Fabrication and application of poly(vinyl alcohol) or poly(acrylic acid) based hydrogel bilayers with swelling-induced shape deformation

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 화학생물공학부, 2018. 2. 조재영.형태 변형 고분자 재료는 주위 환경의 변화에 따라 다양한 크기와 모양으로 변형을 일으킬 수 있으며 다양한 연성 생체 재료로 활용이 가능하다. 주로 수중 환경에서 물의 흡수/배출에 의한 부피 변화를 이용하므로 많은 친수성 고분자 물질들이 쓰일 수 있으며 필요에 따라 다양한 제조 방법들이 이용될 수 있다. 본 연구에서는 PVA, PAA, PNIPAM 등의 고분자를 사용하여 형태 변형을 유도할 수 있는 구조 중 하나인 이중층으로 제조하였고, 이들의 구조 및 특성 분석에 이어 실제 상황에서의 적용까지 진행하여 형태 변형 고분자의 또 다른 활용 가능성을 제시하였다. 우선은 혈관 질환의 치료를 위한 색전용 코일 제작을 목표로 두 가지 방법을 이용해 고분자 이중층 필름을 제조하였다. 첫 번째로 포토리소그래피 방법을 통해 AA를 중합시켰는데 이 때 가교제인 PEGDM의 함량에 따라 가교된 PAA의 팽윤도 값을 조절할 수 있었고, 얇고 가느다란 가닥으로 이중층 제조 시 다양한 직경을 갖는 코일로의 형태 변형이 가능하였다. 여기에 방사선 비투과성을 부여하기 위해 TIBOM과 Ta 입자를 첨가하였고 X선에서 사람의 뼈와 유사한 수준으로 관측이 가능함을 확인하였다. 코일의 색전 효율을 확인하기 위해 유리관으로 제작한 동맥류 모델에 물을 공급하며 실험을 하였고 높은 폐색치밀도 값을 보였다. 두 번째로는 필름 적층법을 사용하였다. PVA와 Ta 혼합 용액으로 얇은 Ta-PVA 필름을 제조하였는데, 이 때 첨가해주는 GA의 양에 따라 만들어지는 Ta-PVA 필름의 팽윤도 값이 조절되어 후에 얇고 가느다란 이중층을 제조했을 때 다양한 크기를 갖는 코일로의 형태 변형이 가능하였다. 또한 X선에서의 관찰에 적합한 방사선 비투과성을 지녔다. 유리관 동맥류 모델 실험에서 다양한 크기의 코일을 조합하여 실험을 하였고 큰 코일과 작은 코일을 적절히 혼합한 것이 가장 효율적임을 확인하였다. 폐색 치밀도 값은 실험 방법에 따라 기존 색전 물질과 유사하거나 향상된 값이 나왔다. Ta-PVA 코일은 생체 적합성 및 용혈성 시험에서 적합 판정을 받았으며 이후의 동물 실험에서 Ta-PVA 코일을 사용하였다. 실험용 개의 혈관에 임의로 동맥류를 형성시켜 코일 삽입 실험을 하였으며 기존에 많이 쓰이던 색전 물질인 GDC에 비해 향상된 폐색 치밀도 값을 보였다. 마지막으로 PVA와 PNIPAM을 IPN 구조로 제조하여 팽윤 및 온도 변화에 반응해 형태 변형을 일으키는 이중층 필름을 제조하였다. 제조된 IPN 필름은 순수 PVA 필름과 유사한 우수한 기계적 물성을 보였으며 온도에 따라 팽윤도가 변하는 성질도 나타내었다. PVA 및 IPN 필름으로 제조한 이중층 필름은 온도에 따라 굽힘 시 직경이 달라지는 모습을 보였으며 이를 팔이 여러 개 달린 모양으로 제조했을 때에는 특정 물체를 들었다 놨다 하는 움직임도 보일 수 있음을 확인하였다.I. 서론 1. 연구의 배경 1 1.1 하이드로젤 1 1.2 형태 변형 고분자 필름 2 1.3 폴리비닐알코올 7 1.4 폴리아크릴산 10 2. 연구의 범위 및 목적 13 II. 혈관 내 색전술을 위한 방사선 비투과성을 갖는 고분자 색전 코일의 제조 및 특성 평가 20 1. 색전물질 연구 배경 20 1.1 색전술 20 1.2 색전물질 21 1.3 방사선 비투과성 23 1.4 연구의 개요 24 2. 포토리소그래피 방법을 이용한 Ta-PAA 및 TIBOM-PAA 색전 코일의 제조 및 특성 평가 31 2.1 실험 31 2.1.1 재료 31 2.1.2 방사선 비투과성을 갖는 PAA 이중층 제조 32 2.1.3 분석 35 2.2 결과 및 고찰 44 2.2.1 Ta-PAA 및 TIBOM-PAA의 특성 44 2.2.2 Ta-PAA 및 TIBOM-PAA와 PAA 이중층의 특성 47 2.3 Ta-PAA 및 TIBOM-PAA 색전 코일 연구 요약 64 3. Ta-PVA 필름의 적층을 통한 고분자 색전 코일의 제조 및 특성 평가 66 3.1 실험 66 3.1.1 재료 66 3.1.2 Ta-PVA 필름 및 이중층 제조 66 3.1.3 분석 69 3.2 결과 및 고찰 82 3.2.1 Ta-PVA 필름의 특성 82 3.2.2 Ta-PVA 이중층의 특성 86 3.3 Ta-PVA 색전 코일 연구 요약 112 III. 팽윤 및 온도 변화에 의해 형태 변형을 일으키는 PVA/PNIPAM IPN 하이드로젤 이중층의 제조 및 특성 평가 114 1. 형태 변형 PVA/PNIPAM 하이드로젤 연구 배경 114 1.1 자극 감응형 스마트 하이드로젤 114 1.2 PNIPAM의 물성 향상을 위한 연구 115 1.3 연구의 개요 120 2. 실험 125 2.1 재료 125 2.2 PVA/PNIPAM 필름 및 이중층 제조 125 2.3 분석 127 3. 결과 및 고찰 131 3.1 PVA 및 PVA/PNIPAM 필름의 특성 131 3.2 PVA와 PVA/PNIPAM 이중층 필름의 특성 136 4. PVA/PNIPAM IPN 이중층 연구 요약 150 IV. 결론 152 참고문헌 158 Abstract 169Docto