This paper reports a novel shape memory polymer (SMP) actuator by incorporating a graphene-ferromagnetic nanoparticle hybrid (G-Fe hybrid) to attain both the magnetic properties and enhanced physical properties of the SMP. To do that, shape memory polyurethane was selected since this polymer is a well-known biocompatible material. The G-Fe hybrid was synthesized by microwave irradiation, and the magnetic-responsive shape memory polymer was fabricated by incorporating the G-Fe hybrid into a thermo-responsive polyurethane (SMP-G-Fe) composite by solution casting. Because the magnetic nanoparticles were uniformly decorated on the surface of the graphene flakes, the loading amount of magnetic nanoparticles could be effectively adjusted by changing the initial feeding weight ratio of the metal precursor to the reduced graphene oxide (RGO). The G-Fe hybrid was homogeneously distributed in the shape memory polyurethane matrix. The Young’s modulus and thermal conductivity of the polyurethane containing the G-Fe hybrid were higher than those of the polyurethane containing magnetite ($Fe_3O_4$). Lastly, the SMP-G-Fe composite was actuated by applying an alternating magnetic field, and it showed an improved shape memory effect as compared with SMP mixed with the same amount of $RGO/Fe_3O_4$. The proposed novel shape memory polymer actuator has many possible uses in the biomedical field, such as for medical stents.
본 연구는 바이오메디컬 분야로의 활용을 위해 생체적합성 특성과 열에 의한 형상기억 특성을 갖는 형상기억폴리우레탄(Shape Memory Polyurethane)을 사용하였고, in-vivo 상황에서도 사용가능하기 위한 자성입자를 형상기억고분자 내에 사용하여 AC 자기장에 의한 유도가열 효과를 활용하였습니다. 기존의 연구들에서는 자성입자들간의 응집(Agglomegation)을 막고 고분자 내부에 이러한 자성입자들의 효과적인 분산을 위해 기능기(Functional group)를 붙인 자성입자나 실리카(Silica)를 코팅한 자성입자등을 사용하고 있지만, 그 효용성이 제한적일뿐더러 관련 연구의 진행이 미진한 상황입니다. 본 연구에서는 앞서 언급한 자성입자의 문제와 형상기억고분자의 물리적 특성을 극대화기 위해, 그래핀(graphene)이라는 재료자체가 갖는 넓은 비표면적과 우수한 기계적ㆍ열적 특성등의 이점을 활용하고자 그래핀 판상에 강자성 입자를 도포한 복합 구조체(G-Fe hybrid)를 개발을 하였고, 이 복합구조체 통해 강자성 나노입자를 통한 유도가열 효과뿐만 아니라 기계적 강성을 높이고, 열전도성을 높임으로써 빠른 반응속도를 갖는 자기반응 형상기억고분자을 제작을 목표로 하였습니다. 이는 스텐트(Stent), 약물전달(Drug delivery), 온열요법(Hyperthermia) 등과 같은 바이오메디컬 분야 외에도 전자파 차폐(EMI Shielding), 에너지 저장(Energy storage) 등으로의 활용이 기대할 수 있을 것 같습니다
