미세 채널에서 칼슘이온 물질전달을 이용한 단분산성 알지네이트 하이드로젤 입자의 실시간 젤화 In situ Gelation of Monodisperse Alginate Hydrogel in Microfluidic Channel Based on Mass Transfer of Calcium Ions원문보기
본 논문은 가교제의 물질전달을 통한 실시간 생체고분자의 젤화 과정으로 단분산성을 갖는 구형의 알지네이트하이드로젤을 미세유체 채널 내에서 제조하는 방법에 관한 연구이다. 먼저 미세유체 채널 내에서 단분산성 알지네이트 액적들을 형성하고 연속상에 분산된 염화칼슘 분자들의 물질전달 과정을 통해 실시간 젤화과정이 이루어지게 하여 알지네이트 하이드로젤 입자를 제조하였다. 이때, 미세유체 채널에서 형성되는 액적의 크기는 손쉽게 케필러리 수(capillary number)와 분산상의 유속 조절을 통하여 제어할 수 있다. 본 방법은 미세유체 채널 내에서 안정적인 액적을 형성할 수 있고 칼슘 가교제로 제조된 알지네이트 하이드로젤 입자들은 균일한 크기 분포를 가지며(C.V=2.71%) 유속, 점도, 및 계면장력의 조절을 통하여 $30{\mu}m$에서 $60{\mu}m$까지의 다양한 크기의 알지네이트 하이드로젤 입자를 제조할 수 있다. 본 논문에서 제시한 간단한 미세유체 접근방법을 통해 제조되는 단분산성을 갖는 알지네이트 하이드로젤 입자는 생체물질들을 손쉽게 함입(encapsulation)할 수 있으며 이는 식품, 화장품, 잉크 및 약물 등의 전달체로 활용이 가능하고 생체적합성이 뛰어나 세포이식 분야에도 활용될 가능성이 있다.
본 논문은 가교제의 물질전달을 통한 실시간 생체고분자의 젤화 과정으로 단분산성을 갖는 구형의 알지네이트 하이드로젤을 미세유체 채널 내에서 제조하는 방법에 관한 연구이다. 먼저 미세유체 채널 내에서 단분산성 알지네이트 액적들을 형성하고 연속상에 분산된 염화칼슘 분자들의 물질전달 과정을 통해 실시간 젤화과정이 이루어지게 하여 알지네이트 하이드로젤 입자를 제조하였다. 이때, 미세유체 채널에서 형성되는 액적의 크기는 손쉽게 케필러리 수(capillary number)와 분산상의 유속 조절을 통하여 제어할 수 있다. 본 방법은 미세유체 채널 내에서 안정적인 액적을 형성할 수 있고 칼슘 가교제로 제조된 알지네이트 하이드로젤 입자들은 균일한 크기 분포를 가지며(C.V=2.71%) 유속, 점도, 및 계면장력의 조절을 통하여 $30{\mu}m$에서 $60{\mu}m$까지의 다양한 크기의 알지네이트 하이드로젤 입자를 제조할 수 있다. 본 논문에서 제시한 간단한 미세유체 접근방법을 통해 제조되는 단분산성을 갖는 알지네이트 하이드로젤 입자는 생체물질들을 손쉽게 함입(encapsulation)할 수 있으며 이는 식품, 화장품, 잉크 및 약물 등의 전달체로 활용이 가능하고 생체적합성이 뛰어나 세포이식 분야에도 활용될 가능성이 있다.
A microfluidic method for the in situ production of monodispersed alginate hydrogels using biocompatible polymer gelation by crosslinker mass transfer is described. Gelation of the hydrogel was achieved in situ by the dispersed calcium ion in the microfluidic device. The capillary number (Ca) and th...
A microfluidic method for the in situ production of monodispersed alginate hydrogels using biocompatible polymer gelation by crosslinker mass transfer is described. Gelation of the hydrogel was achieved in situ by the dispersed calcium ion in the microfluidic device. The capillary number (Ca) and the flow rate of the disperse phase which are important operating parameters mainly influenced the formation of three distinctive flow regions, such as dripping, jetting, and unstable dripping. Under the formation of dripping region, monodispersed alginate hydrogels having a narrow size distribution (C.V=2.71%) were produced in the microfluidic device and the size of the hydrogels, ranging from 30 to $60{\mu}m$, could be easily controlled by varying the flow rate, viscosity, and interfacial tension. This simple microfluidic method for the production of monodisperse alginate hydrogels shows strong potential for use in delivery systems of foods, cosmetics, inks, and drugs, and spherical alginate hydrogels which have biocompatibility will be applied to cell transplantation.
