[논문]미세유체장치를 이용한 생분해성 Polycarprolactone의 단분산성 미세입자 생성제어

정헌호

doi:10.7464/ksct.2019.25.4.281

미세유체장치를 이용한 생분해성 Polycarprolactone의 단분산성 미세입자 생성제어
Controlled Production of Monodisperse Polycaprolactone Microparticles using Microfluidic Device 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.4, 2019년, pp.283 - 288

정헌호 (전남대학교 공학대학 화공생명공학과)

초록
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단분산성 마이크로입자는 약물캡슐화 및 전달을 위한 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 미세유체장치는 매우 균일한 액적을 생산할 수 있는 중요한 장치이며 이 액적은 단분산성 마이크로입자를 생성할 수 있는 중요한 템플레이트(template)로의 역할을 한다. 미세유체장치는 마이크론 크기의 채널로 구성되어 표면장력과 점성력 간의 균형을 정교하게 조절할 수 있으며, 이는 단분산성 액적을 형성하는 필수적인 기술 중의 하나이다. 본 연구는 유동집적채널 기반의 미세유체장치에서 매우 균일한 polycaprolactone (PCL) 생분해성 고분자 입자를 제조하는 방법을 제안한다. 유동집적채널 기반의 미세유체장치는 polydimethylsiloxane (PDMS) 기반의 소프트리소그래피(soft-lithography) 방법을 통해 제작된다. 액적 생성에서 중요한 요소는 마이크로 액적의 크기와 단분산성을 조절하는 것이다. 이를 위해, 본 연구에서는 이 미세유체장치에서 오일용액 분산상과 수용액 연속상의 부피유속을 제어하여 단분산성 액적 형성 조건을 최적화하였다. 그 결과 균일한 액적을 형성할 수 있는 dripping 영역에 대한 최척화된 유속조건을 확인하였다. 그런 다음, 마이크로입자를 생성하기 위해 PCL 고분자를 포함한 액적을 장치에서 형성한 후 용매의 증발에 의해 입자화 하였다. 입자의 크기는 부피유속과 미세유체채널의 크기에 의해 조절되며 입자의 단분산도는 변동계수(coefficient of variation, CV)값이 5% 이하로 제어될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Monodisperse microparticles has been particularly enabling for various applications in the encapsulation and delivery of pharmaceutical agents. The microfluidic devices are attractive candidates to produce highly uniform droplets that serve as templates to form monodisperse microparticles. The microfluidic devices that have micro-scale channel allow precise control of the balance between surface tension and viscous forces in two-phase flows. One of its essential abilities is to generate highly monodisperse droplets. In this paper, a microfluidic approach for preparing monodisperse polycaprolactone (PCL) microparticles is presented. The microfluidic devices that have a flow-focusing generator are manufactured by soft-lithography using polydimethylsiloxane (PDMS). The crucial factors in the droplet generation are the controllability of size and monodispersity of the microdroplets. For this, the volumetric flow rates of the dispersed phase of oil solution and the continuous phase of water to generate monodisperse droplets are optimized. As a result, the optimal flow condition for droplet dripping region that is able to generate uniform droplet is found. Furthermore, the droplets containing PCL polymer by solvent evaporation after collection of droplet from device is solidified to generate the microparticle. The particle size can be controlled by tuning the flow rate and the size of the microchannel. The monodispersity of the PCL particles is measured by a coefficient of variation (CV) below 5%.

주제어

표/그림 (4)

그림 Figure 1. Surface modification method using plasma treatment.
그림 Figure 2. The flow patterns as flow rate in the microfluidic device.
그림 Figure 3. Control of monodisperse droplet size.
그림 Figure 4. Control of monodisperse PCL microparticle.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 미세유체장치 기반의 유동집적 액적 발생기를 제작하여 생분해성 고분자 입자를 매우 균일하게 형성하는 방법을 제안하였다. 고분자입자는 에멀젼을 템플레이트로하여 용매를 증발시키는 방법으로 제작을 하였다.
본 연구에서는 단분산성 생분해성 고분자 입자를 제조하기 위해 유동집적 발생기 미세유체장치를 제작하였다. PCL 생분해성 고분자는 유기용매인 DMC에 매우 잘 녹는 물질이며, 이를 기반으로 액적을 형성하기 위해 oil-in-water (O/W) 에멀젼 시스템이 필요하다.
본 연구에서는 유동집적 발생기(flow-focusing generator, FFG) 기반의 미세유체장치를 이용하여 고분자 용액의 매유균일한 액적을 생성할 수 있는 시스템을 개발하였다. 또한, 용매 증발을 통해 입자를 고형화하여 단분산성 고분자 입자를 제조하였다.

