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문제 정의
- 또한 본 연구의 하이드로젤은 보습오일성분을 포함해야 하기 때문에 친수성인 하이드로젤과 소수성인 오일의 상용성을 위해 유화제를 혼합하여 마이셀(micelle) 구조를 형성하도록 하였다[17-20]. 또한 본연구에서는 하이드로젤 비드의 크기 및 함량, 유화제의종류 및 보습오일과 유화제의 비율 등을 조절함으로써 하이드로젤 멤브레인의 보습오일 방출 속도를 제어하는 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 미용을 목적으로 한 고강도 하이드로젤 멤브레인을 개발하고자 하였다. 상기 하이드로젤 멤브레인은 샤워기 또는 필터에 장착하여 일정 기간 동안 일정한 속도 보습오일 성분을 방출하는 목적으로 사용될 수 있다.
- 본 연구에서는 보습오일 성분(보습오일 + 천연유화제)을 포함한 하이드로젤 비드 및 고강도 하이드로젤로 구성된 기능성 하이드로젤 멤브레인을 제조하고 용출 특성을 평가하였다. 하이드로젤 비드의 크기 및 오일과 유화제의 비율 등을 제어함으로써 보습오일의 용출 속도를 원하는 범위로 조절할 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 미용을 목적으로 한 고강도 하이드로젤 멤브레인을 개발하고자 하였다. 상기 하이드로젤 멤브레인은 샤워기 또는 필터에 장착하여 일정 기간 동안 일정한 속도 보습오일 성분을 방출하는 목적으로 사용될 수 있다. 보습오일의 함유량을 높이고 동시에 적절하고 일정한 방출 속도를 달성하기 위해 본 연구에서는 천연 고분자인 알지네이트를 기본 소재로 사용하여 하이드로젤 비드를 제조하고 이를 상호 침투 고분자 네트워크(interpenetrating polymer network, IPN) 구조를 갖는 하이드로젤 매트릭스와 혼합하여 고강도 멤브레인을 제조하였다.
제안 방법
- 상기 하이드로젤 비드의 제조와 마찬가지로 상기 조성물에 보습오일과 천연유화제를 함께 첨가하여 마이셀을 형성하였다. 2 wt% 알지네이트 수용액에 보습오일을 20 wt%로 첨가하였고 유화제는 40 또는 60 wt% 함량으로 첨가하였다. 그 외에도 화학가교제와 이온가교제, 그리고 개시제를 첨가하여 중합을 위한 용액을 제조하였다.
- 상기 용액에 화학가교제로 N,N-methylenebisacrylamide를 총 중량의 10 wt%로 첨가하였고, 이온가교제 calcium sulphate를 총 중량의 13 wt%로 첨가하였다. 광개시제로 ammonium persulphate를 사용하였고 총 중량의 2 wt%로 첨가하였다. 제조된 용액을 투명 용기에 채운 뒤 15분 동안 1 kW UV 램프에서 화학가교를 진행하여 하이드로젤 멤브레인을 제조하였다[11].
- 2 wt% 알지네이트 수용액에 보습오일을 20 wt%로 첨가하였고 유화제는 40 또는 60 wt% 함량으로 첨가하였다. 그 외에도 화학가교제와 이온가교제, 그리고 개시제를 첨가하여 중합을 위한 용액을 제조하였다. 상기 용액에 화학가교제로 N,N-methylenebisacrylamide를 총 중량의 10 wt%로 첨가하였고, 이온가교제 calcium sulphate를 총 중량의 13 wt%로 첨가하였다.
