서론
콜로이드 입자(colloidal particles)들은 유체의 유변 학(rheology), 자가조립(self-assembly)과 같은 본질 적인 연구를 가능하게 해주며 의료진단, 광소자 (photonic device), 바이오 분야 등으로 응용이 광범 위하다. 특히, 바이오 산업에서의 콜로이드 입자는 크 로마토그래피(chromatography), 유동 세포분석(flow cytometry)을 위한 지지체, DNA와 단백질의 검출을 목적으로 하는 바이오 센서로써 적용이 가능하다. 또 한 생물학적 기능을 갖는 나노 구조체 형성을 위한 기
본 구성요소로써 콜로이드 입자는 사용되고 있다. 예 를 들어 콜로이드 입자들을 초미세 규모(submicron- scale)로 규칙적인 공간적 배열을 유도함으로써 포토 닉 밴드갭(photonic bandgap), 선택투과성(selective permeability)과 같은 하나의 입자에서 실현할 수 없 었던 특별한 기능성을 발휘할 수 있게 된다.
바이오산업에서 콜로이드 입자를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다. 첫째, 작은 부피 대비 넓은 표면적을 갖는 콜로이드 입자는 작용기 (functional group)의 양을 증가시킬 수 있다. 이를 통
입자 제조 및 이의 응용
강성민, 이창수*
충남대학교 화학공학과, {kangsungmin, rhadum*}@cnu.ac.kr
그림 1. 기존 방법과 미세유체 제어를 통한 입자 제조방법 비교.
내부구조 등 여러 가지 변수제어를 통해 새로운 기능 성을 갖는 재료로써 바이오 기술로의 응용이 가능하 며 콜로이드 입자의 수요가 증가함에 따라 이와 관련 된 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는 추 세이다.
기존의 콜로이드 입자 제조방법은 대형 반응기 안 에서 서로 섞이지 않는 연속상(continuous phase)과 분산상(disperse phase)에 기계적인 힘(mechanical stress)을 가하여 중합시키는 현탁 중합을 사용하고 있다. 이러한 현탁 중합은 대량생산이 가능하다는 장 점이 있지만 분산도가 매우 낮고, 원하는 크기의 입자 를 얻기 위해서는 별도의 분리공정이 필요하며 형상 제어를 할 수 없다는 단점이 있다.
그리하여 최근에는 MEMS 기반의 나노 또는 마이 크로 구조체 형성 기법을 응용하여 동적/ 정적 미세 유체 제어가 가능한 장치를 제작함으로써 연속적인 단분산성 입자 제조와 형상 제어가 가능해졌으며 기 존 기술의 한계점을 극복하려는 연구가 진행되고 있
다[그림 1].
본 원고에서는 앞에서 언급했던 현존하는 시스템의 문제점 및 한계를 극복하고자 미세유체 제어를 통하 여 3차원 형상 제어가 가능한 플랫폼으로 활용할 수 있는 콜로이드 입자 제조 방법 및 이의 응용 가능성을 살펴보고자 한다.
본론
1) 동적(Dynamic) 미세유체 기반 입자형성
동적 미세유체 기반 입자 제조기술이란, 미세유체 칩 내부에서 각 유체(연속상, 분산상)의 부피유속 조 합을 통해 액적이 형성되며 분산상으로 쓰이는 유체 를 모노머(monomer)로 사용함으로써 고분자화 (polymerization)시켜 입자 제조가 가능하다. 부피유 속 조절을 통해 단위시간당 부피의 증가 또는 감소를 제어하여 원하는 입자의 크기조절 및 형상 제어를 할
그림 2. 동적 미세유체 시스템을 통한 액적 크기 제어.
그림 3. 미세유체 칩을 이용한 마이크로캡슐 제조.
수 있다[그림 2][1].
