바이오인

핵심내용

있는 가능성 열어”-

 □ 신기술(마이크로몰딩 기술)로 매우 균일한 마이크로크기(백만분의 1미터)의 구형입자를 만드는 기술이 국내연구진에 의해 개발됨에 따라, 다양한 기능성 마이크로입자를 자유자재로 제조할 수 있는 길이 열렸다. 

 ○ 충남대 이창수 교수(42세), 최창형 박사생 및 성균관대 이진기 교수(37세)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 우주기초핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Materials’지에 온라인(9월 19일자)으로 발표되었으며, 연구의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정되었다.

(논문명: Synthesis of Monodispersed Microspheres from Laplace Pressure Induced Droplets in Micromolds)

□ 구형의 마이크로입자는 △약물전달시스템 △소형 전자회로 △광학물질 등 다양한 분야에 활용된다.

 ○ 마이크로입자를 약물전달시스템 등에 효율적으로 활용하기 위해서는 크기가 매우 작으면서도 균일한 입자를 만드는 것이 중요한데, 기존의 방법으로는 크기를 줄이는데 한계가 있고 균일하지 못하며 펌프와 같은 별도의 장비가 필요했다.

 ○ 최근 미국의 연구팀이 기존의 문제점을 해결한 새로운 기술(임프린팅 몰딩 기술)을 개발하였지만, 몰드(거푸집)의 형태에만 의존하여 구형이 아닌 입자만을 만들 수 있었고, 구형의 입자를 제조하는 데는 한계를 드러냈다.

 ○ 따라서 마이크로크기의 균일한 구형의 입자를 손쉽게 만들 수 있는 기술 개발의 필요성이 제기되었다.

□ 이창수 교수 연구팀은 마이크로몰딩 기술*로, 유체의 표면장력**과 마이크로크기 몰드(거푸집) 속의 압력을 제어함으로써 균일한 구형마이크로 입자를 제조하는데 성공하여, 기존의 몰드 형상에 의존한 마이크로 입자제조 기술(임프린팅 몰딩 기술)의 한계를 극복하였다.

    * 마이크로몰딩(Micromolding) 기술 : 고분자 몰드에 다양한 음각 패턴을 새긴 후 유체를 넣어 패턴과 같은 입자를 성형하는 기술로, 일반적으로 구형이 아닌 입자에 적합함

   ** 표면장력(surface tension) : 액체의 자유표면에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력(계면장력)

 ○ 이 교수팀은 먼저 소프트리소그래피* 공정으로 만든 고분자 마이크로몰드 속 음각형태의 마이크로크기 도랑(micro-wells)에 딱딱하게 만들 수 있는 액체 상태의 단량체**를 채웠다. 그 위에 이것과 혼합되지 않은 기름을 덮어 단량체-오일 계면을 만들었다. 이 때, 마이크로웰의 구조의 설계를 통해 내부의 중심부와 외곽부분 간의 압력 차를 유도하여 액체상태의 단량체가 마이크로웰의 중심부로 이동하도록 하여 표면장력으로 동그란 마이크로 입자를 만들 수 있었다.

    * 소프트리소그래피(soft-lithography) : 간단하면서 고전적 개념으로, 스탬프를 사용해 반복적으로 패턴을 만들어내는 것. 평면, 곡면, 유연재료 등 다양한 기판에 패턴을 만들 수 있음

   ** 단량체(monomer) : 고분자화합물(또는 會合體)를 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질

 ○ 이 기술은 다양한 물리적‧화학적 방법으로 각종 기능성 마이크로입자를 자유자재로 제조할 수 있는 것이 특징이다. 또한 이 기술은 기존의 기술과는 달리 별도의 장비가 필요하지 않아, 시스템 자동화를 통한 고속 대량생산이 가능하다.  

□ 이창수 교수는 “이 기술은 우리 연구팀이 2010년에 개발한 기술(이방성 마이크로입자 제조기술)과 함께 다양한 형상의 비구형입자와 구형입자를 모두 만들 수 있게 되어, 향후 다양한 패턴을 갖는 약물전달 시스템 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

상세내용

Synthesis of monodispersed microspheres from the Laplace pressure induced droplets in micromolds

By Chang-Hyung Choi, Jae-Min Jeong, Sung-Min Kang and Jinkee Lee,* and Chang-Soo Lee*