제안 방법

고분자입자는 에멀젼을 템플레이트로하여 용매를 증발시키는 방법으로 제작을 하였다. PDMS 기반의 미세유체장치를 이용하여 O/W 에멀젼을 형성하기 위해 표면개질을 하였다. 표면개질은 플라즈마처리를 통해 PVA를 PDMS 표면에 공유결합을 시켜 소수성 표면을 친수화하였다.
본 연구는 미세유체장치 기반의 유동집적 액적 발생기를 제작하여 생분해성 고분자 입자를 매우 균일하게 형성하는 방법을 제안하였다. 고분자입자는 에멀젼을 템플레이트로하여 용매를 증발시키는 방법으로 제작을 하였다. PDMS 기반의 미세유체장치를 이용하여 O/W 에멀젼을 형성하기 위해 표면개질을 하였다.
하지만 이는 지속적이지 못해 다시 PDMS의 고유 접촉각으로 되돌아가는 성질이 있다. 따라서 PDMA의 친수성을 지속적으로 유지해주기 위해 플라즈마 처리를 통해 라디칼을 형성한 후 PDMS와 PVA간의 공유결합을 유도하였다. 플라즈마 처리 후에는 silanol groups (Si-OH), alcoholic hydroxyls (C-OH), carboxylic acids (COOH) 가 형성되며 이러한 작용기들이 PVA 분자들과 공유결합을 하게 된다.
그 결과 액적이 매우 안정적으로 에멀젼형태를 유지하고 있었으며, 액적들이 마름모꼴 형태(hexagonal pattern)로 모여있는 것은 개별적인 액적의 크기가 매우 균일함을 의미한다. 또한, 연속상의 부피유속이 증가함에 따라 액적의 크기가 작아지고 있으며, 이를 정량적으로 분석하였다(Figure 3(B)). 그 결과 액적의 크기는 55.
본 연구에서는 유동집적 발생기(flow-focusing generator, FFG) 기반의 미세유체장치를 이용하여 고분자 용액의 매유균일한 액적을 생성할 수 있는 시스템을 개발하였다. 또한, 용매 증발을 통해 입자를 고형화하여 단분산성 고분자 입자를 제조하였다. 이는 미세유체장치를 제작함에 있어서 기존의 불균일한 입자의 크기를 균일하게 제작할 수 있다.
미세유체장치를 제작하기 위해 하드 마스터(hard master)인 SU-8 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼와 PDMS 고분자를 이용한 소프트리소그래피 방법을 이용하였다. 하드 마스터를 제작하기 위해 50 µm 두께의 SU-8을 먼저 실리콘 웨이퍼에 스핀 코팅(spin-coating) 한다.
본 실험에서는 PCL의 농도변화에 따른 마이크로 입자의 크기 변화를 확인하기 위해 액적의 크기는 평균 61.9µm로 형성하였으며, PCL 농도는 1, 3, 5 wt%로 변화를 주었다(Figure 4(A)).
본 연구에서는 부피유속에 따른 액적의 크기변화를 관찰하기 위해 오리피스의 크기는 60 µm로 고정을 하였다.
생분해성 고분자 마이크로입자를 제조하기 위해 상기의 액적 제어 시스템을 바탕으로 PCL 고분자가 녹아있는 용액을 이용하여 매우 균일한 액적을 형성 한 후 상온에서 DMC 용매를 증발시키는 방법을 적용하였다. 이때 PDMS 기반의 미세유체장치는 유기용매의 영향을 받아 채널이 좁아지기 때문에 적절한 용매의 선택이 필요하다[15].
액적 생성을 광학이미지로 촬영하기 위해 높은 분해능을 가지는 CCD (charge-coupled device) 카메라가 장착된 도립 광학 현미경 (Nikon Ti2-U inverted microscope)을 사용하였다. 생성된 액적은 ImageJ 프로그램으로 크기를 측정하였다.
0 ml hr^-1 변화를 주었다. 생성된 액적은 배출수에서 포집하여 현미경을 이용하여 관찰을 하였다(Figure 3(A)). 그 결과 액적이 매우 안정적으로 에멀젼형태를 유지하고 있었으며, 액적들이 마름모꼴 형태(hexagonal pattern)로 모여있는 것은 개별적인 액적의 크기가 매우 균일함을 의미한다.
이렇게 형성된 실리콘 웨이퍼는 하드 마스터로 사용한다. 제작된 실리콘 웨이퍼에 tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-trichlorosilane을 처리하여 PDMS가 SU-8패턴으로부터 쉽게 탈착이 되도록 한다. PDMS 소프트 마스터는 10:1 비율의 가교제와 혼합된 PDMS 를 SU-8 패턴에 붓고 12시간 동안 65 ℃에서 경화하여 몰드 제작한다.
PDMS 기반의 미세유체장치를 이용하여 O/W 에멀젼을 형성하기 위해 표면개질을 하였다. 표면개질은 플라즈마처리를 통해 PVA를 PDMS 표면에 공유결합을 시켜 소수성 표면을 친수화하였다. 친수화된 PDMS 미세유체채널을 이용하여 고분자 입자를 형성하기 위한 O/W 에멀젼을 안정적으로 형성하였다.
플라즈마 처리를 통한 PVA 코팅 방법을 미세유체장치에 적용하기 위해 플라즈마 처리시간을 최적화하였다. 채널이 기판과 본딩 후에 장치가 제작되기 때문에 PVA 코팅을 위한 플라즈마처리는 다른 공정조건이 필요하다.

