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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.35 No.5 pp.390-398
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2024.1044

Fabrication of a Moldable, Long-Term Stable, High-Performance Conductive Hydrogel Composed of Biocompatible Materials

Seon Young Lee, Hocheon Yoo*†, Eun Kwang Lee†
Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
*Department of Electronic Engineering, Gachon University, Seongnam 13120, Korea
† Corresponding Author: H. Yoo: Gachon University, Department of Electronic Engineering, Seongnam 13120, Korea; E. K. Lee: Gachon University, Pukyong National University, Department of Chemical Engineering, Busan 48513, Korea Tel: H. Yoo: +82-31-750-5802; E. K. Lee: +82-51-629-6438 e-mail: H. Yoo: hyoo@gachon.ac.kr;
E. K. Lee: eklee@pknu.ac.kr
July 22, 2024 ; August 12, 2024 ; August 13, 2024

Abstract


The entire process of producing a conductive hydrogel for use as electrodes, such as in biomedical applications like electrocardiogram (ECG) and electromyogram (EMG), was conducted through a one-pot synthesis method where all reactions took place within a single reactor. In this study, the poly-(Hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA)/Chitosan (CS) hydrogel was fabricated with improved functionality by incorporating phytic acid (PA). For a pHEMA hydrogel without PA, the functionality was 47.8%, while the pHEMA/CS/PA-200 hydrogel with 0.2 mL of PA exhibited a functionality of 67.8%, indicating an increase of approximately 20%. As the PA content increased to 0.025, 0.05, and 0.2 mL, the ionic conductivity also increased to 0.057, 0.14, and 1.5 S/m, respectively. Notably, the HCP-200 hydrogel showed a conductivity 104 times greater than the pHEMA hydrogel. Therefore, the HCP-200 hydrogel, among the three concentrations, was synthesized for further testing, including shaping and direct attachment to three electrodes for subsequent ECG and EMG signal analysis. In the case of ECG, the signal peak heights were similar for the existing electrodes, Ag/AgCl and HCP gel. The average value of the EMG signal peak height was approximately 4 times higher for HCP gel.


Hydrogel , Poly-(hydroxyethyl methacrylate) , Chitosan , Phytic acid , Water content , Ionic conductivity , ECG , EMG

생체친화적 재료로 구성된 성형 가능하고 장시간 안정성을 지닌 고성능 전도성 하이드로겔 제작

이선영, 유호천*†, 이은광†
부경대학교 화학공학과
*가천대학교 전자공학과

초록


전극으로 사용할 전도성 하이드로겔을 제작하는 일련의 과정은 한 반응기 내에서 모든 반응이 진행되는 one-pot synthesis 방법으로 진행되었다. 본 연구에서는 심전도(electrocardiogram, ECG), 심근도(electromyogram, EMG) 전극과 같은 생체 전극에 활용하기 위한 poly-(hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA)/chitosan (CS) 하이드로겔에 phytic acid (PA) 첨가를 통해 함수율을 향상시킨 형태로 제작하였다. PA를 함유하지 않은 pHEMA 하이드로겔의 경우 함수율이 47.8%, PA의 함량이 0.2 mL인 pHEMA/CS/PA-200 (HCP-200) 하이드로겔의 경우 67.8%으로 함수율이 약 20% 증가한 것으로 나타났다. PA의 함량이 0.025, 0.05, 0.2 mL로 증가할 때 이온 전도도는 각각 0.057, 0.14, 1.5 S/m로 증가하였고, pHEMA 하이드로겔 대비 HCP-200 하이드로겔이 전도도 성능이 104배 큰 수치를 보였다. 이를 이용해 세 농도의 하이드로겔 중 HCP-200을 합성하여 성형 가능성을 확인하고, 이를 활용해 3전극 시스템 ECG, EMG 신호에 대한 결과를 분석하였다. ECG의 경우 신호 피크의 높이가 기존 전극인 Ag/AgCl과 HCP 겔이 유사하게 나타났다. EMG 신호 피크가 HCP 겔이 약 4배 높은 값을 보였다.


    1. 서 론

    전도성 하이드로겔은 생체 내부에서 발생하는 신호를 감지하여 질병 및 증상을 파악하고 그에 따른 적절한 치료 및 처치를 위한 물질로 사용되고 있다. 비침습적으로 생체 신호를 감지해 침습적인 방법에서 오는 환자의 신체적, 정신적 고통을 완화해줄 수 있다는 장점이 있어, 관련 연구에 대한 관심이 높아지고 있다[1,2]. 기존의 금속 소재의 전극의 경우, 좋은 전도도의 특성을 가져 현재 상용화된 전극으로서 많이 사용되고 있다. 그러나 오랜 시간 부착하여 사용할 경우 금속 소재가 가지는 한계로 인해, 피부에 알러지와 같은 자극을 줄 수 있다는 문제가 제기되었다[3]. 이에 생체 친화적인 물질로 합성된 하이드로겔 소재를 활용한 전극의 개발과 이러한 전극을 생체 부착 바이오 센서로 적용시키기 위한 연구가 활발히 진행되었다[4].

