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Topic #1. Stimuli responsive hydrogel (1)

과제명: AI 기반 자극 제어형 세포막 모사 나노트랩을 활용한 일체형 진단 플랫폼 개발 (중견연구) 2025~
주제: (w/승민)
연차별 목표 - 1차년도: 자극 반응형 투과성 조절 폴리머 나노트랩 기작 연구 - 2차년도: 기능성 폴리머 나노트랩 기반의 분자진단 플랫폼 개발 및 성능 최적화 - 3차년도: 모바일 기반 설명 가능한 XAI 진단 플랫폼 및 시작품 개발
첫번째 할일 (1) 조절 기작과 반응 정리(pH, 온도, 전기) (2) 어떤 polymer 사야할지 정하기

Hydrogel

: 90%이상 물로 이루어진 수용성 고분자 화합물.

Stimuli responsive hydrogel (Smart Hydrogel)

: 외부 자극( pH, 온도, 전기적 신호 등)에 반응해서 부피, 모양, 투과성, 색 등이 바뀌는 하이드로겔

1. pH response

고분자
주 작용기
pKa
전하 성질
Mechanism
Reference
Alginate
-COOH (카복실기)
~3.4~3.6
polyanionic
surrounding pH > 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-COO-) → 서로 반발 → 팽창→ 겔 내부에 음이온 많아지면서 주변 수분 끌어당김→물 흡수 증가 (팽윤, swelling)
Srivastava and Choudhury (2023)
Hyaluronic Acid (HA)
-COOH (카복실기)
~3.0–4.0
Polyanionic
(위와 동일) surrounding pH > 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-COO-) → 서로 반발 → 팽창→ 겔 내부에 음이온 많아지면서 주변 수분 끌어당김→물 흡수 증가 (팽윤, swelling)
Polyacrylic Acid (PAA)
-COOH (카복실기)
~4.5–5.0
Polyanionic
(위와 동일) surrounding pH > 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-COO-) → 서로 반발 → 팽창→ 겔 내부에 음이온 많아지면서 주변 수분 끌어당김→물 흡수 증가 (팽윤, swelling)
Shi et al. (2019)
Chitosan
-NH₂ (아민기)
~6.3–6.5
Polycationic
surrounding pH < 해리상수pKa 일 때→ 작용기 이온화 (-NH+) → 서로 반발 → 팽창→ 물 흡수 증가 (팽윤, swelling)
Srivastava and Choudhury (2023)
Polyacrylamide (PAAm)
-CONH₂ (아마이드)
없음
중성
pH>11 또는 PH<3.5에서 수축. 산성 조건→수산화이온(OH-)이 hydrogel 외부로 확산, 알칼리성 조건→ 수소이온(H+)이 hydrogel 외부로 확산. OH-이온이 더 작기 때문에 산성조건에서 더 빠르게 수축
Shi et al. (2019) Bassil et al. (2008)
Anionic hydrogel ⇒ negative pendant group 이 있는 경우, surrounding pH가 해리상수 pKa보다 클 때 swelling ⇒ -COOH를 갖고 있는 Alginate, HA, PAA
Cationic hydrogel ⇒ positive pendant group 이 있는 경우, surrounding pH가 해리상수 pKa보다 작을 때 swelling ⇒ -NH2를 갖고 있는 Chitosan
Neutral ⇒ surrounding pH가 아주 낮거나 높을 때 shrank 관찰됨 (OH-, H+이 빠져나가기 때문) * 보통 pH 반응성 hydrogel은 anionic/cationic으로 나뉘고, gpt는 neutral인 PAAm이 pH에 반응 안 한다고 답변함

2. Thermal response

고분자
주 작용기
LCST/UCST
Swelling ratio
Mechanism
Reference
Alginate
-COOH (카복실기)
-
-
-
-
Hyaluronic Acid (HA)
-COOH (카복실기)
-
-
-
-
Polyacrylic Acid (PAA)
-COOH (카복실기)
-
-
-
-
Chitosan
-NH₂ (아민기)
-
-
-
-
Polyacrylamide (PAAm)
-CONH₂ (아마이드)
-
-
-
-
poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)
-CONH₂ (아마이드), -CH(CH₃)₂ (아이소프로필기)
LCST = 32 °C
2~50
solution temparature < LCST일 때 사슬간 수소결합 약화되어 swelling
Shi et al. (2019)
poly(ethylene glycol) (PEG)
온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정..
poly(3-caprolactone)(PCL)
온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정..
poly(propylene glycol) (PPG)
온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정..
gellatin/gellan
온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정..
Srivastava and Choudhury (2023) Zheng et al. (2018)
chitosan/β-glycerophosphate
온도에 반응하는 hydrogel 다른 문헌 좀 찾아볼 예정..
Srivastava and Choudhury (2023) López-Noriega et al. (2014)
Aginate, HA, PAA, Chitosan, PAAm은 온도에 반응하지 않음
Negative thermoresponsive hydrogel LCST (Lower critical solution temperature) 이하의 온도에서는 hydrophobic interaction이 약해지면서 polymeric network가 느슨해지고, hydrogel이 swelling됨
Positive thermoresponsive hydrogel ⇒ UCST (Upper critical solution temperature) 이상의 온도에서 cleavage of the hydrogen bonds 때문에 물 흡수가 증가하면서 hydrogel swelling됨
PNIPAAm 은 LCST보다 solution의 temperature가 낮을 때 interchain hydrogen bonding이 약해지면서 2~50배 swelling됨 T>LCST일 때 shrink, T<LCST일때 swell

3. Electric response

고분자
작용기
Mechanism
특이사항
Reference
Alginate
-COOH (카복실기)
-
Hyaluronic Acid (HA)
-COOH (카복실기)
-
Polyacrylic Acid (PAA)
-COOH (카복실기)
the pendant carboxylic group on the polymer chain dissociates in an alkaline electrolyte solution, making the hydrogel negatively charged and ion- conductive
influenced by the pH of the surrounding environment, undermining its stable and reliable performance for practical applications
Shi et al. (2019)
Chitosan
-NH₂ (아민기)
Shi et al. (2019)
Polyacrylamide (PAAm)
-CONH₂ (아마이드)
-
4-hydroxybutyl acrylate (4-HBA)
Shi et al. (2019)
poly(2-acrylamido-2-methylpropane-sulfonic acid) (PAMPS) 
complete ionization over a wide range of pH values (2–12)
Shi et al. (2019)
전기에 의한 반응은 coulombic, electrophoretic, electroosmotic 상호작용에 의해 발생함
전기자극 → 이온 이동 → 삼투압 변화(이온이 많은 쪽으로 물 이동) → swelling, shrink
Shi et al. 2019 ⇒ Commonly investigated electric-responsive hydrogels that deform upon electric stimulation include but are not restricted to chitosan , PAAc, 4-hydroxybutyl acrylate (4-HBA), and poly(2-acrylamido-2-methylpropane-sulfonic acid) (PAMPS). ⇒ 기전이나 설명은 다른 문헌을 더 찾아볼 예정
참고문헌
López-Noriega et al. (2014) - https://doi.org/10.1002/adhm.201300649
Srivastava and Choudhury (2023) - https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c02779