- 보습오일의 함유량을 높이고 동시에 적절하고 일정한 방출 속도를 달성하기 위해 본 연구에서는 천연 고분자인 알지네이트를 기본 소재로 사용하여 하이드로젤 비드를 제조하고 이를 상호 침투 고분자 네트워크(interpenetrating polymer network, IPN) 구조를 갖는 하이드로젤 매트릭스와 혼합하여 고강도 멤브레인을 제조하였다. 또한 본 연구의 하이드로젤은 보습오일성분을 포함해야 하기 때문에 친수성인 하이드로젤과 소수성인 오일의 상용성을 위해 유화제를 혼합하여 마이셀(micelle) 구조를 형성하도록 하였다[17-20]. 또한 본연구에서는 하이드로젤 비드의 크기 및 함량, 유화제의종류 및 보습오일과 유화제의 비율 등을 조절함으로써 하이드로젤 멤브레인의 보습오일 방출 속도를 제어하는 연구를 수행하였다.
- 제조된 용액을 투명 용기에 채운 뒤 15분 동안 1 kW UV 램프에서 화학가교를 진행하여 하이드로젤 멤브레인을 제조하였다[11]. 또한 상기의방법으로 제조된 하이드로젤 비드를 5~15 wt%의 함량으로 첨가하여 혼합한 후 동일한 방법에 따라 고강도 하이드로젤 멤브레인을 제조하였다. Fig.
- 하이드로젤 멤브레인의 보습오일 방출 속도를 결정하기 위해 배치식과 연속식으로 용출 실험을 진행하였다. 배치식 실험에서는 100 mL의 증류수에 하이드로젤비드 5 g을 넣고 15분마다 샘플링 하여 자외선-가시광선 분광기(UV-2600, Shimadzu Corp.)를 이용하여 시간에 따른 보습오일 농도의 변화를 확인하였다. 연속식 실험에서는 실제 샤워기 규격의 실험 장치에 고강도 하이드로젤 멤브레인을 장착하고 유량을 0.
- 상기 하이드로젤 멤브레인은 샤워기 또는 필터에 장착하여 일정 기간 동안 일정한 속도 보습오일 성분을 방출하는 목적으로 사용될 수 있다. 보습오일의 함유량을 높이고 동시에 적절하고 일정한 방출 속도를 달성하기 위해 본 연구에서는 천연 고분자인 알지네이트를 기본 소재로 사용하여 하이드로젤 비드를 제조하고 이를 상호 침투 고분자 네트워크(interpenetrating polymer network, IPN) 구조를 갖는 하이드로젤 매트릭스와 혼합하여 고강도 멤브레인을 제조하였다. 또한 본 연구의 하이드로젤은 보습오일성분을 포함해야 하기 때문에 친수성인 하이드로젤과 소수성인 오일의 상용성을 위해 유화제를 혼합하여 마이셀(micelle) 구조를 형성하도록 하였다[17-20].
- 본 연구에서는 유화제의 종류 및 용액을 토출시키는 실린지 니들의 내경을 조절하여 하이드로젤 비드의 크기를 제어하였다. 제조된 하이드로젤 비드를 현미경으로 관찰한 후 모양 및 반지름을 측정한 결과를 Fig.
- 상기 결과를 바탕으로 보습오일과 유화제의 비율을 1: 2.5 중량비로 고정하고 하이드로젤 비드의 함량 변화실험을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다. 본 실험에 사용된 하이드로젤 비드의 반지름은 약 1.
- 4 mL/min으로 고정하였고 용액의 교반 속도는 200 rpm으로 제어하였다. 상기 드롭 용액은 2 wt% 알지네이트 수용액에 각 20 wt%의 함량으로 보습오일과 유화제를 첨가하여 제조하였다. 보습오일로는 jojoba oil golden (Dr.
- 그 외에도 화학가교제와 이온가교제, 그리고 개시제를 첨가하여 중합을 위한 용액을 제조하였다. 상기 용액에 화학가교제로 N,N-methylenebisacrylamide를 총 중량의 10 wt%로 첨가하였고, 이온가교제 calcium sulphate를 총 중량의 13 wt%로 첨가하였다. 광개시제로 ammonium persulphate를 사용하였고 총 중량의 2 wt%로 첨가하였다.
