Dextran-based Hydrogel의 제조와 특성

조정모·노선균·강춘형

전남대학교 화학공학과, 전남대학교 고분자기술연구소

Preparation and Properties of Dextran-based Hydrogels

Joung-Mo Cho, Seon-Gyun Rho and Choon-Hyoung Kang

Department of Chemical Engineering,

Polymer Science and Technology Research Center,

Chonnam National University, Kwangju 500-757, Korea

서론

3차원 가교구조를 유지하는 친수성 고분자가 과량의 물과 접촉하면 매우 빠르게 팽윤하여 구조 내에 다량의 물을 함유할 수 있게 된다. 이러한 수용성 겔 가교구조를 hydrogel이라 한다[1]. Hydrogel은 일반적으로 친수성 고분자의 가교를 통해 제조할 수 있으며, 천연고분자나 합성고분자가 그것의 원료가 될 수 있다[2]. Hydrogel의 물성은 원료 고분자의 분자량 분포, 친수도, 그리고 가교밀도 등에 따라 변할 수 있으며[3], 외부환경에 대한 민감성, 조절 가능한 투과도, 그리고 생물학적 친화성의 이유로 의료, 약학, 생화학 및 그 외 많은 산업분야에 있어서 널리 사용되어지고 있다.

Dextran(dex)은 □-1,6 linked D-gluco-pyranose로 구성된 다당류 형태의 수용성 고분자로써, glucopyranose ring 내부에 많은 OH 그룹이 존재하여 극성이며 친수성인 화학물질과의 구조적 친화성을 가지고 있다. Dex는 주로 미생물에 의한 합성을 통해 얻어지며 친수성, 무독성, 생화학적 친화성을 이유로 의약품이나 식품산업 등에 널리 활용되어지며, 특히 분자량이 작은 분획은 혈장 대용품의 대명사라 할 정도로 인체와 잘 조화를 이루는 고분자이다. Dex는 hydrogel의 제조에 적합한 고분자로써 잘 알려져 있으며, 이들의 제조에 있어서 dex의 가교는 acryloyl 그룹 등으로 유도하여 사용하는 것이 일반적이다. 특히, Dex와 유도된 dex는 인체의 간, 장내의 점액, 결장, 비장, 신장 등에 존재하는 dextranase에 의해 분해될 수 있어서 경구 투여를 통한 약물전달시스템(DDS)에 자주 응용된다.

Dex-MA(methacrylated dextran)의 합성에 자주 사용되는 반응 중 하나가 methacryloyl chloride를 사용하는 것이다. 그러나 DS(degree of substitution)의 조절이 어렵고, 반응의 결과로써 부생성물이 생긴다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 DS의 조절이 용이하고, methacryloyl(MA) 그룹의 직접적 치환을 유도하는 transesterification반응을 통해 dex-MA를 제조하였다[4]. 결과로써 생성된 dex-MA는 1H-NMR, 13C-NMR, FT-IR, 그리고 GPC를 통해 MA 그룹의 치환을 확인할 수 있었다.

본 연구의 목적은 dex hydrogel을 제조하고, 이에 미치는 영향과 특성에 대해 알아보는 것이다. 자유 라디칼 반응에 따른 dex-MA의 가교로부터 hydrogel을 제조할 수 있었으며, 제조된 각각의 hydrogel에 대한 팽윤 특성은 질량법과 blue-dex 용액법을 사용하여 측정할 수 있었다.

실험

DMSO, KPS는 Kanto Chemical Co., TEMED, GMA는 Junsei Chemical Co., DMAP는 Avocado Research Chemicals로부터 각각 구입하였으며, 더 이상의 정제과정이나 변형 없이 사용하였다. 물은 Milli-Q RG system을 사용하여 전도도가 18□이상으로 유지되는 2차 증류수를 사용하였다. 고분자로써 PEG 8,000(Lot# 86H1342)과 Dex 509,500(Lot# 29H1087)은 SIGMA Chemical Co.로부터 공급 받아 사용하였으며 고분자의 분자량을 보정하기 위해 PEG 표준시료(WAT035711, Waters Co.)와 dextran 표준시료(Fluka)를 사용하였다.

