Microencapsulation technology has enabled the stable storage and controlled release of active materials for various purpose. For example, oppositely charged two different pigments are encapsulated to serve as electronic inks for reflection-mode display. Ideally, these microcapsules are impermeable to encapsulants during storage and when used. In particular, capsules that ruptures or breaks under certain mechanical stress has drawn attention for cosmetics application, especially for topical formulation of cosmetic active materials. Furthermore, submillimeter-sized capsules with ultra-thin membrane are highly demanding as they can show high visibility before release yet no tactile sensation after release. In addition, by control over their intrinsic mechanical property, capsules can be tuned for new kind of release. By droplet microfluidics, monodisperse microcapsules with controlled size, membrane properties, and membrane thickness can be produced. However, directly produced microcapsules have a low size upper limit and low frequency generation. Herein, two types of submillimeter-sized microcapsules with distinct mechanical property are produced: plastic microcapsules and elastomeric microcapsules. On one hand, submillimeter-sized biodegradable plastic microcapsules are produced by osmotic swelling of a water-in-oil-in-water (W/O/W) double-emulsion drops in a strong hypotonic condition and subsequently consolidated by solvent evaporation. The double-emulsion drops are incubated in aqueous solutions with various osmolarities to have a strong hypotonic condition, where an oil layer is introduced at the interface between air and the incubation solution to prevent the rupture of double-emulsion drops and the evaporation of solvents. The resulting microcapsules can be swollen up to nine times their original volume. On the other hand, the elastomeric microcapsules were produced by fully curing the double-emulsion drops containing high osmolarity core and subsequently osmotic swelling of the cured microcapsules in a strong hypotonic condition. The microcapsules were incubated in aqueous solution with various osmolarities to have a strong hypotonic condition. The elastic microcapsules store elastic energy due to osmotic inflation and thus allow fast core release, such as in popping balloons. Both swollen microcapsules are perceivable with sight and touch when they are intact, but lose both sensations under mechanical stress. To characterize the unique mechanical property, compression test was done to show that as osmotic pressure difference increases, the stiffness of capsule decreases and larger capsules with thinner shell ruptures at lower strain.
마이크로 캡슐화 기술은 활성 물질의 안정적인 저장 및 방출을 가능하게 한다. 예를 들어, 서로 반대 전하를 띄는 두 가지 색소는 반사 모드 디스플레이를 위한 전자 잉크 역할로서 캡슐에 담지되어진다. 특히, 특정한 기계적 스트레스에서 파열되거나 부서지는 캡슐은 화장품 응용과 관련하여 주목을 받고 있다. 더 나아가, 매우 얇은 박막을 가진 서브밀리미터 크기의 캡슐은 담지체 방출 전 가시성이 높으며 방출 후에는 촉각으로 느껴지지 않기에 수요가 높다. 게다가 기계적 특성 제어를 통해 새로운 종류의 방출에 맞게 조정이 가능하다. 마이크로캡슐은 미세유체소자를 통해 크기, 막 특성 및 막 두께가 제어된 균일한 상태로 만들어진다. 우리는 뚜렷한 기계적 특성을 가진 두 가지 종류의 서브밀리미터 크기의 플라스틱 마이크로캡슐 및 탄성체 마이크로캡슐을 제작하였다. 생분해성 플라스틱 마이크로캡슐은 물/오일/물 이중액적을 삼투압을 이용하여 팽창시킨 후 용매를 증발하여 만들 수 있다. 이중액적은 hypotonic 조건을 만족하는 다양한 삼투압 농도를 가진 수용액에 배양되며, 이 때 오일층은 공기와 배양액 사이에서 이중액적의 파열과 담지체의 증발을 방지하는 역할을 한다. 이러한 방법을 통하여 미세캡슐은 원래 부피의 9배까지 팽창할 수 있다. 반면, 탄성체 마이크로캡슐은 높은 삼투압을 가지는 코어를 포함하는 이중액적을 경화시킨 후 hypotonic 조건에서 삼투압 팽창을 유도하여 제작하였다. 탄성 마이크로캡슐은 삼투압적 팽창에 의한 탄성 에너지를 저장하여 풍선 터짐과 같은 빠른 코어 방출이 가능하다. 위 두 종류의 마이크로캡슐은 온전한 상태에서 시각과 촉각을 통해 감지가 되지만 기계적 스트레스 하에서 감지가 되지 않는다. 제작한 마이크로캡슐의 기계적 성질을 알아내고자 압축 시험을 통해 삼투압 차이가 커질수록 캡슐의 강성이 감소하고 쉘이 얇고 캡슐의 크기가 클수록 더 낮은 스트레인에서 파열되는 것을 확인하였다.
