[논문]형광 나노입자를 수용하는 마이크로캡슐의 제작 및 수용 가시화

김은영; 김형훈; 고정상

doi:10.5407/jksv.2011.9.2.016

[국내논문] 형광 나노입자를 수용하는 마이크로캡슐의 제작 및 수용 가시화
Fabrication of Microcapsules Encapsulating Fluorescent Nanoparticles and Visualization of Their Inclusion 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.9 no.2, 2011년, pp.16 - 20

김은영 (부산대학교 기계공학부) , 김형훈 (부산대학교 기계공학부) , 고정상 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a fabrication method of microcapsules encapsulating fluorescent nanoparticles sensitive to an organic liquid, which is potentially applicable to the encapsulation of protein, cell and drug. It uses the supra-molecular self-assembly of a block copolymer at the interface of the stable and controllable droplets of water suspended with fluorescent nanoparticles and the polymer solved organic. The size and uniformity of the microcapsules were examined for the various polymer concentrations by using SEM image analysis. The maximum standard deviation of the produced microcapsules of less than 3.5% was obtained from the microcapsules produced from the same conditions. The inclusion of fluorescent nanoparticles was visualized in the fluorescence microscope and by using TEM image. It is shown that this fabrication method can provide the uniform size microcapsules with a higher inclusion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

기존의 마이크로캡슐 제조 방법이 가지고 있는 넓은 크기 분포, 고온 및 유기용액에 의한 생체 활성 물질의 변질 및 낮은 수용 효율의 문제점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 마이크로채널 유동을 이용하여 내부에 형광 입자를 수용하는 마이크로캡슐을 제작하고자 한다. 특히, 기존 제조 방법에 비해 형태 및 크기가 일정하고, 캡슐 내부에 생체 활성 물질 수용을 상사하기 위해 온도 및 유기 용액에 변질되기 쉬운 형광 나노입자를 수용함으로써 수용 성능을 가시화하고자 한다.
기존의 마이크로캡슐 제조 방법이 가지고 있는 넓은 크기 분포, 고온 및 유기용액에 의한 생체 활성 물질의 변질 및 낮은 수용 효율의 문제점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 마이크로채널 유동을 이용하여 내부에 형광 입자를 수용하는 마이크로캡슐을 제작하고자 한다. 특히, 기존 제조 방법에 비해 형태 및 크기가 일정하고, 캡슐 내부에 생체 활성 물질 수용을 상사하기 위해 온도 및 유기 용액에 변질되기 쉬운 형광 나노입자를 수용함으로써 수용 성능을 가시화하고자 한다. 또한 생체 활성 물질의 수용 가능성을 확인하기 위해 기존 유기 용액의 액적 유동이 아닌 형광 나노입자를 포함한 물 용액을 액적화하여 상온에서 마이크로캡슐을 제조하였다.