대상 데이터

유체흐름 방식에서 2가지 유형의 제트가 관찰되었다. Type 1제트는 제트 직경이 팽창하는 반면 Type 2 제트는 하류측 수축이다. 노즐에서 분사되는 제트의 초기 직경은 분사 노즐의 크기에 의해 결정된다.
미세유체를 제작하기 위해 polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow corning, USA)를 이용하였으며, 액적 형성을 위해 연속상은 계명활성제 PVA (87-90% hydrolyzed polyvinyl alcohol, Sigma-Aldrich, USA)가 포함된 수용액과 분산상은 PCA (polycaprolactone, sigma-aldrich, USA)이 포함된 DMC (dimethyl carbonate, Sigma-Aldrich, USA)을 사용하였다.
각 유체는 시린지펌프를 사용하여 주입한다. 액적 생성을 광학이미지로 촬영하기 위해 높은 분해능을 가지는 CCD (charge-coupled device) 카메라가 장착된 도립 광학 현미경 (Nikon Ti2-U inverted microscope)을 사용하였다. 생성된 액적은 ImageJ 프로그램으로 크기를 측정하였다.

성능/효과

그 결과 PCL 액적의 농도에 따라 마이크로 입자의 크기는 14.2 ~ 26.7 µm 범위 내에서 제어가 가능하였으며 모든 농도 조건에서 마이크로입자 크기의 CV값은 0.68% 이하로 계산되어 매우 균일한 마이크로입자가 제조되었음을 확인하였다.
그 결과 액적의 크기는 55.2 ~ 80.1 µm 범위 내에서 제어가 가능하였으며 모든 유속 조건에서 액적의 크기 분포도를 나타내는 CV 값이 1.59% 이하로 계산되어 매우 균일한 액적이 형성되었음을 증명하였다.
생성된 액적은 배출수에서 포집하여 현미경을 이용하여 관찰을 하였다(Figure 3(A)). 그 결과 액적이 매우 안정적으로 에멀젼형태를 유지하고 있었으며, 액적들이 마름모꼴 형태(hexagonal pattern)로 모여있는 것은 개별적인 액적의 크기가 매우 균일함을 의미한다. 또한, 연속상의 부피유속이 증가함에 따라 액적의 크기가 작아지고 있으며, 이를 정량적으로 분석하였다(Figure 3(B)).
이는 플라즈마 상태에서 산소라디칼이 채널 내부의 깊숙한 부분까지 이동이 일어나지 못해 발생할 수 있다. 따라서 플라즈마 처리를 15 min동안 수행한 경우에는 액체의 젖음현상 없이 O/W액적이 안정적으로 생성되는 것을 확인하였다.
이는 미세유체장치를 제작함에 있어서 기존의 불균일한 입자의 크기를 균일하게 제작할 수 있다. 또한 고분자 미세유체장치 내에서 유체들의 부피유속을 조절함으로써, 고체입자의 크기를 제어할 수 있음을 확인하였다.
68% 이하로 계산되어 매우 균일한 마이크로입자가 제조되었음을 확인하였다. 이 결과에서 생성된 마이크로입자의 CV 값이 액적의 CV보다 더욱 작은 값을 보이고 있으며, 이는 각 입자의 크기가 더욱 균일하게 변화했음을 의미한다. 이는 액 적의 크기분포의 변화보다 액적에 녹아져 있는 PCL 고분자의 몰수의 변화가 더욱 작기 때문에 결과적으로 PCL 마이크로입자의 크기 분포가 더욱 낮아졌을 것으로 해석된다.
표면개질을 위해 플라즈마처리를 한 후 접촉각이 0°에 가깝게 낮아졌으며 PVA로 표면개질을 한 후에는 대략 62°의 비교적 친수성 표면으로 개질이 되었음을 확인하였다. 친수성 고분자인 PVA 로 표면개질된 PDMS는 1주일 이상 친수성을 유지하고 있었 으며 O/W 에멀젼을 형성하기에 적합한 표면을 제공할 수 있음을 확인하였다.
표면개질을 위해 플라즈마처리를 한 후 접촉각이 0°에 가깝게 낮아졌으며 PVA로 표면개질을 한 후에는 대략 62°의 비교적 친수성 표면으로 개질이 되었음을 확인하였다.