Dex-MA의 합성에 사용된 반응장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 무게를 측정한 dex(5g)와 DMSO(45g)를 100□ 삼각플라스크에 넣은 후 질소분위기 하에서 자석 교반기를 사용하여 강렬하게 교반하였다. Dex를 완전하게 녹인 후, DMAP(1g)을 첨가하고 계속하여 교반하였다. 반응은 계산된 양의 GMA를 첨가하여 시작하였으며, DS의 조절을 위해 첨가한 GMA는 다음의 식을 이용하여 계산하였다.

[eqn: rm (GMA~질량) = {(GMA~분자량)}over{(dex의~단위체~당~질량)} times (dex~질량) times DS over 100]	(1)

GMA를 첨가한 후 4시간 동안 상온에서 강렬하게 교반하였으며, 공기의 노출을 막기 위해 반응하는 동안 질소분위기를 유지하였다. 반응의 정지는 당량의 산(HCl)을 첨가함으로써 이루어졌다. 생성된 반응물을 투석튜브에 옮긴 후 10일 동안 연속적인 추출이 이루어지는 과량의 물을 사용하여 반응물에 존재하는 불순물을 제거하였다. 투석튜브 내에 남은 잔류 용액은 동결건조기(Uni Trap Model 10-100)를 사용하여 건조되었으며, 결과물로써 몇 그램의 dex-MA를 얻었다.

Dextran-based hydrogel을 제조하는데 있어서 10 wt. %의 농도를 갖는 dex-MA 용액을 사용하였다. Dex-MA를 물에 완전하게 녹인 후, 3□의 일정 용액으로 겔의 크기를 규격화하기 위해 유리튜브(1□ 직경)에 넣어 가교반응을 행하였다. TEMED(60□, 20 vol. %, adjusted to pH 7 with 4M HCl)와 KPS(120□, 50 □/□)를 첨가한 후, 튜브를 밀봉하여 10초간 강렬하게 교반하여 즉시 37℃로 유지되는 항온조 속에 옮겼다. 여기서 KPS와 TEMED는 개시제와 가속제로 각각 사용되었다. 수 분 내에 반투명성 겔이 침전되는 것을 관찰할 수 있었으며, 반응시간은 특정온도와 TEMED에 의해 개선할 수 있었으며 30분 이내에 모든 겔화가 이루어졌다. 결과적으로 생성된 hydrogel을 흐르는 물로 세척하여 동결 건조한 후, FT-IR spectrum을 측정하였다.

여기에서 제조한 겔(1□ 직경)을 대략 1□ 길이로 자른 후, 과량의 물에 의해  평형상태로 팽윤된 것과 건조 시킨 것을 각각 팽윤실험에 사용하였다.

중량법(gravimetric method): 먼저 충분한 시간 동안 물과 접촉하여 평형상태로 팽윤된 hydrogel의 표면에 존재하는 과잉의 물을 blotting에 의해 제거하여 즉시 무게를 재고 이를 기록하였다(ws). 이를 60℃로 유지되는 건조기 내에서 24시간 방치한 후 무게를 재고 다시 24시간 후 잰 무게와 비교하여 변화가 없으면 완전히 건조된 것으로 간주하였다(wd). 팽윤비는 hydrogel의 팽윤된 무게와 건조된 무게의 비로부터 결정하였다(ws/wd).

Blue-dex 용액법(blue-dex solution method): Blue-dex 용액법에서는 농도의 변화에 따른 blue-dex의 푸른 색조의 변화를 UV로 측정하여 팽윤비를 간접적으로 얻을 수 있는 방법이다. Dex hydrogel의 시간에 따른 팽윤비를 조사하기 위해 연속적인 팽윤 실험을 행하였으며, 개략적인 실험 장치도를 Fig. 2에 나타내었다. 초기에 농도를 알고 있는 blue-dex용액을 일정한 온도로 유지되는 이중유리병(A)에 채운 뒤, 건조된 hydrogel을 용액 속에 조심스럽게 담근 후 시간에 따른 blue-dex용액의 색조변화를 UV(C; Bausch & Lomb Spectronic 21)로 관찰하였다. 이때 UV의 파장은 612nm로 고정하여 사용하였다. B로 나타낸 유량펌프(Dosca HPLH 200s)는 이중 유리병과 UV내에 있는 flow cell(Hellma co. 176.000-QS) 사이에 1/16 inch PTFE 관을 통해 blue-dex용액을 순환시키는데 사용하였으며, 이때 유속은 1.0 □/sec로 일정하게 유지하였다.

