Hydrogels are three-dimensional networks of hydrophilic homopolymers or copolymers generally covalently or ionically crosslinked. They interact with aqueous media by swelling to some equilibrium value by retaining the aqueous media in their structures. This study concerns the synthesis of functional hydrogles using irradiation and their biomedical applications. In this study, $\gamma$-ray was irradiated by making use of $^{60}Co$ radioisotope in Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) as a radiation source.
This dissertation consists of seven chapters. Chapter 1 described general overview of hydrogels for biomedical applications and radiation technology. In chapter 2, a simple crosslinking method was introduced to prepare the PVA/Glycerin (PVA/Gly) hydrogels with the use of $\gamma$-irradiation instead of chemical reagents. An absorption ratio and thermal properties of the PVA/Gly hydrogels can be controlled by varying the irradiation dose and weight ratio of the PVA/Gly. The PVA/Gly hydrogels showed excellent absorption properties ($\gt350%$). In chapter 3, the effects of humectants, i.e. glycerin on the swelling and gelation of the PVA hydrogels were evaluated as a function of glycerin content and freezing and thawing (FT) cycles. Interestingly, the gelation increases while swelling decreases with increasing glycerin content. In chapter 4, the PVA/propylene glycol (PVA/PG) hydrogel patches with Curcuma longa, Indian spice turmeric with potent anti-inflammatory effect were prepared by the FT and the $\gamma$-ray irradiation for treatment of atopic dermatitis. It showed eminent healing results as a consequence of long-term moisturizing effects on atopic wounds. In chapter 5, biocompatible and pH-responsive poly(ethylene glycol)/acrylic acid (PEG/AAc) hydrogels were prepared by using the $\gamma$-irradiation for controlled oral drug delivery. The gel fraction was over 80% and the equal amounts of PEG and AAc blended hydrogel had efficient insulin loading using equilibrium swelling. Within 2 h of administration of the insulin-containing gels, significant blood glucose reduction effects were observed in diabetic rats. The blood glucose reduction lasted for up to 10 h following administration. In chapter 6, water-soluble chitosan, N,O-carboxymethylchitosan (CM-chitosan), was synthesized and the CM-chitosan hydrogels were prepared by using $\gamma$-ray irradiation. The FT-IR spectroscopy, swelling behavior, gel content and mechanical property such as gel strength of the hydrogel were measured. The CM-chitosan hydrogels had an excellent hydrophilicity and exhibited a good swelling behavior and mechanical properties. In chapter 7, to evaluate the efficiency of CM-chitosan hydrogels as barriers for reducing postsurgical adhesions, CM-chitosan was synthesized to simplify the preparation of gel solution, and the gel solution was crosslinked by using the $\gamma$-ray irradiation to create the desired hydrogels. The prepared CM-chitosan hydrogels were also characterized by FT-IR spectroscopy, swelling behavior, gel content and mechanical property such as gel strength and the results showed good swelling behavior and mechanical properties. Also, the CM-chitosan hydrogels significantly reduced and inhibited the postsurgical adhesions in the rat models.
하이드로겔은 3차원 구조를 가진 친수성 고분자로 구조내에 다량의 물을 함유할 수 있는 특성을 가지고 있어 다양한 의료분야에 응용되고 있으며, 이러한 하이드로겔은 방사선 가교기술에 의해 쉽게 제조될 수 있다. 방사선 기술은 생체재료의 제조뿐 아니라 멸균 및 기타 고분자 재료의 제조 및 형질 개선에 많은 영향을 주어 특별한 기능을 가지는 재료를 제조하는데 매우 유용한 기술이다. 본 논문에서는 이러한 방사선 기술을 이용한 고기능성 생체재료의 제조와 이의 의료적 응용 연구에 대하여 서술하였다. 본 연구에서는 한국원자력연구소 정읍방사선과학연구소의 $^{60}Co$ 동위원소를 방사선원으로 하여 이로부터 방출되는 감마선을 사용하였다.
본 논문은 크게 7장으로 구성되어 있다. 제 1 장에서는 방사선 기술에 대한 일반적인 내용과 의료적 응용에 관하여 기술하였으며, 제 2 장에서는 PVA와 glycerin를 혼합하여 방사선 가교기술로 하이드로겔을 제조한 후 이의 물리화학적 특성을 평가하여 상처치료용 드레싱제로서의 활용도를 평가해보았다. 그 결과, 약 350% 이상의 우수한 수분흡수율을 지니는 하이드로겔을 제조하였다.
제 3 장에서는 통상적으로 하이드로겔의 수분흡수율을 높이기 위해 많이 사용되는 glycerin 과 기계적 강도를 높이기 위해 부가적으로 사용되는 물리적 가교방법인 동결융해법이 하이드로겔의 흡수 특성에 어떤 영향을 주는 지를 알아보기 위해 실험을 수행해 본 결과, 흥미롭게도 동결융해법을 적용시 겔의 흡수율이 glycerin 의 함량이 증가할수록 오히려 감소되는 경향을 나타내었다.
제 4 장에서는 제조된 하이드로겔에 항염증 효과를 가진 것으로 알려진 천연 성분인 강황 추출물을 함유시켜 이의 아토피성 피부염의 저감 효과를 평가해 보았다. 그 결과, 강황 추출물을 함유시켜 제조된 하이드로겔이 아토피성 피부염 저감에 있어 우수한 효능을 나타내는 것을 확인하였다.
제 5 장에서는 방사선을 이용하여 pH 감응성과 생체적합성을 가지는 poly(ethylene glycol)/acrylic acid 로 구성된 하이드로겔을 제조하고, 제조된 하이드로겔의 물리화학적 특성을 평가하여, 혈당조절물질인 인슐린의 구강투여를 위한 제제로서의 응용가능성을 평가해보았다. 그 결과, 구강 투여 2시간 후에 현저한 혈당저감효과를 나타내었으며, 약 10시간 경과후에도 저감율이 유지되었다.
제 6 장과 7 장에서는 외과수술 후 빈번히 발생되는 장기유착을 방지하기 위한 유착방지막을 개발하기 위하여, 천연고분자인 chitosan을 화학적 개질을 통해 수용성 chitosan (CM-chitosan)으로 합성한 후, 방사선 가교기술을 이용하여 하이드로겔을 제조하였다. 제조된 하이드로겔은 장기유착방지막으로써 동물실험을 수행한 결과, 뛰어난 유착방지율을 나타내었다.
