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핵심내용

 -원하는 크기와 형상의 물방울을 만들 수 있는 미세유체기술 개발 -

 □ 항암치료에 사용되는 다양한 약물을 복용함으로 인해 발생하는 부작용을 해결할 수 있는 원천기술이 개발된다.

□ 일반적인 중증 암환자의 경우 항암치료에 사용되는 다양한 약물들을 주기적으로 자주 복용하게 된다. 이는 환자의 삶의 질을 현격하게 떨어뜨리며 더 나아가 다양한 약물을 복용함으로 인해 심각한 문제가 발생되고 있다. 

□ 상기 문제를 해결할 수 있는 원천기술을 국내 연구자가 개발을 하여 세계적으로 주목을 받고 있다. 충남대학교 이창수 교수 연구 그룹은 새로운 형태의 물방울*을 아주 손쉽게 제조할 수 있는 마이크로 기술을 개발하였다.

    * 물방울(emulsion) : 계면활성제로 인해 물과 기름같이 섞이지 않는 액체가 서로 평형을 이루며 분산된 상태. 분산된 물방울 내부에 이보다 작은 물방울을 포함할 경우 다양한 물질을 내부에 담을 수 있어 의약산업이나 향장산업, 디스플레이 산업 등에 이용됨

o 충남대학교 화학공학과 이창수 교수와 최창형 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 재료분야 권위지 Advanced Materials지 3월 22일자 온라인판에 발표되었다. 또한 이 저널의 표지(frontispiece)로도 선정되어 5월 14일자에 게재될 예정이다. 

   - 이번 연구결과는 그 중요성을 인정받아 Nature지 4월호에 연구 하이라이트(Research Highlight)로도 소개되었다.

□ 복잡한 형태의 물방울은 내부에 다양한 물질을 담을 수 있어 약물전달, 화장품이나 도료 제조 등에 다양하게 활용될 수 있는데 이 때 내부에 물질을 담는 능력과 균일한 크기로 제조하는 공정이 관건이다. 하지만 커다란 용기 내에 섞이지 않는 두 용액을 휘저어 만드는 기존방법은 크기조절이 어려워 만들어지는 물방울이 일정한 크기를 형성하지 않다는 단점이 있었다. 

 o 이를 극복하기 위해 개발된 미세유체 기술의 경우 장치 제작에 큰 어려움이 있고, 복잡한 형태의 물방울 형성을 위해 다양한 종류의 유체들을 개별적으로 정교하게 제어해야 한다는 한계가 있었다.

□ 연구팀은 물방울의 형상을 바꾸어서 손쉽게 복잡하고 다양한 형태의 물방울을 형성함으로써, 한 번에 손쉽게 다용도로 사용할 수 있는 물방울을 제조하는데 성공했다.

 o 물방울의 형상을 제어함과 동시에 한 번의 공정으로 친수성과 소수성 물질을 하나의 물방울 안에 담을 수 있다는 설명이다. 

 o 나아가 연구팀은 이렇게 만들어진 물방울을 고체화하여 마이크로캡슐을 제작하고 온도변화에 따라 내부에 담겨져 있는 약물방출이 가능함을 확인했다. 이는 복잡한 공정 없이도 원하는 형상과 크기로 제조할 수 있게 된다.

 o 이 교수는 “아주 간단한 공정을 통해 다양한 형상의 물방울를 이용한 고분자 마이크로캡슐 등을 만들 수 있게 되어, 향후 다양한 방출패턴을 보유한 약물전달 시스템 구축에 활용될 수 있고, 무엇보다도 기존의 암환자가 항암치료를 위해 여러 번의 약물을 투여해야하는 고통을 겪어야 하는 문제점을, 본 연구팀에서 개발한 물방울을 이용하여 한 번의 복용으로 다수의 약물을 투여한 효과를 얻음으로써 환자의 고통을 덜어 줄 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
   에멀젼은 계면활성제로 인해 안정된 섞이지 않는 두 유체 간 형성되는 물방울 형태를 말하며, 보다 복잡한 계층 및 형태를 가지는 에멀젼는 최근 약물전달, 향장산업, 재료분야 등에 널리 이용되고 있다. 현재 에멀젼 제조를 위해서는 벌크방법이 사용되고 있다. 단일 에멀젼을 형성한 후 이 과정을 반복하여 보다 복잡한 형태의 에멀젼을 제조하는 방식이다. 하지만 벌크방법은 불균일한 전단력으로 인해 다분산성 에멀젼이 형성되고, 결국 형성 되는 에멀젼의 불균일성을 야기할 수 있다. 이러한 크기제어 능

력 및 공정의 한계로 인해 에멀젼의 적용이 매우 제한되어 있었다.

   최근에, 유리 모세관 기반(glass capillary)의 미세유체 기술이 균일한 에멀젼 형성을 위해 사용되고 있다. 가공된 유리모세관을 각 해당 유체가 주입되는 유로로 사용하고, 이를 조합함으로써 원하는 방향으로 다양한 유동을 구현할 수 있다. 다양한 장점에도 불구하고, 해당기술은 복잡한 에멀젼 제조장치 제작 및 사용되는 각 유체의 정교한 유속제어가 필요한 한계점을 가지고 있다.

