Poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) 용액의 농도가

PolyHEMA beads의 형태학적 구조에 미치는 영향

임재홍, 오경석*,한학수, 김중현, 조영일□

연세대학교 공과대학 화학공학과

삼양사 중앙연구소 화성연구실

The Effect of Concentrations of Poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)

on the Morphology of PolyHEMA beads

Jae-hong Im, Kyeong-seok Oh*, Hak-soo Han, Jung-hyun Kim, Yung-il Joe□

Dept. of Chem. Eng. College of Eng., Yonsei Univ.

Chemical Research Dept. of Samyang group R&D center

서 론

PolyHEMA는 methacrylate 계열 유도물들의 공중합에 의해 만들어지는 인공적 담체이다. 이런 형태의 담체 물질은 1970년대 초 체코슬로바키아에서 처음 만들어졌다. 이 물질이 알려진 이래, 구형 입자로의 제조가 특히 생의학계에서 초유의 관심사가 되었다. 그 이유는 이 물질이 갖는 특성인 생체 친화성인데, 이는 현재 의학계의 각종 검증을 통해 인체에 까지 직접 적용이 가능한 단계에 이르고 있다. 이들은 다양한 형태의 크로마토그래피의 흡착체, 혈액투과계 충전물, 약품의 제어방출물, 포유 동물세포의 담체, 면역제재로서 사용이 되고 있다[1-4].

그러나 이러한 다양한 이용에도 불구하고 PolyHEMA를 구형 입자로서 제조하는데에는 많은 문제를 포함하게 된다. 즉 생체이용적 측면에서 유독성 고분자 잔류물이 있어서는 안된다는 것과 기공도, 형태, 크기를 응용분야에 알맞게 조절해야 한다는 것이다.

따라서 본 연구는 PolyHEMA 제조에 있어서, PVP의 농도가 이러한 변수에 끼치는 영향을 알아보았다.

실험 방법

2-hydroxyethyl methacrylate(Aldrich), ethylene dimethacrylate(Aldrich), poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) K-90(Fluka),  azobis(isobutyronitrile)(Aldrich)를 사용하였으며, cyclohexanol과 1-octhanol은 국내 생산품을 사용하였다. 2-hydroxyethyl methacrylate 9.5 ml, ethylene dimethacrylate 0.5 ml, azobis (isobutyronitrile) 0.1 g, cyclohexanol 12 ml, 1-octhanol 3 ml로 고정하고(porogen sol. conc. ratio, CyOH:OcOH=4:1), poly (N-vinyl-2-pyrrolidone) K-90의 농도를 1, 2, 3, 5 wt %로 변화시키면서 PolyHEMA를 제조하였다. 반응기는 500 ml의 3구 둥근 플라스크를 사용하였으며, 중합시작 전에 10 분간 N2 가스로 충전시켰다. 이후 70 ℃로 반응기의 온도를 유지하였으며, 교반기로는 teflon 재질의 반달형 paddle을 사용하였다. 교반속도는 약 200 rpm으로 고정하였으며, 중합시간은 8 시간으로 하였다. 중합반응 이후 제조된 Poly HEMA는 증류수와 methaol로 10 회씩, 그리고 acetone과 ethylether로 3 회씩 세척한 후,  0.6 기압, 70 ℃에서 48 시간 동안 감압건조하였다.

감압건조를 행한 PolyHEMA는 standard sieve를 이용하여 크기별로 분류하였다. 분류된 PolyHEMA bead를 SEM, Porosimeter를 사용하여 분석하였다.

결과 및 토론

Table 1에서 보여진 바와 같이, PVP(poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) K-90 의 농도 변화에 따른 크기 분포는 중합조건으로서 PVP의 알 수 있게 해준다. PVP 농도가 1 wt % 인 경우, 생성입자의 약 50 %가 150∼210 □에 존재하지만 그 이외의 경우는 거의 70 % 정도가 100 □ 이하에서 만들어졌다. 즉, 2, 3, 5 wt % 에서는 PVP의 농도가 거의 영향을 끼치지 못하는 것이다. 이는 분산 안정제로서 작용하는 PVP의 영향을 보여주는 것으로서, 2 % 로 그 농도가 2 배 증가하였을 경우는 유기상 및 수용액상에서 중합체의 분산안정에 영향을 주지만 그 이상의 농도에서는 그 영향이 크지 않음을 알 수 있게 해준다.