제안 방법

기존의 마이크로캡슐 제조 방법의 넓은 크기 분포, 고온 및 유기 용액에 의한 생체 활성 물질의 변질 및 낮은 수용 효율의 문제점들을 해결하기 위해 마이크로채널 내부에서 기존 유기 액적 형태가 아닌 친수성의 물 액적 유동을 형성하고 임계 이상의 고분자 농도에서 얻어지는 자기 조립 성질을 이용하여 온도나 유기용액에 민감한 세포나 단백질 등의 활성 물질의 정량적 수용이 가능한 마이크로캡슐을 성공적으로 제작하고 그 외형 및 내부 수용 효율을 가시화하였다.
내부 수용 형광 나노입자는 온도 및 유기 용액에 민감한 형광입자를 함유한 나노크기의 폴리스티렌을 이용하여 활성 물질의 수용에 관한 실험을 수행하였다. 주사 및 투과 전자현미경 측정과 형광 특성 가시화를 통해 기존 제조 방법에 비해 형태 및 크기가 일정한 마이크로캡슐의 제작이 가능함을 보였고 또한 높은 내부 수용 효율의 가능성을 확인 하였다.
마이크로채널은 실리콘 기판에 사진작업을 이용하여 채널 패턴을 형성하고, 건식 비등방성 반응이온 식각을 이용하여 선택적으로 채널 형상을 식각하였다. 다음으로 실리콘과 현미경에서 액적 유동을 가시화 하기 위해 투명한 파이렉스 유리(#7740) 기판을 400℃에서 5분동안 양극 접합하여 십자형의 마이크로채널을 제작하였다. Fig.
특히, 기존 제조 방법에 비해 형태 및 크기가 일정하고, 캡슐 내부에 생체 활성 물질 수용을 상사하기 위해 온도 및 유기 용액에 변질되기 쉬운 형광 나노입자를 수용함으로써 수용 성능을 가시화하고자 한다. 또한 생체 활성 물질의 수용 가능성을 확인하기 위해 기존 유기 용액의 액적 유동이 아닌 형광 나노입자를 포함한 물 용액을 액적화하여 상온에서 마이크로캡슐을 제조하였다.
마이크로채널은 실리콘 기판에 사진작업을 이용하여 채널 패턴을 형성하고, 건식 비등방성 반응이온 식각을 이용하여 선택적으로 채널 형상을 식각하였다. 다음으로 실리콘과 현미경에서 액적 유동을 가시화 하기 위해 투명한 파이렉스 유리(#7740) 기판을 400℃에서 5분동안 양극 접합하여 십자형의 마이크로채널을 제작하였다.
마이크로캡슐의 외형 및 나노입자 수용을 가시화 하기 위해 100 keV의 높은 에너지를 조사하였다. Fig.
실험에서는 유기 용매에 민감한 800 nm크기의 폴리스티렌 형광 입자를 30:1 부피 비율로 미리 3% 폴리비닐 알코올 수용액에 분산시켰다. 그리고 합성된PS-b-PMMA 블록공중합체를 0.
액적의 크기는 두 액체의 입력 유량 비를 조절하여 제어가 가능하나 실험에서는 위와 같이 유량 비를 고정하고 고분자 농도를 조절하여 제작하였다. 형성된 마이크로액적은 마이크로채널 내부에서 유기용액에 분산된 폴리머의 농도가 임계농도 이상이 되면 자동적으로 물 액적의 표면을 따라 자기 조립이 발생하고 출구를 통해 밖으로 배출시킨 후 진공 오븐에서 증발시키면 형광 나노입자를 내포한 마이크로캡슐을 제조하였다.
플라스크를 110℃로 가열하여 스티렌이 80% 이상 중합되면 폴리스티렌을 형성한다. 이차 모노머인 메틸 메타 크릴레이트(Aldrich 99%)를 주입하여 60℃에서 2시간 동안 가열하면 PS-b-PMMA 공중합체가 얻어 얻어진다 ATRP 중합법을 이용하여 제조된 블록 공중합체의 분자량과 분자량 분산도(PDI)를 겔 침투 크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC)를 사용하여 측정하였다. 합성된 PS-b-PMMA 공중합체는 분자량 9,837 g/mole, PDI는 1.
중앙으로는 형광입자가 분산된 수용액을 6 μl/min의 유량으로 주입하였고, 고분자가 용해된 디클로로메탄 용액은 양 측면 채널을 통해 10 μl/min의 유량으로 각각 주입하여 액적 유동을 형성하였다.
특히 친수성의 물 액적을 유도하기 위해 마이크로채널 표면을 접촉각 약 100°를 갖는 소수성의 DDMS(Dichloro DiMethylSilane)로 나노막 코팅하였다.
4는 고분자 농도 50 mg/ml에서 제조된 형광 나노입자를 수용하는 마이크로캡슐의 SEM 사진을 보여준다. 특히, 마이크로캡슐 표면에 잔류하는 폴리비닐을 제거하기 위하여 구리 박막 필터를 이용하여 초순수로 가압하여 3회 반복 세정하였다. 이때 구리 박막 필터는 25 μm 였으며, 레이저 가공을 이용하여 10 μm 크기의 구멍을 배열 형태로 가공하였다.
형광 나노입자를 수용한 마이크로캡슐의 평가에는 투과 전자 현미경(TEM: transmission electron microscopy)을 이용한 마이크로캡슐의 외형 및 나노입자 수용 가시화와 다중 광자 초점 주사현미경(MPCLSM: multiphoton confocal laser scanning microscope)를 이용한 마이크로캡슐 형광 나노입자 수용 성능을 각각 평가하였다.
액적의 크기는 두 액체의 입력 유량 비를 조절하여 제어가 가능하나 실험에서는 위와 같이 유량 비를 고정하고 고분자 농도를 조절하여 제작하였다. 형성된 마이크로액적은 마이크로채널 내부에서 유기용액에 분산된 폴리머의 농도가 임계농도 이상이 되면 자동적으로 물 액적의 표면을 따라 자기 조립이 발생하고 출구를 통해 밖으로 배출시킨 후 진공 오븐에서 증발시키면 형광 나노입자를 내포한 마이크로캡슐을 제조하였다.

이론/모형

최근 전이 금속을 이용하여 쉬운 반응 조건에서 분자량과 구조를 정확하게 제어할 수 있고 분자량 분산도(PDI: poly dispersity index)가 균일한 원자 이동 라디칼 중합법(ATRP: atomic transfer radical Polymerization)을 사용하여 양쪽성 성질을 갖는 고분자를 합성하였다.

성능/효과

5에서는 고분자 농도의 로그 축에 대해 캡슐의 크기가 선형적으로 증가 함을 실험적으로 보였다. 또한 동일한 농도 조건에서 제작된 마이크로캡슐의 크기 분포도 평균크기의 3.5% 이내로 매우 작은 표준편차로 측정되었다.
내부 수용 형광 나노입자는 온도 및 유기 용액에 민감한 형광입자를 함유한 나노크기의 폴리스티렌을 이용하여 활성 물질의 수용에 관한 실험을 수행하였다. 주사 및 투과 전자현미경 측정과 형광 특성 가시화를 통해 기존 제조 방법에 비해 형태 및 크기가 일정한 마이크로캡슐의 제작이 가능함을 보였고 또한 높은 내부 수용 효율의 가능성을 확인 하였다.

