최근 콜로이드 산업에서 기능성 입자의 수요가 증가함에 따라 입자의 제조방법은 상당한 발전을 이루었다. 이러한 발전은 동적/정적 미세유체 시스템을 도입함으로써 이루어졌으며 입자의 크기, 형태, 다공성, 표면의 거칠기 또는 기능성 등 물리적, 화학적인 형상제어를 가능하게 해주었다. 이러한 형상제어를 통하여 만들어진 기능성 입자는 의료진단, 광소자, 바이오산업으로 응용될 수 있다. 뿐만 아니라, 기능성 콜로이드 입자의 자가조립을 유도함으로써 규칙적인 정렬부터 불규칙적인 새로운 형태의 기능성을 갖는 물질을 얻을 수 있고, 자연계에서 일어나는 현상을 모사함으로써 본질적인 연구도 가능하게 해주었다. 그리하여 본 총설에서는 최근 각광받고 있는 기능성 콜로이드 입자의 제조방법에 대해 설명하고 이의 응용 가능성을 소개하였다.
최근 콜로이드 산업에서 기능성 입자의 수요가 증가함에 따라 입자의 제조방법은 상당한 발전을 이루었다. 이러한 발전은 동적/정적 미세유체 시스템을 도입함으로써 이루어졌으며 입자의 크기, 형태, 다공성, 표면의 거칠기 또는 기능성 등 물리적, 화학적인 형상제어를 가능하게 해주었다. 이러한 형상제어를 통하여 만들어진 기능성 입자는 의료진단, 광소자, 바이오산업으로 응용될 수 있다. 뿐만 아니라, 기능성 콜로이드 입자의 자가조립을 유도함으로써 규칙적인 정렬부터 불규칙적인 새로운 형태의 기능성을 갖는 물질을 얻을 수 있고, 자연계에서 일어나는 현상을 모사함으로써 본질적인 연구도 가능하게 해주었다. 그리하여 본 총설에서는 최근 각광받고 있는 기능성 콜로이드 입자의 제조방법에 대해 설명하고 이의 응용 가능성을 소개하였다.
Synthetic methods of colloids have been significantly developed in industry due to their significant demand for preparation of functional particles. Recently, dynamic/static microfluidic system has emerged as a promising route to the synthesis of the particles, providing precise control of physical ...
Synthetic methods of colloids have been significantly developed in industry due to their significant demand for preparation of functional particles. Recently, dynamic/static microfluidic system has emerged as a promising route to the synthesis of the particles, providing precise control of physical and chemical properties such as size, shape, porosity, surface roughness, and surface functionality. These formed particles can be potentially used in various applications including medical diagnostics, photonic device, and biological industry. In addition, these particles provide a novel route to create new materials via their directed self-assembly, and it enable to study and predict the natural phenomenon by mimicking of the nature. Therefore, we describe recent progress for functional colloid particles and its applications.
Synthetic methods of colloids have been significantly developed in industry due to their significant demand for preparation of functional particles. Recently, dynamic/static microfluidic system has emerged as a promising route to the synthesis of the particles, providing precise control of physical and chemical properties such as size, shape, porosity, surface roughness, and surface functionality. These formed particles can be potentially used in various applications including medical diagnostics, photonic device, and biological industry. In addition, these particles provide a novel route to create new materials via their directed self-assembly, and it enable to study and predict the natural phenomenon by mimicking of the nature. Therefore, we describe recent progress for functional colloid particles and its applications.
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문제 정의
본 총설에서는 앞에서 언급한 현존하는 시스템의 문제점 및 한계를 극복하기 위해 동적/정적 미세유체 제어를 통한 기능성 콜로이드 입자의 제조방법 및 이의 응용분야에 대해 살펴보고자 한다.
이러한 연구는 최종적으로 기존 산업사회에서 겪고 있었던 다분산성, 계면활성제의 사용에 의한 환경문제를 해결할 수 있는 방향성을 제시해주고 있으며, 여러 가지 새로운 기능성을 발휘할 수 있도록 해주었다.
한쪽이 둥글게 파인 원형 입자와 상대적으로 작은 크기를 갖는 구형입자를 사용함으로써 디플리션 인력(depletion attraction)을 통해 특이성 있는 결합을 유도하여 자물쇠와 열쇠 이론(lock and key theory)을 설명할 수 있으며, Figure 10과 같이 삼중 블록공중합체(triblock copolymer)를 사용하여 용매와 고분자의 친화력 차이를 이용해 야누스 입자를 형성한 뒤 입자의 형상 또는 외부 환경에 영향을 받아 계층적인(hierarchical) 프로그램화된 자가조립을 할 수 있다[27,30]. 이러한 자가 조립의 최종 목적은 자연계에서 일어나는 현상을 이해하고 응용하여 우리에게 유용한 새로운 기능성을 갖는 물질을 개발하는데 의미를 두고 있다.
