In this study, hydrogels were prepared by grafting 2-hydroxyethyl acrylate onto sodium alginate and then crosslinking with poly(ethylene glycol) diacrylate. Properties were analyzed according to ratio of crosslinking agent. Scanning electron microscopy showed that the hydrogels were porous structure, and the pore size was about 10 μm. Thermal gravimetric analysis showed that weight loss decreased and water binding capacity was high as the crosslink density increased. Swelling behavior was carried out at pH 7.4 and pH 2.5, with swelling of 400-900% and 150-190%, respectively. Texture analysis was performed according to various swelling media. The hardness of hydrogels swollen in buffer was higher than that of distilled water, and the hardness was higher as the crosslink density increased. As a result, this novel hydrogel has possibilities to be used as biomaterials such as tissue engineering, 3D printer, and drug delivery system by changing swelling medium and crosslinking density.

본 연구에서는 sodium alginate에 2-hydroxyethyl acrylate를 그래프팅 후, poly(ethylene glycol) diacrylate로 가교시켜 하이드로젤을 제조하였고, 가교제 비율에 따른 물리화학적 분석을 수행하였다. 주사전자현미경 관찰 결과, 하이드로젤은 다공성의 가교구조를 나타내었고, 공극 크기는 대략 10 μm였다. 열적 중량 분석 결과, 가교 밀도가 증가할수록 중량 감소가 적었고 수분 결합력이 높았다. 팽윤 거동은 pH 7.4와 pH 2.5에서 수행되었고, 각각 400~900%, 150~190%의 팽윤을 보였다. 또한 다양한 팽윤 매질에 따라 텍스처 분석을 수행하였다. 증류수보다 buffer에 팽윤된 하이드로젤이 경도가 높았고, 가교 밀도가 증가할수록 경도가 높았다. 결과적으로, 새롭게 합성된 본 하이드로젤은 팽윤 매질 및 가교 밀도에 변화를 줌으로써 조직공학, 3D 프린터, 약물 전달체 등의 생체 재료로 이용가능성이 있음을 시사한다.

Keywords: alginate, 2-hydroxyethyl acrylate, poly(ethylene glycol) diacrylate, hydrogel, radical polymerization

하이드로젤은 물에 녹지 않고 팽윤되어 구조 내에 많은 양의 수분을 함유할 수 있는 3차원 네트워크 구조를 갖는 친수성 고분자 물질이다.¹ 하이드로젤은 수용액에서 팽윤된 후 열역학적으로 안정하고, 특유의 친수성과 유연성으로 인해 의약학적 분야에 다양하게 이용되고 있다. 예를 들면, 소프트렌즈, 상처 치료용 드레싱, 바이오센서, 인공근육, 3D 프린터등의 생체 재료 및 약물 전달 시스템 분야에서 하이드로젤을 이용하고 있다.^2,3
용액의 pH는 유기 작용기의 산도 혹은 염기도에 따라 그 이온성에 변화를 준다. 수용액의 경우, pKa 혹은 pKb가 1~14 정도의 범위에 있는 작용기에 유의미한 변화를 줄 수 있다. 또한 산염기 조건에서 유기반응이 가능한 작용기를 이용해 pH 변화에 따른 반응을 유도할 수도 있다. 따라서 이러한 pH 민감성은 하이드로젤의 고분자 특성과 접목되어 다양한 방식으로 연구되고 있다. 약물 전달 시스템에서는 피부나 직장, 비강, 구강, 안구, 질 등 생체 pH를 고려한 효과적인 약물전달을 위해 pH 민감성을 이용하고 있다.^4-6 센서 분야에서는 pH에 따른 팽윤 정도를 이용해 CO₂ 분압을 감지하기도 한다.⁷ 이밖에도 다양한 분야에서 pH 민감성 하이드로젤이 유용하게 사용되고 있다.
알긴산(alginic acid)은 미역, 다시마 등 다세포성 해양생물인 갈조류의 세포막과 세포막간을 구성하는 물질이다.⁸ α(1→4)-L-gulosyluronic acid (G)와 β(1→4)-D-mannosyluronic acid(M)로 이루어진 직쇄의 공중합체로 된 이종다당류로, 알긴산의 (G)와 (M)은 각각 M 블록과 G 블록 또는 MG 블록들이 배열되어 있는 구조로 이루어져 있다.⁹ C, O, H만으로 구성되어 있는 알긴산은 그 작용기로 수산기(-OH)와 카복실기 (-COOH)를 가지고 있으며, G 블록 카복실기의 pKa는 약 3.65이고 M 블록 카복실기의 pKa는 약 3.38이다. 따라서 이 작용기들은 중성에서 대부분 이온화되어 있고, pH에 따른 이온화 정도의 변화로 그 물리화학적 특성이 바뀌게 된다. 또한 수산기와 카복실기는 수소결합을 형성할 수 있어, 알긴산의 형태를 단단하게 할 수 있고 수분을 보유할 수 있다. 그러나 알긴산은 물에 불용이어서, 알긴산 나트륨과 같은 수용성 알긴산염(alginate)의 형태로 이용되고 있다. 알긴산은 알긴산나트륨으로의 전환이 쉬워 가공성이 우수하고 값이 싸다는 장점이 있다. 이처럼 알긴산이 특유의 물리화학적 성질, 생체적합성, 무독성 및 생분해성을 가지므로 안구, 성형, 조직공학, 약물전달과 같은 의학적 분야에서 널리 응용되어 사용되고 있다.
기능성 단량체 중 2-hydroxyethyl acrylate(2-HEA)는 수산기(-OH)를 가지고 있어, 친수성에 따른 접착성 개선의 장점이 있으며,^10,11 특히 2-hydroxyethyl methacrylate(2-HEMA)와 함께 콘택트렌즈에 많이 이용되는 생체적합성 재료이다. 그러나 2-HEMA에 비하여 2-HEA가 하이드로젤 물성에 미치는 영향에 대한 연구는 아직까지 부족한 실정이다. 하이드로젤의 팽윤은 가교 밀도와 네트워크 구조, 팽윤 매질과 같은 다양한 요소들의 영향을 받는다.^12,13 팽윤은 약물전달 시스템으로의 적용에 있어 중요한 요소로 판단되는 약물의 수송 능력과 직접적으로 관련되어 있다. 따라서 하이드로젤의 적용을 위해 이들은 분명히 고려되어야 하며 다양한 요소들에 따른 특성의 분석이 요구된다.
따라서 본 연구에서는 천연 고분자인 알긴산에 2-HEA를 그래프팅시켜 공중합체 Alg-g-p(2-HEA)로 구성된 하이드로젤을 다양한 가교제 농도로 제조하였으며, 몇 가지 다른 조건에서 이들의 물리화학적 특성과 팽윤 특성 변화를 조사하였다. Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)을 이용하여 하이드로젤의 화학적 특성을 분석하였으며, scanning electronic microscope(SEM)을 이용하여 하이드로젤의 가교네트워크를 형태학적으로 분석하였고, 하이드로젤의 결정적인 특성인 팽윤과 텍스처 특성에 있어 가교제 농도와 다양한 팽윤 매질의 영향을 조사하였다. 결과적으로 본 연구에서 새로이 합성될 하이드로젤은 알긴산 G 블록과 M 블록의 카복실기에 의해 pH 민감성을 가지며, 실험을 통해 알게 될 고유한 물성들을 고려하여 다양한 분야(조직공학, 3D 프린터, 약물 전달체 등)의 생체 재료로 이용되기를 기대한다.