KR100965839B1 - Method for in situ manufacturing of polymeric capsules from double emulsion droplets with photocurable shell phase and Use Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광중합 가능한 중간상을 갖는 이중 액적을 이용한 고분자 캡슐의 제조방법 및 용도에 관한 것이다. 보다 상세하게는 미세관을 이용하여 내부관, 중간관, 외부관으로 구성된 미세유체소자를 만드는 단계와, 상기 미세유체소자로 내부 액적을 위한 물 혹은 수분산 용액 흐름, 중간상을 위한 광중합 가능한 오일/콜로이드 분산 광중합 오일 흐름, 연속상을 위한 물 흐름을 도입하여 균일한 크기의 이중 액적을 형성하는 단계와, 상기 이중 액적을 미세유체소자 하류의 자외선 노광 영역을 통과시켜 광경화시키는 단계를 포함하는 고분자 캡슐의 제조방법이다.The present invention relates to a method for producing and using a polymer capsule using double droplets having a photopolymerizable intermediate phase. More specifically, the step of making a microfluidic device consisting of an inner tube, an intermediate tube, and an outer tube using a microtube, and the water or water dispersion solution flow for the inner droplet into the microfluidic device, and a photopolymerizable oil for the intermediate phase / Introducing a colloidal dispersion photopolymerized oil stream, a water stream for the continuous phase to form double droplets of uniform size, and photocuring the dual droplets through an ultraviolet exposure region downstream of the microfluidic device; It is a manufacturing method of.
본 발명은 광중합 가능한 오일을 이중액적의 중간상으로 이용하고 균일한 크기와 모양의 이중액적으로부터 고분자 캡슐을 제조하여 다양한 물질을 감금시킬 수 있다. 이 고분자 캡슐은 화학적, 생물학적으로 안정하고, 캡슐의 벽을 통한 물질의 이동을 제한하게 되어 액상 광결정구 및 암호화된 입자의 제조에 활용될 수 있다. 또한 이는 빠른 속도의 색 변화가 가능한 반사형 디스플레이의 화소 및 생물분자 검출을 위한 미세입자로써 이용 가능하다.The present invention can use a photopolymerizable oil as an intermediate phase of double droplets, and prepare a polymer capsule from double droplets of uniform size and shape to confine various materials. The polymer capsules are chemically and biologically stable and limit the movement of materials through the walls of the capsules and can be utilized in the preparation of liquid photonic crystal spheres and encoded particles. It is also available as microparticles for the detection of pixels and biomolecules in reflective displays capable of fast color change.
이중액적, 미세유체소자, 광중합, 캡슐, 감금 Double droplet, microfluidic device, photopolymerization, capsule, confinement
Description
본 발명은 이중액적을 이용한 고분자 캡슐의 제조방법, 이를 이용한 콜로이드 분산매 및 색소를 포함한 다양한 물질의 캡슐화에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 미세유체소자에서 정교하게 형성되는 이중액적의 중간상에 광중합 가능한 오일을 사용함으로써 실시간으로 고분자 캡슐을 제조하는 방법 및 내부 액적에 결정 콜로이드 배열이나 색소와 같은 기능성 물질을 감금 하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a polymer capsule using a double droplet, and to encapsulation of various materials including a colloidal dispersion medium and a pigment using the same, and more particularly, to a photopolymerizable oil in the middle of a double droplet formed finely in a microfluidic device. The present invention relates to a method for producing a polymer capsule in real time and a method for confining a functional substance such as a crystalline colloid array or a pigment in an internal droplet.
이중액적(double emulsion droplet)이란 액적 내부에 또 다른 액적을 함유하는 것을 말한다. 이는 물 액적 내부에 오일 액적이 있는 경우와 오일 액적 내부에 물 액적이 있는 경우로 나뉜다. 이러한 이중 액적은 일반적인 유화장치를 이용하는 경우 그 크기와 내부 액적의 숫자를 조절하기가 매우 어려우며, 따라서 이를 이용한 유용한 구조의 제조는 더욱 어려운 일이다. 한편 미세유체소자를 이용하여 액적 을 제조하는 경우 매우 정교하게 그 크기와 내부 액적의 숫자 조절이 가능하다.Double emulsion droplet refers to the inclusion of another droplet inside the droplet. This is divided into oil droplets in the water droplets and water droplets in the oil droplets. Such a double droplet is very difficult to control the size and the number of internal droplets when using a general emulsification device, it is more difficult to manufacture a useful structure using the same. On the other hand, when manufacturing droplets using microfluidic devices, the size and number of internal droplets can be controlled very precisely.
균일한 이중액적의 제조는 최근에 많은 연구가 이루어졌다. 세계적인 과학잡지인 Science에 발표된 논문(A. S. Utada, E. Lorenceau, D. R. Link, P. D. Kaplan, H. A. Stone, D. A. Weitz, “Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device” Science, 308, 537-541 (2005))에 따르면, 미세모세관을 이용하여 만든 미세유체소자를 이용하여 한번에 이중 액적을 제조할 수 있다고 보고하고 있다. 또한 중간상의 휘발성 오일 성분에 블록 공중합체를 도입하는 경우 폴리머좀(polymersome)이라는 구조체를 제조할 수 있고, 광중합 가능한 중간상이 사용되는 경우에는 고분자 캡슐을 제조할 수 있었다.The manufacture of uniform double droplets has been studied in recent years. Paper published in Science, the world's leading scientific magazine (AS Utada, E. Lorenceau, DR Link, PD Kaplan, HA Stone, DA Weitz, “Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device” Science, 308, 537-541 (2005)). According to the report, it is possible to produce double droplets at a time using a microfluidic device made using a microcapillary tube. In addition, when the block copolymer is introduced into the volatile oil component of the intermediate phase, a structure called a polymersome may be prepared, and a polymer capsule may be prepared when a photopolymerizable intermediate phase is used.
연성미세유체소자로부터 제조한 이중액적을 이용하여 다양한 모양의 미세입자를 제조하는 방법이 미국화학회 저널(Zhihong Nie, Shengqing Xu, Minseok Seo, Patrick C. Lewis, Eugenia Kumacheva, “Polymer Particles with Various Shapes and Morphologies Produced in Continuous Microfluidic Reactors” Journal of the American Chemical Society, 127, 8058-8063 (2005))에 게재되었다.A method for producing microparticles of various shapes using double droplets prepared from a flexible microfluidic device is described in the Journal of the American Chemical Society (Zhihong Nie, Shengqing Xu, Minseok Seo, Patrick C. Lewis, Eugenia Kumacheva, “Polymer Particles with Various Shapes and Morphologies Produced in Continuous Microfluidic Reactors ”Journal of the American Chemical Society, 127, 8058-8063 (2005).
한편 이중액적을 균일하게 제조하는 특허는 거의 보고된 바가 없으나 미국 특허 (Tadao Nakashima, Masataka Shimizu, Masato Kukizaki, "Monodisperse single and double emulsions and method of producing same " 미국특허 5326484 (1994.07.05))에는 균일한 단일 및 이중 액적의 제조 내용이 등록되어 있다. 그러나 그 균일도가 떨어지며, 이를 이용한 캡슐의 제조는 구현하지 못하였다.On the other hand, patents for uniformly producing double droplets have been rarely reported, but the U.S. patents (Tadao Nakashima, Masataka Shimizu, Masato Kukizaki, "Monodisperse single and double emulsions and method of producing same" US Patent 5326484 (1994.07.05)) The contents of manufacture of one single and double droplets are registered. However, the uniformity is inferior, and the manufacture of the capsule using the same has not been realized.
