Traditional hydrogel microcapsules often face challenges with mechanical strength, limiting their application. In our research, we develop double-network (DN) hydrogel shells with a water core, using a combination of polyacrylamide and calcium alginate networks created through a triple-emulsion process. These shells provide enhanced mechanical strength, clear visibility, and a specific threshold for substance permeability. This technology is showcased in the creation of a fluorometric glucose sensor. Within the core of these shells, we encase glucose oxidase, while the DN shells themselves contain a pH-reactive fluorescent dye. As glucose permeates the DN shells, it is transformed into gluconic acid by the glucose oxidase, resulting in a lower pH and a decrease in the shell's fluorescence intensity. Moreover, a pH-sensitive dye in the surrounding medium allows for visual monitoring of pH changes. Consequently, glucose concentrations can be measured through both fluorescence and color changes. Remarkably, these DN shells display extraordinary durability, withstanding significant mechanical stress and repeated drying and rehydrating processes without any leakage. Additionally, they effectively protect glucose oxidase from being broken down by large proteins like pancreatin. This DN shell methodology shows great potential, paving the way for a range of sensor capsules that can house various enzymes and catalysts.
하이드로젤 캡슐은 생체친화적이며 선택적 투과도를 보이기 떄문에 약물전달 매개체 및 마이크로센서로 활용되었다. 하지만, 기존의 하이드로젤은 기계적 물성이 약해 그 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 물/오일/물/오일 삼중액적을 템플릿으로 활용하여 물상을 내부상으로 가지며, 폴리아크릴아마이드와 칼슘 알지네이트 네트워크로 구성된 이중 네트워크 하이드로젤 막을 가지는 캡슐을 형성하였다. 이중네트워크 하이드로젤 막은 견고한 기계적 안정성, 투명성 및 명확한 투과도를 보인다. 형성된 캡슐은 형광기반의 혈당측정센서로 구현되어, 응용 가능성을 확인하였다. 포도당 분해효소를 캡슐 내부에 도입하고, pH에 반응하는 형광 염료를 이중네트워크 하이드로젤에 고정시켰다. 포도당은 이중 네트워크 하이드로젤 막을 통해 확산되어 들어오고, 포도당 분해효소에 의해 글루코닉산으로 전환되어 pH를 감소기키고, 이중네트워크 하이드로젤 막의 형광 세기를 감소시킨다. 또한 매질에 녹아있는 pH 민감성 색소를 통해, 시각적으로도 변화를 확인할 수 있다. 따라서, 형광세기 및 시각적 변화를 통해 혈당을 측정할 수 있다. 특히, 이중네트워크 하이드로젤은 뛰어난 기계적 물성을 보여주며, 강한 기계적 스트레스 및 건조 및 재수화 과정을 견딜 수 있다. 더욱이 이중 네트워크 하이드로젤 막은 효과적인 장벽 역할을 하여, 거대 분자나 외부 단백질에 의한 포도당 분해효소의 활성 감소를 방지할 수 있다. 이렇게 형성된 이중네트워크 하이드로젤 막을 가지는 캡슐 플랫폼은 다양한 효소 및 촉매를 도입함으로써, 응용범위를 확대할 수 있다.
