바이오인

핵심내용

정상체온에 맞춰 모양이 변하는 스마트 입자 개발

- 암세포 감지, 약물 전달 등 적용 기대 -

□ 김범준 교수(한국과학기술원) 연구팀이 온도 변화에 따라 성질이 바뀌는 고분자를 이용하여 인체의 정상체온 등 외부 온도에 따라 입자의 모양이 자유자재로 변하는 스마트 마이크로입자* 제작 기술을 개발했다고 미래창조과학부(장관 최양희)·한국연구재단(이사장 조무제)은 밝혔다.
    * 마이크로입자 : 마이크로미터의 크기를 가진 입자
 o 연구팀은 외부의 온도 변화에 따라 입자의 계면* 특성을 선택적으로 조절하여 내부 고분자 배열을 바꿀 수 있는 계면활성제*를 개발하였고, 이를 활용하여 온도 감응 범위가 손쉽게 조절되며 외부온도에 반응하여 가역적*으로 입자모양을 변화하는 스마트입자를 제작하였다.
    * 계면 : 기체상, 액체상, 고체상 등의 3상 중 인접한 2개의 상 사이의 경계면
    * 계면활성제 : 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 소수성 부분을 동시에 가지고 있는 화합물
    * 가역적 : 반응을 하는 데에 있어서 정반응과 역반응이 모두 가능한 것을 의미

□ 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행한 김범준 교수 연구팀(한국과학기술원)의 연구 내용은 국제적인 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 6월 8일자에 게재되었다.
 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Stimuli-Responsive, Shape-Transforming Nanostructured Particles
   - 저자 정보 : 김범준 교수(교신저자, 한국과학기술원), 이준혁(제1저자, 한국과학기술원), 이기라 교수(공동저자, 성균관대), 장세규 박사(공동저자, 한국과학기술연구원)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성

  ○ 입자의 모양은 그 입자의 특성(광학적 특성 및 세포와의 상호작용 등)을 결정하는 중요한 인자이다. 따라서 다양한 모양을 가지는 비구형입자*는 구형과는 달리 모양에서 비롯된 특성 때문에 디스플레이용 광결정 물질*, 광화학 센서, 코팅필름, 화장품 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
     * 비구형입자 : 지름이 일정한 구 모양이 아닌 형태의 입자를 일컫는 말로 예를 들면 바둑알, 럭비공, 아령, 도넛 형태 등이 있음
     * 광결정물질 : 특정 색이 물질 내부에 존재하지 못하고 밖으로 반사되는 소재를 말하며, 이를 반도체 발광소자(LED) 등에 사용하면 훨씬 밝은 빛을 낼 수 있음

  ○ 더 나아가 외부 자극에 반응하여 스스로 모양이 변하는 스마트 입자는 자극 조건에 따른 선택적인 약물전달, 색변화가 가능한 코팅 재료 등 보다 다양한 분야로 응용 가능하다. 하지만 현재 개발된 스마트 입자는 제작과정이 복잡하며 모양 변화가 비가역적이기 때문에 사용이 제한적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 간단한 공정을 통해 제작할 수 있으면서 가역적으로 모양이 조절되는 스마트 입자 개발의 필요성이 커지고 있다.

 2. 연구 내용

  ○ 연구팀은 외부 온도 자극에 감응하여 계면의 특성을 선택적으로 변화시킬 수 있는 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM)* 기반의 온도감응성 계면활성제를 개발하였다. 블록공중합체*가 녹아있는 유기용매*를 PNIPAM 계면활성제와 함께 물 속에 분산시켜 수중유(oil-in-water) 에멀전*을 만든 후, 내부의 유기용매를 증발시키는 간단한 제조과정을 통해 비구형의 고분자 입자를 제조하였다.
     * 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) : 대표적인 온도 감응성 고분자의 한 종류
     * 블록공중합체 : 두 종류 이상의 서로 다른 고분자가 블록 형태로 공유 결합한 고분자
     * 유기용매 : 탄소로 이루어진 유기물질을 녹이는 액체로서 물에 잘 녹지 않고 휘발성이 높음
     * 수중유에멀전 : 물 상에 분산되어 있는 기름방울

