Polycaprolactone/polyethylene glycol/gold hybrid network demonstrating near-infrared and water-responsive shape memory effects

Abstract

Light- and water-responsive shape memory polymers have gained great attentions in biomedical applications. In this thesis, chemically crosslinked shape memory polymers embedded with small amounts of gold nanoparticles were fabricated by crosslinking telechelic PCL and PEG/PCL having acrylate end groups with hyperbranched polyethyleneimine (PEI), a multifunctional amine, via Aza-Michael addition reaction. The PEI acted as host polymer for the gold nanoparticles to be formed in-situ in matrix polymer network. Structure, thermomechanical properties, photothermal effects and shape memory effects responsive to near infrared light and water of the hybrid networks were characterized. Results revealed that the PCL/PEI/gold nanocomposites exhibited excellent shape memory effects under thermal stimulation and near-infrared irradiation. And PEG (50)/PCL (50)/PEI/gold hybrid network exhibited excellent shape memory effects under thermal stimulation, near-infrared irradiation as well as water environment. This multi-stimulus-responsive shape-memory polymer could be potentially employed as smart biomedical applications.|광 조사 및 상온에서 물에 의해 본래의 모양을 기억할 수 있는 형상기억고분자는 원격조정 및 마일드한 조건에서 구동이 가능하여 의공학분야를 비롯하여 다양한 분야에 응용될 수 있는 스마트 고분자이다. 본 연구에서는 광열효과를 갖는 금 나노입자를 화학적으로 가교시킨 폴리카프로락톤 (PCL)에 실시간 환원에 의해 도입한 PCL/gold 나노복합체 기반 광감응형 형상기억고분자와 친수성고분자인 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 기반의 광조사 및 상온의 물 분위기 하에서 형상기억특성이 발현될 수 있는 PEG/PCL/gold 나노복합체를 제조하고, 이들의 구조와 특성을 조사하였다. PCL/gold 나노복합재료는 양말단에 아크릴기를 갖는 분자량 4,000인 PCL 아크릴 올리고머(PCLDA)를 다관능성 아민인 폴리에틸렌이민(PEI)과 Aza-Michael 반응시켜 화학적으로 가교시킨 PCL/PEI 네트워크를 HAuCl4 수용액으로 처리하여 PEI와 AuCl4 이온과의 착체형성을 유도한 후 환원시켜 평균직경 수십 나노크기의 금 나노입자를 고분자 매트릭스에 균일 형성시킴으로써 제조할 수 있었다. 또한, PEG/PCL/gold 나노복합재료는 양말단에 아크릴레이트기를 갖는 분자량 4,000인 PEG 아크릴 올리고머(PEGDA)와 PCLDA의 50 wt/50wt 혼합물을 PEI로 가교시킨 후 PCL/gold 나노복합재료 제조와 동일한 방법으로 금 나노입자를 형성시켜 제조할 수 있었다. 제조된 나노복합재료의 미세모폴로지, 화학구조, 열적, 기계적특성을 각각 SEM, TEM, FTIR, tensile testing, DMA, DSC 등을 이용하여 분석하였다. PCL/gold 나노복합재료의 경우 근적외선 분위기 하에서 우수한 형상기억특성을 나타내었으며, PCL/PEG/gold 나노복합재료의 경우, 근적외선 하에서의 형상기억특성과 함께 친수성 증가로 인하여 상온에서 물에 의한 형상기억효과가 함께 발현될 수 있음을 확인할 수 있었다. 이와같은 생분해성 및 생체적합성 소재 기반의 형상기억고분자는 스마트 기능성이 요구되는 의공학분야에의 잠재적 응용이 기대된다.