결과 및 고찰

Dex-MA는 MA 그룹의 직접적인 치환을 유도하는 transesterification 반응을 통해 제조하였으며, glucopyranose ring내에 MA 그룹을 확인하기 위해 NMR, FT-IR, GPC등을 사용하여 분석하였다. Dex-MA의 1H 및 13C NMR spectrum에 있어서는 Dex의 경우에서보다 MA 그룹의 methyl 그룹과 이중결합을 각각 나타내는 부가적인 신호를 관찰할 수 있었다.  특히, 1H NMR spectrum에 있어서 4.96, 4.97과  5.30ppm의 피크 강도를 비교함으로써 DS를 계산할 수 있었으며 물질 수지를 기초로 한 DS 값과 잘 비례함을 알 수 있었다. FT-IR spectrum에 있어서는 dex에 비해 dex-MA는 두 개의 추가적인 흡수띠를 확인할 수 있었으며, 각각은 MA 그룹의 carbonyl 그룹(1715 cm-1)과 이중결합(814 cm-1)을 나타내었다. 결론적으로 transesterification 반응을 통한 dex-MA의 합성은 glucopyranose ring 내 2- 와 3- 위치의 OH 그룹을 MA 그룹으로 직접치환을 유도하였으며, 반응초기의 dex에 대한 GMA의 정량적 비에 의해 DS가 효율적으로 조절됨을 확인할 수 있었다.

한편, dextran-based hydrogel은 dex-MA의 가교를 통해 얻었다. MA 그룹에 있는 이중결합은 자유 라디칼 반응을 통한 dex의 가교에 사용되었다. KPS와 TEMED를 dex-MA용액에 첨가하여, KPS의 sulfate 자유 라디칼을 통해 가교 반응을 진행하였다. Fig. 3은 MA 그룹의 이중결합과 관련하여 814 cm-1 영역 근처에서의 spectrum을 나타낸 것이다. 초기 dex에 MA 그룹의 부착으로부터 명백한 814 cm-1의 흡수띠를 나타내고(a), 가교에 의한 이중결합의 제거에 따라 다시 소멸됨(b)을 알 수 있다.

팽윤비를 결정하기 위해 질량법과 blue-dex 용액법을 사용하였다. Fig. 4는 연속실험을 행하여 서로 다른 DS로부터 제조된 hydrogel의 팽윤비를 속도론적으로 도시한 것이다. Hydrogel이 물과 접촉하였을 때, 매우 빠르게 팽윤하며 다량의 물이 흡수됨을 알 수 있었다. 평형 팽윤비는 DS10이 10.80, DS20이 17.10의 값을 각각 나타내었다.

참고문헌

[1] K.N. Park, S.W. Shalaby, and H.S. Park "Biodegradable Hydrogels for Drug Delivery" Technomic publishing Co., Inc., Lancaster, PA, 1993.

[2] Proceeding of the Tailored Polymeric Materials for Controlled Delivery Systems - sept. 7, 1997□ ACS publications, 1998. Chapter 2.

[3] S. Beltran, J.P. Baker, H.H. Hooper, H.W. Blanch, and J.M. Prausnitz, Macromolecules, 24, 549 (1991).

[4] W.N.E. van Dijk-Wolthuis, J.J. Kettenes-van den Bosch, A. van der Kerk-van Hoof, and W.E. Hennink Macromolecules, 30, 3411 (1997).

Fig. . Schematic diagram of reaction apparatus.

Fig. . Apparatus for contin-uous swelling test.

Fig. . Changes of transmittance (814 cm-1) in FT-IR spectra.

Fig. . Swelling ratio of hydrogels as a function of time at 25℃.