Monodisperse physical and chemical crosslinked micro-hydrogels have received much attention recently due to their potential capacities as drug carriers. Photo-crosslinkable amphiphilic block copolymers composed of poly(ethylene oxide)-b-poly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide) as the backbone were synthesized by conjugating with acryloyl chloride substituting for two terminal hydroxyl groups. The synthesis was verified NMR and FT-IR analysis and the degree of substitution of acrylated groups at terminal site of Pluronic F127 copolymers was determined from $^1H-NMR$.
For fabrication of uniform micro-hydrogels, a soft-microfluidic deivice was exploited by emulsifying an aqueous diacrylated Pluronic F127 phase in an olive oil phase containing ABIL EM 90 as a surfactant. The size of water_in_oil emulsion droplets were controlled by aqueous phase and oil phase flow rates, and surfactant concentration dissolved in olive oil phase. Droplet size increased as interface tension and flow rate of aqueous phase increased, or the flow rate of oil phase decreased. Emulsion droplets were also generated at regular frequency by the break-up process at the hydrodynamical focusing regime. The synthetic copolymers within pre-polymer emulsion droplets with narrow size distributions were thermally gelated flowing through a microfluidic channel, and chemically crosslinked by UV-exposure. They exhibited a 65∼70 % volume shrinkage varying from at 4℃ to at 40℃, and showed a reversible swelling and deswelling behavior due to the hydrophobic interaction of poly(propylene oxide) middle blocks in the diacrylated Pluronic copolymers with a change of temperature. The release performance was verified by the change of intensity profiles of FITC-dextran loaded in the micro-hydrogel inferred from fluorescence spectra at different temperature (30℃, 40℃), resulting in exhibiting controlled release and leveling off after initial burst. Because of lower critical solution temperature (LCST) behavior of micro-hydrogels induced by hydrophobic interaction of PPO blocks, the release performance at 40℃ is much faster than the case at 30℃.
PEG를 기본 단위체로 형성된 폴리머는 생체 적합성 특징뿐 아니라, 체내의 단백질과 잘 결합되지 않은 stealth기능도 있어 많이 연구되고 있다. 하지만 FDA의 승인을 받거나 생체 적합성 재료로 각광을 받고 있는 고분자 중합체의 대부분은 친수성 성질을 갖지 않고 소수성(친유성) 성질을 보이기 때문에, 약물 전달체 제조시 유기 용매를 사용해야 하는 필연성을 가지고 있다. 이는 추가의 처리 과정을 요구하고, 소량의 유기 용매도 생체내에서 부작용을 일으킬 수 있다. 따라서 친수성을 보이는 생체 적합성 재료에 많은 관심을 가지게 되었고, 대표적으로 하이드로젤에 대한 연구를 이끌게 되었다. 특히 $PEO_m-PPO_n-PEO_m$ 구조를 가지는 플루로닉(Pluronic) 고분자 중합체는 수용액 상에서 농도가 $C_{cmc}$ 이상일 때 마이셀 구조를 형성하게 된다. 매우 높은 고농도상에서는 (20 %w/v 이상) 에서는 상온에서도 이러한 마이셀 구조가 모여 젤(gel) 형성이 이루어진다. 하지만 온도를 낮추게 되면, LCST 특성에 의해서 졸(sol) 상태로 바뀌게 되어 유동성이 증가된다.
본 논문에서는 이러한 온도에 따른 변화로 물리적인 젤을 형성하는 플루로닉 폴리머$(PEO_{99}-PPO_{69}-PEO_{99})$ 에 UV에 의해 경화될 수 있는 acryloyl 반응기를 붙여 화학적으로도 가교결합을 할 수 있는 폴리머를 제조하고 이를 미세연성유체소자 내에 삽입하여 마이크로 하이드로젤을 형성하였다. 미세연성유체소자 내에서 water_in_oil 액적을 생성하고 이를 마이크로 하이드로젤을 제조하는 구조체로 활용하였다. 채널을 흐르면서 액적내에서 물리적인 젤을 형성하고, 동시에 미세연성유체소자 내에서 UV를 조사(照射)함으로써, 화학적으로 가교 결합을 형성하였다. 수용성 용액은 합성한 고분자를 녹인 deionized water를 사용하였고, 오일 용액은 ABIL EM 90을 계면 활성제로 넣은 올리브 오일을 사용하였다. 마이크로 하이드로젤의 크기를 결정하는 인자는 액적 크기에 의해 좌우되며, 본 실험에서 액적 형성은 채널을 흐르는 용액의 유량과 계면활성제의 농도로 조절하였다. 계면 장력이 최소값을 가지는 계면 활성제의 농도로 수용성 용액과 오일 용액의 유량을 변화시키면서, 최적화된 액적 생성 조건을 찾아 내었다. 실험을 통해 액적의 크기는 계면 장력 및 수용액 상 유속에는 비례하며, 오일 유속에는 반비례하는 경향을 확인하였다. 또한 미세연성유체소자 구조를 서로 다른 두 액상이 만나는 접합지역에서 ⅰ)축소-확장, ⅱ) 확장-축소 두 종류의 구조를 제작하여 액적 생성 조건을 변화시켰다. 이렇게 생성된 마이크로 하이드로젤의 내부 구조가 잘 이루어졌는지 살펴보기 위해 온도 민감성 실험을 하여 부피 변화율을 살펴보았다. 냉장 보관 온도인 4℃에 비해 체온의 온도에 가까운 40℃에서의 부피 축소율은 65∼70%였고, 4℃와 40℃ 두 온도 사이에서 변화를 주면서 관찰한 결과 마이크로 하이드로젤의 지름도 온도주기에 비례하여 변하게 됨을 확인하였다. 이는 플루로닉 고분자 중합체의 소수성 성질을 보이는 poly(propylene oxide)가 주변의 온도가 상승하면 상호작용에 의해 내부의 물을 외부로 방출하기 때문에 크기 및 부피 축소현상이 발생한다. 또한 약물 전달 현상을 확인하기 위해, FITC-dextran을 삽입하여 시간에 따른 형광 물질의 세기의 변화를 살펴보았다. 초기에는 분출 효과에 의해 급격하게 방출되지만, 시간이 흐를수록 모델 약물의 방출 비율이 서서히 줄어져 controlled release가 이루어지고, 7시간 이후에는 미세하게 증가함을 알 수 있었다.
본 실험에서는 미세연성유체소자 장치에 기반을 둔 물리적, 화학적으로 동시에 가교가 이루어진 마이크로 하이드로젤을 형성하였다. 이미 미세연성유체소자는 광결정(photnici crystals)이나 고분자 구슬(polymer beads)을 제조하는 틀로 많이 이용하였다. 또한 이를 기존의 광가교성 마이크로젤 제조에 그치는 것이 아니라, 물리적, 화학적으로 가교된 마이크로젤을 형성하여 기계적 강도를 높였을 뿐 아니라, 약물 전달체로써의 특성을 충분히 보여줌으로써, 기존의 거체(巨體)로써 형성된 젤에 비해, 미세 분자량의 수준으로 약물 방출을 조절함으로써, 좋은 수율을 보여줄 수 있다.