    하이드로겔을 생체 전극으로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다[2, 5]. 하지만 하이드로겔의 기존 전극 대비 낮은 전도도는 여전히 해결해야 할 과제로 남아있다[6]. 하이드로겔의 이러한 한계를 극복하기 위해 전도도를 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. 전도도를 높이기 위한 직접적인 방법으로, Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)와 같은 전도성 물질을 하이드로 겔에 코팅하여 겔 위에 얇은 전도층을 형성하는 방법이 제안되었다 [7]. 겔이 용액 상태일 때 이온성 액체를 함께 혼합하여 하나의 물질로 합성하여 이온 전도도를 높이는 연구도 진행되고 있다[8]. 이에 반해 따로 이온성 액체를 투입하지 않고, 피트산(phytic acid, PA)을 사용해 함수율이 향상된 하이드로겔의 개발이 이루어지고 있다[9, 10]. 하이드로겔 소재가 생체에 독성을 가지게 되면 직접 부착하게 되는 피부에 손상을 가져오므로 겔 구성 성분의 생체 적합성에 따라 물질을 선정하는 것이 중요하다. 이러한 하이드로겔은 함수율이 낮아지면 형태가 변형되고, 형태의 변형은 곧 하이드로겔의 피부 부착성이 떨어져 신호 감지에 영향을 주게 된다. 따라서 하이드로겔의 특성으로 장시간 물질 구성적⋅형태적 안정성이 요구된다.

    본 연구에서는 자체의 높은 함수율과 더불어 전도성을 향상시킨 형태적 안정성을 가진 하이드로겔을 합성하여 생체 전극에 적용시키고 자 한다. 하이드로겔 합성에 이용한 poly-(hydroxylethyl methacrylate) (pHEMA), 키토산(chitosan, CS), PA는 체내 독성을 가지지 않는 물질로서, 렌즈, 식품 첨가제 등 인체에 직접적으로 접촉시켜 사용하는 제품으로 많이 활용되고 있다[11-13]. 또한 하이드로겔의 주 고분자 사슬에 렌즈 소재로 활용되는 pHEMA를 접목시켜 생체 친화성을 함께 높이려 하였다. 실제 pHEMA를 주체로 하여 합성한 겔을 이용해 생체 전극으로 활용하기 위한 연구들이 이루어지고 있다[14-16].

    본 논문에서는 ECG, EMG 전극과 같은 생체 전극에 활용하기 위한 pHEMA/CS/PA (HCP) 하이드로겔을 PA 첨가를 통해 함수율을 향상시킨 형태로 제작하였다. 전극으로 사용할 하이드로겔을 제작하는 모든 일련의 과정은 한 반응기 내에서 진행되는 one-pot synthesis[17] 방법으로 진행되었다. HCP 하이드로겔은 pHEMA/CS 용액을 먼저 제조 한 후, PA를 투입하고 열을 가해 합성하였다. 합성된 HCP 하이드로 겔의 물리적, 화학적, 전기적 특성은 푸리에 변환 적외선 분광기(Fourier transform in spectrometer, FT-IR), 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM), 전기화학 임피던스 분광기(electrochemical impedance spectrometer, EIS), 광학현미경(optical microscope, OM)의 장치를 이용해 얻은 결과로 평가하였다. 또한 합성된 HCP 하이드로 겔을 3전극에 직접 부착하여 테스트를 진행하여 얻은 ECG, EMG 신호에 대한 결과를 분석하였다. PA의 함량이 0.025, 0.05, 0.2 mL로 증가할 때 이온 전도도는 각각 0.057, 0.14, 1.5 S/m로 증가하였고, pHEMA 하이드로겔 대비 HCP-200 하이드로겔이 전도도 성능이 104 배 큰 수치를 보였다. 이를 이용해 세 농도의 하이드로겔 중 HCP-200을 합성하여 성형 가능성을 확인하고, 이를 활용해 3전극 시스템 ECG, EMG 신호에 대한 결과를 분석하였다. 기존에 거의 시도되지 않았던 pHEMA와 PA의 조합을 통해, PA를 이용해 합성된 하이드로 겔의 연구 범위를 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다. 해당 연구를 통해 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)를 주체로 제작하는 안압 센서 연구에도 높은 함수율과 전도도를 가질 수 있도록 하는 기술이 적용될 수 있을 것이다[15].

    2. 실 험

    2.1. 재료의 준비

    Hydrogel의 골격 지지체로 사용된 CS(Aladdin Scientific, > 400 mPa.s)을 용해시키기 위한 용매로 아세트산(acetic acid, AA, JUNSEI, 99.7%)과 초순수를 사용하였다. pHEMA의 monomer인 HEMA(SAMCHUN, 96%)의 고분자화를 위한 가교제로 ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA, Alfa Aesar, 98%)를, 중합개시제로 과황산 암모늄(ammonium persulfate, APS, SAMCHUN, 98%)을 사용하였다. 하이드로겔의 함수율 특성을 향상시키기 위해 PA (Aladdin Scientific, 50% in water)를 투입하였다.

    2.2. 하이드로겔 합성

    재료 투입의 시작부터 겔 형성까지의 모든 합성 과정이 하나의 반응기에서 일어나는 one-pot synthesis[17] 기법을 이용해 하이드로겔을 합성하였다. 0.16 mL 99.9% AA와 1.5 mL 초순수에 CS 0.02 g을 넣고 25 °C에서 30 min 동안 vortex mixer (LT-VM01012, Labtron, UK)로 교반하여 균일한 형태의 용액을 형성하였다. 0.33 mL HEMA와 0.03 mL EGDMA를 첨가하고 700 rpm, 25 °C에서 20 min 동안 교반하여 용액 내에 HEMA를 가교시켰다. 고분자의 중합을 위해 0.01 g APS를 넣고 70 °C에서 15 min 동안 교반시켜 완전히 용해시킨 pHEMA/CS 용액을 제조하였다. 이때 APS가 모두 용해되지 않는 경우, 온도를 범위 5~10 °C 이내에서 증가시켜 그 용해도를 높였다. 균일한 혼합물에 PA를 넣고 85 °C에서 1 h 동안 가열하여 HCP 하이드로겔을 합성하였다. PA의 경우, 농도에 따른 특성 변화를 관찰하기 위하여 각각 0.025, 0.05, 0.2 mL를 넣어 각각 HCP-25, HCP-50, HCP-200 하이드로겔을 제작하여 그 특성을 평가하였다. HCP 하이드로겔과 전기 전도성, 함수율 특성 비교를 위해, CS와 PA가 포함되지 않은 pHEMA 하이드로겔(pristine)을 제작하였다. 각 주요 반응물(HEMA, CS, PA)의 상세한 함량과 PA와 H2O의 비를 Table 1에 나타내었다.

