Dimethyl Ether와 Dimethyl Ether + Carbon Dioxide에서의

생분해성 고분자의 상거동

국윤모, 이병철, 이영식, 이윤우*, 임종성*

한남대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 초임계유체 연구실*

Phase Behavior of Biodegradable Polymers in Dimethyl Ether and

Dimethyl Ether + Carbon Dioxide

Y.-M. Kuk, B.-C. Lee, Y.-S. Lee, Y.W. Lee*, J.-S. Lim*

Department of Chemical Engineering, Hannam University

Supercritical Fluids Research Lab., KIST*

서론

Dimethyl ether (DME)는 임계온도가 126.85℃이고, 비점이 -24.8℃로 휘발성이 크며, dipole moment가 1.3 debye인 극성 용매로서 극성 고분자를 매우 잘 용해시키는 것으로 알려진 무독성의 용매이다.[1,2] 따라서 이 용매를 사용하여 고분자 미세입자를 제조하면 잔류용매의 문제점을 제거할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 생분해성 고분자를 용해시키기 위하여 DME를 용매로 사용할 수 있는지에 관한 연구를 수행하였다. 실험은 크게 3가지 측면에서 진행되었다. 먼저 DME에서의 poly(D,L-lactide)(D,L

-PLA)의 cloud point pressure에 미치는 온도, 고분자의 농도, 고분자의 분자량에 관한 영향에 관하여 알아보았다. 다음으로 D,L-lactide의 함량이 다른 여러가지poly(D,L

-lactide-co-glycolide)(D,L-PLG) copolymer를 대상으로 DME에서의 cloud point를 측정하여 D,L-lactide의 함량이 상거동에 미치는 영향에 관하여 알아보았다. 마지막으로 SAS 공정[3,4,5]에 응용하기 위해서 역용매로서 CO2를 사용하여 혼합초임계유체에서 CO2의 조성을 변화시켜가면서 D,L-PLA의 cloud point를 측정하였다.

실험

실험에서 사용한 생분해성 고분자는 분자량이 2,000과 30,000인 D,L-PLA와 D,L-lactide:glycolide의 햠량비가 90:10(MW=5,000), 80:20(MW=5,000), 70:30(MW=10,000), 55:45(MW=14,500)인 D,L-PLG로서 이는 현재 drug delievery system에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 미국 FDA 승인 물질이다. DME(Aldrich chem. co.)의 순도는 99+%였고 CO2 (명신종합가스)의 순도는 99.99%였다. 실험에서 cloud point를 측정하기 위해 사용한 실험장치는 variable-volume view cell 장치이며, 실험방법은 다른 논문[6, 7]에 자세하게 설명되어 있다.

결과 및 고찰

Fig. 1은 고분자의 농도가 상거동에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 분자량이 30,000인 D,L-PLA의 농도를 약 15wt.%까지 변화시키면서 얻은 cloud point 측정결과를  P-T 선도로 나타낸 것이다. Daubert and Danner[8]로부터 얻은 DME의 포화 증기압 곡선도 cloud point 곡선과 함께 나타내었다. 각각의 cloud point곡선의 위 부분은 단일상 영역을 나타내며, 아래 부분은 액-액 이중상 영역을 나타낸다. 이 계는 전형적인 LCST 형태의 상거동 특성을 보여주었다. 상온 근처의 온도에서는 포화 액체 상태의 DME에도 고분자가 잘 용해되었으며, 약 100℃에서는 140bar 정도의 낮은 cloud point pressure를 보여주었다. 이는 DME가 극성의 D,L-PLA를 매우 잘 용해시키는 용매라는 것을 나타낸다고 할 수 있다. Cloud point 곡선들은 모든 고분자 농도에 대하여 유사한 기울기를 보여주었다. Cloud point 곡선은 단일상으로부터 액-액 이중상으로의 상변환이 끝나는 LCEP에서 DME 포화 증기압 곡선과 만났다. 이 LCEP점 아래의 온도에서의 DME 포화 증기압 곡선 상에서는 단일상으로부터 기-액 상으로 상변환이 일어났다. 이 계에 대한 LCEP점은 Fig. 1에 나타나 있듯이 약 55℃의 온도와 약 12bar의 압력에서 관찰되었다.

Fig. 2는 D,L-PLA (MW=30,000)/DME 계에 대한 압력-농도(P-x) 선도를 보여준것이다. 이 P-x 선도는 Fig. 1의 각각의 고분자 농도에 대한 P-T 선도를 다항식으로 curve fitting하고 원하는 온도에 대응하는 압력을 구한 후 이를 고분자 농도의 함수로 도식하여 얻었다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이, upper critical soution pressure (UCSP)에 해당하는 cloud point pressure의 최대값은 고분자 농도가 약 5wt.%일 때 관찰되었다.

