수화젤의 유동학

Sarah Cotts | Morgan Ulrich
June 20, 2022

수화젤의 특성 규명 및 적용

수화젤은 대량의 물을 흡수할 수 있는 3차원의 다공성 구조로 되어 있습니다. 수화젤은 폴리머, 단백질, 펩티드, 콜로이드, 표면활성제 또는 지질로 구성될 수 있습니다.1 수화젤은 대량의 물을 흡수하는 능력이 있어 약물 전달 및 조직 엔지니어링 등 많은 생물학적 응용분야에 유용합니다. 수화젤이 물을 흡수하면 그 성질이 변하기 때문에 과학자들은 다양한 포화량과 다양한 조건에서 수화젤의 행동을 정확하게 규명해야 합니다.  

자연적으로 발생하는 수화젤의 한 예는 인체의 주요 구조 단백질인 콜라겐입니다. 콜라겐은 그 섬유적 특성으로 인해 조직 구조에 이상적인 물질입니다. 콜라겐 분자는 긴 원섬유에 조밀하게 합쳐진 구조를 갖고 있으며 정확한 구조적 배열에 따라 다르지만 강철과 유사한 신장 강도로 약간의 유연성이 있는 원섬유를 생성할 수 있습니다. 

콜라겐은 두드러진 구조적 성질과 생체 적합성으로 인해 특히 조직 엔지니어링에서 스캐폴드로 사용되는 등 광범위하게 사용되고 있습니다.2 콜라겐은 천연물질이기 때문에 그 품질은 샘플마다 차이가 있습니다. 따라서, 콜라겐 기반의 재현 가능성이 있는 제품을 제조하는 것이 상당히 어려울 수 있습니다. 그러나, 천연 시재료의 고유한 가변성은 극복이 불가능한 어려움이 아닙니다. 최종 적용을 위한 물질의 행동을 예측하기 위한 올바른 재료 물성 시험의 수행이 필요할 뿐입니다.  

이 블로그에서는 특성을 규명할 수화젤의 일차 예시로 콜라겐을 사용할 것입니다. 하지만 이러한 동일한 기법을 일체 원료 물질의 모든 수화젤에 적용할 수 있습니다. 

수화젤의 유동학

유동학은 액체 및 고체의 흐름과 변형 행동의 측정으로 콜라겐 등 수화젤을 연구하는 데 이상적인 방법론입니다.  수화젤은 본질적으로 점탄성을 갖고 있어 점성과 탄성 행동을 보입니다. 동적(진동) 유동학은 이러한 복합 물질의 성질을 규명하고 그 점탄성의 정량적 측정을 보고합니다.

  • 저장 탄성률: 샘플을 변형하기 위해 적용되어야 하는 에너지의 양
  • 손실 탄성률: 변형 후 물질이 원래 형태로 돌아가면서 손실되는 에너지
  • 탄젠트 델타: 손실 탄성률 대 저장 탄성률 간 비율 및 수화젤의 감쇠 특성 측정

이와 같은 점탄성 측정은 수화젤 샘플 간의 교차결합 정도, 유리 전이, 이질성 및 분자량의 차이를 이해하고 이러한 차이가 최종 사용 성능에 미치는 영향을 이해하기 위해서 매우 중요합니다.1 유랑계(Reometer)는 점탄성을 쉽게 측정하고 이러한 품질을 최적화하는 데 이상적인 도구입니다.

수화젤에 대해 매우 중요한 또 하나의 측정은 항복응력입니다. 많은 수화젤이 주입형 물질이며, 항복응력이 수화젤이 어떻게 주입 지점에서 유지되는지를 결정하는 요인이라는 점에서 매우 중요합니다. 전단 응답 또한 수화젤 용액을 얼마나 쉽게 주입할 수 있는지를 결정합니다.