    2.3. 하이드로겔의 표면 특성화

    합성된 하이드로겔의 표면 특성화를 위해 그 표면을 거시적인 범위에서 촬영하였다. 겔 표면의 높이를 제곱 평균 제곱근(RMS, Root mean square)의 방법을 사용해 표준 편차를 내 표면 거칠기를 측정하였다. 겔의 주 구성요소인 pHEMA 고분자체와 CS, PA 간의 화학적/ 물리적인 결합과 그로 인한 표면 특성 비교를 위해, 90 °C에서 4 h 동안 건조시킨 pHEMA 하이드로겔, CS 입자, HCP 하이드로겔 시료를 FT-IR (FT-4100, JASCO)로 측정하였다. 미시적인 범위의 표면 고분자 사슬 간 결합을 10 kV 조건에서 SEM(Vega Ⅱ LSU, Tescan)으로 확인하였다.

    2.4. 하이드로겔의 전기 전도성 특성화

    하이드로겔의 전기 전도성의 경우, 직류와 교류 두 가지 측면에서 그 특성을 평가하였다. 겔의 직류 특성의 경우, 드레인 전압 –10~10 V 조건에서 semiconductor analyzer (Keithley 2636A, Tektronix, U.S.)로 겔의 저항을 측정하였다. 교류 특성의 경우, AC 전압 50 mV, 주파수 10 Hz~1 MHz 조건에서 EIS로 겔의 벌크 저항을 측정하였다. 3점 농도별로 직경 2.5 mm의 원형 하이드로겔을 제작하여, 겔 상하단에 구리 테이프를 부착해 테이프가 교차되는 면적을 기준으로 측정된 저항을 이용해 이온 전도도를 계산하였다.

    하이드로겔의 전기 전도성을 확인한 후, 겔을 3전극(작업전극, 상대전극, 기준전극)에 직접 부착하여 심전도(ECG, electrocardiogram), 심근도(EMG, electromyogram)를 측정하였다. 이를 기존의 Ag/AgCl 전극을 사용해 심전도, 심근도를 측정하여 비교하였다.

    2.5. 하이드로겔의 함수율 특성화

    pristine, HCP-25, HCP-50, HCP-200 하이드로겔을 90 °C에서 8 h 동안 건조시켜, 기존 하이드로겔 대비 첨가된 PA 함량에 따른 겔의 함수율 특성을 평가하였다. 함수율은 건조 전 측정된 겔의 무게(W1, wet weight), 건조 후 측정된 겔의 무게(W2, dry weight)를 이용해 아래의 식과 같이 건조 전 중량 대비 감소된 중량의 비율로 계산되었다. 건조 전후의 각 겔의 무게와 계산된 함수율은 Table 2에 나타내었다.

    2.6. 성형된 하이드로겔 제작

    출력 온도 250 °C, 인쇄 속도 300 mm/s의 조건에서 ABS 필라멘트(Creality, China)로 3D 프린터(K1, Creality, China)를 이용해 하이드로 겔을 성형하기 위한 틀을 제작하였다. 이때 틀의 형태는 fusion 360 (Autodesk, U.S.)으로 4가지 디자인을 설계하였다. 제작된 틀에 이형제를 뿌리고 25 °C에서 30 min 동안 건조하여 합성된 겔이 틀과 잘 분리되도록 하였다. 건조시킨 틀에 PA를 넣기 전 pHEMA/CS 겔 용액 2 mL를 넣어준 후, PA 0.2 mL를 첨가하고 85 °C에서 1 h 동안 가열 해 겔을 제작하였다. 겔을 25 °C에서 10일 간 보관하여 하루 간격으로 OM (BX53M, OLYMPUS)으로 표면을 관찰하였다. 제작된 틀의 경우 Figure S1에 나타내었다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 하이드로겔의 구조적 특성

    HCP 하이드로겔은 각각 Figure 1a, 1b에 나타낸, 주로 콘택트렌즈 소재로 사용되는 pHEMA와 생물유래 고분자인 CS를 주 물질로 합성 되었다. 일반적으로 생체 센서로서 고가의 고유한 독성을 지닌 이온성 액체로 제작된 이온겔이 활용되고 있다[3]. 이와 달리, 저가의 식물에서 추출한 인체 독성이 없는 PA를 투입하여 겔의 전도성을 높였다 [18]. 합성된 겔의 내부 구조 및 화학 물질 간 상호 작용은 Figure 1c에 나타내었다. Figure 1d에 나타낸 바와 같이 One-pot synthesis 방법으로 겔을 합성하였다. 이를 통해 반응기 간에 용액이 옮겨지는 과정에서 발생하는 반응물 손실을 줄여 용액 농도의 오차를 감소시켰다. 또한 공정의 단순화를 통해 연속적으로 진행되어야 하는 화학 반응의 효율을 향상시켰다[19]. 인체 친화적인 이 세 가지 물질 간의 화학적/물리적 결합을 통해 형성된 겔의 내부 구조는 Figure 1e와 같다. PA는 자체적으로 가진 6개의 phosphate와 겔 내부의 다른 고분자의 작용기 간의 상호 작용을 일으켜 하이드로겔의 골격 및 특성을 형성하는 역할을 하였다. 하이드로겔을 합성하는 과정에서 CS가 포함된 겔 용액에 PA를 첨가해주면서, CS의 amino기와 PA의 phosphate기 간의 상호 작용이 일어났다. PA의 phosphate는 하이드로겔의 주 사슬인 pHEMA 의 hydroxyl기와도 수소 결합을 형성하였다. pHEMA 내부 hydroxyl기 간의 결합을 포함하여, 합성된 HCP 하이드로겔은 PA의 첨가로 삼중 가교 구조를 지녔다[20]. 이러한 상호작용을 통해 polymerchain 간의 결합이 견고해지면서, polymer 밀도가 높아져 하이드로겔 표면의 거칠기가 감소하였다. 또한 PA의 phosphate기와 물의 hydroxyl기 간의 수소 결합으로 겔 내부 함수율이 높아져, 겔의 부피가 증가함에 따라 두께가 증가하는 결과를 보였다. 이와 같이 PA가 고분자 사슬 간의 상호작용을 위한 가교제의 역할을 하나, 그 함량이 과량일 때는 오히려 사슬 간의 결합 수가 줄어들어 가교 밀도가 감소하는 것으로 나타났다. 이에 겔 합성 시, 형성되는 겔의 형태를 고려하여 합성한 겔 용액의 양을 기준으로 PA의 함량의 최대값을 200 μL로 한정하였다.