이러한 미세유체 시스템을 이용하여 단 한번의 공 정으로 균일한 크기와 shell의 두께를 지니는 열 민감 성 고분자 마이크로 캡슐을 제조할 수 있다[2]. 원리 는 미세유체 칩 내에서 전단력(shear stress)에 의해 균일한 크기의 모노머 액적을 형성시킨 뒤 연속상에 포함되어 있는 광개시제가 자외선 조사에 의해 라디 칼을 생성시킨다. 생성된 라디칼은 연속상에서 액적 으로 확산(diffusion)이 일어나게 되고 결과적으로 균 일한 shell을 갖는 고분자 마이크로 캡슐을 제조할 수 있다[그림 3].
또한, 두 개의 미세유로(microchannel)를 분산상 주입구에 둠으로써 다상 층류 유동(multiphase laminar flow)을 형성시켜 서로 다른 두 영역을 갖는 액적을 형성시킬 수 있다. 형성된 액적 내부의 광개시제 유/
무에 따라서 반구형(hemisphere) 입자 또는 야누스 (Janus) 입자를 제조할 수 있으며, 자성 나노 입자와 같은 기능성 재료를 이용하여 마이크로 입자의 특정
부분에만 기능성을 부여할 수 있다[그림 4][3].
2) 정적(Static) 미세유체 기반 입자형성
정적 미세유체기반 입자 제조기술이란, 모노머 및 반응물을 마이크로 몰드(micro mold)에 부어 음각 패턴 내부에 유체를 주입하고 이를 고분자화시켜 원 하는 크기 및 3차원 형상을 갖는 입자를 제조하는 기 술을 말한다. 정적 미세유체 시스템은 배치(batch) 공정으로써 한번에 단분산성의 마이크로 입자를 대량 으로 얻을 수 있으며 기본적으로 마이크로 몰드의 음 각패턴 모양에 의존하기 때문에 동적 미세유체 시스 템에서 구현할 수 없었던 복잡한 형상의 입자 제조가 가능하다. 또한 동적 미세유체 시스템에서 구형의 입 자에 국한적이었던 제약에서 벗어나 비등방성 (anisotropy) 입자를 제조할 수 있다는 특징이 있다 [그림 5][4].
더욱더 나아가 마이크로 몰드의 종횡비(Aspect ratio) 변화를 주거나 외부에서 힘을 가해 유체의 스
그림 4. 미세유체를 이용한 다양한 형태의 Janus 입자 형성 방법.
그림 5. 정적 미세유체 시스템을 이용한 비등방성 입자 제조.
트레칭 혹은 압축을 유도하는 물리적 방법, 내부에 채 워져 있는 유체의 표면 및 계면에너지에 변화를 주는 화학적 방법을 통해 3차원적으로 입자의 형상을 제어 할 수 있다. [그림 6]에서와 같이 wetting fluid와 같 은 마이크로 몰드와 친화력이 있는 용액을 사용하여 몰드에 채워진 유체의 변형을 유도하여 위쪽이 볼록 (convex)하거나 평평한(flat) 비등방성 입자를 제조 할 수 있다[5].
이를 응용하여 층을 쌓아 올리는 Bottom-up 형식 으로 멀티스텝 미세유체의 주입을 통해 입자를 제조
하면 더욱 복잡한 형상의 다기능성 입자를 제조할 수 있다. 마이크로 몰드의 표면에너지와 각 유체의 계면 에너지가 입자의 형성에 주요변수로 작용하게 되며 하나의 입자에 다양한 기능성을 부여할 수 있게 된다 [그림 7].
3) 기능성 콜로이드 입자의 응용
지난 수십년 동안 기능성 콜로이드 입자의 제조와 이를 응용한 자가조립은 생물학적 잠재력과 포토닉 응용 가능성 때문에 연성물질 물리학(soft matter
그림 6. 물리화학적 성질 조절을 통한 입자의 3차원 형상제어.
그림 7. 다양한 입자 모양의 야누스 (Janus) 기능성 입자 제조.
physics)과 재료 과학 분야에서 연구가 활발하게 진 행되고 있다. 특히, 콜로이드 입자의 높은 기동성 (mobility)과 정확성, 일정 부피에 대한 넓은 표면적 을 갖는 특징 때문에 생물학적 분석에 유용한 재료로 써 관심이 집중되고 있다.
