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KR101139638B1 - Method for forming hydrogel including nanoparticles - Google Patents

Method for forming hydrogel including nanoparticles Download PDF

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KR101139638B1
KR101139638B1 KR1020090028463A KR20090028463A KR101139638B1 KR 101139638 B1 KR101139638 B1 KR 101139638B1 KR 1020090028463 A KR1020090028463 A KR 1020090028463A KR 20090028463 A KR20090028463 A KR 20090028463A KR 101139638 B1 KR101139638 B1 KR 101139638B1
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South Korea
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nanoparticles
hydrogel
silica
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vinyl monomer
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KR1020090028463A
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손대원
김진우
구준모
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

나노입자를 함유하는 하이드로겔 제조방법을 제공한다. 먼저, 실리카를 함유하는 나노 입자를 준비한다. 상기 나노 입자의 표면에 라디칼 중합 개시기를 도입한다. 상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 하기 화학식 1로 표시되는 비닐 모노머를 혼합한다. 상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시켜 하이드로겔을 형성한다.It provides a method for producing a hydrogel containing nanoparticles. First, nanoparticles containing silica are prepared. A radical polymerization initiator is introduced to the surface of the nanoparticles. Nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced are mixed with a vinyl monomer represented by the following Chemical Formula 1. The nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced react with the vinyl monomer to form a hydrogel.

[화학식 1][Formula 1]

R1R3C=CR2R4 R 1 R 3 C = CR 2 R 4

상기 화학식 1에서, R1은 히드록시기, 카르복실기, 아미드기, 니트로 페닐 기 또는 페닐기이고, R2, R3, 및 R4는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 3의 알킬기 또는 수소이다.In Formula 1, R 1 is a hydroxy group, a carboxyl group, an amide group, a nitro phenyl group or a phenyl group, and R 2 , R 3 , and R 4 are each an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms or hydrogen regardless of each other.

Description

나노입자를 함유하는 하이드로겔 제조방법 {Method for forming hydrogel including nanoparticles}Method for producing hydrogel containing nanoparticles {Method for forming hydrogel including nanoparticles}

본 발명은 하이드로겔에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 나노 입자를 함유하는 하이드로겔에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogel, and more particularly to a hydrogel containing nanoparticles.

하이드로겔은 외부환경의 자극요인, 온도, 전기장, 용매의 성분, 빛, 압력, 소리, 자기장 등의 물리적 요인과 pH,이온강도 등 화학적, 생화학적 요인 등에 따라 이온결합, 수소결합을 단계적으로 혹은 급작스럽게 형성하여 팽윤 수축함으로써 체적의 변화나 겔-졸의 상태 변화를 일으키는 종류를 말한다.Hydrogels can be used in stages of ionic or hydrogen bonding, depending on physical factors such as stimulating factors of external environment, temperature, electric field, solvent components, light, pressure, sound, magnetic field, and chemical and biochemical factors such as pH and ionic strength. It refers to a kind that causes a change in volume or a state of gel-sol by suddenly forming and swelling and contracting.

이러한 외부의 적절한 자극에 의해 능동적으로 팽윤 변화하는 하이드로겔은 콘택트 렌즈 소재, 상처 도포제, 흡착제, 약물전달제제 등 의약용으로 활용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 또한, 하이드로겔은 혈액, 체액 및 생체조직과 접촉했을 때 우수한 생체 적합성을 갖는다.Hydrogels that swell and change actively by appropriate external stimuli are being used for medical applications such as contact lens materials, wound coating agents, adsorbents, and drug delivery agents. In addition, hydrogels have excellent biocompatibility when in contact with blood, body fluids and biological tissues.

일반적으로 알려진 하이드로겔은 기계적 특성이 낮아 상처드레싱용 하이드로겔 또는 약물전달체로 많은 연구가 진행되어있을 뿐, 생체적합적인 조직, 인공 고관절에 대한 적용연구는 미약하다. Known hydrogels have low mechanical properties, and many studies have been conducted as wound dressing hydrogels or drug carriers, and there are few studies on biocompatible tissues and artificial hip joints.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기계적 강도가 향상된 하이드로겔의 제조방법을 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a hydrogel with improved mechanical strength.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 하이드로겔 제조방법을 제공한다. 먼저, 실리카를 함유하는 나노 입자를 준비한다. 상기 나노 입자의 표면에 라디칼 중합 개시기를 도입한다. 상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 하기 화학식 1로 표시되는 비닐 모노머를 혼합한다. 상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시켜 하이드로겔을 형성한다.One aspect of the present invention to achieve the above object provides a hydrogel manufacturing method. First, nanoparticles containing silica are prepared. A radical polymerization initiator is introduced to the surface of the nanoparticles. Nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced are mixed with a vinyl monomer represented by the following Chemical Formula 1. The nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced react with the vinyl monomer to form a hydrogel.