    3.2. 하이드로겔의 표면 특성

    PA 함량을 3가지로 나누어 겔을 합성한 후 각 겔의 표면 특성을 분석하였다. Table 1에 명시된 것과 같이, HEMA 0.33 mL가 포함된 하이드로겔에 각각 0.025, 0.05, 0.2 mL의 PA를 첨가하여 지름 2.5 mm 의 겔 3개를 합성하였다. 이때 PA의 함량에 따라 합성된 겔의 표면이 시각적으로 변화하는 모습과 형성된 겔의 두께를 기준으로, 3점을 선정하고 그 표면 특성을 평가하였다. 겔 표면 거칠기를 OM으로 측정하여 Root mean square (RMS) roughness로 분석한 결과(Figure S2a-c), 3점 농도를 비교하였을 때 PA 함량이 0.025 mL에서 0.2 mL로 증가할수록 표면 거칠기는 0.21에서 0.19로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 생체 센서로 사용하기 위해 겔을 피부 표면에 부착 시, 더 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해선 피부에 닿는 면적을 증가시켜야 한다[21]. 표면의 거칠기가 작을수록, 피부와 겔이 닿는 표면적이 증가하므로 가장 낮은 표면 거칠기를 가진 HCP-200 하이드로겔이 생체 센서에 적합하다.

    겔의 기계적/형태적 안정성 또한 적합성을 결정하는 데 중요한 요소로 작용한다. Figure S2a의 이미지를 살펴보았을 때, HCP-25의 경우 겔이 온전히 합성되지 못한 불안정한 형태를 띠었다. 세 가지 젤의 두께를 비교해보았을 때, 그 두께는 0.76 mm에서 1.77 mm으로 착용감에 영향을 미치지 않는 수준에서 PA 함량과 비례하게 증가하는 현상을 보였다(Figure 2). 이는 형태적 안정성을 고려하였을 때, 생체 센서로 활용되기에 HCP-200 하이드로겔이 가장 적합함을 의미한다.

    Figure 3의 SEM 이미지를 통해 PA 함량이 증가할 때 겔 표면이 어떻게 달라지는 지 hydrogel의 고분자 표면 morphology를 확인하였다. HCP-25 (Figure 3a)에서 HCP-50 (Figure 3b), HCP-200 (Figure 3c)으로 갈수록 점점 복잡하게 얽혀 있는 구조를 가진 고분자의 모습이 관찰되었다. 이는 PA가 고분자 사슬 간의 결합 생성에 관여해 이를 더욱 견고하게 만들어주는 역할을 하기 때문인 것으로 생각된다. 겔 내부 고분자 사슬 사이의 상호작용이 강해진다는 것은 겔이 더 향상된 기계적 특성을 가질 수 있음을 의미한다[22]. 위와 같은 결과로 하이 드로겔의 표면 거칠기(피부 부착성), 기계적 안정성을 고려해 하이드로겔의 함수율과 응용성 테스트는 HCP-200 하이드로겔을 기준으로 진행되었다.

    3.3. 하이드로겔의 화학적 및 전기적 특성

    85 °C에서 4 h 동안 열처리를 진행한 pHEMA 하이드로겔, CS 분말, HCP-200 하이드로겔의 작용기 간의 상호 작용은 Figure 4에 나타난 FT-IR 스펙트럼 결과에 의해 분석되었다. pHEMA 하이드로겔의 hydroxyl기 신축 운동 피크는 3340 cm-1에서, CS의 amino기 신축 운동 피크는 3362 cm-1에서 나타난다. HCP-200 하이드로겔의 3362 cm-1 파장 범위에서, pHEMA 하이드로겔의 hydroxyl기의 대칭 신축 진동과 CS의 amino기가 겹치면서 피크의 세기와 넓이가 약간 증가한 것으로 나타났다. 기존 pristine 하이드로겔 대비, 1026 cm-1에서 나타나는 CS의 C-O 신축 운동에 의한 피크가 HCP-200에서 또한 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 분석 결과는 하나의 겔이 합성되는 과정에서 PA는 CS의 amino기와 pHEMA의 hydroxyl기와 결합을 이루며 각 사슬 사이의 상호 작용이 일어났다고 해석될 수 있다. 추가로 P-O-H 신축 진동에 의한 976 cm-1의 피크가 HCP-200에서 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 pHEMA와 CS의 두 물질과 PA의 상호작용이 일어남을 증명하는 것으로, 겔 내부에서 균일하게 혼합되어 가교제로서의 역할을 수행할 수 있음을 의미한다.