*Corresponding author

1. 연구 배경

구형 마이크로 입자는 MEMS, 약물전달 시스템, 광학물질, 다양한 생물학적 응용분야에 널리 사용되고 있다. 이와 같은 구형입자제조를 위해 종래의 널리 사용되고 있는 기술은 이멀젼 중합법이다 (Emulsion polymerization). 해당 기술이 대량생산에 용이하지만 입자의 최대 크기 제어에 한계점을 가지고 있다. 또한, 잘 알려진 기술로는 현탁중합법 (suspension polymerization)이 있다. 이는 섞이지 않은 두상인 단량체와 물을 혼합하여 이멀젼을 형성하고 이를 계면활성제를 통해 안정화 한 후에 이를 고형화 함으로써 입자를 제조할 수 있다. 하지만, 균일하지 않은 전단력에 의해 형성된 이멀젼은 매우 넓은 크기 분포를 가지며 결과적으로 불균일한 마이크로 입자가 형성되는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 기술은 약물전달과 같이 입자의 균일도가 중요하게 고려되는 특정 적용분야에는 사용될 수 없다. 이에 균일한 입자를 매우 손쉽게 제조할 수 있는 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.

최근에, 마이크로플루이딕 기술은 균일한 구형입자를 형성을 위해 사용되고 있다. 비록 해당 기술을 통해 매우 균일한 입자제조가 가능하지만, 매우 복잡한 유체의 제어 및 별도의 펌프가 필요한 한계점을 가지고 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해 노스캐롤라이나 대학의 Desimone 그룹은 a particle replication in nonwetting templates (PRINT) 라고 지칭되는 임프린팅 몰딩 기술을 개발하였다. 해당 기술은 마이크로플루이딕 기술과 달리 별도의 펌프의 사용 없이도 매우 균일한 입자를 제조할 수 있었다. 하지만, 해당 입자 제조기술은 몰드의 형태에 의존하여 비구형 입자에는 적합하나, 구형입자제조에는 한계점을 가지고 있다.

2. 연구 결과

 본 연구에서는 종래의 마이크로 몰딩 기술과 달리, 두 개의 섞이지 않는 유체, 다시 말해 고형화를 위한 단량체와 이와 섞이지 않는 몰드와 젖음성이 우수한 오일을 사용하였다. 또한, 몰드 내 압력차를 유도하기 위해 마이크로 웰을 설계하였으며, 본 연구에서는 십자가 형태의 마이크로 웰이 사용되었다. 우선 몰드 내 음각형태의 마이크로 웰에 단량체를 선택적으로 주입하고, 그 위에 젖음성이 우수한 오일을 몰드 위에 뿌렸다. 이때 젖음성 유체는 몰드의 주변부로 케필러리 현상 (capillary rise)에 의해 유입되며, 이 때 계면간의 메니스커스 (meniscus)변화로 인해 마이크로 웰의 중심부와 외곽 사이에 라플라스 압력 차가 유도되어 단량체 유체는 중심부로 이동하게 된다. 결국, 단량체 유체는 중심부에서 표면장력에 의해 구형입자를 형성할 수 있게 된다. 해당 원리는 광중합, 솔-젤 반응 및 콜로이드 자기조립에 동일하게 적용되며, 이를 통해 다양한 기능성 구형 마이크로 입자제조가 가능하였다.

3. 연구 결론

본 연구실은 젖음성과 마이크로웰 내부의 압력 차이를 이용하는 신개념 마이크로 몰딩을 개발하고, 이를 이용하여 단분산성 구형 마이크로 입자를 제조하였다. 해당 기술은 복잡한 유체의 제어 및 별도의 계면활성제 사용 없이 다양한 크기의 구형 마이크로 입자를 제조할 수 있었다. 또한, 다양한 물리/화학적 고형화 방법을 통해 기능성 구형 마이크로 입자가 제조 가능함을 증명하였다. 해당 기술은 배치 (batch) 기술로서, 사용되는 재료의 선택에 매우 유연하며, 추후 공정자동화를 통해 대량생산이 가능한 시스템을 구축할 수 있다.

4. 기타사항

□ 연구팀 홈페이지
 ○ 충남대학교 나노바이오 실험실: http://nanobio.cnu.ac.kr/

용   어   설   명

1. Advanced Materials지
 ○ 지난 20여 년 동안 다양한 재료/소재 연구 분야의 최우수 논문 발표를 선도하고 있는 세계적 학술지로서(출판사: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.), 논문 심사가 까다롭고 게재승인 받기 매우 어려운 것으로 알려져 있다. (Impact factor : 13.877)

2. 마이크로 몰딩 (Micromolding)
 ○ 포토리소그래피로부터 제작된 실리콘기반 몰드(거푸집)를 이용하여 고분자 몰드(거푸집)를 만들고, 형성된 다양한 형태의 음각 패턴에 가교 가능한 유체를 주입하여, 패턴에 의존한 입자를 성형하는 기술이며 일반적으로 비구형 입자에 적합하다.