본 발명은 미세관을 이용하여 내부관, 중간관, 외부관으로 구성된 미세유체소자를 만드는 단계와, 상기 미세유체소자로 내부 액적을 위한 물 혹은 수분산 용액 흐름, 중간상을 위한 광중합 가능한 오일/콜로이드 분산 광중합 오일 흐름, 연속상을 위한 물 흐름을 도입하여 균일한 크기의 이중 액적을 형성하는 단계와, 상기 이중 액적을 미세유체소자 하류의 자외선 노광 영역을 통과시켜 광경화시키는 단계를 포함하는 고분자 캡슐의 제조방법 및 자외선 조사 후 내부 액적에 함유되어 물질들이 외부로 빠져나갈 수 없게 함으로써 효과적으로 다양한 물질의 감금하는 캡슐로 이용할 수 있다. The present invention comprises the steps of making a microfluidic device composed of an inner tube, an intermediate tube, and an outer tube using a microtube, and a water or water dispersion solution flow for the inner droplet into the microfluidic device, and a photopolymerizable oil / colloid for the intermediate phase. Introducing a dispersed photopolymerized oil stream, a water stream for the continuous phase to form double droplets of uniform size, and photocuring the double droplets through an ultraviolet exposure region downstream of the microfluidic device; After the manufacturing method and UV irradiation, it is contained in the inner droplets to prevent substances from escaping to the outside can be effectively used as a capsule for confining various materials.
종래의 단일 및 이중 액적의 제조는 균일도가 떨어지며, 이를 이용한 캡슐의 제조는 구현하지 못하고 있는 실정이다. 본 발명은 균일성이 좋은 캡슐용 액적으로 만드는데 있다.The production of conventional single and double droplets is inferior in uniformity, and the production of capsules using the same has not been realized. The present invention is to make a capsule for good uniformity.
본 발명은 종래기술이나 특허에 보고된 바 없는 미세유리관으로 이루어진 미세유체소자를 개발함으로써 원하는 크기와 숫자의 내부 액적을 포함하는 이중 액적을 제조하고, 중간상으로 광중합 가능한 단량체 오일을 사용함으로써 광경화를 통해 다양한 고분자 캡슐을 제조하는 방법을 보고한다. 특히 내부 액적에 액상의 콜로이드 결정이나 색소 용액을 도입하고 이를 고분자 캡슐 안에 감금함으로써 외부 로의 확산을 막고 오랜 시간 동안 제한된 구형 공간 속에 물질을 가둬놓을 수 있게 되었다. The present invention is to develop a microfluidic device consisting of a micro glass tube that has not been reported in the prior art or patent, to prepare double droplets containing the internal droplets of the desired size and number, and to photocuring by using a monomer oil capable of photopolymerization in the intermediate phase Report how to prepare a variety of polymer capsules. In particular, by introducing liquid colloidal crystals or pigment solutions into the inner droplets and confining them in the polymer capsule, it is possible to prevent diffusion to the outside and to trap the material in a limited spherical space for a long time.
본 발명은 미세유체관에서 균일한 크기의 물/오일/물 이중 액적을 형성하여 고분자 캡슐을 제조하고, 고분자 캡슐을 다양한 물질의 제한공간으로 활용하여 물질의 확산을 막고 장 시간 동안 안정성을 부여할 수 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 캡슐의 표면에 콜로이드 입자나 작용기를 도입함으로써 다양한 응용이 가능한 기능성 고분자 캡슐을 제공한다.The present invention is to prepare a polymer capsule by forming a double-droplet of water / oil / water of uniform size in the microfluidic pipe, to prevent the diffusion of the material and to give stability for a long time by utilizing the polymer capsule as a limited space of various materials Can be. Still another object of the present invention is to provide a functional polymer capsule capable of various applications by introducing colloidal particles or functional groups on the surface of the polymer capsule.
본 발명은 고분자 캡슐의 제조방법을 나타낸다.The present invention shows a method for producing a polymer capsule.
본 발명은 (a) 미세관을 이용하여 내부관, 중간관 및 외부관으로 구성된 미세유체소자를 제작하는 단계; (b) 상기 미세유체소자의 내부관으로는 감금시킬 물질을 포함하는 내부액적을 위한 수분산용액 흐름과, 중간관으로는 계면활성제를 포함하는 광중합가능한 단량체 오일 또는 콜로이드 분산 광중합 가능한 단량체 오일 흐름과, 외부관으로는 계면활성제를 포함하는 물 흐름을 도입하여 균일한 크기의 이중액적을 형성하는 단계; 및 (c) 상기의 이중 액적을 미세유체소자 하류의 자외선 노광 영역을 통과시켜 광경화 시키는 단계를 포함하는 고분자 캡슐의 제조방법을 나타낸다.The present invention provides a method for manufacturing a microfluidic device including (a) an inner tube, an intermediate tube, and an outer tube using a microtube; (b) a water dispersion solution stream for the inner droplet containing the material to be confined in the inner tube of the microfluidic device, and a photopolymerizable monomer oil or colloidal dispersion photopolymerizable monomer oil stream including a surfactant in the middle tube; Introducing an external water stream containing a surfactant to form a double droplet having a uniform size; And (c) photocuring the double droplet through the ultraviolet exposure region downstream of the microfluidic device.
상기에서 상기 (a) 단계의 중간관의 내벽에 친유성 물질을 코팅함으로써 내부관의 끝단에서 물/오일 액적이 안정하게 생성될 수 있도록 할 수 있다.The lipophilic material may be coated on the inner wall of the intermediate tube of step (a) so that water / oil droplets may be stably generated at the end of the inner tube.
상기에서 상기 (b) 단계의 중간오일상에 수용액 액적의 안정화를 위하여 HLB값이 7 이하, 바람직하게는 HLB값이 1∼7인 계면활성제를 0.1∼5 wt％를 함유할 수 있다.In order to stabilize the droplets of the aqueous solution on the intermediate oil of the step (b) may contain 0.1 to 5 wt% of a surfactant having an HLB value of 7 or less, preferably an HLB value of 1-7.
상기에서 상기 (b) 단계의 외부연속상에 오일 액적의 안정화를 위해 HLB값이 7 이상, 바람직하게는 HLB값이 7∼14인 계면활성제를 0.1∼5 wt％를 함유할 수 있다.In order to stabilize the oil droplets in the external continuous phase of step (b), the surfactant may contain 0.1 to 5 wt% of a HLB value of 7 or more, and preferably, an HLB value of 7-14.
상기에서 상기 (b) 단계의 내부 액적을 위한 흐름에 1∼40 v/v％의 폴리스타이렌 혹은 실리카 콜로이드 분산매를 포함할 수 있다. 이때 내부 액적에 함유된 콜로이드가 액상에서 자발적으로 결정 콜로이드 배열을 이루어 광결정구로써의 광특성을 나타낼 수 있다.In the above (b) may include a polystyrene or silica colloid dispersion medium of 1 to 40 v / v% in the flow for the internal droplets. At this time, the colloid contained in the inner droplet may spontaneously form a crystal colloid in the liquid phase to exhibit optical characteristics as a photonic crystal sphere.