R1R3C=CR2R4 R 1 R 3 C = CR 2 R 4

상기 화학식 1에서, R1은 히드록시기, 카르복실기, 아미드기, 니트로 페닐 기 또는 페닐기이고, R2, R3, 및 R4는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 3의 알킬기 또는 수소이다.In Formula 1, R 1 is a hydroxy group, a carboxyl group, an amide group, a nitro phenyl group or a phenyl group, and R 2 , R 3 , and R 4 are each an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms or hydrogen regardless of each other.

상기 나노 입자는 실리카 입자 또는 이모골라이트일 수 있다.The nanoparticles may be silica particles or imogolite.

상기 라디칼 중합 개시기는 퍼옥사이드기일 수 있다. 이 경우, 상기 나노 입자의 표면에 라디칼 중합 개시기를 도입하기 전에, 상기 나노 입자를 물에 분산시켜 나노 입자 수용액을 형성할 수 있다. 이 후, 상기 나노 입자 수용액에 방사선을 조사하여 상기 나노 입자의 표면에 라디칼 중합 개시기를 도입할 수 있다. 상기 방사선은 Co60일 수 있다.The radical polymerization initiator may be a peroxide group. In this case, before the radical polymerization initiator is introduced to the surface of the nanoparticles, the nanoparticles may be dispersed in water to form an aqueous nanoparticle solution. Thereafter, the nanoparticle aqueous solution may be irradiated with radiation to introduce a radical polymerization initiator onto the surface of the nanoparticles. The radiation may be Co 60 .

상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시키기 전에, 상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 비닐 모노머의 혼합물로부터 불순물을 제거할 수 있다. 상기 불순물을 제거하는 것은 동결-해빙법(freezing and thawing method)을 사용하여 수행할 수 있다.Before reacting the nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced and the vinyl monomer, impurities may be removed from the mixture of the nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced and the vinyl monomer. Removing the impurities can be carried out using the freezing and thawing method.

상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시켜 생성된 하이드로겔을 동결 건조할 수 있다.The hydrogel generated by reacting the nanoparticles into which the radical polymerization initiator is introduced and the vinyl monomer may be lyophilized.

본 발명에 따르면, 이러한 하이드로겔은 나노 입자를 함유하여 기계적 강도가 높을 수 있다. 이에 더하여, 상기 나노 입자는 실리카를 포함함으로써 표면 상에 라디칼 중합 개시제가 도입될 수 있어 추가적인 개시제 없이 비닐 단량체를 중합시킴과 동시에 하이드로겔을 형성할 수 있다. 이와 같이, 개시제가 추가적으로 첨가되지 않아 하이드로겔의 순도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노 입자와 비닐 폴리머는 화학적으로 결합됨으로써, 기계적 강도는 더욱 향상될 수 있다.According to the present invention, such a hydrogel may contain nanoparticles and have high mechanical strength. In addition, the nanoparticles may include silica to introduce a radical polymerization initiator on the surface, thereby polymerizing the vinyl monomer without additional initiator and simultaneously forming a hydrogel. As such, no additional initiator can be added to improve the purity of the hydrogel. In addition, since the nanoparticles and the vinyl polymer are chemically bonded, mechanical strength may be further improved.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면들에 있어서, 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the drawings, like reference numerals have been used for like components.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔 제조방법을 나타낸 개략도이다.1 is a flow chart showing a hydrogel manufacturing method according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a schematic diagram showing a hydrogel manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 실리카를 함유하는 나노 입자를 준비한다(S1). 상기 나노 입자는 실리카 입자 또는 실리카를 포함하고 무기나노튜브 형태를 갖는 이모골라이트(imogolite)일 수 있다. 상기 실리카 입자는 스퇴버법(Stㆆber method)를 사용하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 암모니아 촉매하에서 TEOS(tetraethylorthosilicate)를 가수분해 및 축합반응시켜 실리카 입자를 형성할 수 있다. 상기 나노 입자의 평균크기는 약 140nm ~ 500nm일 수 있다.1 and 2, nanoparticles containing silica are prepared (S1). The nanoparticles may be silica particles or imogolite containing silica and having an inorganic nanotube form. The silica particles can be prepared using the Stebber method. Specifically, silica particles may be formed by hydrolyzing and condensing tetraethylorthosilicate (TEOS) under an ammonia catalyst. The average size of the nanoparticles may be about 140nm ~ 500nm.

상기 나노 입자의 표면에 라디칼 중합 개시기를 도입한다(S2). 상기 라디칼 중합 개시기는 퍼옥사이드기(peroxide group)일 수 있다. 상기 나노 입자의 표면에 퍼옥사이드기를 도입하기 전에, 상기 나노 입자를 물에 분산시켜 상기 나노 입자의 표면에 하이드록시기를 도입할 수 있다. 그 후, 상기 하이드록시기가 도입된 나노 입자에 방사선을 조사하여 하이드록시기를 퍼옥사이드기로 개질할 수 있다. 상기 방사선을 조사하는 것은 산소 분위기에서 수행할 수 있다. 상기 방사선은 감 마선 예를 들면, Co60(코발트-60)일 수 있다.A radical polymerization initiator is introduced to the surface of the nanoparticles (S2). The radical polymerization initiator may be a peroxide group. Before introducing the peroxide group to the surface of the nanoparticles, the nanoparticles may be dispersed in water to introduce a hydroxyl group to the surface of the nanoparticles. Thereafter, the nanoparticles to which the hydroxy group is introduced may be irradiated to modify the hydroxy group to a peroxide group. Irradiating the radiation may be performed in an oxygen atmosphere. The radiation may be gamma ray, for example Co 60 (cobalt-60).