    ECG 및 EMG 전극으로서 활용하기 위해서는 생체 반응에 의한 신호를 겔이 전기적 신호로 전달할 수 있는지에 대한 여부 확인과 성능 평가를 위해 그 전류 특성을 평가하여야 한다[14]. Figure 5에서는 HCP 하이드로겔의 생체 센서로서의 활용 가능성의 증명을 위해 겔의 전도성을 측정하였다. 직류 특성을 평가하기 위해, 3점 농도별로 HCP 하이드로겔 상하부에 드레인 전압을 -10~10 V 범위로 가해주어 측정한 전류 값을 I-V 그래프로 나타내었다(Figure S3). 드레인 전압 5 V 를 기준으로 계산한 직류 전기 전도도의 경우, HCP-25에서 HCP-200 으로 갈수록 1.78 × 10-8 S/m에서 3.06 × 10-8 S/m으로 약간 증가하는 경향을 보였다(Figure 5a). 이는 PA가 전기 전도도 향상에 기여함을 의미한다. 겔 내부에 전류가 흐를 수 있도록 하기 위해서는 전하 수송 체인 전자 혹은 이온이 이동해야 한다. 이때 이온은 전자보다 무겁기 때문에 이동 속도가 느려 직류에서 그 전기적 특성을 확인하기 어려운 면이 있다[23-25]. 이처럼 전도도 향상 폭이 다소 미미한 것은 겔이 일정 수준 이상의 전도도 특성을 가지게 하는 주체는 전자가 아닌 이온에 의한 것이라고 설명할 수 있다.

    3.4. 하이드로겔의 교류 전기적 특성

    Figure 5a에서 확인할 수 있었듯이, HCP 하이드로겔은 이온에 의해서 전기 전도성을 가진다. 이온에 의한 전도도 측정을 위해, 반복적으로 가해지는 주파수에 의한 전류와 전압 변화를 측정할 수 있는 교류 특성을 비교하였다. 각 하이드로겔의 이온 전도도는 Figure 5b와 같이, Figure 5c, d의 Nyquist 선도로 나타내어 각 나이퀴스트 선도의 반원을 기준으로 x축과 만나는 지점의 x값(Z’)인 벌크 저항을 이용해 계산되었다. 저항 값을 비교하였을 때, pHEMA 겔의 저항 9.13 × 105 Ω 대비 PA가 함유된 HCP 겔이 101~102 Ω 수준으로 현저히 낮은 값을 가지는 현상을 보였다. 또한 PA의 함량이 0.025, 0.05, 0.2 mL로 증가할 때 이온 전도도는 각각 0.057, 0.14, 1.5 S/m로 증가하였다. pHEMA 하이드로겔의 계산된 이온 전도도는 1.98 × 10-4 S/m로, HCP-200 하이드로겔의 전도도와 104배의 다소 큰 차이를 보였다.

    하이드로겔에서는 H+ 이온이 전하 수송 매개체가 되면서 전도성을 띨 수 있게 된다. 이때 PA를 첨가하면서, PA의 phosphate기에 의해 자유 H+ 이온이 생성된다[18]. phosphate기는 pHEMA 사슬과의 수소 결합 뿐 아니라 하이드로겔 내부에 포함되어 있는 물과도 수소 결합을 이룬다[20]. 이러한 원리로 PA에 의해 전하 수송체의 수가 증가할 뿐 아니라, 그 이동 통로가 확장되어 더 많은 수소 이온이 이동할 수 있게 되고, 이는 이온 전도도 향상과 직결된다. 특히나 HCP-50, HCP-200에서 두드러지게 보여지는데, PA의 양이 0.05 mL에서 0.2 mL로 4배 증가할 때 이온 전도도가 약 11배로 대폭 상승하는 것으로 나타났다.

    HCP-200의 SEM 이미지(Figure 3c)를 살펴보았을 때, 하이드로겔 내부 사슬 간의 작은 구멍이 다수 보이는 것을 확인할 수 있었다. 다른 두 농도의 겔 대비 이러한 경향성이 두드러지게 나타나는 것으로 보아 이는 이미지에서 보여지는 구멍이 수소 이온의 이동 통로 로서의 역할을 해 이온 전도도 향상에 영향을 끼침을 암시한다. 따라서 HCP-200이 생체 센서를 위한 하이드로겔로서 가장 적합한 것으로 판정하였다.

    3.5. 하이드로겔의 함수율 특성

    pHEMA, HCP-25, HCP-50, HCP-200 하이드로겔을 90 °C에서 8 h 동안 건조시킨 전후의 무게를 측정하여 네 가지 하이드로겔의 함수율을 계산하고 그 특성을 평가하였다. 일반적으로 염을 첨가한 이온 겔은 낮은 함수율을 나타낸다고 하였다[26]. Table 2에서 PA를 함유하지 않은 pHEMA 하이드로겔의 경우 47.8%의 함수율을 가지는 것으로 보였다. 이에 반해 HCP 하이드로겔의 경우 그 함수율이 67.8%으 로, pristine 대비 약 20% 증가한 수치로 나타났다. 이는 PA의 phosphate기는 물과 수소 결합을 형성하여 겔 내부 구조에 물을 고정시키는 역할을 하기 때문에 나타난 결과로 보인다[9]. PA를 마이크로 단위로 매우 소량 첨가해주었지만, PA 분자 하나에 6개의 phosphate기를 가지고 있어 겔의 함수율 함량을 극대화할 수 있는 것으로 생각된다. 이렇게 하이드로겔 내부에 포함된 물은 자유 H+ 이온을 제공하고, 그 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 하는 통로를 제공하여 이온 전도도를 향상시킨다[27,28]. Table 3에 따르면, 함수율이 증가할수록 이온 전도도가 증가하는 경향이 나타났다.

