A microcapsule is a micrometer-scale particle, bubble, or liquid drop that is surrounded by a shell. This shell acts as a barrier separating the core from the outer environment. This micro-capsules can be fabricated using a variety of techniques, including electrospraying, interfacial polymerization, layer-by-layer deposition, or membrane emulsification. However, these ap-proaches typically yield microcapsules with polydisperse sizes and structures. Microfluidic technologies offer exquisite control over the flows of multiple fluids, and therefore, a way to overcome these limitations. Here, we have created highly monodiperse biocompatible micro-capsules composed of aqueous core and ultra-thin biodegradable membrane using microfluid-ics system. The resultant microcapsules exhibit a long-term release of encapsulants in a course of degradation of the membrane. Moreover, the period of the release can be controlled by adjusting membrane thickness, thereby enabling the sequential release of multiple encapsul-ants from microcapsules with distinct membrane thickness. Also we study a facile microfluid-ic approach combined with osmosis induced crack formation to fabricate microcapsules with porous membrane, providing size-selective permeability. We characterize the selective perme-ability of the microcapsule membrane using fluorescent dye molecule which can penetrate the membrane and we demonstrate simple application of encapsulating yeast cell and confirm the potential for immune-isolation of live cells; pores permit diffusion of nutrients and wastes for metabolism, while protecting the cell from immune system.
본 학위 논문에서는 유리 소자 모세관 미세유체 시스템을 이용하여 이중 액적을 기반으로 한 미세캡슐을 제조하였고, 이를 이용하여 생리활성 물질의 제어된 방출을 가능케 하여 약물전달 운반체 혹은 면역 격리형 캡슐로서의 실용적 응용가능성을 타진하였다.
본 학위 논문의 제 1장에서는 미세캡슐의 기본 개념과 생분해성, 생체 친화성 물질에 대해 알아보고 이를 이용하여 미세캡슐의 응용분야에 대해 설명하였고, 그 밖에 미세캡슐 제조를 위한 기존의 방법과 한계점 및 미세 유체 소자를 이용하였을 때의 이점에 대해 논의하였다.
제 2 장에서는 유리 모세관 미세유체 소자를 이용하여 생분해성 및 생체 친화성 미세캡슐을 제조하였고, 약물 전달 운반체로서의 응용을 위해 세 가지 다른 조건 및 환경에서 방출되는 경향성을 알아보았다. 첫 번째 조건으로 캡슐 막의 두께를 조절하여 각각의 방출속도를 알아보았고 90일부터 최대 160일 까지 지속적으로 약물이 방출되어 기존 서방형 방출에 비해 우수한 지속성을 가지고 있음을 확인하였다. 두 번째 조건으로 산 염기 조건 하에서 에스터 결합이 빠르게 분해되는 특성을 이용하여 방출속도를 알아보았고, 10일 이내에 절반 이상의 약물이 방출 되는 현상을 관찰할 수 있었다. 마지막으로 삼투압을 이용하여 약물의 유도방출을 가능하도록 설계하였다. 지연 방출이 시간의 흐름에 따라 캡슐막 분해가 진행된다면 유도 방출은 외부 자극을 통한 캡슐막의 변형 혹은 분해가 일어나도록 한다. 따라서 고장성 혹은 저장성으로 외부 조건을 변화시키면 미세캡슐은 찌그러지거나 부풀게 되는데 이를 이용하여 유도 방출을 이끌어 내었다.
제 3 장에서는 미세유체 소자를 이용하여 이중액적을 만들고, 증발의 과정을 거쳐 미세캡슐을 제조하였고 캡슐막에 기능성을 부가하여 반투과성 미세캡슐을 제조하였다. 앞서 언급한 저장성 삼투압 조건하에 미세캡슐을 분산시키고, 일정 시간을 유지하게 되면 초반에는 캡슐이 부풀게 되고 결국에는 미세기공을 형성하게 된다. 더 나아가 삼투압의 세기와 시간을 변수로 하여 미세기공의 크기나 개수를 조절하였고, 수나노에서 수십나노 사이로 미세기공의 크기를 정교하게 조작할 수 있었다. 더불어 효모균을 반투과성 막과 비투과성 막을 가진 미세캡슐에 담지하고 성장속도를 확인하는 연구를 진행하였다. 반투과성 막의 경우 영양분이 미세캡슐 안으로 쉽게 확산될 수 있기 때문에 효모균의 성장은 비투과성 막 미세캡슐의 경우 보다 급격하게 증가함을 알 수 있었다. 이런 연구 결과는 인슐린을 분비하는 베타 세포를 담지한 면역격리형 캡슐로 응용이 가능 할 것으로 예상된다.
본 학위 논문에서는 생리활성 물질의 제어된 방출을 위한 미세유체 시스템 기반의 기능성 캡슐를 제조하였고, 약물전달 운반체 및 면역격리형 미세캡슐의 실질적 응용가능성을 타진하였다.
