Hybrid Hydrogels of Laponite and Chitosan made by Electrostatic Interaction

Abstract

하이드로젤은 친수성 고분자로 이루어진 3차원 구조와 물로 구성되어있으며, 고체와 액체의 특성을 모두 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 젤은 생활용품에서부터 의료용 재료 등 다양한 영역에서 응용 가능하다. 친수성 고분자를 이용하여 만든 하이드로젤은 기계적 강도가 약하거나 외부자극에 반응하기 어렵다. 이러한 점을 극복하기 위해 3차원 구조체에 다른 물질을 도입하여 하이드로젤의 기계적 강도를 높이거나, 외부 자극에 반응할 수 있는 물질을 도입하여 하이드로젤에 기능을 부여하기도 한다. 본 연구에서는 수용액상에서 콜로이드 형태로 존재하는 클레이 입자에 키토산을 도입하여 기계적 성질이 우수한 하이드로젤을 제작하였다. 클레이 입자는 물에 분산되어 음의 전하를 가지며, 키토산은 pH가 6이하인 산성 수용액에서 양의 전하를 갖는다. 따라서 두 전하 사이의 상호작용에 의해 3차원 구조가 형성되면서 하이드로젤이 만들어진다. 클레이 농도가 3.0% (w/v)이상인 경우, 물에 분산시킨 후 1~2시간 이내에 점도가 증가하며 젤이 되는데, 약한 힘을 가하면 그 형태를 유지하지 못하고 용액과 같은 형태로 변하게 된다. 그러나 클레이 농도 2.5% 이상인 경우, 키토산을 넣은 직후 또는 수 분 이내에 젤이 되는 것을 확인하였다. 기계적 성질이 우수한 단단한 클레이-키토산 하이드로젤을 만들기 위한 최적의 비율이 존재함을 확인하였다. 첨가하는 키토산의 양이 적을 경우, 3차원 구조를 형성하지 못하며, 너무 많은 양의 키토산을 첨가하였을 경우 3차원 구조를 유지하지 못하고 클레이와 키토산이 응집 후 침전하게 된다. 또한 클레이 입자를 잘 분산시키기 위해 첨가하는 PAAS의 양이 너무 많을 경우에는 하이드로젤을 형성하지 못하고 클레이 분산액 내부에 키토산 방울을 얻게 된다. 점탄성 측정을 통해 제작한 하이드로젤의 기계적 강도를 측정하였다. 하이드로젤이 형성되는 키토산 범위에서, 첨가하는 키토산의 양이 증가할수록 하이드로젤의 강도가 증가함을 알 수 있었다. 그리고 PAAS가 첨가된 경우 하이드로젤의 강도가 높아졌으나 그 효과가 크지 않고, 클레이의 농도가 증가할 수록 강도가 증가함을 확인하였다. 또한 키토산 사슬 길이가 짧을수록 젤의 강도가 높았으며, 키토산 형태에 따른 강도는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 첨가하는 키토산 분산액의 pH를 변화하여 제작 후 측정한 결과 pH값이 높은 키토산 분산액을 이용한 하이드로젤의 강도가 약함을 알 수 있었다. 클레이와 키토산을 가지고 단단한 하이드로젤을 만들었으며, 키토산의 양전하가 많을수록 더 단단한 하이드로젤을 얻을 수 있었고, 키토산 사슬에 전하의 양이 적은 경우 젤이 되지 않음을 확인하였다. 이를 통해 클레이-키토산 하이드로젤은 정전기적 상호작용에 의해 3차원 구조를 형성하여 하이드로젤이 됨을 알 수 있다. 따라서 단단한 하이드로젤을 얻기 위해 최적의 비율이 존재하게 된다. 본 연구에서는 하이드로젤의 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 나노입자 또는 박테리아를 쉽게 젤 내부에 도입할 수 있는 것을 통해, 하이드로젤에 부가적인 기능을 부여할 수 있는 가능성을 확인하였다.

Hydrogels are wet and soft matters consist of three dimensional network structure and high water content. Hydrogels have been applied to various fields such as household items, biomaterials, drug delivery and tissue engineering and so on. But polymer hydrogels have limitations with respect to mechanical and stimuli-responsive properties. Thus, in order to overcome the shortcomings, inorganic materials are introduced to polymer hydrogels and the hybrid hydrogels are prepared. In this work, the hybrid hydrogel is fabricated by mixing clay and chitosan and improved to mechanical property. Clay, synthetic hectorite, has negative charges on its surface and positive charges on its edge when dispersed in deionized water. And the other component, chitosan, is dissolved in acid aqueous media under pH 6, and amine groups in chitosan chain protonated. Formation of clay-chitosan hybrid hydrogel is initiated through electrostatic interaction between the surface of clay and the amine groups of chitosan. To identify the role of chitosan in the gel formation, systematically we varied the concentration and observe the gel forming capability. And to examine improved mechanical property of clay-chitosan hydrogels, the shear modulus values G′ and G″ are measured clay-chitosan hydrogels which contained all three components or except for one component and also measured depending on chain length and type of chitosan. According to the experiments, we discovered that charge balance is the most important factor to obtain the robust hybrid gels with high modulus. Furthermore, the resulting gel can be moldable and the other materials such as nanoparticles or cell can be easily incorporated inside gel.