3. 임프린팅 몰딩 기술
 ○ 포토리소그래피로부터 제작된 실리콘기반 몰드(거푸집)를 이용하여 고분자 몰드(거푸집)를 만들고, 형성된 다양한 형태의 음각 패턴에 가교 가능한 유체를 주입하여, 패턴에 의존한 입자를 성형하는 기술이며 일반적으로 비구형 입자에 적합하다.

4. 소프트리소그래피 (soft-lithography)
 ○ 반도체 공정 (photo-lithography)을 통해 제작한 양각 패턴이 새겨진 실리콘 기반의 몰드 (거푸집) 위에 고분자용액을 기판 위에 부어 가교시킴으로써 반대 형태로 음각형태의 고분자 몰드를 제작하는 기술을 말한다.

5. 마이크로 웰 (micro-wells)
 ○ 소프트리소그래피를 통해 제작한 마이크로 몰드 내에 음각으로 새겨진 개별 단위를 마이크로 웰이라고 지칭한다.

6. 단량체 (monomer)
 ○ 고분자화합물 또는 화합체를 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질. 단위체 또는 모노머라고도 한다.

7. 이방성 마이크로입자 제조기술
 ○ 원형 마이크로 웰을 포함한 고분자 몰드 (거푸집)에 단량체를 주입하고, 그 위에 젖음성 유체를 도입하여 단량체/젖음성 유체 계면의 형태를 제어함으로써 다양한 형태의 이방성(비대칭성) 마이크로 입자를 제조할 수 있는 기술을 말한다.

8. 단분산성 (Monodisperse)
 ○ 입자의 크기의 분산도를 나타내는 용어로 매우 균일한 크기를 말하며, 일반적으로는 CV(coefficient of variance, 크기의 표준편차를 평균으로 나눈 값) 이 5% 이하 일 때 단분산성 이라 한다.

9. 젖음성 (Wetting)
 ○ 일종의 액체의 고체 표면 내에서 접촉을 유지하는 능력을 말하며, 이는 표면을 경계로 분자상호간 인력으로 발생 된다.

10. 라플라스 압력 (Laplace pressure)
 ○ 일반적으로 버블 혹은 물방울의 내부와 외부 사이의 압력 차이를 나타낸다. 해당 효과는 버블 혹은 물방울의 크기 혹은 액체와 기체 사이의 계면의 표면장력에 의존 한다.

11. 메니스커스 (Meniscus)
 ○ 액체가 케필러리 (capillary) 관 혹은 특정 용기에 담겨져 있을 경우 가장 상단에 나타나는 표면의 곡률을 말한다.

12. 모세관 현상 (Capillary action)
 ○ 액체가 아주 좁은 공간을 중력방향에 반대 방향으로 작용하는 능력을 말한다.

그   림   설   명

<그림. 신개념 마이크로 몰딩 기술을 이용한 기능성 구형 마이크로 입자제조기술 개발 모식도>

본 연구에서는 표면장력 제어와 마이크로웰의 설계를 통한 몰드 내부의 압력 차이를 이용하여 구형입자를 제조하였다. 이를 위한 본 연구에서는 십자가 형태의 마이크로웰을 사용하였다. 우선 단량체를 선택적으로 마이크로웰에 채운 후, 단량체와 혼합되지 않는 젖음성 유체를 몰드 위에 뿌려 덮는다, 이때, 젖음성 유체는 케필러리 힘에 의해 마이크로 웰의 각 측면으로 유입된다. 이때 십자가 패턴의 중심부와 외곽 (4부분) 사이에 라플라스 압력차 (Laplace pressure)가 유도되어 단량체가 십자가 패턴의 중심부로 이동하게 되고, 결국 표면장력에 의해 구형마이크로 입자가 형성될 수 있다. 더 나아가, 해당 기술은 광중합, 솔-젤, 콜로이드 자기조립 등의 물리/화학적 접근법을 기반으로 다양한 기능성 입자제조가 가능함을 증명하였다.

(커버 이미지 설명) 마이크로 규모의 십자가 형태가 음각형태로 새겨진 마이크로 몰드에 채운 유체가 젖음성 유체를 통해 물방울 형태로 다이내믹하게 변화하면서 형성되는 과정을 보여주며, 결국 이를 이용하여 매우 균일한 형태의 마이크로 입자를 아주 간단하게 제조할 수 있음을 보여주는 이미지