    3.6. 응용 및 장기 안정성 테스트

    제작된 HCP-200 하이드로겔의 센서로의 응용 가능성과 그 성능을 하이드로겔의 성형 가능성, 장기적 형태 안정성, ECG 및 EMG 전극 테스트 결과를 기준으로 평가하였다. 겔은 Figure S1에 나타낸 틀을 이용하여 제작되었으며 별, 하트, 공, pore 구조의 원하는 형태로 겔을 제작할 수 있었다(Figure 6a-d). Figure 6e, f에 나타낸 OM으로 관찰한 하트 모양의 겔의 표면 이미지를 살펴보았을 때, pHEMA와 HCP-200 하이드로겔 모두 상온 보관 시에도 큰 차이가 나타나지 않는 것으로 보였다. Figure 6g, h의 두 하이드로겔의 pore 크기 및 형태를 비교해 보았을 때, pristine 하이드로겔의 변화가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 HCP-200의 경우, 구멍의 모양과 크기에 큰 변화가 없는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 pHEMA 하이드로겔의 경우 겔이 비등방성으로 팽창하면서 구멍의 일부가 막히는 현상을 보였 다(Figure S4). 현재 상용화된 겔 형태의 바이오센서는 피부에 부착되어 작동할 때, 측정 과정에서 발생하는 땀이 측정 신호에 영향을 주면서 결과의 정확도가 떨어지게 된다[29]. HCP-200 겔의 pore의 형태 및 크기가 유지되는 특성에 의해 겔의 pore 구조를 통해 땀이 배출될 수 있게 하는 역할을 할 수 있게 될 것으로 기대된다. 또한 실온 건조 시, pHEMA와 HCP-200 하이드로겔의 형태가 육안으로 어떻게 변형 되는지 그 이미지를 Figure S5에 나타내었다. 두 겔을 비교하였을 때 pHEMA의 경우 변형이 두드러지게 나타남을 확인할 수 있었고, 이는 겔을 피부에 부착하기 더욱 부적합한 형태를 띠게 됨을 의미한다. HCP-200 하이드로겔은 형태 변형이 거의 일어나지 않은 것으로, 기존의 pHEMA 대비 HCP-200의 경우 장기적으로 형태 안정성을 지닐 수 있는 겔임을 보여준다.

    실제 ECG, EMG 전극에 pore 구조를 가진 하이드로겔을 Figure 7a, b와 같이 부착하여 Ag/AgCl 전극과 비교 및 성능을 평가하였다 (Figure 7). EMG와 ECG에서 3전극의 부착 위치는 각각 Figure 7c, d 에 나타내었다. ECG (Figure 7e, f)의 경우 P, Q, R, S, T의 각 신호 피크의 변화 높이가 pHEMA는 0.025, -0.0017, 0.15, -0.15, 0.18 mV로, HCP-200 하이드로겔은 0.029, -0.0022, 0.19, -0.15, 0.17 mV로 나타났 다. HCP-200 하이드로겔의 각 피크에서 Ag/AgCl 전극과 비슷한 결과를 보이는 것으로, ECG 전극으로서 활용할 수 있는 가능성을 보였다. EMG (Figure 7g, h)의 경우에는, 피크 높이의 평균값이 Ag/AgCl은 0.085, HCP-200 하이드로겔은 0.34로 HCP 겔이 약 4배 높은 값을 보였다. 이러한 결과는 앞서 논의했던 HCP-200의 향상된 전도성에 의한 것으로 생각된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 CS를 첨가한 pHEMA 하이드로겔에 PA의 농도를 조절하여 향상된 함수율을 가진 HCP 하이드로겔을 제작하였다. 제작된 하이드로겔은 FT-IR을 이용한 분석에서 pHEMA 하이드로겔의 hydroxyl기와 CS의 amino기에 의한 3362 cm-1의 피크 세기의 증가, P-O-H기에 의한 976 cm-1의 피크를 보였다. 이러한 결과와 SEM 이미지를 통해 pHEMA와 CS, PA의 세 물질이 HCP-200 하이드로겔 내부에서 균일하게 혼합되어 고분자 사슬 간의 상호 작용이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 또한 PA 함량에 따른 이온전도도를 측정하였을 때, PA 함량이 증가함에 따라 이온 전도도가 향상되는 경향을 관찰할 수 있었다. 세 농도의 겔 중 PA 함량이 가장 높은 HCP-200에서 가장 높은 이온 전도도를 가지는 것으로 나타났다. 이는 PA의 phosphate기에 의해 증가된 함수율, H+ 이온의 수와 직접적인 관련이 있는 것으로 생각된다. 제작된 하이드로겔은 원하는 모양으로 제작이 성형 가능하다. 특히 겔에 pore 구조를 형성하여 땀이 배출될 수 있도록 하여 피부에 부착하는 센서가 가지는 한계를 극복할 수 있는 형태로 제작할 수 있다. 실제 pore 구조를 가진 원형의 겔을 ECG, EMG에 적용시켜 그 성능을 평가하였고 그에 따라 높은 함수율을 통해 높은 감도를 가지는 센서로 활용할 수 있다. 합성된 HCP-200 하이드로겔은 동작 감지 센서와 의료용 차세대 바이오 센서에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

    감 사

    이 연구는 한국 정부가 지원하는 한국연구재단(NRF) 지원금(RS- 2023-00213534) 및 교육부에서 지원하는 지역혁신전략(RIS) 프로젝트(2023RIS-007)의 일환과 국립부경대학교 자율창의학술연구비(2024년)에 의하여 연구으로 수행되었음.