라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자를 비닐 모노머와 혼합한다(S3). 구체적으로, 상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자 수용액 내에 상기 비닐 모노머를 투입한다. 상기 비닐 모노머는 하기 화학식 1로 나타내어 질 수 있다.The nanoparticles to which the radical polymerization initiator is introduced are mixed with the vinyl monomer (S3). Specifically, the vinyl monomer is introduced into the aqueous nanoparticle solution into which the radical polymerization initiator is introduced. The vinyl monomer may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

R1R3C=CR2R4 R 1 R 3 C = CR 2 R 4

상기 화학식 1에서, R1은 히드록시기, 카르복실기, 아미드기, 니트로 페닐 기 또는 페닐기이고, R2, R3, 및 R4는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 3의 알킬기 또는 수소이다.In Formula 1, R 1 is a hydroxy group, a carboxyl group, an amide group, a nitro phenyl group or a phenyl group, and R 2 , R 3 , and R 4 are each an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms or hydrogen regardless of each other.

이러한 비닐 모노머는 메타크릴산(methacrylic acid), 아크릴산(acrylic acid), N-이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide), 1-니트로-4-비닐벤젠(1-nitro-4-vinylbenzene), 또는 스티렌(styrene)일 수 있다.Such vinyl monomers include methacrylic acid, acrylic acid, N-isopropylacrylamide, 1-nitro-4-vinylbenzene, or styrene. (styrene).

상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자와 비닐 모노머의 혼합물로부터 불순물을 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합물을 질소충진 상태에서 동결-해빙법(freezing and thawing method)을 사용하여 동결과 해빙을 반복적으로 수행함으로써 상기 혼합물로부터 불순물을 제거할 수 있다. 그 후, 결과물을 약 4℃ 이하에서 냉장 보관할 수 있다. 상기 질소 충진은 상기 나노 입자와 산소를 격리시키기 위해 수행하며, 약 5분간 진행할 수 있다. Impurities may be removed from the mixture of the nanoparticles and the vinyl monomer to which the radical polymerization initiator is introduced. Specifically, impurities may be removed from the mixture by repeatedly freezing and thawing using the freezing and thawing method in the nitrogen filled state. Thereafter, the resultant may be refrigerated at about 4 ° C. or lower. The nitrogen filling is performed to sequester the nanoparticles and oxygen, and may proceed for about 5 minutes.

상기 라디칼 중합 개시기가 도입된 나노 입자를 상기 비닐 모노머와 반응시 킨다(S4). 이 때, 상기 나노 입자의 표면 상에 도입된 라디칼 중합 개시제, 예를 들어 퍼옥사이드기는 상기 비닐 모노머를 중합시켜, 상기 나노 입자(10)의 표면 상에 화학적으로 결합된 비닐계 폴리머(20)를 형성한다. 이 때, 상기 나노 입자의 표면 상에 도입된 라디칼 중합 개시제는 개시제의 역할 뿐 아니라 가교제의 역할을 수행할 수 있다. 상기 이러한 중합공정은 ATRP(Atomic Transfer Radical Polymerization)법을 사용하여 40℃ 이상에서 6시간 이상 진행할 수 있다. 이러한 온도범위에서 상기 라디칼 중합 개시제는 라디칼을 형성할 수 있고, 그에 따라 중합이 진행될 수 있다. 일 예로서, 중합공정은 40 ~ 50℃에서 진행할 수 있다.The nanoparticles introduced with the radical polymerization initiator are reacted with the vinyl monomer (S4). At this time, a radical polymerization initiator, for example, a peroxide group, introduced on the surface of the nanoparticles may polymerize the vinyl monomer to form a vinyl-based polymer 20 chemically bonded on the surface of the nanoparticles 10. Form. At this time, the radical polymerization initiator introduced on the surface of the nanoparticles may play a role of a crosslinking agent as well as an initiator. The polymerization process may be performed for 6 hours or more at 40 ℃ or more using the ATRP (Atomic Transfer Radical Polymerization) method. In this temperature range, the radical polymerization initiator may form a radical, and thus polymerization may proceed. As one example, the polymerization process may proceed at 40 ~ 50 ℃.

이러한 중합공정의 결과, 나노 입자들은 비닐 폴리머에 의해 서로 연결될 수 있다.As a result of this polymerization process, the nanoparticles can be connected to each other by vinyl polymer.

