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Jun 26, 2023

첨단 생명공학, 의료 및 환경 응용 분야를 위한 대용량 3D 거대 다공성 하이드로겔을 생산하는 간단한 방법

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 21154(2016) 이 기사 인용 12k 액세스 89회 인용 5 Altmetric Metrics 세부 정보 벌크, 3차원(3D), 거대 다공성 폴리머 개발

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 21154(2016) 이 기사 인용

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89 인용

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측정항목 세부정보

높은 투과성, 큰 표면적 및 큰 부피를 갖는 벌크, 3차원(3D) 거대 다공성 폴리머의 개발은 생물 의학, 생명 공학 및 환경 분야의 다양한 응용 분야에 매우 바람직합니다. 현재 사용되는 실험 기술은 작은 크기와 부피의 크리오겔 재료 생산으로 제한됩니다. 이 연구에서 우리는 냉동 겔화를 통해 대용량 다공성 폴리머 하이드로겔을 합성하기 위한 새롭고 다양하며 간단하고 재현 가능한 방법을 제안합니다. 시약/폴리머 용액의 동결 과정을 제어함으로써 서로 연결된 넓은 기공(직경 최대 200μm)과 접근 가능한 넓은 표면적을 갖춘 대규모 3D 거대 다공성 겔이 합성되었습니다. 처음으로 제어된 다공성 구조를 갖춘 거대 다공성 젤(최대 400ml의 대량 부피)이 제조되었으며 훨씬 더 큰 젤 크기까지 확장할 수 있는 가능성이 있습니다. 이 방법은 내장된 입자가 균일하게 분포된 새로운 3D 다성분 거대 다공성 복합 재료를 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 제안된 방법은 동결 조건을 더 잘 제어할 수 있으므로 대형 젤 기반 장치 및 매트릭스의 생산을 제한하는 기존 단점을 극복합니다. 제안된 방법은 생물 의학, 생명 공학 및 환경 응용 분야를 위한 기능성 3D 거대 다공성 젤 및 복합재 준비를 위한 새로운 설계 개념으로 사용될 수 있습니다.

거대 다공성 폴리머 젤은 조직 공학, 세포 지지체, 생물 반응기, 생물학적 및 화학적 분리용 재료, 생물 의학 및 환경 응용 분야의 흡착제 등 광범위한 응용 분야에서 사용되었습니다. 겔의 다공성은 소위 포로젠(기공을 생성하는 화학 첨가물)을 사용하는 상 분리1, 동결건조2,3, 거품 형성 및 냉동겔화4,5 등 다양한 접근 방식을 통해 생성될 수 있습니다. 후자의 방법은 폴리머 겔다공성 구조를 형성하기 위해 지난 수십 년 동안 사용된 가장 다양한 기술 중 하나입니다. 기술은 간단합니다. 일반적으로 시약/폴리머 용액의 동결-해동 주기가 단 한 번만 필요하며 다양한 형태, 기계적 특성 및 투과성을 가진 물질을 생산할 수 있습니다8,9. 이 기술은 가장 일반적으로 사용되는 용매가 물이고 기공 형성 템플릿을 제거하기 위해 유기 용매를 사용할 필요가 없기 때문에 대체 기술보다 환경 친화적입니다. 다공성 중합체는 대부분의 용매가 응고될 때 반동결 상태에서 형성되어 정상 어는점 이하의 온도에서 용매 결정을 형성하며, 동결되지 않은 용액을 포함하는 결정간 채널에서 중합이 일어납니다. 중합 완료 후 온도를 높이면 용매 결정이 해동되고 용매로 채워진 폴리머 구조에 상호 연결된 공극(대형 기공)이 형성됩니다. 수용액으로 제조된 겔의 높은 투과성(따라서 낮은 흐름 저항)과 막힘 및 기공 막힘 없이 미세 및 거대 입자를 필터링하는 능력으로 인해 특별한 관심이 생겼습니다10. 이는 세포 및 생체 입자 분리10,11,12,13, 직접 혈액 관류14, 조직 공학15,16,17,18,19,20, 수처리21,22,23 및 생물 반응기24,25,26용 장치를 설계할 수 있는 기회를 열어줍니다. 거대 다공성 겔 생산을 위한 냉동 겔화 기술의 광범위한 사용에도 불구하고 초기 시약 용액의 동결 및 용매 결정 형성 현상은 완전히 이해되지 않았습니다. 기공 구배 및 이방성 기공이 있는 구조를 생성하기 위해 냉각 온도 및 냉각 속도 또는 시약 혼합물의 조성을 변경하여 작은 샘플의 용매 결정 크기를 제어하는 ​​데 일부 진전이 있었지만 얼음 핵 생성을 제어하는 ​​데 어려움이 인정되었으며 결과적으로 더 큰 샘플의 대부분에서 동결 동역학 및 얼음 결정 형성 조건. 이로 인해 특히 더 큰 3D 구조에서 생성된 거대 다공성 겔의 형태가 제대로 제어되지 않습니다. 실제로 지금까지 수행된 모든 작업은 실험실에서 소규모로 수행되었습니다. 현재까지 생산된 젤은 크기가 작거나(부피가 몇 밀리리터 또는 적어도 하나의 작은 크기(약 2cm 이하)) 샘플 전반에 걸쳐 다양한 기공 크기 분포를 갖습니다. 대규모 분리 또는 엔지니어링/생명공학 응용 분야의 경우 기공 구조 및 투과성의 제어가 개선된 대용량 거대 다공성 겔을 준비하기 위한 간단하고 재현 가능한 방법이 필요합니다. 또 다른 한계는 3D 투과성 매트릭스에 나노 및 마이크로 입자가 내장된 대형 거대 다공성 복합 재료의 제조와 관련이 있습니다. 동결겔화 방법을 통한 겔 형성에 사용되는 전구체 수용액의 밀도는 일반적으로 매우 낮으므로 겔 내 조밀한 나노 입자 또는 미세 입자의 균일한 분포를 보장하는 것이 특히 어렵습니다. 동결 과정에서 입자가 분리되어 복합재 전체가 손상되거나 입자 분포가 고르지 않은 거대 다공성 겔이 형성됩니다8. 이 논문은 겔 시스템의 동결과 동결 조건과 형성된 겔의 형태 사이의 관계를 연구합니다. 대용량 샘플의 열 전달을 평가하고 겔 형성을 시작하기 전에 대량의 시약 용액을 사전 동결시키는 새로운 방법을 제안합니다. 처음으로 우리는 다공성 구조를 효과적이고 재현 가능하게 제어하여 대용량(400ml 이상) 거대 다공성 겔 샘플 및 복합재의 생산을 시연합니다. 이 접근 방식은 고급 분리, 흡착 또는 구조적 응용을 위한 대용량 젤을 생산하고 마이크로 및 나노 입자가 내장된 새로운 3D 구조를 생성할 수 있는 새로운 기회를 열어줍니다.