    Authors

    Seon Young Lee; B.Sc., Undergraduate Student, Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Korea; tkdghk1080@naver.com

    Hocheon Yoo; Ph.D., Associate Professor, Department of Electronic Engineering, Gachon University, Seongnam 13120, Korea; hyoo@gachon.ac.kr

    Eun Kwang Lee; Ph.D., Assistant Professor, Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Korea; eklee@ pknu.ac.kr

    Figures

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    a) The photographs of all shapes of molds used in gel molding. The images of b) with pore structures, c) a ball shaped, d) a heart shaped, e) a star shaped frame.
    ACE-35-5-390_F1.gif
    Molecular structure of a) p-(Hydroxyethylmethacrylate) (pHEMA), b) Molecular structure of Chitosan (CS), c) Molecular structure of Phytic acid (PA). d) pHEMA/CS/PA (HCP) Gel fabrication process. Completely dissolve 0.02 g of chitosan in 1.66 mL of 1 wt% acetic acid. Mix 0.33 mL of HEMA and 0.03 mL of EGDMA here to create a uniform solution. And add 0.01 g of APS and stir at 50 °C for 10 minutes. Then add 0.2, 0.05, and 0.025 mL of PA, respectively, and heat at 85 °C for 30 minutes. e) Schematic illustration of HCP gel.
    ACE-35-5-390_S2.gif
    2D images of the gel surface of a) HCP-25, b) HCP-50, c) HCP-200 hydrogel.
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    The graph of I-V current of HCP according to PA content. DC current (using a drain voltage –10 V to 10 V) characteristics were checked.
    ACE-35-5-390_F2.gif
    Gel surface comparison chart according to PA content (wt%).
    ACE-35-5-390_F3.gif
    SEM images of a) HCP-25, b) HCP-50, c) HCP-200 hydrogel.
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    FT-IR spectra of the pHEMA hydrogel(pristine), CS powder and HCP-200 hydrogel.
    ACE-35-5-390_F5.gif
    The graph of electrical conductivity a) in DC, b) in AC as function of PA and water ratio. AC current (using an AC potential of 50 mV and frequency range of 10 Hz-1 MHz) characteristics were checked. The Nyquist plot graph of c) Pristine (pHEMA), d) HCP-25, HCP-50 and HCP- 200.
    ACE-35-5-390_F6.gif
    Top view images of pHEMA hydrogel (Top) and HCP-200 hydrogel (Bottom) molded into various shapes(a) star shaped, b) heart shaped, c) ball shaped, d) with pore structures). OM images observed for 10 days after producing pristine hydrogel (e, g) and HCP-200 hydrogel (f, h). The images of e), f) heart-shaped gel and g), h) gel with pore structures.
    ACE-35-5-390_S4.gif
    OM images observed for 3 days after producing HCP-200 hydrogel with pore structures.
    ACE-35-5-390_S5.gif
    Images seen from top view (Left) and side (Right) of a) a star, c) a heart shaped pHEMA hydrogel and b) a star d) a heart shaped HCP-200 hydrogel.
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    a) A photograph and schematic illustration of testing by attaching HCP-200 gel directly to the skin. b) 3D images from top view (Left) and side (Right) of HCP-200 gel. Schematic illustration for c) ECG electrodes attached to the skin and locations of d) EMG electrodes attached, d) ECG electrodes attached. ECG signals recorded based on e) commercial Ag/AgCl electrodes and f) HCP-200 hydrogel electrodes under normal conditions. EMG signals recorded based on g) commercial Ag/AgCl electrodes and h) HCP-200 hydrogel electrodes under normal conditions.

    Tables

    Contents of pHEMA, CS, PA, and H2O of Gel Produced in Sheet Form for Tensile Strength Test
    Moisture Content by PA Content of Gel Dried in an Oven at 90 °C for 8 Hours
    3-Point Evaluation Based on Water Content, Conductivity, and Shape/Stiffness of HCP Gel According to PA Content

