The shape of the particles is an important factor that can control the characteristics of the particles (rheology, optical properties, and interaction with the cells). Particularly, non-spherical non-spherical particles have been applied to various fields such as photocrystalline materials for displays, photochemical sensors, coating films and cosmetics because of their unique properties. Furthermore, smart particles whose shape changes in response to external stimuli can be applied to various fields such as drug therapy, smart coating, and the like. However, the implementation of smart particles is very limited and the applications are narrow because the shape changes of particles are irreversible. To solve these problems, there is a growing need to develop smart particles that can be reversibly shaped while being fabricated through a simple process. In this thesis, I developed a novel platform for a next generation smart particle in response to external stimuli, which can be summarized as follow.
First, I developed a new methodology to selectively control the shape of particles in the nanoscale through a poly-N isopropylacrylamide (PNIPAM)-based thermosensitive surfactant capable of changing the interface characteristics in response to temperature. Especially, the effect of the structure of thermosensitive surfactants on the temperature range of particle shape transition was systematically investigated. And also reversible particle shape according to temperature change was achieved. The development of a surfactant capable of simultaneously responding to temperature and pH resulted in smart particles that were simultaneously sensitive to various stimuli. Particularly, particles showing deformation to convex lens and ellipsoid shape near pH 7 and body temperature suggested a new range of clinical, biomedical and environmental application. Furthermore, the shape of block copolymer particles can be controlled through a surfactant capable of changing the characteristics of the interface in response to light. Particularly, the effects of light wavelength, intensity and irradiation time on the particle shape were elucidated.
This thesis provides an in-depth understanding of preparation of stimuli-responsive shape-transforming particles. The smart particles that we have demonstrated in this thesis will have a significant impact on the development of practical applications in the field of colloid-based technologies.
입자의 모양은 그 입자의 특성(유동학적, 광학적 특성 및 세포와의 상호작용 등)을 조절할 수 있는 중요한 인자이다. 특히 구형이 아닌 비구형 모양의 입자는 톡특한 특성 때문에 디스플레이용 광결정 물질, 광화학 센서, 코팅필름, 화장품 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 더 나아가 외부 자극에 반응하여 스스로 모양이 변하는 스마트 입자는 약물치료, 스마트 코팅 등 보다 다양한 분야로의 응용 가능성이 있다. 하지만 스마트 입자 구현은 매우 제한적이고, 입자의 모양 변화가 비가역적이기 때문에 응용 폭이 좁은 상황이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 간단한 공정을 통해 제작되면서도 가역적으로 모양이 조절되는 스마트 입자 개발의 필요성이 커지고 있다.
본 학위 논문에서는 에멀젼 내 블록공중합체의 물리적인 거동을 이해하고, 이를 바탕으로 외부 자극에 따라 스스로 입자의 모양이 변하는 차세대 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발하였다. 첫째로, 외부 온도 자극에 감응하여 계면의 특성을 선택적으로 변화시킬 수 있는 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) 기반의 온도감응성 계면활성제를 통해 나노 스케일에서 입자의 모양을 선택적으로 조절하는 기술을 개발하였다. 특히, 온도감응성 계멸활성제의 구조 조절에 따른 스마트 입자의 온도 감응 범위를 손쉽게 조절했을 뿐 아니라 온도 변화에 따른 가역적인 입자 모양의 변화를 규명하였다. 이어 온도와 pH에 동시에 감응할 수 있는 계면활성제의 개발을 통해 여러가지 자극에 동시에 감응하여 모양이 변화하는 스마트 입자를 제조하였다. 특히, pH 7과 체온근처에서 볼록렌즈 및 타원체 형태로의 변형을 보이는 입자를 통해 생물학적, 임상학적으로 다양한 응용 범위를 제시하였다. 나아가 빛에 감응하여 계면의 특성을 변화시킬 수 있는 계면활성제를 통해, 3차원 블록공중합체 입자의 모양을 조절할 수 있었다. 특히 빛의 파장, 세기 및 조사 시간이 입자 모양에 미치는 영향을 정략적으로 규명하였다.
본 연구에서 개발한 스마트 블록공중합체를 개발하는 플랫폼을 통해 다양한 자극 감응성 고분자 및 계면활성제를 도입시켜 광학적, 전기적, 화학적 반응성을 가지는 마이크로입자를 개발하기 위한 토대를 마련할 것이라 기대한다.