대표적인 예로 기능성 콜로이드 입자는 [그림 8]과 같이 하이드로겔(hydrogel) 마이크로 입자에 DNA를 결합시킴으로써 Particle-based suspension array의 플랫폼으로써 사용이 가능하다[6]. 실험은 정적 미세 유체 시스템인 Replica Molding(RB) 기술을 이용하 여 하이드로겔 마이크로 입자를 제조한 뒤 탐침 DNA 를 마이크로 입자에 결합시켜 완성시킨다. Replica Molding 기술은 소프트-리소그래피(soft-lithography) 공정을 통해 고분자 물질인 Polydimethylsiloxane
(PDMS) 마이크로 몰드를 사용함으로써 간편하고, 튼튼하며, 가격 면에서 저렴하게 제조 가능하다는 장 점이 있다. 또한 이 기술을 통해 만들어진 하이드로겔 마이크로 입자는 매우 균일하며 다공성 3차원 네트워 크를 형성하기 때문에 기존의 2차원 평판 어레이 기 술보다 용액 침투성이 우수하므로 빠른 Hybridization 과 높은 선택성(selectivity)을 보인다.
또한 콜로이드 또는 야누스 입자의 특정 부위에 기 능성을 부여하여 원하는 목적에 맞게 설계된 맞춤형 입자를 제조할 수 있다. 예를 들어 양자점(quantum- dot) 또는 형광 염료(fluorescence dye)와 같은 물질 을 넣어 원하는 생체 물질과의 결합을 통해 눈으로 쉽 게 식별 가능하도록 하거나, 자성 나노 입자를 함유한 입자를 제조하여 자기장 내에서 콜로이드와 같은 움
그림 8. Replica molding 기술을 통한 입자제조와 바이오 센서로의 응용 가능성.
그림 9. 자성 야누스 마이크로 입자.
직임을 유도하여 원격 조종함으로써 어느 특정 목표 지점에 약물을 집중 투여하여 효과를 극대화 시킬 수 있는 가능성을 제시할 수 있다[그림 9][3].
더욱더 나아가 콜로이드 입자의 프로그램화된 시스 템을 이용하여 선택적으로 자가 조립을 유도함으로써 새로운 형태 또는 기능성의 물질을 제조할 수 있다.
자가 조립의 주요 변수로는 pH, 온도, 용매(solvent), 전단력 등 외부환경에 의한 입자간의 상호작용, 입자 의 형상제어, 그리고 토폴로지(topology) 등이 있다.
그리고 이들의 제어를 통해 약물전달(drug delivery), 3차원 세포배양(3-D cell culture), 바코드(barcode), 고체 계면활성제(solid surfactant) 등 하나의 개체에 서 보여줄 수 없었던 새로운 기능성을 부여할 수 있으 며 본 연구실에서도 이와 같은 연구가 활발하게 진행 중이다[그림 10][7, 8].
결론
지금까지 미세유체를 이용한 기능성 콜로이드 입자 의 제조와 이에 대한 응용에 대해 살펴보았다. 콜로이 드 입자는 미세유체 시스템(동적, 정적)을 사용함으 로써 기존 방식에서 벗어나 여러 가지 한계점을 극복 하고 독립된 개체로써 응용이 가능해졌다. 또한 입자 의 자가조립, 다양한 형상제어를 통해 바이오 산업에 서 새로운 기능성 물질을 위한 구성요소로써 관심이
집중되고 있는 추세이다.
하지만 현재 콜로이드 재료분야에서는 입자의 구조 와 형상제어 방향으로 연구가 치중되어 바이오 분야 로 발전 가능성만 제시하고 있다. 그러므로 콜로이드 분야 관련 전문가들은 실질적인 바이오 응용을 위한 노력이 필요하며, 더욱더 나아가 생분해성 또는 생체 적합성 등과 같은 다방면으로 접근 가능한 연구가 진 행되어야 할 것이다.
참고문헌