  ○ 온도감응성 계면활성제를 사용하였을 때에는 고분자 배열이 조절되어 볼록렌즈 형태 혹은 타원체 형태의 비구형 입자가 형성되었다. 이러한 입자의 모양은 온도 조건에 따라 결정되었는데, 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM)의 구조변화가 일어나게 되는 하한 임계 용액 온도(LCST)* 이하에서는 볼록렌즈 형태의 입자를 얻은 반면 하한 임계 용액 온도(LCST) 이상에서는 타원체 형태의 입자가 제조되었다.
     * 하한 임계 용액 온도(lower critical solution temperature) : 온도 감응성 고분자의 구조변화가 나타나는 온도로서, PNIPAM의 경우 LCST 이하에서는 극성을 띄어 물에 잘 분산되어 있으며, LCST 이상에서는 응축이 일어남

  ○ 나아가 전이온도 변화가 다른 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) 유도체를 계면활성제로 사용해서 입자의 모양 변형이 일어나는 전이온도를 3°C에서 50°C까지 손쉽게 조절할 수 있었다.

 3. 연구 성과

  ○ 이 연구에서는 외부 온도 자극을 감지하고, 이에 따라 스스로 입자의 모양을 바꾸는 스마트입자 제작 기술을 개발했다. 개발한 스마트 입자는 스스로 자가 조립이 일어나는 블록공중합체를 이용한 입자이므로 복잡한 공정과정 없이 매우 간단하게 제작이 가능하다.

  ○ 개발된 스마트 입자의 온도 감응 범위는 손쉽게 조절할 수 있기 때문에 생물학 및 의료 부분에 활용될 수 있다. 또한 가역적 입자 모양 조절이 가능한 이 기술은 향후 외부 온도나 자극에 따른 선택적인 약물전달, 특이성을 보이는 세포 감지 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 김범준 교수는 “이 연구는 온도에 따라 스스로 입자의 모양이 변하는 차세대 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발한 것이다. 온도, 빛, 압력, 수소이온농도(pH) 등 다양한 외부자극에도 입자의 모양은 변화할 수 있다. 이는 특이성을 보이는 암 세포를 감지하거나 온도의 변화에 따른 선택적인 약물 전달 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

상세내용

연구개요

1. 연구배경

  ㅇ 비구형 모양의 입자는 방향에 따라서 다른 색의 빛을 낸다거나 코팅 성질이 조절되기 때문에 디스플레이용 광결정 물질이나 광화학 센서, 코팅필름 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 더 나아가 외부 자극에 감응하여 모양이 변하는 스마트 입자는 자극 조건에 따른 원하는 물질의 선택적 전달 등이 가능해서 큰 주목을 받고 있지만, 현재 제작이 어렵고 모양 변화가 비가역적이기 때문에 사용할 수 있는 곳이 한정적이다.

2. 연구내용

  ㅇ 이 연구에서는 온도에 감응할 수 있는 고분자(PNIPAM)를 사용하여 특수한 성질을 가진 계면활성제를 만들고, 이를 폴리(스타이렌-블록-4-바이닐피리딘) (PS-b-P4VP) 블록공중합체*를 포함하는 유기용액에 첨가하여 에멀전을 만들었다. 이후 내부의 유기용매를 증발시켜 블록공중합체 입자를 제조하였으며 온도 조건에 따른 블록공중합체 입자의 모양 변화를 관찰하였다(그림 1 참조).
        * 블록공중합체 : 한두 종류 이상의 서로 다른 고분자가 블록 형태로 공유 결합한 고분자

  ㅇ PNIPAM 계면활성제를 사용하지 않은 경우 구형의 입자가 만들어지는 반면, PNIPAM 계면활성제를 사용하여 만든 입자는 렌즈형태 또는 타원체 형태의 비구형 모양을 나타냈다. PNIPAM은 블록공중합체 입자의 외부 표면에 선택적으로 위치하여 계면의 특성을 조절시켰으며, 특히 PNIPAM의 LCST를 기준으로 낮은 온도에서는 볼록렌즈 형태의 입자가 형성되는 반면, 높은 온도에서는 타원체 형태의 입자가 만들어졌다(그림 2 참조).

