서지주요정보
Microfluidic designing of functional microcapsules for biological and sensor applications = 생물학적 응용 및 센서 응용을 위한 미세유체시스템 기반의 기능성 캡슐 설계
서명 / 저자 Microfluidic designing of functional microcapsules for biological and sensor applications = 생물학적 응용 및 센서 응용을 위한 미세유체시스템 기반의 기능성 캡슐 설계 / Tae Yong Lee.
저자명 Lee, Tae Yong ; 이태용
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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8033183

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초록정보

Recent advances in microfluidics have enabled the controlled production of multiple-emulsion drops with onion-like topology. The multiple-emulsion drops possess an intrinsic core–shell geometry, which makes them useful as templates to create microcapsules with a solid membrane. High flexibility in the selection of materials and hierarchical order, achieved by microfluidic technologies, has provided versatility in the membrane properties and microcapsule functions. The microcapsules are now designed not just for storage and release of encapsulants but for sensing microenvironments, developing structural colors, and many other uses. However, we are still in the infancy stage for the functionalization of microcapsules and their use. The high flexibility of microfluidic technologies will provide unlimited opportunities for a wide range of conventional and unprecedented applications of microcapsules. For example, the microcapsule sensors can be further designed to have a membrane that actively regulates the material transport and a core that emits NIR signals in response to specific biomolecules. Such a microcapsule could be implanted in patients through injection to monitor the in vivo environment without the need for surgery. Furthermore, artificial cells that behave in the same manner to natural cells in many aspects could be implemented. Artificial cells would produce and secrete beneficial chemicals or proteins in the manner by which they are programmed. The only way to design and produce such elaborate micro-compartments is to use microfluidics and its high controllability over size, shape, and composition of multiple emulsions and high reproducibility.