상기에서 내부, 중간, 외부연속 흐름의 유량을 조절함으로써 고분자 캡슐의 두께를 제어할 수 있다.In the above, it is possible to control the thickness of the polymer capsule by adjusting the flow rate of the internal, intermediate, external continuous flow.
상기에서 내부, 중간, 외부연속 흐름의 유량을 조절함으로써 내부에 함유되는 액적의 개수를 제어할 수 있다.In the above, it is possible to control the number of droplets contained therein by adjusting the flow rate of the internal, intermediate, external continuous flow.
상기에서 상기 (b) 단계의 내부 액적을 위한 흐름에 0.1∼10wt％의 식용색소 혹은 형광물질을 포함할 수 있다.In the above (b) the flow for the internal droplets may include 0.1 to 10% by weight of food coloring or fluorescent material.
상기에서 상기 (a) 단계의 미세유체소자 제작시 하나의 내부관이 두개 이상의 입구를 가지고 있어 여러 성분의 수용액을 혼합하여 내부 액적을 구성할 수 있 다. 이때 두 개 이상의 내부관으로 유입되는 수용액이 서로 다른 색을 갖는 색소 용액의 각각에 대한 유량비 조절에 의하여 최종적으로 형성될 수 있다.In the manufacturing of the microfluidic device of step (a), one inner tube has two or more inlets so that the inner droplets may be mixed by mixing aqueous solutions of various components. At this time, the aqueous solution introduced into the two or more inner tubes may be finally formed by adjusting the flow rate ratio for each of the pigment solution having a different color.
상기에서 상기 (a) 단계에서 두 개 이상의 내부관이 포함된 미세유체소자에 의하여 여러 성분의 수용액이 각각의 내부 액적을 형성할 수 있다. 이때 두 개 이상의 내부관을 통해 유입되는 수용액이 서로 다른 색깔을 갖는 색소 용액인 경우 다양한 색깔의 액적이 제어된 숫자로 함유될 수 있다.In the above (a) step, an aqueous solution of various components may form respective internal droplets by a microfluidic device including two or more internal tubes. In this case, when the aqueous solution introduced through two or more inner tubes is a dye solution having a different color, droplets of various colors may be contained in a controlled number.
상기에서 상기 (b)단계의 광중합 가능한 오일의 도입시 작용기를 함유하는 광중합 가능한 물질을 혼합하여 사용함으로써 고분자 표면에 작용기가 존재하는 고분자 캡슐을 제조할 수 있다.In the introduction of the photopolymerizable oil of step (b), by using a photopolymerizable material containing a functional group, a polymer capsule having a functional group on the surface of the polymer may be prepared.
상기에서 상기 (b)단계의 광중합 가능한 오일에 실리카, 타이타니아 또는 금의 콜로이드 입자를 1∼30v/v％ 혼합함으로써 고분자 캡슐의 표면 혹은 캡슐 벽 내부에 콜로이드 입자의 배열이 존재할 수 있다.In the above (b), the colloidal particles of silica, titania or gold are mixed with the photopolymerizable oil of 1-30v / v%, so that the colloidal particles may be present on the surface of the polymer capsule or inside the capsule wall.
상기에서 상기 (b)단계의 연속상 흐름에 실리카, 타이타니아, 금 또는 폴리스타이렌의 콜로이드 입자를 1∼30 v/v％ 혼합함으로써 고분자 캡슐의 표면에 콜로이드입자의 배열이 존재할 수 있다.In the above (b) step by mixing the colloidal particles of silica, titania, gold or polystyrene colloidal particles of 1 to 30 v / v% may be an array of colloidal particles on the surface of the polymer capsule.
상기에서 상기 (b)단계의 내부 액적을 위한 수용액 흐름 대신에 공기나 질소를 포함한 가스를 유체로 흘려주어 내부가 기상으로 채워지도록 할 수 있다.In place of the aqueous solution flow for the internal droplet of the step (b) in the above can be flowed into the gas containing air or nitrogen to the fluid to be filled with the gas phase.
상기에서 상기 (c)단계의 광경화시 1∼100 mW/cm2의 광도에서 0.1∼10초 동안 실시할 수 있다.In the photocuring step (c) may be carried out for 0.1 to 10 seconds at a luminous intensity of 1 to 100 mW / cm 2 .
본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 제조된 고분자 캡슐 내부의 고분자 미세 입자의 표면에 생물분자를 물리적 흡착 혹은 화학적 결합을 통해 도입할 수 있다.The present invention can introduce biomolecules through physical adsorption or chemical bonding to the surface of the polymer microparticles in the polymer capsule prepared by the above-mentioned method.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, (a) 미세관을 이용하여 미세유체소자를 만드는 단계; (b) 상기 미세유체소자로 내부 액적을 위한 물 혹은 수분산 용액 흐름, 중간상을 위한 광중합 가능한 오일 혹은 콜로이드 분산 광중합 오일 흐름, 연속상을 위한 물 흐름을 도입하고 균일한 크기의 이중 액적을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 이중 액적에 자외선을 조사하여 광경화 시키는 단계를 포함하는 고분자 캡슐의 제조방법에 관한 것이다.One aspect of the present invention for achieving the above object, (a) making a microfluidic device using a microtubule; (b) introducing into the microfluidic device a water or water dispersion solution stream for internal droplets, a photopolymerizable oil or colloidal dispersed photopolymer oil stream for the intermediate phase, a water stream for the continuous phase and forming a double droplet of uniform size; step; And (c) relates to a method for producing a polymer capsule comprising the step of photocuring by irradiating the double droplet with ultraviolet light.
상기 (a)단계의 미세관에는 내경이 1∼1000마이크로미터의 관이 사용되는데 내부관, 중간관, 외부관으로 이루어지고, 순서대로 내경의 크기가 증가하게 된다. 내부관의 끝단은 중간관의 끝단에서 약 1∼100mm 가량 중간관 내부로 들어가 있게 되고, 각각의 관은 외부의 유체공급장치와 분리된 상태로 연결 되어 있어 서로 섞이지 않고 유체가 도입되게 된다. 미세관들은 누출 없이 밀봉되기 위하여 접착제가 이용되는데, 광경화 가능한 접착제가 주로 사용되었으나 이에 한정되는 것은 아니고 밀봉이 가능한 모든 접착제가 사용 가능하다.In the microtube of step (a), an inner diameter of 1 to 1000 micrometers is used, and the inner tube, the intermediate tube, and the outer tube are formed, and the size of the inner diameter is increased in order. The end of the inner tube is about 1-100mm from the end of the intermediate tube into the inside of the intermediate tube, each tube is separated from the external fluid supply device is connected to each other so that the fluid is introduced without mixing. In order to seal the microtubes without leakage, an adhesive is used. A photocurable adhesive is mainly used, but not limited thereto. Any adhesive capable of sealing can be used.