    References

    1. W. Shi, Y. Guo, and Y. Liu, When flexible organic field-effect transistors meet biomimetics: A prospective view of the internet of things, Adv. Mater., 32, 1901493 (2020).
    2. C. Xu, D. Jiang, Y. Ge, L. Huang, Y. Xiao, X. Ren, X. Liu, Q. Zhang, and Y. Wang, A PEDOT:PSS conductive hydrogel incorporated with Prussian blue nanoparticles for wearable and noninvasive monitoring of glucose, Chem. Eng. J., 431, 134109 (2022).
    3. J. Yoo, L. Yan, S. Lee, H. Kim, and H. J. Yoo, A wearable ECG acquisition system with compact planar-fashionable circuit boardbased shirt, IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed., 13, 897-902 (2009).
    4. Y. Hong, Z. Lin, Y. Yang, T. Jiang, J. Shang, and Z. Luo, Biocompatible conductive hydrogels: Applications in the field of biomedicine, Int. J. Mol. Sci., 23, 4578 (2022).
    5. Y. Zhang, Q. Tang, J. Zhou, C. Zhao, J. Li, H. Wang, Conductive and eco-friendly biomaterials-based hydrogels for noninvasive epidermal sensors: A review, ACS Biomater. Sci. Eng., 10, 191-218 (2024).
    6. G. Kougkolos, M. Golzio, L. Laudebat, Z. Valdez-Nava, and E. Flahaut, Hydrogels with electrically conductive nanomaterials for biomedical applications, J. Mater. Chem. B, 11, 2036-2062 (2023).
    7. K. Nagamine, S. Chihara, H. Kai, H. Kaji, and M. Nishizawa, Totally shape-conformable electrode/hydrogel composite for on-skin electrophysiological measurements, Sens. Actuators B Chem., 237, 49-53 (2016).
    8. F. Ghorbanizamani, H. Moulahoum, E. Guler Celik, and S. Timur, Ionic liquids enhancement of hydrogels and impact on biosensing applications, J. Mol. Liq., 357, 119075 (2022).
    9. Q. Zhang, X. Liu, J. Zhang, L. Duan, and G. Gao, A highly conductive hydrogel driven by phytic acid towards a wearable sensor with freezing and dehydration resistance, J. Mater. Chem. A, 9, 22615-22625 (2021).
    10. W. Liu, R. Xie, J. Zhu, J. Wu, J. Hui, X. Zheng, F. Huo, and D. Fan, A temperature responsive adhesive hydrogel for fabrication of flexible electronic sensors, npj Flex. Electron., 6, 68 (2022).
    11. D. Lee, S. Cho, H. S. Park, and I. Kwon, Ocular drug delivery through pHEMA-hydrogel contact lenses co-loaded with lipophilic vitamins, Sci. Rep., 6, 34194 (2016).
    12. V. Manigandan, R. Karthik, S. Ramachandran, and S. Rajagopal, Chitosan applications in food industry. In: A. M. Grumezescu and A. M. Holban (eds.). Biopolymers for Food Design, 469-491, Academic Press, Cambridge, Massachusetts, United States (2018).
    13. E. Graf and J. W. Eaton, Antioxidant functions of phytic acid, Free Radical Biol. Med., 8, 61-69 (1990).
    14. Z. Wang, Y. C. Lai, Y. T. Chiang, J. M. Scheiger, S. Li, Z. Dong, Q. Cai, S. Liu, S. H. Hsu, C. C. Chou, and P. A. Levkin, Tough, self-healing, and conductive elastomer ionic peggel, ACS Appl. Mater. Interfaces, 14, 50152-50162 (2022).
    15. C. Yang, Q. Wu, J. Liu, J. Mo, X. Li, C. Yang, Z. Liu, J. Yang, L. Jiang, W. Chen, H. J. Chen, J. Wang, and X. Xie, Intelligent wireless theranostic contact lens for electrical sensing and regulation of intraocular pressure, Nat. Commun., 13, 2556 (2022).
    16. Y. Shi, Y. Ding, W. Wang, and D. Yu, High performance zwitterionic hydrogels for ECG/EMG signals monitoring, Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp., 675, 132081 (2023).
    17. Y. M. Gao, Z. Y. Li, X. J. Zhang, J. Zhang, Q. F. Li, and S. B. Zhou, One-pot synthesis of bioadhesive double-network hydrogel patch as disposable wound dressing, ACS Appl. Mater. Interfaces, 15, 11496-11506 (2023).
    18. N. Thakur, A. Chaudhary, A. Chakraborty, R. Kumar, and T. K. Sarma, Ion conductive phytic acid-G quadruplex hydrogel as electrolyte for flexible electrochromic device, ChemNanoMat, 7, 613-619 (2021).
    19. N. B. Alsaafeen, S. S. Bawazir, K. K. Jena, A. Seitak, B. Fatma, C. Pitsalidis, A. Khandoker, and A. M. Pappa, One-pot synthesis of a robust crosslinker-free thermo-reversible conducting hydrogel electrode for epidermal electronics, ACS Appl. Mater. Interfaces,
    20. C. Liu, R. Zhang, Y. Wang, J. Qu, J. Huang, M. Mo, N. Qing, and L. Tang, Tough, anti-drying and thermoplastic hydrogels consisting of biofriendly resources for a wide linear range and fast response strain sensor, J. Mater. Chem. A, 11, 2002-2013 (2023).
    21. J. Hua, M. Su, X. Sun, J. Li, Y. Sun, H. Qiu, Y. Shi, and L. Pan, Hydrogel-based bioelectronics and their applications in health monitoring, Biosensors, 13, 696 (2023).
    22. M. W. Tibbitt, A. M. Kloxin, L. A. Sawicki, and K. S. Anseth, Mechanical properties and degradation of chain and step-polymerized photodegradable hydrogels, Macromolecules, 46, 2785-2792 (2013).
    23. B. Pejcic and R. De Marco, Impedance spectroscopy: Over 35 years of electrochemical sensor optimization, Electrochim. Acta, 51, 6217-6229 (2006).
    24. K. H. Lee, S. Zhang, T. P. Lodge, and C. D. Frisbie, Electrical impedance of spin-coatable ion gel films, J. Phys. Chem. B, 115, 3315-3321 (2011).
    25. S. Zhang, K. H. Lee, C. D. Frisbie, and T. P. Lodge, Ionic conductivity, capacitance, and viscoelastic properties of block copolymer-based ion gels, Macromolecules, 44, 940-949 (2011).
    26. D. Lou, C. Wang, Z. He, X. Sun, J. Luo, and J. Li, Robust organohydrogel with flexibility and conductivity across the freezing and boiling temperatures of water, Chem. Commun., 55, 8422-8425 (2019).
    27. J. Zhang, Q. Wang, and Z. Cao, Effects of water on the structure and transport properties of room temperature ionic liquids and concentrated electrolyte solutions, Chin. Phys. B, 29, 087804 (2020).
    28. Y. Wang, Q. Li, H. Hong, S. Yang, R. Zhang, X. Wang, X. Jin, B. Xiong, S. Bai, and C. Zhi, Lean-water hydrogel electrolyte for zinc ion batteries, Nat. Commun., 14, 3890 (2023).
    29. X. He, S. Yang, Q. Pei, Y. Song, C. Liu, T. Xu, and X. Zhang, Integrated smart janus textile bands for self-pumping sweat sampling and analysis, ACS Sensors, 5, 1548-1554 (2020).
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