미세유체기술은 유체의 흐름을 마이크로미터 수준으로 정교하게 제어함으로써, 화학 및 생리활성물질을 분석하고 산업에 응용할 수 있는 플랫폼을 제공하고 있다. 또한 기존 벌크 기반의 시스템에서 제어하기 힘든 크기, 구조, 조성의 문제를 해결함으로써 유화법에 있어 질적 기술 진보를 가능하도록 한다. 특히 액적 기반의 미세유체 시스템은 다음과 같은 특징을 지내게 된다. 첫째, 소자 내부의 전단력, 계면장력 등의 힘에 의해 형성된 액적은 매우 균일한 크기를 가지며, 그 크기를 넓은 범위 내에서 (1 - 100 um) 자유롭게 조절할 수 있다. 둘째, 미세채널 내에서 다양한 조성을 가진 섞이지 않는 유체에 대해 개별적인 제어가 가능하고 이를 통해 고차원의 액적 (multiple emulsion drops) 의 형성을 가능하게 한다. 셋째, 응용분야로는 약물 전달 시스템, 바이오센서, 분석화학, 기능성 입자제조 등이 있다. 본 논문의 제 1장에서는 이중 액적 (double emulsion drops) 및 고차 다상 액적 (multiple emulsion drops) 의 제조에 있어 현 상황의 문제점을 소개하였고, 이를 극복하기 위해 창의적인 미세유체소자 디자인을 통한 새로운 유화법 개발 및 특성에 대해 설명하였다. 단일 액적 (single emulsion drops)으로부터 미세캡슐을 만들기 위해서는 액적의 계면에서 막을 형성하기 위한 화학반응이나 물리적 응집이 필요하나, 이들은 복잡한 기작을 요구하며, 매우 한정된 물질과 구조만이 만들어질 수 있다. 따라서 체계적인 캡슐화가 힘들고, 캡슐막에 기능성을 부여하기 어렵기 때문에 새로운 디자인의 소자 개발이 필요하다. 이를 위해 미세유리관을 이용하여 미세유체소자를 디자인 하였고, 개발된 소자는 다음의 특징을 지니고 있다. 유리관 미세유체 소자는 축대칭 구조로 이루어져 있기 때문에 기존의 연성소자에서 달성하기 어려운 3차원 수력학적 집중현상 (hydrodynamic focusing)을 손쉽게 달성할 수 있다. 뿐만 아니라, 유리의 표면은 실란커플링제 (silane coupling agent)를 통해 표면이 쉽게 개질될 수 있어서, 미세채널 내 젖음도 조절이 가능하다. 가장 중요한 점은, 유리로 구성되어 있어 유기용매를 비롯한 다양한 유체의 사용이 가능하다는 것이다. 이와 더불어, 유리관 미세유체소자는 개별적인 유체 흐름 제어가 용이하고, 액적 형성이 매우 안정적으로 이루어져 이중 및 고차 다상 액적 제조에 매우 유리하다. 제 2장에서는 유리관 미세유체소자를 이용하여 초박막의 중간층을 갖는 이중 액적을 설계하였고 고형화 공정을 통해 만들어진 미세캡슐을 약물전달 시스템으로 응용하는 연구에 대해 다루었다. 캡슐의 코어-쉘 (core - shell) 구조는 약물의 변성을 방지할 수 있어 bioavailability 를 향상시킬 뿐 아니라, 친수성 및 소수성 생리화학 물질을 누출없이 담지하기 유리하며, 캡슐막을 생분해성 고분자 물질로 설계할 경우 서방형 방출에 있어 우수성을 보여준다. 캡슐막의 두께를 70, 105, 150nm 수준으로 조절하여 약물 방출 시간을 제어할 수 있고 pH, 삼투압 등의 다양한 외부 환경에 의한 유도 방출을 이루어 낼 수 있다. 또한 이러한 약물 방출 거동을 생체 외부 및 내부에서 관찰함으로써 실제 약물 방출 전달체로서의 활용 가능성을 확인하였다. 제 3 장에서는 창의적인 유체소자를 디자인하여 두개의 코어와 얇은 막 구조를 가지는 이중 액적을 형성하였고 모세관력을 이용하여 두개의 코어를 융합 시킴으로 생체친화적인 방법으로 세포를 캡슐화하는 기술을 보고하였다. 두개의 주입구를 갖는 모세관을 이용하여 한쪽에는 알긴산 나트륨을 담지하고 다른 한쪽에는 칼슘 용액을 담지하는 이중 액적을 디자인하였고 모세관력에 의해 두개의 코어를 융합하여 50 - 200 um 수준의 하이드로젤 비드(bead) 를 제조하였다. 이런 방법은 유화 과정에서 사용되는 오일과의 접촉시간을 최소화 시킬 수 있고 젤화 (gelation) 를 시키기 위해 어떠한 화학물질도 첨가하지 않았기 때문에 세포독성을 줄여준다는 측면에서 세포를 캡슐화 하기 매우 적합한 방법이다. 하이드로젤 비드 내에 세포의 증식을 관찰하였고 이로써 세포치료 및 조직공학으로의 활용 가능성을 확인하였다. 제 4장에서는 표면이 개질된 금 나노입자를 캡슐화 하여, 이를 수은을 검출하는 비색계 센서로 응용하였다. 금 나노입자의 경우, 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 현상으로 인해 고유의 흡수색을 보이게 되는데, 입자 간의 응집이 일어날 경우 공명현상이 변형되어 흡수색이 변하게 된다. Lysine 으로 표면이 개질된 금 나노 입자를 수은 이온과 반응 시켰을 때 lysine 내의 amine group 과 수은 이온이 chelate complex 를 이루게 되어 금 입자간 응집을 유도한다. 이를 수용성 하이드로젤 고분자로 캡슐화 하였을 경우, 캡슐 내부로 수은 이온의 빠른 침투가 가능하여 빠른 응답시간을 가질 수 있고, 캡슐막에 의한 크기 선택적 배제를 가능하게 한다. 또한 캡슐 내부의 제한된 공간에서 높은 농도로 금 입자를 담지할 수 있기 때문에 높은 검출 한계를 가질 수 있고, 금 입자가 외부 용액에 희석되지 않고 선명한 색 변화를 검출이 가능하여 비색계 센서로서의 성능 상향을 기대할 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 19022
형태사항 vi, 93 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이태용
지도교수의 영문표기 : Shin-Hyun Kim
지도교수의 한글표기 : 김신현
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including references
주제 microfluidics
soft matter
microcapsule
drug delivery
cell encapsulation
colorimetric sensor
미세유체소자
연성소재
마이크로캡슐
약물 전달
세포 캡슐화
비색계 센서
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