상기 비닐계 폴리머는 그의 측쇄에 결합된 상기 화학식 1의 R1을 포함한다. 상기 중합 과정에서, 상기 R1이 히드록시기, 카르복실기, 또는 아미드기인 경우에 상기 R1들 사이 즉, 상기 비닐계 폴리머들 사이에 수소 결합이 생성되고, 상기 R1이 페닐기인 경우에 상기 R1들 사이에 π-π 스택킹(stacking)이 발생하여 하이드로겔을 형성할 수 있다. 또한, 상기 R1이 니트로 페닐기인 경우에는 수소 결합 및 π-π 스택킹(stacking)이 발생하여 하이드로겔을 형성한다.The vinyl polymer includes R 1 of Formula 1 bonded to a side chain thereof. In the polymerization process, the R 1 is a hydroxy group, a carboxyl group, or a hydrogen bond is produced between the vinyl-based polymer that is, among the R 1, when an amide group, in the case wherein R 1 is a phenyl group wherein the R 1 Π-π stacking may occur in between to form a hydrogel. In addition, when R 1 is a nitro phenyl group, hydrogen bonding and π-π stacking occur to form a hydrogel.

이 후, 상기 하이드로겔을 동결건조하여 물과 미반응 단량체를 제거함으로써, 3D-네트웍 구조를 갖는 하이드로겔을 얻을 수 있다.Thereafter, the hydrogel may be lyophilized to remove water and unreacted monomers, thereby obtaining a hydrogel having a 3D-network structure.

이러한 하이드로겔은 나노 입자를 함유하여 기계적 강도가 높을 수 있다. 이에 더하여, 상기 나노 입자는 실리카를 포함함으로써 표면 상에 라디칼 중합 개시제가 도입될 수 있어 추가적인 개시제 없이 비닐 단량체를 중합시킴과 동시에 하이드로겔을 형성할 수 있다. 이와 같이, 개시제가 추가적으로 첨가되지 않아 하이드로겔의 순도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노 입자와 비닐 폴리머는 화학적으로 결합됨으로써, 기계적 강도는 더욱 향상될 수 있다.Such a hydrogel may contain high nanoparticles and high mechanical strength. In addition, the nanoparticles may include silica to introduce a radical polymerization initiator on the surface, thereby polymerizing the vinyl monomer without additional initiator and simultaneously forming a hydrogel. As such, no additional initiator can be added to improve the purity of the hydrogel. In addition, since the nanoparticles and the vinyl polymer are chemically bonded, mechanical strength may be further improved.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<실리카 입자 합성예 1: 평균반경 70nm의 실리카 입자><Silica Particle Synthesis Example 1 Silica Particles with an Average Radius of 70 nm>

둥근바닥 플라스크 안에 에탄올 100ml을 30분 동안 교반하고, NH4OH 약 7ml를 넣어 30분 동안 교반하고, 여기에 TEOS (Tetraethyl-orthosilicate) 3ml를 넣어 30분 동안 교반한 후, 에탄올 50ml를 넣고 24시간 동안 교반하여 실리카 입자를 합성하였다. 그 후, 실리카 입자가 함유된 에탄올 용액을 원심분리기 내에 넣고 10,000rpm에서 30분 동안 원심분리하여 약 70nm의 평균반경을 갖는 실리카 입자를 분리하였다.In a round bottom flask, 100 ml of ethanol was stirred for 30 minutes, about 7 ml of NH 4 OH was added and stirred for 30 minutes. Then, 3 ml of TEOS (Tetraethyl-orthosilicate) was added thereto, stirred for 30 minutes, and 50 ml of ethanol was added thereto for 24 hours. Stirring to synthesize silica particles. Thereafter, an ethanol solution containing silica particles was placed in a centrifuge and centrifuged at 10,000 rpm for 30 minutes to separate silica particles having an average radius of about 70 nm.

<실리카 입자 합성예 2: 평균반경 120nm의 실리카 입자><Silica Particle Synthesis Example 2: Silica Particles with an Average Radius of 120 nm>

약 8ml의 NH4OH와 3ml의 TEOS를 사용한 것을 제외하고는 실리카 입자 합성예 1과 같은 방법을 사용하여 약 120nm의 평균반경을 갖는 실리카 입자를 분리하였다.Silica particles having an average radius of about 120 nm were separated using the same method as in the synthesis example of silica particles except that about 8 ml of NH 4 OH and 3 ml of TEOS were used.

<실리카 입자 합성예 3: 평균반경 260nm의 실리카 입자><Silica Particle Synthesis Example 3: Silica Particles with an Average Radius of 260 nm>

약 9ml의 NH4OH와 3ml의 TEOS를 사용한 것을 제외하고는 실리카 입자 합성예 1과 같은 방법을 사용하여 약 260nm의 평균반경을 갖는 실리카 입자를 분리하였다.Silica particles having an average radius of about 260 nm were separated using the same method as in the synthesis example of silica particles except that about 9 ml of NH 4 OH and 3 ml of TEOS were used.