상기 (b)단계의 광중합 가능한 단량체 오일로는 아크릴레이트 기를 포함하는 광중합 고분자중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하나, 자외선에 의해 경화가 가능한 고분자라면 제한 없이 사용할 수 있다. 이때 광중합 가능한 오일은 내부의 수용액을 안정화시키기 위한 계면활성제를 0.1∼5wt％ 함유하고 있어야 하는데, Sorbitan monooleate와 같이 HLB 값이 7 이하의 계면활성제로서 선택된 수용액과 오일상의 종류에 따라 수용액 액적을 안정화 시키며 광중합을 방해하지 않는 것이면 어떤 것이든 사용할 수 있다.The photopolymerizable monomer oil of step (b) is preferably one or two or more selected from photopolymers containing acrylate groups, but may be used without limitation as long as the polymer is curable by ultraviolet rays. At this time, the photopolymerizable oil should contain 0.1 ~ 5wt% of surfactant for stabilizing the aqueous solution inside. As Sorbitan monooleate, HLB value is less than 7 as a surfactant. Anything can be used as long as it does not interfere with photopolymerization.
한편 내부 액적 생성을 위한 수용액 흐름은 순수한 물을 비롯하여 콜로이드 분산매, 색소 및 형광물질 수용액, 생물분자 수용액, 독성 물질 수용액 등 선택된 오일상과 섞이지 않는 어떤 수용액이든지 사용이 가능하며, 필요한 경우에는 공기나 질소 등의 기상 유체도 수용액 흐름을 대체하여 사용 가능하다.On the other hand, the aqueous solution stream for generating internal droplets can be any water that is not mixed with the selected oil phase such as pure water, colloidal dispersion medium, aqueous solution of pigments and fluorescent materials, aqueous solution of biomolecules and aqueous solution of toxic substances. Gas phase fluids such as these can also be used in place of the aqueous solution flow.
외부 연속상 흐름을 위한 물은 선택된 오일 액적을 안정화 시킬 수 있는 계면활성제를 0.1∼5wt％ 함유하고 있어야 하는데, 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드-에틸렌옥사이드(ethyleneoxide-prophyleneoxide-ethyleneoxide) 삼중 블록 공중합체 (F108, BASF)와 같이 HLB 값이 7 이상의 계면활성제로서 선택된 오일상의 종류에 따라 오일 액적을 안정화 시킬 수 있는 것이면 어떤 것이든 사용할 수 있다.The water for the external continuous phase flow should contain 0.1 to 5 wt% of a surfactant capable of stabilizing the selected oil droplets. The ethyleneoxide-prophyleneoxide-ethyleneoxide triple block copolymer (F108, As a surfactant having an HLB value of 7 or more as BASF), any oil phase can be stabilized according to the type of oil phase selected.
내부상, 중간상, 연속상의 3가지 흐름의 유량은 제조하고자 하는 이중 액적의 크기 및 내부 액적의 개수, 미세관의 크기 등에 따라 달라지는데 안정하게 원하는 이중액적을 형성하는 조건이라면 어떤 유량이든 사용할 수 있다. 전형적으로는 분당 1∼10000마이크로리터(㎕) 정도의 유량이 사용된다.The flow rate of the three flows of the inner phase, the intermediate phase, and the continuous phase varies depending on the size of the double droplet to be manufactured, the number of the inner droplets, the size of the microtubules, and the like, and any flow rate may be used as long as it forms a desired double droplet stably. Typically, a flow rate of about 1 to 10000 microliters (μl) per minute is used.
상기 (c)단계의 자외선 조사는 1∼100mW/cm2의 광도에서 0.1∼10초 동안 수행하는데, 이중 액적의 중간상이 완전하게 광경화되는 조건이라면 어떤 광도와 노 광시간도 가능하다. 이때 자외선의 조사 시간은 자외선 노광 영역의 길이와 연속상의 유속에 의해 결정되게 된다. The ultraviolet irradiation of step (c) is performed at a luminous intensity of 1 to 100 mW / cm 2 for 0.1 to 10 seconds, and any luminous intensity and exposure time can be used as long as the intermediate phase of the double droplet is completely photocured. At this time, the irradiation time of ultraviolet rays is determined by the length of the ultraviolet exposure region and the flow velocity of the continuous phase.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
본 발명은 미세유체소자를 이용하여 광중합 가능한 중간상을 갖는 이중 액적을 제조하고 이를 흐름 중에 광경화시킴으로써 균일한 크기의 고분자 캡슐을 제조함에 그 목적이 있다. 형성되는 고분자 캡슐은 내부와 외부를 격리시킴으로써 수분산이 가능한 여러 가지 물질을 구형의 캡슐 내부에 감금할 수 있다. 또한 콜로이드 입자나 작용기를 형성되는 캡슐의 표면에 도입함으로써 그 응용성이 더욱 넓어질 수 있다.An object of the present invention is to prepare a double-droplet having a photopolymerizable intermediate phase using a microfluidic device and photocuring it in a flow to produce a polymer capsule of uniform size. The polymer capsule to be formed can confine various substances capable of being water-dispersible inside the spherical capsule by isolating the inside and the outside. In addition, the application can be further widened by introducing the colloid particles or functional groups to the surface of the capsule to be formed.
본 발명을 통해 개발된 미세관으로 구성되는 유체소자는 내부관, 중간관, 외부관 3개로 구성되어 있으며, 내부관으로는 감금하고자 하는 물질을 포함하는 수분산 용액이, 중간관으로는 적당한 계면활성제를 포함하는 광중합 가능한 단량체 오일이, 외부관으로는 계면활성제를 포함하는 물이 도입된다. 그 결과 내부관의 끝단에서는 수용액 액적이 광중합 가능한 단량체 오일을 연속상으로 하여 생성된다. 또한 중간관의 끝단에서는 광중합 가능한 액적이 외부의 물을 연속상으로 하여 생성된다. 중간관에서의 광중합 가능한 액적 생성시 광중합 액적은 내부에 수용액 액적을 포함하게 되어 이중 액적이 형성되게 되는 것이다. 특히 수용액 액적의 형성주기가 빠른 경우에는 광중합 액적이 두개 이상의 수용액 액적을 그 내부에 포함 할 수 있게 된다. 내부관 및 중간관의 끝단에서 액적의 형성은 적하(dripping mode) 혹은 분출(jetting) 모드에서 형성될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 주로 적 하모드를 이용하였다.The fluid element composed of the microtube developed through the present invention is composed of an inner tube, an intermediate tube, and an outer tube, and an inner tube includes an aqueous dispersion solution containing a substance to be confined, and an appropriate interface as an intermediate tube. As for the photopolymerizable monomer oil containing an active agent, the water containing surfactant is introduce | transduced into an outer tube. As a result, at the end of the inner tube, an aqueous solution droplet is produced in the form of a monomer oil capable of photopolymerization as a continuous phase. Further, at the end of the intermediate tube, droplets capable of photopolymerization are generated by using external water as a continuous phase. When the photopolymerizable droplet is generated in the intermediate tube, the photopolymerizable droplet includes an aqueous solution droplet therein to form a double droplet. In particular, when the formation cycle of the aqueous solution droplets is fast, the photopolymerized droplets may include two or more aqueous solution droplets therein. Droplet formation at the ends of the inner tube and the intermediate tube may be formed in a dripping mode or a jetting mode. In the embodiment of the present invention, a dripping mode is mainly used.