- )를 이용하여 시간에 따른 보습오일 농도의 변화를 확인하였다. 연속식 실험에서는 실제 샤워기 규격의 실험 장치에 고강도 하이드로젤 멤브레인을 장착하고 유량을 0.5 L/min으로 고정한 후 30분 동안 용출 실험을 진행하였고 5분마다샘플링 하여 자외선-가시광선 분광기를 이용하여 샘플에 함유된 보습오일 성분의 농도를 측정하였다. 그리고 이를 평균값으로 계산하여 평균 용출량(농도)을 도출하였다[23].
- 하이드로젤 멤브레인의 보습오일 방출 속도를 결정하기 위해 배치식과 연속식으로 용출 실험을 진행하였다. 배치식 실험에서는 100 mL의 증류수에 하이드로젤비드 5 g을 넣고 15분마다 샘플링 하여 자외선-가시광선 분광기(UV-2600, Shimadzu Corp.
대상 데이터
- 고강도 IPN 하이드로젤 제조를 위해 화학가교를 이룰 수 있는 아크릴아미드(acrylamide) 단량체와 이온가교가 가능한 천연 수용성 고분자인 알지네이트를 사용하였다. 상기 하이드로젤 비드의 제조와 마찬가지로 상기 조성물에 보습오일과 천연유화제를 함께 첨가하여 마이셀을 형성하였다.
- 상기 드롭 용액은 2 wt% 알지네이트 수용액에 각 20 wt%의 함량으로 보습오일과 유화제를 첨가하여 제조하였다. 보습오일로는 jojoba oil golden (Dr. Adorable INC.)을 사용하였으며 유화제로는 올리브 리퀴드(olive oil peg-7 esters, (주)에코케이션) 및 솔루빌라이저(피마자 오일에서 추출, (주)에코케이션)를 사용하였다. 하이드로젤 비드의 크기는 Dino-Lite 사의 디지털 현미경을 사용하여 측정하였으며 평균값을 산출하여 나타내었다.
- 5에 도시하였다. 본 실험에 사용된 하이드로젤 비드의 반지름은 약 1.02mm이었으며 비드의 함유량은 5, 7, 10, 12, 15 wt%로 조절하였다. 실험 결과, 하이드로젤 비드의 함량이 증가할수록 필터의 보습오일 함유량이 증가하였고 평균 용출량의 경우에는 비드 함유량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
- 하이드로젤 비드를 포함한 고강도 하이드로젤의 보습오일 용출 실험을 연속식으로 수행하였으며 그 결과를 다음 Table 1에 정리하였다. 본 실험에서 사용된 하이드로젤 멤브레인 필터의 겉보기 면적은 564.7 cm2였으며 부피는 24.11 cm3이었다. 본 실험에서는 유화제로 솔루빌라이저를 사용하였으며 하이드로젤 비드의 함량은 10wt%로 고정하였다.
- 11 cm3이었다. 본 실험에서는 유화제로 솔루빌라이저를 사용하였으며 하이드로젤 비드의 함량은 10wt%로 고정하였다. 유화제의 비율이 증가할수록 그리고 하이드로젤 비드의 크기가 증가할수록 용출 속도는 감소하는 경향을 나타내었다.
데이터처리
- 5 L/min으로 고정한 후 30분 동안 용출 실험을 진행하였고 5분마다샘플링 하여 자외선-가시광선 분광기를 이용하여 샘플에 함유된 보습오일 성분의 농도를 측정하였다. 그리고 이를 평균값으로 계산하여 평균 용출량(농도)을 도출하였다[23].
- )을 사용하였으며 유화제로는 올리브 리퀴드(olive oil peg-7 esters, (주)에코케이션) 및 솔루빌라이저(피마자 오일에서 추출, (주)에코케이션)를 사용하였다. 하이드로젤 비드의 크기는 Dino-Lite 사의 디지털 현미경을 사용하여 측정하였으며 평균값을 산출하여 나타내었다.