  ㅇ PNIPAM과 물 용액은 LCST 이하의 온도에서 하나의 상을 이루며 높은 용해도를 갖으며, LCST 이상의 온도에서는 낮은 용해도를 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 즉, PNIPAM과 물의 용해도는 외부 온도 자극에 감응하여 변하게 되는데, 유기용매와 물의 에멀전 시스템에서 PNIPAM은 온도에 따라 물과 유기용매 층에 선택적으로 존재하게 되어 입자의 모양을 결정하는 역할을 한다. 

  ㅇ 입자의 모양 변화가 일어나는 전이온도를 넓은 범위에서 조절하기 위하여 PNIPAM과 구조가 유사한 유도체를 합성함으로써 LCST가 변화된 계면활성제를 제조하였다. 이를 통해 입자모양이 변하는 온도 구간을 3 ℃에서 50 ℃까지 손쉽게 조절할 수 있었다

3. 기대효과

  ㅇ 이 연구에서는 온도 감응성 고분자를 계면활성제로 도입시키는 접근방법을 통해 외부 온도 자극을 감지하고, 이에 따라 스스로 입자의 모양을 바꾸는 기술을 개발했다. 특히 개발된 스마트 입자의 온도 감응 범위는 손쉽게 조절할 수 있을 뿐 아니라 온도의 변화에 따라 가역적으로 입자 모양을 변화시킬 수 있음을 보였다. 이 기술은 향후 스마트 코팅, 바이오 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

  ㅇ 따라서 이 연구 결과는 온도 감응성 고분자 계면활성제를 이용하여 스마트 블록공중합체 입자를 개발하는 플랫폼을 제시하고, 나아가 다양한 자극 감응성 고분자를 도입시켜 광학적, 전기적, 화학적 반응성을 가지는 마이크로입자를 개발하기 위한 토대를 마련할 것이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

수 십 나노에서 수 마이크로미터까지의 크기를 가지는 입자의 모양, 크기 균일도는 기존의 합성방법 (마이크로 플루이딕, 에멀전 중합, 리토그래피)을 통해서 해결하지 못한 문제지만 광학적 성질을 조절하는 필름 코팅, 물질, 약물전달, 화장품에 꼭 필요하여 오랫동안 해결해야 할 문제였다. 우리 연구그룹은 블록공중합체 및 계면활성제의 설계를 통해서 이러한 부분을 해결해왔다. 특히 이 연구에서는 온도 자극 반응성 고분자를 처음으로 도입하여 입자의 형태를 외부 자극에 따라 조절하고자 연구를 시작했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

기존의 계면활성제와는 다르게 온도에 감응할 수 있는 특성을 가지는 계면활성제를 이용하여 스마트 입자를 제작하였다. 입자를 제조하는 온도 조건에 따라 전혀 다른 모양의 입자가 형성되는 것을 확인하였고, 이러한 모양변화를 가역적으로 조절할 수 있었다. 또한 체내에서 가장 중요한 36.5도 부근에서 매우 정확한 온도변화를 얻을 수 있어 약물 전달 및 치료 등에 크게 활용될 수 있다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

입자 모양 사이의 전이 온도와 고분자의 LCST의 차이를 이해하지 못해 어려움을 겪었다. 실험에서 사용되는 아주 소량의 클로로포름이 물에 용해되어 고분자의 LCST에 큰 영향을 주었다. 이를 통해 새롭게 측정 조건을 설계하였고, 입자 모양의 전이 온도와 LCST 사이의 관계를 증명하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이 연구는 온도와 같은 간단한 외부 자극을 통해 스스로 입자의 모양을 변화시키는 새로운 개념의 차세대 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발한 것이다. 이러한 플랫폼은 온도뿐만 아니라 빛, 압력, pH 등 다양한 외부자극에 변화하는 입자제작에 응용 가능하다. 향후 스마트 코팅, 바이오 센서, 약물 전달 등에 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

 
더 다양한 자극에 반응할 수 있는 스마트 입자 플랫폼을 제시하는 것이 최종 목표이며, 이를 위해 다양한 자극 반응성 고분자를 기반으로 한 새로운 입자를 개발하고, 개발된 입자가 향후 스마트 코팅과 바이오센서 산업의 핵심 기술로 응용될 수 있기를 기대한다. 

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