적하(dripping) 모드에서는 액적이 외부 흐름에 의한 항력(drag force)과 계면장력에 의해 주어지는 모세관 힘(capillary force)의 균형에 의하여 만들어진다. 이는 주로 내부 유속이 외부 유속에 비해 비교적 느릴 때 나타난다. 힘의 균형을 통해 형성되는 액적의 크기를 하기 수식(1)로 예상할 수 있다.In dripping mode, droplets are created by the balance of capillary forces given by drag forces and interfacial tension due to external flow. This occurs mainly when the internal flow rate is relatively slow compared to the external flow rate. The size of the droplets formed through the balance of forces can be estimated by the following formula (1).
상기 수식(1)에서 dd는 형성되는 액적의 지름이고, di는 내부 유리관의 내경, γ는 계면장력, v는 외부 흐름의 유속, ηc는 외부 유체의 점도를 의미한다. 따라서 형성되는 액적의 크기는 주로 내부 유리관의 내경과 외부흐름의 유속에 의해 정해지게 된다. 내경이 클수록, 외부 흐름의 유속이 낮을수록 큰 액적이 형성된다. 한편 내부 흐름의 유속은 액적의 형성 주기를 결정할 뿐 액적의 크기에는 영향을 주지 않는다. 따라서 동일한 크기의 액적을 더 짧은 주기로 만들고자 할 경우에는 외부 흐름의 유속을 유지한 상태로 내부 흐름의 유속만을 증가시키면 된다.In the above formula (1), d d is the diameter of the droplet is formed, di is the inner diameter of the inner glass tube, γ is the interfacial tension, v is the flow rate of the external flow, η c is the viscosity of the external fluid. Therefore, the size of the droplets to be formed is mainly determined by the inner diameter of the inner glass tube and the flow rate of the outer flow. The larger the inner diameter and the lower the flow rate of the external flow, the larger droplets are formed. On the other hand, the flow rate of the internal flow determines the droplet formation cycle and does not affect the droplet size. Therefore, in order to make the droplets of the same size in a shorter period, only the flow rate of the inner flow needs to be increased while maintaining the flow rate of the outer flow.
따라서 내부 및 중간상 액적의 크기 조절과 내부 액적의 숫자조절을 위해서는 3가지 흐름의 유량 조절이 중요하게 된다. 액적의 크기는 상기 수식으로부터 예상할 수 있으며, 내부 액적의 숫자는 다음의 수식(2)으로부터 예상할 수 있다.Therefore, it is important to control the flow rate of the three flows in order to control the size of the internal and intermediate droplets and the number of internal droplets. The size of the droplet can be estimated from the above equation, and the number of internal droplets can be estimated from the following equation (2).
상기 수식(2)에서 Qi와 Qm은 각각 내부 및 중간상의 유량, Vi와 Vm은 내부 액적의 부피 와 이중액적의 부피를 나타내며, 부피는 상기 수식(1)로부터 유추할 수 있다.In Formula (2), Qi and Qm represent the flow rates of the inner and intermediate phases, respectively, Vi and Vm represent the volume of the inner droplet and the volume of the double droplet, and the volume can be deduced from the formula (1).
형성된 이중액적의 중간상은 하류로 흘러감에 따라 자외선 노광영역을 지나면서 고형화되게 되고, 그 결과 액적상태의 불안정성이 사라지게 된다. 형성된 캡슐은 내부에 수용액을 함유하고 있게 되는데 수용액에 분산된 콜로이드 혹은 색소 성분들은 캡슐을 빠져나가지 못하고 내부에 갖혀 있게 된다. 수용액 성분이 액상에서도 결정을 이루는 결정 콜로이드 배열(Crystalline Colloidal Arrays)인 경우에는 캡슐화 이후에 액상 광결정구로서의 광특성을 나타내게 되고, 이는 전기장이나 자기장에 의한 입자 이동을 통해 빠른 속도로 색조절이 가능한 화소로 활용할 수 있게 된다. 한편 함유하고 있는 수용액이 색소 물질인 경우에는 다양한 색깔을 갖는 캡슐을 만들 수 있게 되고, 내부 액적의 숫자까지 조절을 할 수 있게 되어 매우 다양한 종류의 캡슐을 제조할 수 있게 된다. 이러한 캡슐은 생물분자에 꼬리표를 달기 위한 미세입자로 활용할 수 있으며, 이는 한 종류의 형광물질만 사용하고도 다양한 종류의 생물분자를 검출할 수 있는 도구가 될 수 있다. 한편 수용액 성분이 온도에 민감하게 반응을 일으키는 화합물인 경우에는 생성된 캡슐의 온도를 조절함으로써 캡슐 내부에서만 격리된 채 반응을 일으킬 수 있는 미세 반응기의 역할을 할 수 있다. 수용액이 격리가 필요한 위험물질이거나 외부로부터의 불순물 없이 높은 순도로 유지 되어야 하는 물질인 경우에도 본 발명을 통해 만들어지는 캡슐을 사용하면 안전하게 혹은 높은 순도로 각 물질을 유지할 수 있게 된다.As the intermediate phase of the formed double droplet flows downstream, it solidifies as it passes through the ultraviolet exposure region, and as a result, the instability of the droplet state disappears. The formed capsules contain an aqueous solution therein, and the colloidal or pigment components dispersed in the aqueous solution do not escape the capsules and are contained therein. When the aqueous solution is a crystalline colloidal arrays that crystallize even in the liquid phase, it shows optical characteristics as a liquid photonic crystal sphere after encapsulation, and this is a pixel which can control color at high speed through particle movement by an electric or magnetic field. It can be used as. On the other hand, when the aqueous solution is a pigment material it is possible to make a capsule having a variety of colors, it is possible to control up to the number of internal droplets to be able to produce a wide variety of capsules. These capsules can be used as microparticles for tagging biomolecules, which can be a tool that can detect various types of biomolecules using only one type of fluorescent material. On the other hand, when the aqueous component is a compound that reacts sensitively to temperature, by controlling the temperature of the resulting capsule it can serve as a microreactor capable of causing a reaction isolated only inside the capsule. Even if the aqueous solution is a dangerous substance to be sequestered or a substance to be maintained at high purity without impurities from the outside, the capsule made through the present invention can maintain each substance safely or in high purity.