Fig.1은 다양한 농도의 PVP 존재에 따른 제조된 입자의 전체 모습의 SEM 촬영물이다. 사진에서 입자 전체의 모습은 PVP 농도에 큰 영향을 받지 않는 것 같다. 그러나 겉표면의 잔주름은 PVP의 농도가 커져감에 따라 작아지며 조밀해 진다. 이는 PVP 농도 2 wt %와 5 wt %를 비교해 보면 확실해 진다. 이러한 경향성은 cyclohexanol과 1-octhanol의 비가 1:1, 4:1인 경우와 유사하다[6]. 따라서 비표면적을 증가시키기 위해서는 PVP의 농도가 커져야 함을 알 수 있다.

Table 2, Fig.2를 통해서 PVP의 농도가 증가할 때, 기공도가 증가하고 있음을 알 수 있었다. 기공도는 27.9 %(PVP 1 wt %)에서 34.8 %(PVP 3 wt %)로 약 25 % 증가하였다. 이는 cyclohexaol의 농도가 가장 높아, 1-octhanol의 영향이 거의 배제된 것을 생각하면, PVP의 역할이 단순히 분산안정제로서만 아니라 기공제로도 작용하고 있음을 알 수 있었다. PVP 농도 5 wt %의 경우 3 wt %와 별 차이가 없으므로, 현탁중합에서 최대 기공확보를 위한 PVP의 최적 농도는 3 wt %가 될 것이다. 그러나 PVP 농도에 따른 평균 기공 반지름의 변화는 거의 무시할 수 있어, 평균 기공 반지름이 미세구의 형성과 엉김에 주로 영향을 받는다고 보면 이는 porogen 용액 성분인 1-octhanol 농도에 의해 결정되어 진다고 생각된다[6].

참 고 문 헌

1. Alec B. Scranton, Antonios G. Mikos, J. of App. Pol. Sci., vol.40, 997-1004         (1990).

2. A. Jayakrishnan, B. Chithabara Thanoo, J. of Biomedical materials Research,         vol.24, 913-927(1990).

3. Daniel Horak, Frantisek Lednicky,  J. of App. Pol. Sci., vol.49, 2041-2050(1990).

4. Jaroslave Turkova, □Bioaffinity chromatography□, 1993.

5. Greg T. Hermanson, □Immobilized affinity ligand techniques□, 1992.

6. 임재홍, 한학수, 김중현, 조영일, 화학공학의 이론과 응용, 제2권, 제2호, 1331-     1334(1996)

감 사

이 논문은 삼양사의 연구비 지원으로 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 표합니다.

Table 1. Size distribution on the change of PVP concentration.

[단위, %]

PVP wt %	106 □ 이하	106 - 150	150 - 210	210 - 300	300 - 425	425 - 500	500 □ 이상
1	6	13.5	49.9	6.85	3.77	5.59	14.6
2	64.4	24.9	3.1	2.4	1.0	0.3	4.0
3	71.01	25.43	1.7	0.92	0.3	0.2	0.5
5	69.2	22.2	2.1	4.1	1.2	0.5	0.8

[a] PVP conc. 1 %	[b] PVP conc. 2 %

[c] PVP conc. 3 %	[d] PVP conc.5 %

Fig. 1. SEM photographs of PolyHEMA beads with PVP concentrations.

Table 2. Porosity and mean pore radius distribution on PVP concentration.

PVP (wt. %)	porosity (%)	mean pore radius (nm)
1	27.9	105
2	29.8	97
3	34.8	147
5	34.3	117

[a] PVP conc. 1 %	[b] PVP conc. 2 %

[c] PVP conc. 3 %	[d] PVP conc. 5 %

Fig. 2. Pore size distribution of PolyHEMA beads with PVP concentrations.