<실리카-하이드로겔 제조예 1><Silica-hydrogel Production Example 1>

(a) 실리카 입자 합성예 1에서 얻어진 실리카 입자를 초순수에 섞어 2wt%의 실리카 수용액을 만들었다.(a) Silica Particles The silica particles obtained in Synthesis Example 1 were mixed with ultrapure water to form an aqueous 2 wt% silica solution.

(b) 대기 중에서 (a)의 실리카 수용액에 고준위 감마선인 Co60(20kGy/h)을 2 시간 조사한 후, 상기 감마선이 조사된 실리카 수용액을 액체 가스(N2)로 충진한 후 4℃이하에서 냉장 보관하였다. 그 후, 냉장 보관된 2wt%의 실리카 수용액 2.5ml와 모노머인 아크릴산 2ml를 유리 앰플에 넣어 실리카 수용액와 아크릴산의 부피 비율이 1.25:1인 실리카-아크릴산 수용액을 만들었다.(b) After irradiating the aqueous silica solution of (a) with Co 60 (20 kGy / h) for 2 hours in air, the aqueous silica solution irradiated with gamma rays was filled with liquid gas (N 2 ) and then cooled to 4 ° C. or less. Refrigerated. Thereafter, 2.5 ml of a 2 wt% silica aqueous solution and 2 ml of acrylic acid as monomers were placed in a glass ampoule to prepare a silica-acrylic acid aqueous solution having a volume ratio of 1.25: 1 between the aqueous silica solution and acrylic acid.

(c) 실리카-아크릴산 수용액을 20분간 얼린 후 진공 펌프를 이용하여 20분 동안 진공상태를 만들어 수증기 또는 산소 등의 불순물 기체들을 제거한 후, 이를 찬물에 녹여 액체 상태로 만들었다.(c) The silica-acrylic acid aqueous solution was frozen for 20 minutes and then vacuumed for 20 minutes using a vacuum pump to remove impurity gases such as water vapor or oxygen, and then dissolved in cold water to form a liquid state.

(d) (c)의 과정을 3번 반복하여 불순물을 제거한 후, 앰플을 진공상태에서 토치(torch)를 이용하여 절단하고, 절단된 앰플을 약 40℃를 유지하는 오일 수조 안에서 24시간 동안 교반시켜 실리카-하이드로겔을 얻었다.(d) After repeating the process of (c) three times to remove impurities, the ampoule is cut using a torch in a vacuum state, and the cut ampoule is stirred for 24 hours in an oil bath maintaining about 40 ° C. To obtain silica-hydrogel.

(e) (d)에서 얻은 하이드로겔을 동결건조기를 이용하여 48시간 동안 동결 건조하여 실리카-하이드로겔에 함유된 수분과 미반응 단량체를 제거함으로써, 3D-네트웍 구조를 갖는 실리카-하이드로겔을 얻었다.(e) The hydrogel obtained in (d) was lyophilized for 48 hours using a lyophilizer to remove moisture and unreacted monomers contained in the silica-hydrogel, thereby obtaining a silica-hydrogel having a 3D-network structure. .

<실리카-하이드로겔 제조예 2><Silica-hydrogel Preparation Example 2>

(a)단계에서 실리카 입자 합성예 2에서 얻어진 실리카 입자를 초순수에 섞어 2wt%의 실리카 수용액을 만든 것을 제외하고는 실리카-하이드로겔 제조예 1과 같은 방법을 사용하여 실리카-하이드로겔을 얻었다.Silica-hydrogel was obtained in the same manner as in the silica-hydrogel preparation example 1 except that the silica particles obtained in the silica particle synthesis example 2 in step (a) were mixed with ultrapure water to form an aqueous 2 wt% silica solution.

<실리카-하이드로겔 제조예 3><Silica-hydrogel Preparation Example 3>

(a)단계에서 실리카 입자 합성예 3에서 얻어진 실리카 입자를 초순수에 섞어 2wt%의 실리카 수용액을 만든 것을 제외하고는 실리카-하이드로겔 제조예 1과 같은 방법을 사용하여 실리카-하이드로겔을 얻었다.Silica-hydrogel was obtained in the same manner as in the silica-hydrogel preparation example 1 except that the silica particles obtained in the silica particle synthesis example 3 in step (a) were mixed with ultrapure water to form an aqueous 2 wt% silica solution.