제조되는 고분자 캡슐 미세입자의 폭 넓은 활용을 위해서는 표면에 작용기를 도입하거나 콜로이드 입자를 도입할 필요가 있다. 작용기의 도입을 위해서는 원하는 작용기가 붙어 있는 광중합 가능한 물질을 순수하게 중간상으로 이용할 수 있다. 그러나 작용기를 가지고 있는 물질들은 물과의 친화력으로 인해 액적으로 생성되기가 힘들다. 이런 경우에는 기존의 광중합 가능한 오일과 혼합하여 사용하되, 필요시에는 내부 액적 및 연속상의 pH를 바꾸어 주어 안정된 액적 형성이 가능하도록 조건을 만들어 줄 수 있다. 한편 콜로이드 입자를 캡슐의 표면에 도입하기 위해서는 콜로이드 입자를 중간상에 도입하여 표면으로 이동하도록 유도하거나 연속상에 도입하여 표면으로 이동하도록 유도하는 방법이 가능하다. 콜로이드 입자는 그 상 친화력에 따라 표면에서의 노출 정도가 바뀔 수 있다. 노출될 콜로이드 입자는 추가적인 표면처리를 통해 원하는 작용기를 갖도록 바뀔 수 있다. In order to make wide use of the prepared polymer capsule microparticles, it is necessary to introduce functional groups or colloidal particles onto the surface. For the introduction of the functional group, a photopolymerizable substance to which the desired functional group is attached can be used as a pure intermediate phase. However, substances with functional groups are difficult to form as droplets due to their affinity with water. In this case, it can be mixed with existing photopolymerizable oils, but if necessary, the conditions can be made to change the internal droplets and the pH of the continuous phase to form stable droplets. On the other hand, in order to introduce the colloidal particles to the surface of the capsule it is possible to introduce the colloidal particles to the intermediate phase to move to the surface or to introduce the continuous phase to move to the surface. Colloidal particles can vary their degree of exposure on the surface depending on their phase affinity. The colloidal particles to be exposed can be changed to have the desired functionality through additional surface treatment.
본 발명에서 사용한 시스템은 물/오일/물 이중액적 시스템인데, 물은 예컨대, 3차 증류수를 사용하고, 오일은 자외선 조사에 의해 경화가 가능한 Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate monomer(ETPTA, MW 428, viscosity 60 cps, SR 454)를 사용할 수 있으나, 자외선에 노출되었을 때 경화가 되는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다.The system used in the present invention is a water / oil / water double-droplet system, where water is used, for example, tertiary distilled water, and oil is curable by ultraviolet irradiation. Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate monomer (ETPTA, MW 428, viscosity 60 cps, SR 454) may be used, but may be used without limitation so long as it is cured when exposed to ultraviolet light.
물/오일 액적을 안정화시키는 계면활성제로는 예컨대, SPAN 80(Sorbitan monooleate)이 사용될 수 있는데 HLB값이 7이하로 물/오일 액적을 안정화시킬 수 있으면서 중간상의 광경화를 방해하지 않는 계면활성제라면 어떤 것이든 사용 가능하다. 또한 Pluronic F108(Ethylene Oxide/Propylene Oxide Block Copolymer, BASF)은 오일/물 액적을 안정화시키기 위해 사용할 수 있는데, 이는 상온에서의 용 해도가 10％이상이며, HLB값이 24이상으로 오일상을 안정화시키기 알맞은 계면활성제이기 때문이나, HLB값이 8이상인 계면활성제라면 제한 없이 사용될 수 있다.As a surfactant for stabilizing water / oil droplets, for example, SPAN 80 (Sorbitan monooleate) may be used. Any surfactant that has a HLB value of 7 or less that can stabilize water / oil droplets and does not interfere with intermediate photocuring Anything is available. In addition, Pluronic F108 (Ethylene Oxide / Propylene Oxide Block Copolymer, BASF) can be used to stabilize oil / water droplets, which has a solubility of 10% or more at room temperature and a HLB value of 24 or more. Because it is a suitable surfactant, any surfactant having an HLB value of 8 or more can be used without limitation.
내부관으로 도입되는 물의 흐름으로는 3차 증류수를 포함하여 수분산 용액은 어떤 것이든 사용 가능하다. 예컨대, 1∼40v/v％의 폴리스타이렌(polystyrene) 입자 수분산액이 사용될 수 있으며 이는 입자 표면의 작용기로 인한 반발력으로 인해 액상에서도 결정을 이룰 수 있게 된다. 따라서 이들이 캡슐 내부에 감금되는 경우 액상 광결정구를 형성하여 캡슐의 회전에 무관하게 항상 같은 광특성을 보이는 구조체를 만들 수 있게 된다. 한편 형광염료 혹은 색소가 0.01∼10v/v％ 분산된 수용액을 사용할 수 있으며, 이 경우에는 내부 액적의 색깔과 숫자를 조절함으로써 매우 다양한 고분자 캡슐 미세입자를 제조할 수 있게 된다.As the flow of water introduced into the inner tube, any aqueous dispersion solution including tertiary distilled water can be used. For example, an aqueous dispersion of polystyrene particles of 1 to 40 v / v% may be used, which may form crystals in the liquid phase due to the repulsive force due to the functional groups on the surface of the particles. Therefore, when they are confined inside the capsule to form a liquid photonic crystal sphere it is possible to make a structure that always shows the same optical properties regardless of the rotation of the capsule. On the other hand, fluorescent dyes or pigments may be used in an aqueous solution of 0.01 to 10v / v% dispersed, in this case it is possible to manufacture a wide variety of polymer capsule microparticles by adjusting the color and number of the inner droplets.
그 밖에도 반응성이 있는 화합물 수용액이나 위험한 화학물질 수용액, 생물 분자 수용액 등 어떤 종류의 수용액 성분도 사용이 가능하며, 내부를 기상으로 채우고 싶은 특별한 경우에는 수용액이 아닌 공기나 질소 등을 포함하는 기상흐름을 사용할 수 있다.In addition, any kind of aqueous solution such as reactive compound solution, dangerous chemical solution, and biological molecule solution can be used.In a special case where the inside is to be filled with a gaseous phase, a gaseous flow containing air or nitrogen is used instead of an aqueous solution. Can be.
표면에 작용기를 도입하기 위해서는 작용기를 포함하는 광중합 가능한 물질을 활용할 수 있는데, 예컨데 acidic acrylate oligomer(CN147, Sartomer) 혹은 amine modified polyetheracrylate(CN501, Sartomer)가 카르복실기나 아민기를 도입하기 위해서 사용될 수 있다. 이때 내부 액적을 위한 수용액 흐름과 외부의 연속상 흐름의 pH를 조절함으로써 액적의 안정된 형성을 도울 수 있다.In order to introduce a functional group on the surface, a photopolymerizable material including a functional group may be used. For example, acidic acrylate oligomer (CN147, Sartomer) or amine modified polyetheracrylate (CN501, Sartomer) may be used to introduce a carboxyl group or an amine group. At this time, by adjusting the pH of the aqueous solution flow for the internal droplets and the external continuous phase flow it can help the stable formation of the droplets.
또한 표면에 콜로이드 입자를 도입하기 위해서는 실리카 (Silica) 입자, 타 이타니아(Titania) 입자, 폴리스타이렌(Polystyrene) 입자, 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate) 입자 또는 금(Gold) 입자 등의 1∼10000nm 크기 입자가 중간상 혹은 연속상에 도입됨으로써 가능하나 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, in order to introduce colloidal particles on the surface, silica particles, titania particles, polystyrene particles, polymethylmethacrylate particles, or gold particles, 1-10000 nm in size, may be used. The particles may be introduced by the intermediate phase or the continuous phase, but are not limited thereto.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the following Examples are provided for the purpose of explanation, and the present invention is not limited thereto.