성능/효과
이러한 현탁 중합은 대량 생산(mass production)을 할 수 있다는 장점을 갖고 있지만 이를 통해 얻어지는 입자의 다분산성(polydispersity)으로 인하여 별도의 분리공정을 필요로 하게 되며 입자의 크기분포도 제한적이라는 단점이 있다. 그리하여 이러한 문제를 해결하기 위해 유화 중합(emulsion polymerization)이 도입되었으며 연속상 내부에 함유되어 있는 수용성 계면활성제(surfactant)에 의해 소수성 모노머(monomer)와의 유화(emulsification)를 통하여 미셀(micelle)을 형성하고 이를 수용성 개시제로 중합시킴으로써 일정한 형태를 갖는 단분산성(monodispersity) 콜로이드 입자의 생산이 가능해졌다. 하지만 사용되는 계면활성제의 세척이 어렵고 재료선정에 한계가 있으며, 만들 수 있는 입자의 크기 분포가 현탁 중합과 마찬가지로 일정 영역 이상을 넘지 못한다는 한계가 있다[9].
Figure 12에서 보여지는 바와 같이 생체 물질을 함유할 수 있도록 설계된 기능성 입자를 제조한 뒤 미세유체 시스템을 이용해 실시간(real time)으로 이를 해석할 수 있다[33]. 생물학적 분석(biological analysis)시스템으로 기능성 입자가 응용됨으로써 적은 시료(sample) 양으로 보다 정확하고 다양한 분석을 할 수 있게 되었고, 가격 면에서 효율적이며, 특히 실시간 빠른 검출(detection)이 가능해졌다.
연속 흐름 식각을 통해 기존 미세유체 시스템에서 구현할 수 없었던 비등방성 입자의 제조가 가능해 졌으며, 초미세 규모(약 3 μm)로 입자 크기를 줄일 수 있다.
정적 미세유체 시스템(static microfluidic system)의 도입으로 동적 미세유체 시스템에서 구현하기 어려웠던 3차원적 형상제어와 한 입자 내에 여러 기능성을 부여한 다중 기능성을 갖는 입자 제조가 가능해졌다.
후속연구
동시에 다양한 크기분포를 갖는 맞춤형 형상제어, 단분산성, 그리고 다기능적 특성을 갖는 입자의 제조가 가능해짐으로써 기능성 입자의 수요를 충족시켜줄 수 있고, 다중 반응성 약물전달 기술, 바이오 분석, 그리고 기능성 입자를 통한 분자 구조 이해 및 자가조립과 같은 기초과학 발전에 크게 기여할 것으로 전망된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콜로이드 입자의 특징은 무엇인가?
특히 콜로이드 입자는 작은 부피대비 넓은 표면적, 높은 기동성(mobility), 그리고 입자의 크기, 모양, 표면전하, 내부구조 등의 형상제어를 통해 여러 가지 변수를 제어하여 새로운 기능성을 부여할 수 있다는 특징을 갖고 있다. 이러한 특징은 바이오 산업의 크로마토그래피(chromatography), 유동 세포분석(flow cytometry)을 위한 지지체, DNA와 단백질의 검출 및 분리와 같은 고속 대량 스크리닝(high throughput screening)과면역분석법(immunoassay)의 도구로써 높은 잠재력이 있다[5].
현탁 중합의 장단점은 무엇인가?
종래에 이러한 기능성 콜로이드 입자의 제조는 대형반응기 내부에 서로 섞이지 않는 연속상과 분산상, 중합 개시제(initiator)를 소량 첨가하여 기계적인 힘(mechanical stress)을 가해주는 현탁 중합(suspension polymerization)을 사용하고 있다[8]. 이러한 현탁 중합은 대량 생산(mass production)을 할 수 있다는 장점을 갖고 있지만 이를 통해 얻어지는 입자의 다분산성(polydispersity)으로 인하여 별도의 분리공정을 필요로 하게 되며 입자의 크기분포도 제한적이라는 단점이 있다. 그리하여 이러한 문제를 해결하기 위해 유화 중합(emulsion polymerization)이 도입되었으며 연속상 내부에 함유되어 있는 수용성 계면활성제(surfactant)에 의해 소수성 모노머(monomer)와의 유화(emulsification)를 통하여 미셀(micelle)을 형성하고 이를 수용성 개시제로 중합시킴으로써 일정한 형태를 갖는 단분산성(monodispersity) 콜로이드 입자의 생산이 가능해졌다.
유화 중합의 한계점은 무엇인가?
그리하여 이러한 문제를 해결하기 위해 유화 중합(emulsion polymerization)이 도입되었으며 연속상 내부에 함유되어 있는 수용성 계면활성제(surfactant)에 의해 소수성 모노머(monomer)와의 유화(emulsification)를 통하여 미셀(micelle)을 형성하고 이를 수용성 개시제로 중합시킴으로써 일정한 형태를 갖는 단분산성(monodispersity) 콜로이드 입자의 생산이 가능해졌다. 하지만 사용되는 계면활성제의 세척이 어렵고 재료선정에 한계가 있으며, 만들 수 있는 입자의 크기 분포가 현탁 중합과 마찬가지로 일정 영역 이상을 넘지 못한다는 한계가 있다[9].
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