A microfluidic method for the in situ production of monodispersed alginate hydrogels using biocompatible polymer gelation by crosslinker mass transfer is described. Gelation of the hydrogel was achieved in situ by the dispersed calcium ion in the microfluidic device. The capillary number (Ca) and the flow rate of the disperse phase which are important operating parameters mainly influenced the formation of three distinctive flow regions, such as dripping, jetting, and unstable dripping. Under the formation of dripping region, monodispersed alginate hydrogels having a narrow size distribution (C.V=2.71%) were produced in the microfluidic device and the size of the hydrogels, ranging from 30 to $60{\mu}m$, could be easily controlled by varying the flow rate, viscosity, and interfacial tension. This simple microfluidic method for the production of monodisperse alginate hydrogels shows strong potential for use in delivery systems of foods, cosmetics, inks, and drugs, and spherical alginate hydrogels which have biocompatibility will be applied to cell transplantation.
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문제 정의
본 연구는 간단한 미세유체 채널의 제작공정을 통해 in situ에서 실시간 물질전달을 사용하여 단분산성을 갖는 구형의 알지네이트 하이드로젤을 제조하는 방법을 제안하였다. 미세유체 채널 내에서 알지네이트 하이드로젤을 제조하는 것은 높은 점도를 갖는 알긴산 나트륨 수용액으로 단분산성을 갖는 알지네이트 하이드로젤 즉, 하이드로젤을 연속적으로 제조한다는 점에서 매우 중요하다.
미세유체 채널 내에서 액적을 형성하는 메커니즘에 의하면 액적의 크기는 점도, 계면장력, 유체의 속도, 젖음 성질 등에 의해 결정된다[20,21,29]. 본 연구에서는 연속상의 끊어짐 현상에 의해 액적이 형성될 때의 계면장력의 효과를 알기 위해 연속상(mineral oil) 내의 계면활성제 농도를 변화시킴에 따라 액적의 크기를 측정하였다. 이 때, 계면활성제의 농도에 따른 계면장력의 값은 12.
제안 방법
미세유체 시스템을 통해 알지네이트 하이드로젤 제조의 최적화 및 유체형태에 대한 유동형태 기반의 상도표를 작성하였다[26,27]. 각 유동형태는 펌프기반 부피유속조절을 통해 단위 시간당 주입되는 부피를 손쉽게 제어하고 이를 현미경으로 실시간 관찰하였다. 미세유체 채널 내에서 형성되는 액적의 형태는 케필러리 수에 영향을 받게 된다.
미세유체 채널에서 형성된 알지네이트 액적은 2차적인 젤화를 위하여 채널 외부의 염화칼슘 수용액 저장소로 모아진다. 광학 현미경을 이용하여 미세 유체 채널 외부로 나와 염화칼슘 수용액 저장소에서의 2차 젤화가 일어난알지네이트 하이드로젤을 측정하였다(Fig. 3(a)).
이에, 케필러리 수(Ca)와 분산상의 부피유속(Qd)의 두 수력학적 변수를 이용하여 유동 현상에 대한 상도표를 완성하였다. 다음과 같은 상도표를 작성하기 위해 2% 알지네이트 용액과 2%의 계면활성제가 분산된 연속상을 사용하여 매 실험마다 알지네이트 수용액의 농도와 계면활성제의 농도는 일정하게 유지되었고 분산상과 연속상의 유속에만 변화를 주어 실험을 진행하였다. 이때 연속상의 유속은 5 µl/min에서 30 µl/min까지 변화를 주었고 분산상의 유속은 0.
하지만 일정 양 이상의 계면활성제를 사용할 경우 안정적인 액적을 쉽게 얻을 수 있다. 두상의 계면장력을 줄여주기 위해 연속상 내에 계면활성제의 한 종류인 span 80(nonionic surfactant, sorbitan monooleate)을 주입하였고 계면활성제는 젤화가 일어나기 이전에 액적의 합체를 막아준다. 연속상 내의 계면활성제 농도가 증가할수록 계면장력이 감소하기 때문에 계면장력이 감소할수록 하이드로젤의 지름은 작아진다(Fig.