<실시예 1> : 결정 콜로이드 배열의 구형 캡슐화Example 1 Spherical Encapsulation of Crystalline Colloid Arrays
표면에 카르복실그룹을 갖는 328나노미터(nm) 크기의 단분산 폴리스타이렌 입자를 유화제 없는 유화중합(emulsifier-free emulsion polymerization)을 통해 제조하였고, 이를 10v/v％로 수분산 시켰다. 이 분산매를 내경이 150마이크로미터(㎛)인 내부관으로 도입하였고, 계면활성제 Sorbitan monooleate(SPAN 80, Aldrich)이 2wt％로 녹아있는 광중합 가능한 오일인 ETPTA를 내경이 280마이크로미터인 중간관으로 도입하였다. 이때 중간관의 안쪽 벽은 미세유체소자로 조립되기 전에 톨루엔에 분산된 octadecyltrichlorosilane(OTS)를 이용하여 친유성 코팅 처리를 선행하였다. 또한 계면활성제 ethyleneoxide-prophyleneoxide-ethyleneoxide 삼중 블록 공중합체(F108, BASF)가 1wt％ 녹아 있는 물을 내경이 400마이크로미터인 외부관으로 도입하였다. 이 때 유량은 내부, 중간, 연속상 흐름에 대해서 각각 1㎕/min, 0.3㎕/min, 100㎕/min으로 도입하였으며 그 결과 중간관의 끝단에서 내부에 하나의 커다란 콜로이드 분산 액적을 갖는 이중 액적이 제조되었다. 이를 하류 에서 10mW/cm2 광도의 자외선 노출영역을 1초간 지나가게 하여 광경화시켰다(도 1 참조). 그 결과 340마이크로미터의 고분자 캡슐이 제조되었으며, 캡슐의 두께는 15마이크로미터가 되었다. 한편 고분자 캡슐의 두께는 중간상의 유량을 조절함으로써 조절 가능하였다. 유량을 각각 1㎕/min, 0.2㎕/min, 100㎕/min; 1㎕/min, 0.3㎕/min, 100㎕/min; 1㎕/min, 0.4㎕/min, 100㎕/min 등으로 조절함으로써 그 두께를 10마이크로미터, 15마이크로미터, 20마이크로미터로 조절할 수 있었다.Monodispersed polystyrene particles of 328 nanometer (nm) size having carboxyl groups on the surface were prepared by emulsifier-free emulsion polymerization, which was dispersed at 10v / v%. This dispersion medium was introduced into an inner tube with an inner diameter of 150 micrometers (µm), and ETPTA, a photopolymerizable oil in which the surfactant Sorbitan monooleate (SPAN 80, Aldrich) was dissolved at 2wt%, was introduced into an intermediate tube with an inner diameter of 280 micrometers. It was. At this time, the inner wall of the intermediate tube was subjected to lipophilic coating treatment using octadecyltrichlorosilane (OTS) dispersed in toluene before being assembled into the microfluidic device. In addition, water containing 1 wt% of surfactant ethyleneoxide-prophyleneoxide-ethyleneoxide triple block copolymer (F108, BASF) was introduced into an outer tube having an internal diameter of 400 micrometers. At this time, the flow rates were introduced at 1 μl / min, 0.3 μl / min and 100 μl / min for the internal, intermediate and continuous phase flows, respectively. The enemy was manufactured. This was photocured by passing a UV exposure region of 10mW / cm 2 intensity downstream for 1 second (see Figure 1). As a result, a polymer capsule of 340 micrometers was produced, and the thickness of the capsule was 15 micrometers. On the other hand, the thickness of the polymer capsule was adjustable by adjusting the flow rate of the intermediate phase. Flow rates of 1 μl / min, 0.2 μl / min, 100 μl / min, respectively; 1 μl / min, 0.3 μl / min, 100 μl / min; The thickness was adjusted to 10 micrometers, 15 micrometers, and 20 micrometers by adjusting to 1 μl / min, 0.4 μl / min, 100 μl / min and the like.
도 2a에는 중간관의 끝단에서 이중 액적이 형성되는 순간의 광학현미경 사진을, 도 2b에는 생성된 이중액적이 외부관의 하류에서 흘러가는 모습을 나타내는 광학현미경 사진을 도시하였다.FIG. 2A shows an optical micrograph of the moment when the double droplets are formed at the end of the intermediate tube, and FIG. 2B shows an optical micrograph showing the generated double droplets flowing downstream of the outer tube.
도 3a에는 형성된 고분자 캡슐 내부에 결정 콜로이드 배열이 존재하는 액상 광결정구의 광학 현미경사진을 나타내었다. 또한 도 3b에는 이의 확대된 사진을 나타내었다. 사진에서 보이는 것처럼 액상 광결정구는 독특한 형태의 반사색 패턴을 보인다.FIG. 3a shows an optical micrograph of a liquid photonic crystal sphere in which a crystalline colloid array is present inside the formed polymer capsule. 3b shows an enlarged photograph thereof. As can be seen in the picture, the liquid crystallite has a unique reflection color pattern.
<실시예 2> :제어된 숫자의 내부 액적을 함유한 미세입자의 합성Example 2 Synthesis of Fine Particles Containing a Controlled Number of Internal Droplets
상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 고분자 캡슐을 제조하되 내부관의 흐름으로 빨간색 식용색소가 5wt％ 분산된 수용액을 사용하였다. 이때 내부, 중간, 연속상의 유량을 0.25㎕/min, 5㎕/min, 100㎕/min으로 설정하고 이중액적을 제조한 뒤 실시예 1과 같은 방법으로 광경화 시켰다. 이때 고분자 캡슐은 내부에 빨간색 색소 분산 액적 1개가 존재하는 형상이 되었다. 한편 유량을 0.65㎕/min, 5㎕/min, 100㎕/min으로 설정하고 이중액적을 제조하는 경우 내부에 동일한 크기의 색소 분산 액적 2개가 존재하는 형상이 1.4㎕/min, 5㎕/min, 100㎕/min의 유속으로 하는 경우 색소 분산 액적이 3개가 존재하는 형상을 만들 수 있었다. A polymer capsule was prepared in the same manner as in Example 1, but an aqueous solution containing 5 wt% of red edible dye was used as an inner tube flow. At this time, the flow rate of the internal, intermediate, and continuous phases was set to 0.25 μl / min, 5 μl / min, and 100 μl / min, and a double droplet was prepared and photocured in the same manner as in Example 1. At this time, the polymer capsule has a shape in which one red pigment dispersion droplet exists. On the other hand, when the flow rate is set to 0.65 μl / min, 5 μl / min, 100 μl / min and double droplets are prepared, the shape in which two pigment dispersion droplets of the same size exist inside is 1.4 μl / min, 5 μl / min, When the flow rate was 100 µl / min, a shape in which three pigment dispersion droplets existed could be formed.
도 4에는 내부에 하나의 빨간색 액적을 갖는 고분자 캡슐 미세입자와 두 개의 액적을 갖는 미세입자 및 세 개의 액적을 갖는 미세입자를 도시하였다.FIG. 4 illustrates polymer capsule microparticles having one red droplet, microparticles having two droplets, and microparticles having three droplets therein.