<실리카-하이드로겔 제조예 4><Silica-hydrogel Production Example 4>

(a)단계에서 실리카 입자 합성예 1에서 얻어진 실리카 입자를 초순수에 섞어 1wt%의 실리카 수용액을 만들고, (b)단계에서 1wt%의 실리카 수용액 2ml와 모노머인 아크릴산 2ml를 유리 앰플에 넣어 실리카 수용액와 아크릴산의 부피 비율이 1:1인 실리카-아크릴산 수용액을 만든 것을 제외하고는 실리카-하이드로겔 제조예 1과 같은 방법을 사용하여 실리카-하이드로겔을 얻었다.In step (a), the silica particles obtained in Synthesis Example 1 were mixed with ultrapure water to prepare an aqueous 1 wt% silica solution. In step (b), 2 ml of an aqueous 1 wt% silica solution and 2 ml of an acrylic acid acrylic acid monomer were added to a glass ampoule. Silica-hydrogel was obtained in the same manner as in Preparation Example 1, except that silica-acrylic acid aqueous solution having a volume ratio of 1: 1 was prepared.

<실리카-하이드로겔 제조예 5><Silica-hydrogel Production Example 5>

(a)단계에서 실리카 입자 합성예 1에서 얻어진 실리카 입자를 초순수에 섞어 0.5wt%의 실리카 수용액을 만들고, (b)단계에서 0.5wt%의 실리카 수용액 1ml와 모노머인 아크릴산 2ml를 유리 앰플에 넣어 실리카 수용액와 아크릴산의 부피 비율이 0.5:1인 실리카-아크릴산 수용액을 만든 것을 제외하고는 실리카-하이드로겔 제조예 1과 같은 방법을 사용하여 실리카-하이드로겔을 얻었다.In step (a), the silica particles obtained in Synthesis Example 1 were mixed with ultrapure water to prepare a 0.5 wt% silica aqueous solution. In step (b), 1 ml of the 0.5 wt% silica aqueous solution and 2 ml of the acrylic acid monomer were added to a glass ampoule. Silica-hydrogel was obtained in the same manner as in Silica-Hydrogel Preparation Example 1, except that a silica-acrylic acid aqueous solution having a volume ratio of aqueous solution and acrylic acid was 0.5: 1.

<실험예 1: 실리카 입자 크기>Experimental Example 1 Silica Particle Size

도 3a 내지 도 3c는 각각 실리카 입자 합성예들 1 내지 3에서 얻어진 실리카 입자들의 주사전자현미경(SEM) 사진들이다.3A to 3C are scanning electron microscope (SEM) images of silica particles obtained in silica particle synthesis examples 1 to 3, respectively.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 비교적 균일한 크기를 갖는 실리카 입자들이 형성된 것을 알 수 있다.3A to 3C, it can be seen that silica particles having a relatively uniform size are formed.

도 4는 실리카 입자 합성예들 1 내지 3에서 얻어진 실리카 입자들의 크기 분포를 나타낸 그래프이다. 실리카 입자의 크기 분포는 DLS(Dynamic Light Scattering)장비를 사용하여 측정하였다.Figure 4 is a graph showing the size distribution of the silica particles obtained in silica particle synthesis examples 1 to 3. The size distribution of silica particles was measured using a DLS (Dynamic Light Scattering) equipment.

도 4를 참조하면, 실리카 입자 합성예 1(NH4OH 7ml, TEOS 3ml)을 통해 얻어진 실리카 입자의 평균 반지름은 약 70nm이고, 실리카 입자 합성예 2(NH4OH 8ml, TEOS 3ml)을 통해 얻어진 실리카 입자의 평균 반지름은 약 120nm이며, 실리카 입자 합성예 3(NH4OH 9ml, TEOS 3ml)을 통해 얻어진 실리카 입자의 평균 반지름은 약 260nm임을 알 수 있다.4, the average radius of the silica particles obtained through silica particle synthesis example 1 (NH 4 OH 7ml, TEOS 3ml) is about 70nm, obtained through silica particle synthesis example 2 (NH 4 OH 8ml, TEOS 3ml). The average radius of the silica particles is about 120nm, it can be seen that the average radius of the silica particles obtained through silica particle synthesis example 3 (NH 4 OH 9ml, TEOS 3ml) is about 260nm.

<실험예 2: 실리카 입자 평균 반경에 따른 실리카-하이드로겔의 인장 및 압축 특성>Experimental Example 2: Tensile and Compressive Properties of Silica-Hydrogel According to Silica Particle Average Radius

실리카-하이드로겔 제조예들 1 내지 3을 통해 얻은 실리카-하이드로겔의 인장특성과 압축특성을 UTM(Universal Testing Machine; Instron사)을 사용하여 측정하였고, 압축특성과 관련한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Tensile and compressive properties of silica-hydrogels obtained through silica-hydrogel preparation examples 1 to 3 were measured using a universal testing machine (UTM), and the results related to compression properties are shown in Table 1 below. It was.

