This paper describes a new droplet-based microfluidic platform for synthesis of small-sized (~10 μm) giant uni-lamellar vesicles containing quantum dots. To generate giant uni-lamellar vesicles (GUVs), we designed a simple microfluidic chip combining a parallel-flow channel with cross-flow channel. Previously, microfluidic-based uni-lamellar lipid vesicles have been synthesized by using T-junction and focusing channels. These approaches rely on partial surface treatment of channel, serially flowed fluids and off-chip process, thereby causing high complexity and contamination of lipid vesicles. In addition, dimension of uni-lamellar lipid vesicles is ranged from 10 to 120 μm. Due to the dimension of microfluidic device, the small sized lipid vesicles less than 10 μm cannot be easily synthesized. Here, we fabricated a simple microfluidic chip consisted of T-junction and cross flow region. Dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) was used for the construction of self-assembled membrane, in which the solvent of DMPC was octanol and octanol??chloroform solution. In the condition of octanol-chloroform solution, smaller droplets (diameters below 10 μm) were easily synthesized. We also found that the concentration of lipid was act as a primary role to determine mono dispersity as well as generate smaller droplets. Consequently mono dispersed droplets with a mean diameter of 10 μm were generated at the lipid concentration of 14 mg/ml. On the basis of these results, a synthesis of GUVs with a size below 10 μm was demonstrated by using microdroplet based device. To confirm encapsulation efficiency of nanoparticles, we synthesized GUVs containing quantum dots. This result will be useful to develop a new microfluidic platform for simple, rapid, continuous quantum dots containing GUVs synthesizer.
지질소포체는 약물전달 연구분야에서 각광받고 있는 전달 매개체이다. 최근 약물전달 연구분야 중에서도 다중약물전달의 역할을 수행하기 위해서 다층지질소포체(multi-lamellar lipid vesicles)의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 다층지질소포체의 각각 지질층의 사이 공간에 전달되어야 할 서로 다른 약물이 함유되어 약물의 전달에 있어서 순차적인 조절이 가능한 약물전달 시스템을 구상해 보았다. 이러한 다층지질소포체는 기존의 지질소포체 합성 방법을 통해서 무작위적인 형태로 합성되기 때문에 크기와 함유한 약물의 농도를 조절하기가 어렵다. 또 기존의 방식을 통해서는 다중약물을 함유시키는 것이 거의 불가능하다. 그렇기 때문에 순차적 조절이 가능한 다층지질소포체를 합성하기 위해서 액적 방식의 미세유체기술을 적용하였다. 특히 다층지질소포체의 합성에 앞서 근간이 될 수 있는 단일지질이중층막으로 둘러싸인 지질소포체(Uni-lamellar lipid vesicles)의 합성을 연구 목표로 정하였다. 특히 안정적인 상태의 다층지질소포체를 형성하기 위해서는 최소한의 크기를 가지는 지질소포체의 합성을 필요로 하므로 10 μm 이하의 지질소포체를 합성하기 위한 연구를 진행하였다.
이전의 액적 방식의 미세유체기술을 이용한 지질소포체의 합성 연구들은 미세유체 칩(microfluidic chip) 상에서 지질단일층으로 둘러싸인 액적을 형성하고 이를 다른 튜브로 옮겨서 지질이중층막을 형성하도록 한다. 이러한 방법은 완전한 지질이중층막을 형성하기 전에 오염이 되거나 형태를 잃어버릴 가능성을 갖게 된다. 앞에서 언급된 단점을 보완한 것이 하나의 칩 상에서 지질이중층막으로 둘러싸인 지질소포체를 형성하는 방식인데 기존의 연구에서는 마이크로 사이즈의 칩을 부분적으로 표면처리를 하는 정교한 과정이 필요했다. 또는 지질이중층막 형성에 필요한 용액들을 순차적으로 흘려주어 지질소포체를 합성하는 방식도 연구되었다. 이 방식은 필요한 용액의 종류가 많고 넣어준 용액의 양에 한정하여 지질소포체를 형성한다는 한계점을 갖는다.
본 연구에서는 위에서 언급된 기존 연구들의 한계점을 극복하기 위하여 단순한 구조의 미세유체 칩에서 10 μm 이하의 지질소포체를 합성하고 양자점을 함유하여 약물의 정량적 함유량 조절이 가능함을 보였다.
액적 방식을 이용하기 때문에 얼마나 작은 크기의 액적을 만들 수 있는지에 따라 지질소포체의 크기가 결정된다. 일반적으로 미세 액적 기반의 연구에서는 액적의 크기를 유추하는데 유속의 비율, 지질용액의 점도, 지질용액과 수용액사이의 계면장력 값을 이용한다. 본 연구에서는 위 세가지 요인들을 조절하면서 10 μm 크기 이하의 액적을 생성하는데 필요한 조건들을 결정하였다.
지질용액의 유속이 수용액의 유속보다 상대적으로 높아질수록 작은 액적을 생성한다. 또 지질용액의 점도가 높아질수록 작은 액적을 생성하는데 실험에서는 지질용액에서 사용되는 용매의 종류를 바꿔가며 더욱 높은 점도의 용매를 찾을 수 있었다. 사용된 용매는 octanol-chloroform(3:2) 용액이다. 계면장력은 크기가 작을수록 작은 액적을 생성할 수 있는데 이는 지질용액에 용해되어 있는 지질의 농도를 높임으로서 계면장력의 크기를 줄일 수 있었다.
실험들을 통해 얻은 용매의 종류, 지질의 농도, 유속 조건들을 이용해서 10 μm 이하의 지질소포체를 합성할 수 있었다. 또 수용액에 양자점을 함유하여 지질소포체를 만든 결과 일정한 농도의 양자점을 함유한 지질소포체를 합성할 수 있었다.
결론적으로 하나의 미세유체 칩 상에서 특별한 표면처리 기술 없이 연속적인 지질소포체의 합성을 가능하게 하였다. 이는 이전 연구들의 한계점을 극복하여 더 작은 크기의 지질소포체를 합성한 데에 의의가 있다.
본 연구에서 디자인한 미세유체 칩은 또 다른 칩과의 연결이 용이하여 앞에서 언급했던 다층지질소포체의 합성에 응용하기에 용이할 것으로 사료된다. 특히 다층지질소포체를 합성하는 과정에서 각각의 지질이중층막을 순차적으로 합성하기 때문에 지질이중층막간에 우리가 원하는 약물을 함유시킬 수 있다는 점에서 매우 큰 장점을 가진다. 합성된 다층지질소포체는 순차적인 약물 전달에 응용할 수 있으리라 기대된다.