이전의 방식과는 다르게 미세유체 접근방법을 사용함으로써 좁은 크기분포를 갖는 단분산성 알지네이트 액적 형성을 가능하게 하였다. 또한, 본 연구에서는 알지네이트 액적이 형성될 때 계면장력, 점성력, 부피유속의 조절을 통해 알지네이트 액적의 크기 조절을 가능하게 하였다.
미세유체 시스템을 통해 알지네이트 하이드로젤 제조의 최적화 및 유체형태에 대한 유동형태 기반의 상도표를 작성하였다[26,27]. 각 유동형태는 펌프기반 부피유속조절을 통해 단위 시간당 주입되는 부피를 손쉽게 제어하고 이를 현미경으로 실시간 관찰하였다.
본 실험에서는 분산상의 점도 효과를 확인하고자 알지네이트 농도에 따라 연속상의 속도를 측정하여 알지네이트 하이드로젤을 제조하였다.
본 연구에서는 PDMS 미세유체 채널 내에서 연속상인 염화칼슘이 분산된 미네랄오일과 분산상인 알긴산 나트륨 수용액으로 섞이지 않은 두 유체를 사용하여 알지네이트 하이드로젤을 제조하였다(Fig. 1). 본 실험에서 사용한 미세유체 채널의 치수는 높이 100 μm, 폭 200 μm에 해당하고 실험에서 사용된 모든 채널의 치수는 동일하다.
본 연구에서는 기존 연구들의 한계점을 해결하고자 새로운 미세유체 접근법을 사용하여 미세유체 채널 내에서 연속상에 분산된 염화칼슘에 의해 칼슘이온의 물질전달을 통해 실시간으로 알지네이트 액적에 젤화를 일어나게 하고 이에 따라 단분산성을 갖는 구형의 알지네이트 하이드로젤을 제조하였다. 미세유체 내에서 알지네이트 액적은 알긴산 나트륨 수용액이 교차지점을 통과하면서 연속상에 의한 전단력(shear force)에 의해 형성된다.
본 연구에서는 미세유체 채널의 내부에서 덮개 유동에 의해 세 가지 유체의 형태가 관찰되며, 이는 균일 액적(Dripping)(A), 늘어진 유동(Jetting)(B), 불균일 액적(Unstable Dripping)(C)으로 나누어진다 (Fig. 2). 분산상의 유속이 지나치게 느리면(Qd < 0.
본 연구에서의 알지네이트 하이드로젤의 광학이미지는 높은 분해능의 CCD 카메라(Coolsnap, Roper Science, USA)를 갖춘 형광현미경(NIKON, TE2000, Japan)을 사용하여 촬영하였다. 이미지 측정을 위해 이미지 프로그램 Image pro plus(Media cybemetics, CA, USA)와 Image J(http://rsb.
실리콘 몰드는 SU-8 photoresist를 실리콘 웨이퍼 위에 도포한 뒤 반도체 공정 기술인 광식각방법을 이용하여 제작하였다. PDMS 고분자와 가교제를 10:1의 비율로 혼합한 뒤 실리콘 마스터 위에 붓고 기포를 제거하기 위하여 진공오븐에 넣어둔다.
케필러리 수는 무차 원수로서, 계면장력에 크게 영향 받는 마이크로 채널 내부 유체의 유동을 정의하는데 널리 사용되고 있다. 이에, 케필러리 수(Ca)와 분산상의 부피유속(Qd)의 두 수력학적 변수를 이용하여 유동 현상에 대한 상도표를 완성하였다. 다음과 같은 상도표를 작성하기 위해 2% 알지네이트 용액과 2%의 계면활성제가 분산된 연속상을 사용하여 매 실험마다 알지네이트 수용액의 농도와 계면활성제의 농도는 일정하게 유지되었고 분산상과 연속상의 유속에만 변화를 주어 실험을 진행하였다.
최근에 구형 입자를 생산하기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있고, 그 중 미세유체 접근법은 시약의 소모량이 적고, 화학적 반응 검출 감도가 높다는 장점을 갖는다[15-19]. 특히 본 논문에서 제시하는 미세유체 접근법을 사용하여 알지네이트 하이드로젤을 제조할 경우 미세유체 채널의 지형학, 미세유체의 유속 조절을 이용하여 다양한 크기의 단분산성을 갖는 하이드로젤 제조가 가능하도록 했다[20,21].