[표 1][Table 1]

실리카 입자 평균 반경Silica particle average radius 실리카-하이드로겔 합성Silica-hydrogel Synthesis 압축 시험Compression test 실리카수용액/아크릴산Aqueous silica solution / acrylic acid 반응시간
[h]
Reaction time
[h]
변형(strain)
[%}
Strain
[%}
스트레스
[MPa]
stress
[MPa]
테스트 후
상태
after the test
condition
70 nm70 nm 2wt% 2.5ml / 2ml2wt% 2.5ml / 2ml 2424 98.298.2 30.830.8 회복recovery 120 nm120 nm 2wt% 2.5ml / 2ml2wt% 2.5ml / 2ml 2424 96.196.1 30.830.8 회복recovery 260 nm260 nm 2wt% 2.5ml / 2ml2wt% 2.5ml / 2ml 2424 92.492.4 22.722.7 회복recovery

도 5은 실리카-하이드로겔 제조예들 1 내지 3을 통해 얻은 실리카-하이드로겔의 압축특성을 나타낸 그래프이다. 도 6는 실리카-하이드로겔 제조예들 1 내지 3을 통해 얻은 실리카-하이드로겔의 인장특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the compression characteristics of silica-hydrogels obtained through silica-hydrogel preparation examples 1 to 3; 6 is a graph showing the tensile properties of silica-hydrogel obtained through silica-hydrogel preparation examples 1 to 3.

표 1 및 도 5를 참조하면, 실리카 입자의 평균 반경이 작을수록 실리카-하이드로겔의 압축강도(파단 전 최대 압축변형에서의 스트레스) 및 인장강도(파단 전 최대 인장변형에서의 스트레스)가 크며, 또한 더 유연할 수 있다. 이는 실리카 입자의 평균반경이 클수록 그 표면에 Si-O-C의 결합이 더 많아 실리카-하이드로겔이 더 단단해지기 때문인 것으로 추측되었다.Referring to Table 1 and Figure 5, the smaller the average radius of the silica particles, the greater the compressive strength (stress at maximum compressive strain before break) and tensile strength (stress at maximum tensile strain before break) of the silica-hydrogel, It can also be more flexible. This is presumably because the larger the average radius of the silica particles, the more Si-O-C bonds on the surface thereof, thereby making the silica-hydrogel stronger.

이러한 결과로부터, 실리카 입자의 평균 반경 조절을 통해 실리카-하이드로겔의 압축특성 및 인장특성을 조절할 수 있음을 알 수 있다.From these results, it can be seen that the compression and tensile properties of the silica-hydrogel can be adjusted by controlling the average radius of the silica particles.

<실험예 3: 실리카 입자 수용액과 단량체의 부피비에 따른 실리카-하이드로겔의 인장 및 압축 특성>Experimental Example 3: Tensile and Compressive Properties of Silica-Hydrogel According to Volume Ratio of Aqueous Silica Particle Solution and Monomer>

실리카-하이드로겔 제조예들 1, 4, 및 5을 통해 얻은 실리카-하이드로겔의 인장특성과 압축특성을 UTM(Universal Testing Machine; Instron사)을 사용하여 측정하였고, 각 wt% 의 실리카-하이드로겔에 대해 제일 강한 점탄성을 가지는 2wt%의 실리카-하이드로겔의 인장특성 및 압축특성과 관련한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The tensile and compressive properties of silica-hydrogels obtained through Silica-Hydrogel Preparation Examples 1, 4, and 5 were measured using a universal testing machine (UTM), and each wt% of silica-hydrogels was measured. The results related to the tensile and compressive properties of 2wt% silica-hydrogel having the strongest viscoelasticity are shown in Table 2 below.

[표 2]TABLE 2

실리카 입자 평균 반경Silica particle average radius 실리카-하이드로겔 합성Silica-hydrogel Synthesis 압축 시험Compression test 인장 시험Tensile test 실리카수용액/아크릴산Aqueous silica solution / acrylic acid 반응시간
[h]
Reaction time
[h]
변형
[%}
transform
[%}
스트레스
[MPa]
stress
[MPa]
변형
[%}
transform
[%}
스트레스
[MPa]
stress
[MPa]
70 nm70 nm 2wt% 2.5ml / 2ml2wt% 2.5ml / 2ml 2424 98.298.2 30.830.8 18001800 1.81.8 압축 시험 및 인장 시험 후 실리카-하이드로겔의 상태 : 회복State of silica-hydrogel after compression test and tensile test: recovery

표 2를 참조하면 고분자에 대한 실리카의 비율이 증가할수록 더 단단하고 점탄성이 낮은 고체 형태의 실리카-하이드로겔을 형성하는 반면, 고분자에 대한 실리 카의 비율이 감소할수록 말랑말랑하고 끈적이는 젤리 형태의 실리카-하이드로겔을 형성할 수 있음을 알 수 있다. Referring to Table 2, as the ratio of silica to polymer is increased, it forms a harder and less viscoelastic solid silica-hydrogel, whereas as the ratio of silica to polymer is decreased, the gel is soft and sticky. It can be seen that the hydrogel can be formed.

또한, 이러한 결과로부터 실리카 수용액과 아크릴산의 부피비를 조절함으로써, 실리카-하이드로겔의 압축특성, 인장특성 및 형태를 조절할 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be seen from these results that by adjusting the volume ratio of the aqueous silica solution and acrylic acid, it is possible to control the compression characteristics, tensile characteristics and shape of the silica-hydrogel.