   이를 극복하기 위해 하버드 대학의 David Weitz 그룹은 보다 제작이 쉬운 고분자 기반(PDMS기반)의 미세유체 장치를 통해 복잡한 형태의 에멀젼 제조가 가능함을 보여주었다. 해당 기술은 반도체 공정을 통해 미세유로의 폭넓은 설계가 가능하고, 주입 가능한 유체의 개수에 이론적으로 제한이 없는 장점을 가지고 있다. 또한, 상대적으로 공정비용이 저렴하고, 매우 간단하게 제작 가능한 장점을 가지고 있다. 하지만, 미세유체 장치 내 소수성/ 친수성유체 주입 및 제어를 위해 별도의 화학적 표면처리가 반드시 필요하며, 여전히 복잡한 형태의 에멀젼 제조를 위한 정교한 유체의 제어가 요구된다. 이에 보다 간편하고 복잡한 형태의 에멀젼 제조가 가능한 기술이 필요하였다.

2. 연구결과
   본 연구에서는 종래 미세유체 기술과 달리, 2개의 혼합물로 구성된 물방울(droplet)을 형성하고 연속상에 용해되어 있는 상분리 유도물질 (phase separation agent)의 물방울내부로의 확산을 통해 상분리를 유도하여 복잡한 형태의 에멀젼을 제조하였다. 이때, 형성된 물방울의 점도는 상분리 유도물질의 확산속도를 결정하며, 이로 인해 상분리 속도제어가 제어됨으로써 다양한 형태의 에멀젼를 제조할 수 있었다. 또한, 연속상 내부에 계면활성제를 사용하여 계면장력을 제어함으로써 손쉽게 물방울의 형태제어가 가능함을 보여주었다.

   중요하게는, 상분리가 단순히 계면에 의해 가시적으로 나누어진 것이 아닌 섞이지 않는 두 개의 상, 즉 친수성과 소수성 영역으로 분리된다는 점이다. 이러한 사실을 통해, 두 개의 친수성/ 소수성 약물을 미리 하나의 분산상(물방울)에 주입 후 이를 상분리를 유도함으로써 분리된 영역에 각각 두 개의 구별되는 약물을 동시에 선택적 영역에 캡슐화 가능한 시스템을 구축할 수 있었다. 또한, 이와 같은 단량체로 구성된 물방울은 광중합을 통해 고형화될 수 있어, 이와 같은 방법으로 마이크로 캡슐 혹은 이방성 입자제조 가능성을 보여주었다.

3. 연구결론
   본 연구실은 상분리 기반 신개념 미세유체 공정을 개발하고, 이를 통해 다양하고 형상제어 가능한 에멀젼을 제조하였다. 복잡한 유체의 제어 없이 다양한 크기 및 형상제어가 가능하도록 하였으며, 한 번의 공정을 통해 소수성/친수성 물질을 고효율성 캡슐화 시스템을 구축할 수 있었다. 또한, 에멀젼의 고분자화를 통해 마이크로 캡슐과 같은 고기능성 입자 제조를 통해 약물전달, 향장산업, 정밀화학제품 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

용  어  설  명

1. Advanced Materials지
 ○ 20여년간 재료소재 분야 논문을 발표하고 있는 저명한 국제학술지(출판사 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.)로 Impact factor는 13.877(2011년 기준)

2. 에멀젼(emulsion)
○ 계면활성제를 통해 안정된 형태의 구형으로 존재하는 물방울 형태이며,분산된 물방울 내부에 이보다 작은 물방울을 포함할 수 있어 다양한 물질을 함입시킬 수 있는 특징 때문에 약물전달, 화장품산업, 식품, 디스플레이 등 여러 산업분야에서 폭넓게 이용되고 있는 재료

3. 상분리(phase separation)
 ○ 하나의 액체상이 외부영향에 의해 계면을 갖는 두 개의 상으로 분리되는 현상

4. 미세유체 기술(microfluidics)
 ○ 펌프같은 외부 힘에 의해 소량의 유체를 정교하게 제어하여 다양한 기능을 갖도록 만드는 기술. 마이크로 시스템 내에서의 유체흐름은 대부분 층류(Laminar)이며, 체적에 대한 표면적이 넓고 관성보다는 표면장력의 영향력이 훨씬 크다. 이러한 특성을 이용하여 다양한 기능을 갖도록 마이크로 시스템들이 개발되었다.

5. 단량체(monomer)
 ○ 고분자를 형성하는 단위분자로, 내부에 용해되어 있는 개시제가 자외선 등 외부자극을 통해 활성

화되고 사슬성장으로 인해 고분자화 될 수 있다.

6. 이방성 입자(anisotropic particles)
 ○ 구형과 같이 대칭성이 아닌 비대칭성 형태의 입자

7. 단분산성(monodisperse)
 ○ 입자크기의 분산도를 나타내는 용어로 매우 균일한 크기를 말하며, 일반적으로는 CV(coefficient of variance, 크기의 표준편차를 평균으로 나눈 값)이 5% 이하일 때를 말함

8. 케필러리관을 이용한 미세유체 장치(capillary device)
 ○ 유리재질의 모세관(capillary)을 연결하여 원하는 유체의 주입 패턴을 형성하고, 펌프를 통해 유체의 정교한 제어가 가능한 미세유체장치의 대표 형태이다. 2005년에 David A. Weitz 그룹으로부터 사이언스지에 처음 보고된 기술로 균일한 복잡한 형태의 에멀젼 제조가 가능하다.

그  림  설  명

그림 1. 신개념 상분리 기반 미세유체기술을 이용한 복잡한 에멀젼 제조 기술 모식도
상분리를 통해 복잡하고 다양한 형태의 에멀젼을 제조하고, 이를 이용하여 기능성 고분자 입자 제조 혹은 약물을 동시에 선택적 영역에 캡슐화 가능한 시스템

그림 2. Advanced Materials에 제출한 표지이미지

그림 3. 네이처지 최신호 리서치 하이라이트에 선정

그림 4. 연구진 (좌측부터 충남대학교 이창수 교수, 박사과정 최창형 학생)