성능/효과
- 또한 실린지 니들의 직경이 커질수록 방울의 크기가 증가하기 때문에 하이드로젤 비드의 지름도 증가되는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 사용한 두 종류의 유화제에서 하이드로젤 비드가 잘 형성이 되었으며 비드의 크기는 유화제의 종류 및 토출 시 실린지 니들 내경에 의해 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 즉, 오일 함유량이 높은 하이드로젤비드를 하이드로젤 매트릭스와 결합함으로써 필터의 보습오일의 총 함유량을 증가시킬 수 있으며 동시에 보습오일 성분이 비드와 매트릭스의 하이드로젤 장벽을 이중으로 통과하면서 적절한 용출 속도 범위로 조절이 가능하다는 것을 나타내는 결과이다. 결과적으로 하이드로젤 비드 함유량이 5 내지 15 wt%인 경우 보습오일성분의 함유량이 20 내지 30 wt%를 나타내었으며 또한 하루 평균 물 사용량을 기준으로 하고 최소 사용량을 5개월로 하였을 때의 적정 용출 속도인 2.5~4.0 mg/L 사이의 용출량을 만족시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 0 mg/L 범위에 있다고 볼 수 있다. 따라서 보습오일과 유화제의 비율이 약 1 : 2.5인 경우 상기의 조건을 잘 만족시킴을 확인할 수 있었다.
- 하이드로젤 비드의 반지름이 감소할수록 표면적이 증가하기 때문에 보습오일의 용출 속도가 증가되는 결과를 나타내었다. 또한 누적 시간에 대한 용출 농도를 계산하였을 때 보습오일의 용출 속도는 약 30분부터 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 큰 차이가 나지는 않았지만 작은 올리브 리퀴드 유화제를 사용한 경우 솔루빌라이저를 사용한 경우에 비해 하이드로젤 비드 크기가 상대적으로 작아 더 빠른 용출 속도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
- 이는 유화제의 분자량 및 비드 형성 반응속도가 다르기 때문으로 사료된다. 또한 실린지 니들의 직경이 커질수록 방울의 크기가 증가하기 때문에 하이드로젤 비드의 지름도 증가되는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 사용한 두 종류의 유화제에서 하이드로젤 비드가 잘 형성이 되었으며 비드의 크기는 유화제의 종류 및 토출 시 실린지 니들 내경에 의해 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.
- Sun 등의 선행 연구에 따르면 알지네이트 젤과 폴리아미드 젤의 인장강도는 각각 17 및 8 kPa이지만 IPN 구조를 형성함으로써 29 kPa의 인장강도를 가지는 고강도 하이드로젤이 형성됨이 알려졌다[11]. 본 연구에서 개발된 보습오일 및 하이드로젤비드를 함유한 하이드로젤의 인장강도는 약 25 kPa로 측정되었다. 하이드로젤에 포함된 보습오일 성분 및 비드의 영향으로 문헌에 보고된 고강도 하이드로젤보다는 다소 낮은 인장강도를 나타내었지만 일반적인 하이드로젤에 비해 우수한 기계적 강도를 가짐을 확인할 수 있었다.
- 02mm이었으며 비드의 함유량은 5, 7, 10, 12, 15 wt%로 조절하였다. 실험 결과, 하이드로젤 비드의 함량이 증가할수록 필터의 보습오일 함유량이 증가하였고 평균 용출량의 경우에는 비드 함유량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 오일 함유량이 높은 하이드로젤비드를 하이드로젤 매트릭스와 결합함으로써 필터의 보습오일의 총 함유량을 증가시킬 수 있으며 동시에 보습오일 성분이 비드와 매트릭스의 하이드로젤 장벽을 이중으로 통과하면서 적절한 용출 속도 범위로 조절이 가능하다는 것을 나타내는 결과이다.