이상 본 발명을 바람직한 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.While the invention has been described above with reference to specific preferred embodiments, it is intended that the specific modifications and variations of the invention fall within the scope of the invention and the specific scope of the invention will be apparent from the appended claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.1 is a flow chart showing a hydrogel manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로겔 제조방법을 나타낸 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a hydrogel manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3c는 각각 실리카 입자 합성예들 1 내지 3에서 얻어진 실리카 입자들의 주사전자현미경(SEM) 사진들이다.3A to 3C are scanning electron microscope (SEM) images of silica particles obtained in silica particle synthesis examples 1 to 3, respectively.

도 4는 실리카 입자 합성예들 1 내지 3에서 얻어진 실리카 입자들의 크기 분포를 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the size distribution of the silica particles obtained in silica particle synthesis examples 1 to 3.

도 5은 실리카-하이드로겔 제조예들 1 내지 3을 통해 얻은 실리카-하이드로겔의 압축특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the compression characteristics of silica-hydrogels obtained through silica-hydrogel preparation examples 1 to 3;

도 6는 실리카-하이드로겔 제조예들 1 내지 3을 통해 얻은 실리카-하이드로겔의 인장특성을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the tensile properties of silica-hydrogel obtained through silica-hydrogel preparation examples 1 to 3.

Claims (9)

실리카를 함유하는 나노 입자를 준비하는 단계;Preparing nanoparticles containing silica; 상기 나노 입자의 표면에 퍼옥사이드기를 도입하되, 상기 퍼옥사이드기는 상기 나노 입자의 표면에 직접적으로 접하는 단계;Introducing a peroxide group to the surface of the nanoparticles, wherein the peroxide group is in direct contact with the surface of the nanoparticles; 상기 퍼옥사이드기가 도입된 나노 입자와 하기 화학식 1로 표시되는 비닐 모노머를 혼합하는 단계;Mixing the nanoparticles into which the peroxide group is introduced and the vinyl monomer represented by Formula 1; 상기 퍼옥사이드기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시켜 하이드로겔을 형성하는 단계를 포함하는 하이드로겔 제조방법:A method for preparing a hydrogel, comprising: forming a hydrogel by reacting the peroxide-group-introduced nanoparticles with the vinyl monomers: [화학식 1][Formula 1] R1R3C=CR2R4 R 1 R 3 C = CR 2 R 4 상기 화학식 1에서, R1은 히드록시기, 카르복실기, 아미드기, 니트로 페닐 기 또는 페닐기이고, R2, R3, 및 R4는 서로에 관계없이 탄소수 1 내지 3의 알킬기 또는 수소이다.In Formula 1, R 1 is a hydroxy group, a carboxyl group, an amide group, a nitro phenyl group or a phenyl group, and R 2 , R 3 , and R 4 are each an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms or hydrogen regardless of each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 입자는 실리카 입자 또는 이모골라이트인 하이드로겔 제조방법.The nanoparticles are silica particles or imogolite is a hydrogel manufacturing method. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 입자의 표면에 퍼옥사이드기를 도입하기 전에,Before introducing the peroxide group to the surface of the nanoparticles, 상기 나노 입자를 물에 분산시켜 나노 입자 수용액을 형성하는 단계를 더 포함하는 하이드로겔 제조방법.Dispersing the nanoparticles in water to form a nanoparticle aqueous solution further comprising the step of forming. 제4항에 있어서,5. The method of claim 4, 상기 나노 입자의 표면에 퍼옥사이드기를 도입하는 것은 상기 나노 입자 수용액에 방사선을 조사하여 수행하는 하이드로겔 제조방법.Introducing a peroxide group on the surface of the nanoparticles is a method for producing a hydrogel is performed by irradiating the nanoparticles aqueous solution. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 방사선은 Co60인 하이드로겔 제조방법.The radiation is Co 60 hydrogel manufacturing method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 퍼옥사이드기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시키기 전에, 상기 퍼옥사이드기가 도입된 나노 입자와 비닐 모노머의 혼합물로부터 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 하이드로겔 제조방법.And removing impurities from the mixture of the nanoparticles and the vinyl monomer, into which the peroxide group is introduced, before reacting the nanoparticles into which the peroxide group is introduced, and the vinyl monomer. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 불순물을 제거하는 것은 동결-해빙법(freezing and thawing method)을 사용하여 수행하는 하이드로겔 제조방법.Removing the impurities is a hydrogel manufacturing method performed using a freezing and thawing method (freezing and thawing method). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 퍼옥사이드기가 도입된 나노 입자와 상기 비닐 모노머를 반응시켜 생성된 하이드로겔을 동결건조하는 단계를 더 포함하는 하이드로겔 제조방법.A method of producing a hydrogel further comprising lyophilizing a hydrogel produced by reacting the nanoparticles into which the peroxide group is introduced and the vinyl monomer.
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