후속연구

미세유체장치의 장점을 이용하여 매우 균일한 생분해성 PCL 고분자입자를 형성할 수 있었다. 본 연구를 통해 제조된 단분산성 고분자입자는 생체물질의 저장 및 전달, 초소형 운반체로 활용가능하며, 이는 제약, 화장품, 식품 등 다양한 분야에서 고기능성을 갖는 물질로 활용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세유체장치가 생산 한 액적은 어떠한 역할을 하는가?	단분산성 마이크로입자는 약물캡슐화 및 전달을 위한 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 미세유체장치는 매우 균일한 액적을 생산할 수 있는 중요한 장치이며 이 액적은 단분산성 마이크로입자를 생성할 수 있는 중요한 템플레이트(template)로의 역할을 한다. 미세유체장치는 마이크론 크기의 채널로 구성되어 표면장력과 점성력 간의 균형을 정교하게 조절할 수 있으며, 이는 단분산성 액적을 형성하는 필수적인 기술 중의 하나이다.
	기능성 단분산성 미세입자의 장점은 무엇인가?	생분해성 소재는 화석에너 지를 대체할 뿐만 아니라 온실가스, 지구온난화로 인한 환경 관련 규제가 강화됨에 따라 난분해성 소재의 대체재료로서 관심을 받고 있다. 특히 기능성이 부여된 단분산성 미세입자 는 기존의 불균일한 크기분포를 갖는 입자보다 우수한 성능 을 제공하여 의학, 약학, 생물, 화학, 반도체 등 다양한 분야에 응용이 가능하다[1-3]. 이러한 입자의 제조를 위한 일반적인 방법은 화학적 또는 물리적 방법에 의해 생성될 수 있는 단분 산 액체-액체 분산액을 주형으로 사용하여 용매 증발 또는 추출을 통해 분산된 액적을 고체로 전환 시킬 수 있다[4-5].
	기능성이 부여된 단분산성 미세입자의 제조를 위한 방법은 어떠한 기능이 있는가?	특히 기능성이 부여된 단분산성 미세입자 는 기존의 불균일한 크기분포를 갖는 입자보다 우수한 성능 을 제공하여 의학, 약학, 생물, 화학, 반도체 등 다양한 분야에 응용이 가능하다[1-3]. 이러한 입자의 제조를 위한 일반적인 방법은 화학적 또는 물리적 방법에 의해 생성될 수 있는 단분 산 액체-액체 분산액을 주형으로 사용하여 용매 증발 또는 추출을 통해 분산된 액적을 고체로 전환 시킬 수 있다[4-5]. 현재 마이크로에멀젼 중합반응 같은 화학적 방법은 매우 낮 은 계면장력의 화학적 성질의 한계로 인해 일반적으로 800 nm 보다 작은 나노미터 범위의 균일한 크기의 입자를 생산하 기 위해 두개의 비혼합 액체의 계면 특성을 이용한다.

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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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