본 연구에서의 알지네이트 하이드로젤의 광학이미지는 높은 분해능의 CCD 카메라(Coolsnap, Roper Science, USA)를 갖춘 형광현미경(NIKON, TE2000, Japan)을 사용하여 촬영하였다. 이미지 측정을 위해 이미지 프로그램 Image pro plus(Media cybemetics, CA, USA)와 Image J(http://rsb.info.nih.gov/ij/)가 사용되었다. 미세유체 채널 내에서 형성된 알지네이트 액적의 크기 분산도(CV: coefficient of variation)는 측정된 알지네이트 액적 크기의 표준편차를 평균으로 나누어 계산된다.
이론/모형
미세유체 채널 내에서 형성된 알지네이트 액적의 크기 분산도(CV: coefficient of variation)는 측정된 알지네이트 액적 크기의 표준편차를 평균으로 나누어 계산된다. 두 개의 유체간의 계면장력은 pendant drop method(optical tensiometer, KSV Instruments, Finland)를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
3(b)는 형성된 알지네이트 액적의 크기 분포를 나타낸다. 해당 데이터는 단분산성을 보이며 CV(coefficient of variance), 액적의 표준편차를 평균 지름으로 나눈값으로 계산하여 2.71%을 얻었다. 미국 NIST(National Instituteof Standard and Technology)에서는 CV가 5% 이하의 값을 보일 때 단분산성이라고 정의하고 있음을 고려해 볼 때, 이는 균일한 알지네이트 액적이 형성되었음을 보여주는 값이다.
후속연구
본 연구에서 제조할 수 있는 하이드로젤의 크기는 30 μm에서 60 μm이지만, 채널의 지형학이나 부피유속 조절에 의해 더 작거나 큰 하이드로젤의 제조가 가능하다. 특히 알지네이트가 갖는 무독성, 무공격성이라는특징과 알지네이트 하이드로젤을 단분산성을 갖는 구형의 하이드로젤로 제조하는 공정이 매우 간단하고 빠르다는 점에서 본 논문에서 제안한 알지네이트 하이드로젤은 약물전달시스템, 생물센서, 미세반응기 등에 적용될 수 있고, 세포를 연구하기 위한 세포기반의 미세구간(microcompartmentalization)으로도 다양하게 적용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알지네이트 하이드로젤을 생산하는 방법은 무엇이 있는가?
기존의 알지네이트 하이드로젤을 생산하는 방법에는 유화처리, 분무건조법, 퇴괴현상법(coacervation) 등이 있다[11-14]. 기존의 연구 방법으로 제조된 알지네이트 하이드로젤은 크기의 제어가 어려우므로 다분산성(polydispersity)을 갖는 하이드로젤을 제조하며 표준편차가 크다는 단점을 가진다.
알지네이트 하이드로젤을 제조하는 방법 중에 내부젤화법의 특징은?
미세유체 접근법을 이용하여 알지네이트 하이드로젤을 제조하는 방법에는 크게 내부젤화법, 유체 역학 집중 방법이 있다. 내부젤화법의 경우, 형성된 알지네이트 액적이 연속상에 존재하는 이가 양이온에 의해 젤화가 일어나는데 이때, 사용되는 산의 영향으로 알지네이트 하이드로젤에 함입된 세포나 기타 생물분자에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다[22]. 또한, 유체 역학 집중 방법은 가교가 일어나지 않은 알지네이트 액적을 칼슘 수용액 내로 방출시켜 미세유체 채널 외부에서 가교를 일으키는 방법으로, 이 경우 가교되지 않은 알지네이트 액적이 갖는 높은 점도와 약한 기계적 강도 때문에 칼슘 수용액 내로 방출되기 어렵다는 한계점을 가진다[23].
하이드로젤의 용도는 무엇인가?
가교가 일어나는 친수성 고분자인 하이드로젤은 많은 양의 물을 흡수해도 용해되지 않는 특징을 가진다[1]. 하이드로젤의 우수한 생체적합성은 콘택트렌즈, 인공 장기, 약물전달시스템, 향장산업 등에 적용된다[2]. 하이드로젤은 생체 적합성뿐만 아니라 높은 함수율과 팽윤/수축 특성, 낮은 표면 장력을 지니고 있으며 액체와 고체의 중간적 성질을 가진다.
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