상이한 콜라겐 시재료가 매우 다양한 물성 및 열성을 가질 수 있기 때문에, 연구자들은 특정 용도를 위한 최적의 재료를 선택하기 위해 실제 적용 조건하에서 주의 깊게 콜라겐의 성질을 규명합니다.3 유동학 테스트 장비의 신속 스크리닝 능력으로 인해 산업용 콜라겐 처리가 효율적이고 비용효과적이 되었습니다.

수화젤을 위한 최적의 유량계 선택

고품질의 재현 가능한 유동학 측정에는 적합한 테스트 기기가 필요합니다. TA Instruments는 유동학을 포함한 재료 물성 테스트 시스템의 설계 및 제조에 있어서 세계적인 리더입니다.

당사의 대표적인 유량계인 Discovery Hybrid Rheometer(DHR, 디스커버리 하이브리드 레오미터)는 업계를 선도하는 기기입니다. 사용이 쉬운 DHR은 수화젤 특성 규명에 매우 중요한 광범위한 표준 및 고급 분석 측정을 수행합니다.

Discovery HR

Discovery HR은 수화젤의 변형이 비탄성이 되기 시작하는 응력 조건 평가를 포함해 점탄성 평가 등 콜라겐 수화젤의 품질관리를 위한 여러 표준작업지침을 수행할 수 있습니다4. 수화젤의 경우 이러한 점탄성이 매우 낮은 변형률 백분율에서 나타나는 샘플은 최종 제품에 적합하지 않기 때문에, 이런 종류의 평가가 특히 중요합니다. Discovery HR 유량계는 특정 의료 응용분야를 위해 가장 적합한 후보 물질을 신속하게 식별할 수 있습니다.

Discovery HR은 간단한 측정에서부터 고급 측정까지 쉽게 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 또한, Discovery HR은 TRIOS AutoPilot 소프트웨어와 호환이 가능하므로 측정, 분석 및 보고서 생성을 포함하는 자동화된 루틴을 만들 수 있습니다. 시간이 금과 같은 산업 제조에 있어서 이 소프트웨어는 의사결정 속도를 높이고 새로운 사용자 교육 시간을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다.

유동학 측정을 위해 Discovery HR은 상이한 주변 조건의 흡습성 수화젤 측정에 유용할 수 있는 상대습도 시스템을 포함하여 여러 온도 시스템 및 온도 챔버를 갖추고 있습니다.

Discovery HR은 온도 제어 조건 하에서 단일 기기에서 회전 유동학 및 선형 동적 기계 분석을 수행할 수 있습니다. Discovery HR은 민감도가 탁월해 인해 광범위한 경도(강철에서부터 보다 유연한 콜라겐까지)의 물질에 대한 측정이 가능합니다.

수화젤의 유동학 평가에 관한 자세한 내용은 당사의 새로운 수화젤 유동학 적용 메모에서 확인할 수 있습니다. 단 한번의 전화통화 또는 한 번의 클릭으로 맞춤화된 솔루션 및 전문가 지원을 받으실 수 있습니다. 당사에 연락하여 TA Instruments가 어떻게 귀사의 복합 생체재료 사용과 관련된 효율성과 품질 관리를 개선할 수 있는지 알아보십시오.

참고문헌:

  1. Baby, D. K. (2020). Chapter 9 – Rheology of hydrogels. In Rheology of Polymer Blends and Nanocomposites. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816957-5.00009-4 
  2. Dong, C., & Lv, Y. (2016). Application of Collagen Scaffold in Tissue Engineering: Recent Advances and New Perspectives. Polymers, 8(42), 1–20. https://doi.org/10.3390/polym8020042  
  3. Meyer, M. (2019). Processing of collagen based biomaterials and the resulting materials properties. BioMedical Engineering OnLine, 18(24), 1–74. https://doi.org/10.1186/s12938-019-0647-0 
  4. Perez-Puyana, V. et al. (2020). Fabrication and Characterization of Hydrogels Based on Gelatinised Collagen with Potential Application in Tissue Engineering. Polymers, 12(5):1146. https://doi.org/10.3390/polym12051146  

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