- 본 실험에서는 유화제로 솔루빌라이저를 사용하였으며 하이드로젤 비드의 함량은 10wt%로 고정하였다. 유화제의 비율이 증가할수록 그리고 하이드로젤 비드의 크기가 증가할수록 용출 속도는 감소하는 경향을 나타내었다. 일반적으로 1인이 1회 샤워 시 사용하는 물의 양은 평균적으로 50 L이고 사용 시간은 평균 10분이라고 가정할 수 있다.
- 실험 결과, 하이드로젤 비드의 함량이 증가할수록 필터의 보습오일 함유량이 증가하였고 평균 용출량의 경우에는 비드 함유량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 오일 함유량이 높은 하이드로젤비드를 하이드로젤 매트릭스와 결합함으로써 필터의 보습오일의 총 함유량을 증가시킬 수 있으며 동시에 보습오일 성분이 비드와 매트릭스의 하이드로젤 장벽을 이중으로 통과하면서 적절한 용출 속도 범위로 조절이 가능하다는 것을 나타내는 결과이다. 결과적으로 하이드로젤 비드 함유량이 5 내지 15 wt%인 경우 보습오일성분의 함유량이 20 내지 30 wt%를 나타내었으며 또한 하루 평균 물 사용량을 기준으로 하고 최소 사용량을 5개월로 하였을 때의 적정 용출 속도인 2.
- 또한 누적 시간에 대한 용출 농도를 계산하였을 때 보습오일의 용출 속도는 약 30분부터 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 큰 차이가 나지는 않았지만 작은 올리브 리퀴드 유화제를 사용한 경우 솔루빌라이저를 사용한 경우에 비해 하이드로젤 비드 크기가 상대적으로 작아 더 빠른 용출 속도를 나타냄을 확인할 수 있었다.
- 하이드로젤 비드의 크기 및 오일과 유화제의 비율 등을 제어함으로써 보습오일의 용출 속도를 원하는 범위로 조절할 수 있음을 확인하였다. 특히, IPN 구조를 가진 고강도 하이드로젤과 하이드로젤 비드를 결합함으로써 빠른 유속에서의 하이드로젤의 파괴 및 마모의 억제 효과 등을 기대할 수 있으며 동시에 보습오일의 용출 속도를 더 세밀하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 3에 나타내었다. 하이드로젤 비드의 반지름이 감소할수록 표면적이 증가하기 때문에 보습오일의 용출 속도가 증가되는 결과를 나타내었다. 또한 누적 시간에 대한 용출 농도를 계산하였을 때 보습오일의 용출 속도는 약 30분부터 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서는 보습오일 성분(보습오일 + 천연유화제)을 포함한 하이드로젤 비드 및 고강도 하이드로젤로 구성된 기능성 하이드로젤 멤브레인을 제조하고 용출 특성을 평가하였다. 하이드로젤 비드의 크기 및 오일과 유화제의 비율 등을 제어함으로써 보습오일의 용출 속도를 원하는 범위로 조절할 수 있음을 확인하였다. 특히, IPN 구조를 가진 고강도 하이드로젤과 하이드로젤 비드를 결합함으로써 빠른 유속에서의 하이드로젤의 파괴 및 마모의 억제 효과 등을 기대할 수 있으며 동시에 보습오일의 용출 속도를 더 세밀하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서 개발된 보습오일 및 하이드로젤비드를 함유한 하이드로젤의 인장강도는 약 25 kPa로 측정되었다. 하이드로젤에 포함된 보습오일 성분 및 비드의 영향으로 문헌에 보고된 고강도 하이드로젤보다는 다소 낮은 인장강도를 나타내었지만 일반적인 하이드로젤에 비해 우수한 기계적 강도를 가짐을 확인할 수 있었다. 상기 고강도 하이드로젤은 상기 하이드로젤 비드를 고정시키며 빠른 유속에서의 하이드로젤의 파괴 및 마모 등을 억제하는 역할을 할 수 있다.
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