Figure 2. P-x isotherms for D,L-PLA

(MW=30,000) in DME

Figure 1. P-T isopleths of D,L-PLA

(MW=30,000) in DME at                 various polymer concentration

Fig. 3은 D,L-PLA/DME 계에 대하여 cloud point에 미치는 고분자 농도의 영향을 나타낸 것이다. D,L-PLA의 분자량이 증가할수록 cloud point pressure도 증가하여, 이중상영역이 커졌다. 이는 같은 온도에서 비교할 때 분자량이 큰 D,L-PLA는 분자량이 작은 D,L-PLA보다 상대적으로 더 높은 압력에서 DME에 용해된다는 것을 의미한다.

Fig. 4는 DME에서 D,L-PLG copolymer의 cloud point 측정결과를 나타낸 것이다. 용액에서의 D,L-PLG의 농도는 약 3 wt.%로 유지시켰다. D,L-PLG 내의 D,L-lactide:glycolide의 함량비 (wt.%)가 90:10, 80:20, 70:30, 55:45로 각각 다른 D,L-PLG에 대하여 DME에서의 cloud point의 변화를 관찰하였다. D,L-PLG 중에 함유되어 있는 D,L-lactide의 함량이 감소됨에 따라 cloud point pressure는 현저하게 증가하여 단일상의 영역이 줄어들었다. 더욱 흥미로운 것은 D,L-lactide:glycolide의 햠량비가 70:30과 55:45인 D,L-PLG의 경우에는 LCST가 아닌 UCST의 상거동이 관찰되었다.

Figure 3. Effect of polymer molecular                  weight on cloud points of                    D,L-PLA in DME.

Figure 4. Effect of D,L-lactide content on               cloud points of D,L-PLG copolymers           in DME

초임계 CO2는 비극성 용매로서 상대적으로 낮은 임계온도를 가지며 비가연성이고 독성이 없으나 대부분의 고분자를 잘 용해시키지 못한다. 반면에 DME는 임계온도는 CO2에 비해 상대적으로 높으나 dipole moment가 큰 극성 용매로서, 앞에서 보여 주었듯이 D,L-PLA 고분자를 매우 잘 용해시키는 용매이다. 본 연구에서는 DME를 용매로 사용하고 CO2를 역용매로 사용하여 D,L-PLA 고분자 미세입자를 제조하는 SAS 공정기술 개발에 필요한 연구로서 DME와 CO2의 혼합용매에서의 D,L-PLA의 상거동을 측정하였다. Fig. 5는 DME와 CO2의 혼합용매에서의 D,L-PLA (MW=30,000)의 cloud point 측정결과를 P-T선도로 나타낸 것이다. DME + CO2 혼합용매 중 CO2의 조성을 약 73 wt.% (고분자를 배제하고 용매만을 고려하였을 때의 조성)까지 변화시키면서 약 100℃까지의 온도에서 cloud point pressure의 변화를 관찰하였다. 또한 이 결과들을 순수한 DME만을 사용하였을 때의 결과와 비교하였다. 이 때, 고분자의 농도 (전체 용액중 고분자의 농도)는 고분자 농도가 cloud point에 미치는 영향을 배제하기 위하여 약 5 wt.%로 일정하게 유지시켰다. 모든 CO2 조성에 대하여 cloud point 곡선은 LCST의 상거동을 보여주었다. Fig. 5에 나타나 있는 바와 같이 혼합용매 중 CO2의 조성이 증가함에 따라 cloud point pressure가 급격히 증가하였으며, 단일상의 영역이 줄어들었다. 이러한 현상은 Fig. 5의 결과를 여러 온도에서 cloud point pressure를 CO2 조성의 함수로 도시한 Fig. 6을 보면 더욱 분명하게 나타난다. 이와같은 현상은 DME 용매에 역용매인 CO2의 첨가는 혼합용매의 용해력의 저하를 야기시켰으며, 이는 극성인 DME에 비극성인 CO2의 첨가로 인해 혼합용매의 극성이 감소되었기 때문인 것으로 사료된다.

Figure 6. Effect of CO2 composition in                mixed solvent on cloud point               pressures of D,L-PLA(MW=30,000)           at various temperatures

Figure 5. P-T isopleths of cloud point of           D,L-PLA(MW=30,000) in DME +           CO2 mixed solvents

참고문헌

1.	Lee, S.-H., McHugh, M. A., Polymer, 38, 1317-1322 (1997)

2.	Hasch, B. M., Lee, S.-H., McHugh, M. A., J. Appl. Polym. Sci., 59, 1107-1116 (1996)

3. Benedetti, L., Bertucco, A., Pallado, P., Biotechnol. Bioeng., 53, 232-237 (1997)

4. Reverchon, E., J. Supercrit. Fluids, 15, 1-21 (1999)

5. Reverchon, E., J. Supercrit. Fluids, 18, 239-245 (2000)

6.	Lee, J. M., Lee, B.-C. and Lee, S.-H., J. Chem. Eng. Data, 45, 851-856 (2000)

7.	Lee, J. M., Lee, B.-C. and Hwang, S.-J., J. Chem. Eng. Data, 45, 1162-1166 (2000)

8. Daubert, T. E., Danner, R. P., Data Compilation, Taylor and Francis, New York, NY, extent 1994