 제조하였다. Photolithography 기법을 이용하여 photomask를 통해 광중합이 필요한 부분만 반응을 유도하였다[13]. 첫 번째 photomask를 통하여 온도 민감성이 도입된 바깥 부분은 두께 200 µm로 중합하여 만들었다.
  • 본 연구에서는 얼굴 안면의 부위별 굴곡 모양에 따라 자가변환(self-transformation)이 가능한 맞춤형 4D 마스크팩 개발을 위하여 하이드로젤을 사용하였다. 하이드로젤은 친수성 고분자가 3차원 망상구조를 이루어 내부에 다량의 수분을 함유할 수 있도록 고안된 물질이다[7].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하이드로젤의 응용분야는 어떠한가? 하이드로젤은 친수성 고분자가 3차원 망상구조를 이루어 내부에 다량의 수분을 함유할 수 있도록 고안된 물질이다[7]. 그 구조 및 물성이 생체 내 세포외기질과 유사하기 때문에 조직공학, 약물전달 및 화장품 산업 등 다양한 분야에 폭넓게 응용되고 있다[8]. 고분자의 종류, 농도 및 가교도를 조절하면 하이드로젤의 기계적 물성을 자유롭게 제어할 수 있기 때문에, 하이드로젤이 기능성 마스크팩의 기반 연성물질(soft materials)로 대두되고 있다.
하이드로젤이란 무엇인가? 본 연구에서는 얼굴 안면의 부위별 굴곡 모양에 따라 자가변환(self-transformation)이 가능한 맞춤형 4D 마스크팩 개발을 위하여 하이드로젤을 사용하였다. 하이드로젤은 친수성 고분자가 3차원 망상구조를 이루어 내부에 다량의 수분을 함유할 수 있도록 고안된 물질이다[7]. 그 구조 및 물성이 생체 내 세포외기질과 유사하기 때문에 조직공학, 약물전달 및 화장품 산업 등 다양한 분야에 폭넓게 응용되고 있다[8].
하이드로젤이 기능성 마스크팩의 기반 연성물질로 대두되는 이유는 무엇인가? 그 구조 및 물성이 생체 내 세포외기질과 유사하기 때문에 조직공학, 약물전달 및 화장품 산업 등 다양한 분야에 폭넓게 응용되고 있다[8]. 고분자의 종류, 농도 및 가교도를 조절하면 하이드로젤의 기계적 물성을 자유롭게 제어할 수 있기 때문에, 하이드로젤이 기능성 마스크팩의 기반 연성물질(soft materials)로 대두되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. B. Y. Choi and J. D. Kim, A study on perceptions and use of sheet type facial mask, J. Kor. Soc. Cosm., 6(2), 163 (2016). 

  2. A. Lohani, A. Verma, H. Joshi, N. Yadav, and N. Karki, Nanotechnology-based cosmeceuticals, ISRN Dermatol., 2014, 843687 (2014). 

  3. S. M. Jeon, M. H. Choi, Y. J. Lee, and H. J. Shin, Anti-wrinkle effect of facial mask pack containing oinon(alliumcepa)skin extracts, KSBB J., 28(6), 387 (2013). 

  4. A. Quattrone, A. Czajka, and S. Sibilla, Thermosensitive hydrogel mask significantly improves skin moisture and skin tone; bilateral clinical trial, Cosmetics, 4(2), 17 (2017). 

  5. Y. K. Choi, C. Y. Son, and B. J. Ha, Preparation and physical properties of porous mask sheet prepared by dispersion system of gases in liquids, Kor. J. Aesthet. Cosmetol., 11(5), 903 (2013). 

  6. Y. R. Kwon, K. Y. Lee, S. J. Byun, D. H. Lee, and J. R. Huh, Cosmetics science, 1, 114, hyungseul, Korea (2010). 

  7. J. H. Jeong, V. Chan, C. Cha, P. Zorlutuna, C. Dyck, K. J. Hsia, R. Bashir, and H. J. Kong, "Living" microvascular stamp for patterning of functional neovessels; orchestrated control of matrix property and geometry, Adv. Mater., 24(1), 58 (2012). 

  8. T. G. Singh and N. Sharma, Nanobiomaterials in cosmetics: current status and future prospects, Nanobiomaterials in Galenic Formulations and Cosmetics, 10, 149 (2016). 

  9. K. H. Baek, J. H. Jeong, A. Shkumatov, R. Bashir, and H. J. Kong, In situ self-folding assembly of a multi-walled hydrogel tube for uniaxial sustained molecular release, Adv. Mater., 25, 5568 (2013). 

  10. S. W. Cho, S. G. Shin, H. J. Kim, S. R. Han, and J. H. Jeong, Self-folding of multi-layered hydrogel designed for biological machine, Polym. Korea, 41(2), 346 (2017). 

  11. S. Kim, K. Lee, and C. Cha, Refined control of thermoresponsive swelling/deswelling and drug release properties of poly (N-isopropylacrylamide) hydrogels using hydrophilic polymer crosslinkers, J. Biomater. Sci. Polym. Ed., 27(17), 1698 (2016). 

  12. M. H. Jung, S. G. Shin, J. W. Lim, S. R. Han, H. J. Kim, and J. H. Jeong, Tuning the stiffness of dermal fibroblast-encapsulating collagen gel by sequential cross-linking, J. Soc. Cosmet. Sci. Korea, 44, 23 (2018). 

  13. A. Revzin, R. J. Russell, V. K. Yadavalli, W. G. Koh, C. Diester, D. D. Hile, M. B. Mellott, and M. V. Pishko, Fabrication of poly (ethylene glycol) hydrogel microstructures using photolithography, Langmuir, 17, 5440 (2001). 

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