후속연구

향후 이 연구 결과는 세포나 단백질과 같은 생체 활성 물질 수용한 마이크로캡슐을 제작하여 3차원 배양을 통한 신약 개발에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 캡슐을 제작하는 방법이 다양한 이유는?	고분자를 용매에 녹인 뒤 마이크로 캡슐 제조 후 용매를 증발시키는 용매 증발법, 서로 불용성인 두 용액의 계면에서 반응 시키는 계면 중합법, 유화제를 이용하는 유화 중합법, 및 친수성 콜로이드 용액에 이물질을 첨가하거나, 온도 조건을 달리하여 농도가 서로 다른 두 액상을 이용하는 코아셀법 등이 있으며, 각각의 방법으로 제작되는 마이크로캡슐의 크기 범위를 Table 1에 정리하였다4,5). 이처럼 마이크로 캡슐을 제작하는 방법이 다양한 이유는 사용되는 고분자와 용매의 특성에 따라 마이크로캡슐 제조 공정 조건 및 환경이 다르기 때문이다.
	마이크로캡슐이란?	1940년대에 약물 전달 시스템(Drug Delivery System) 분야에서 정립된 마이크로캡슐은 그 크기가 수 μm에서 수백 μm 정도의 크기를 가지며, 불안정하거나 지속성이 약한 활성 성분을 고분자, 세라믹 또는 유무기 복합체로 둘러싸거나, 코팅하는 기술이다1). 특히 고분자 마이크로캡슐은 약제, 염료, 및 효소와 같은 활성 약물을 캡슐에 담아 온도나 pH와 같은 외부자극으로부터 민감한 활성 약물을 보호하고 특정한 환경에서 약물의 방출을 조절하여 기능성을 극대화 할 수 있는 장점 때문에 약물전달 영역에서 우수한 수용체로써 연구되고 있다2,3).
	고분자 마이크로캡슐의 제조에 쓰이는 방법은?	이러한 고분자 마이크로캡슐의 제조에는 여러 방법들이 쓰이고 있다. 고분자를 용매에 녹인 뒤 마이크로 캡슐 제조 후 용매를 증발시키는 용매 증발법, 서로 불용성인 두 용액의 계면에서 반응 시키는 계면 중합법, 유화제를 이용하는 유화 중합법, 및 친수성 콜로이드 용액에 이물질을 첨가하거나, 온도 조건을 달리하여 농도가 서로 다른 두 액상을 이용하는 코아셀법 등이 있으며, 각각의 방법으로 제작되는 마이크로캡슐의 크기 범위를 Table 1에 정리하였다4,5). 이처럼 마이크로 캡슐을 제작하는 방법이 다양한 이유는 사용되는 고분자와 용매의 특성에 따라 마이크로캡슐 제조 공정 조건 및 환경이 다르기 때문이다.

참고문헌 (8)

Khang, G., Cho, J. C., Rhee, J. M., Lee, J. S. and Lee, H. B., 2000, "Fentanyl-Loaded PLGA Microspheres for Long Acting Anesthesia," In Controlled Drug Delivery: Designing Technologies for the Furture, ACS Symp. Series, pp. 752.
Gill, I. and Ballesteros, A., 1998, "Encapsulation of Biologicals within Silicate, Siloxane, and Hybrid Sol-Gel Polymers: An Efficient and Generic Approach," J. Am. Chem. Soc., Vol 120, pp. 8587-8598.

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Guo, J., Yang, W., Deng, Y., Wang, C. and Fu, S., 2005, "Organic-dye-coupled Magnetic Nanoparticles Encaged inside Thermoresponsive PNIPAM Microcapsutes," Small, Vol. 1, pp. 737-743.

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Vasir, J. K., Tambwekar, K., and Garg, S., 2003, "Bioadhesive Microspheres as A Controlled Drug Delivery System," Int. J. Pharm., Vol. 255, pp. 13-32.

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Masters, K., 1985, Spray Drying Handbook, 4th ed, George Goodwin Ltd..
Jalil, R. and Nixon, J. R., 1990, "Microencapsulation Using Poly(l-lactic acid) II: Preparative Variables Affecting Microcapsule Properties", J. Microencapsule., Vol. 7, pp. 25-39.

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Yang, Y. Y., Chung, T. S., Bai, X. L., et al., 2002, "Effect of Preparation Conditions on Morphology and Release Profiles of Biodegradable Polymeric Microspheres Containing Protein Fabricated by Double-Emulsion Method," Chem. Eng. Sci., Vol. 55, pp. 2223-2236.
Choi, H. S., Khang, G.., Shin, H., et al., 2002, "Preparation and Characterization of Fentanyl-Loaded PLGA Microspheres; In vitro Release Profiles." Int. J. Pharm., Vol. 234, pp.195-203.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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