<실시예 3> : 다양한 색깔의 내부 액적을 갖는 미세입자 합성Example 3 Synthesis of Fine Particles with Inner Droplets of Various Colors
상기 실시예 2와 같은 방법으로 고분자 캡슐을 형성하되, 하나의 내부관으로 3개의 도입구를 갖는 미세유체소자를 제조하여 빨간색, 녹색, 파란색 식용색소를 각각 5 wt％로 수분산한 용액을 동시에 미세유체소자의 내부관으로 도입하였다. 이때 세가지 색깔의 흐름의 상대적인 유량을 조절함으로써 내부 액적의 색깔을 조절할 수 있었다. 유량은 내부, 중간, 연속상에 대해서 각각 2㎕/min, 3㎕/min, 350㎕/min로 조절하였으며, 내부 흐름은 다양한 조합의 3색 흐름으로 구성되었다. A polymer capsule was formed in the same manner as in Example 2, but a microfluidic device having three inlets as one inner tube was prepared to simultaneously disperse a solution of 5 wt% of red, green, and blue edible pigments, respectively. It was introduced into the inner tube of the microfluidic device. At this time, the color of the inner droplets could be controlled by adjusting the relative flow rates of the three colored streams. The flow rate was adjusted to 2 μl / min, 3 μl / min and 350 μl / min for the internal, intermediate and continuous phases, respectively, and the internal flow consisted of three color streams of various combinations.
도 5a는 하나의 내부관으로 3개의 도입구를 갖는 미세유체소자의 모식도를, 도 5b에는 3색 흐름의 다양한 상대적 유량에 따라 형성되는 단일 내부 액적을 갖는 고분자 캡슐 미세입자의 광학현미경 사진을 각각의 유량비와 함께 나타내었다.FIG. 5A is a schematic diagram of a microfluidic device having three inlets as one inner tube, and FIG. 5B is an optical micrograph of polymer capsule microparticles having a single inner droplet formed according to various relative flow rates of three color flows. It is shown together with the flow rate ratio of.
<실시예 4> : 제어된 숫자의 3색 내부 액적을 함유하는 미세입자Example 4 Microparticles Containing a Controlled Number of Tricolor Internal Droplets
상기 실시예 2에서와 같이 색소를 도입하되 3개의 내부관을 갖는 미세유체소 자를 이용하여 각각 빨간색, 녹색, 파란색 식용색소를 5wt％ 만큼 함유하는 수용액을 도입한다. 이들은 각각의 액적으로 형성되어 이중 액적의 내부로 포함되게 된다. 따라서 각 색의 액적 숫자를 내부유량을 조절함으로써 개별적으로 제어할 수 있게 된다. 이는 매우 다양한 색깔과 액적 숫자를 갖는 미세입자의 합성을 가능케 한다.The pigment is introduced as in Example 2, but an aqueous solution containing 5 wt% of red, green, and blue food dyes is introduced using microfluidic elements having three inner tubes. These are formed into respective droplets to be contained within the dual droplets. Therefore, the number of droplets of each color can be individually controlled by adjusting the internal flow rate. This allows the synthesis of microparticles with a wide variety of colors and droplet numbers.
도 6a에는 3개의 내부관을 갖는 미세유체소자의 모식도를, 6b에는 다양한 구성의 고분자 캡슐 미세입자의 광학 현미경 사진을 나타내었다.6A shows a schematic diagram of a microfluidic device having three inner tubes, and FIG. 6B shows optical micrographs of polymer capsule microparticles having various configurations.
<실시예 5> : 미세입자 표면으로의 작용기 도입Example 5 Introduction of Functional Groups to the Surface of Microparticles
표면에 작용기를 도입하기 위해서 광중합 가능한 오일로써 ETPTA와 amine modified polyetheracrylate를 9:1의 부피비로 혼합하였다. 또한 색소 수용액과 연속상 수용액에는 수산화나트륨을 3wt％ 도입하여 흘려주었다. 형성된 액적은 실시예 1에서와 흡사하게 광결화 되었으며, 그 결과 표면에 아민기가 도입된 미세입자를 제조할 수 있었다.ETPTA and amine modified polyetheracrylate were mixed in a volume ratio of 9: 1 as a photopolymerizable oil to introduce functional groups on the surface. In addition, 3 wt% of sodium hydroxide was introduced into the dye aqueous solution and the continuous phase aqueous solution, and the mixture was allowed to flow. The formed droplets were photo-crystallized similarly to those of Example 1, and as a result, microparticles having an amine group introduced therein were prepared.
도 7에는 표면이 아민기로 치환된 미세입자의 광학 현미경 사진을 나타내었다.7 shows an optical micrograph of the microparticles whose surface is substituted with an amine group.
<실시예 6> : 미세입자 표면으로의 나노입자 도입Example 6 Introduction of Nanoparticles to the Surface of Microparticles
표면에 나노입자의 배열을 형성하기 위해서 중간상의 광중합 가능한 ETPTA에 200 나노미터 크기의 실리카 입자를 5wt％로 혼합하였다. 다른 조건들은 실시예 1 과 같이 유지하였고, 그 결과 실리카 나노입자가 미세 입자의 표면으로 드러난 형태의 미세입자가 형성 되었다.In order to form an array of nanoparticles on the surface, 200 nanometer-sized silica particles were mixed with 5 wt% of ETPTA in an intermediate phase. Other conditions were maintained as in Example 1, resulting in the formation of microparticles in the form of the silica nanoparticles revealed on the surface of the microparticles.
도 8에는 표면에 실리카 입자가 들어난 미세입자의 주사전자 현미경 사진을 나타내었다.8 shows a scanning electron micrograph of the fine particles containing silica particles on the surface.
<실시예 7> : 미세입자 표면으로의 생물 분자 도입Example 7 Introduction of Biological Molecules to Microparticle Surface
상기 실시예 4에서 제조된 미세입자의 표면에 형광물질을 가지고 있는 Bovine Serum Albumin(BSA) 단백질을 10㎍/mL의 농도로 도입하고 상온에서 2시간 동안 천천히 교반하였다. 그 결과 BSA 단백질이 미세입자의 표면에 물리적으로 흡착하였고, 공초점 현미경을 통해 관찰한 결과 미세입자의 표면에서 형광 신호를 검출 할 수 있었다. 또한 실시예 5에서 제조된 미세입자를 8wt％의 Glutaldehyde 용액에 넣어 4시간동안 상온에서 교반한 후 씻어내어 Bovine Serum Albumin(BSA) 단백질을 10㎍/mL의 농도로 도입하고 4℃에서 12시간 동안 천천히 교반하였다. 그결과 단백질이 미세입자의 표면과 화학적으로 결합하였다.Bovine Serum Albumin (BSA) protein having a fluorescent material on the surface of the microparticles prepared in Example 4 was introduced at a concentration of 10 µg / mL and stirred slowly at room temperature for 2 hours. As a result, the BSA protein was physically adsorbed on the surface of the microparticles, and when observed through confocal microscopy, the fluorescence signal could be detected on the surface of the microparticles. In addition, the microparticles prepared in Example 5 were added to 8 wt% Glutaldehyde solution, stirred at room temperature for 4 hours, washed, and then introduced with Bovine Serum Albumin (BSA) protein at a concentration of 10 µg / mL, followed by 12 hours at 4 ° C. Stir slowly. As a result, the protein chemically bound to the surface of the microparticles.
도 9에는 표면에 BSA 단백질이 물리적으로 흡착되어 있는 미세입자의 광학 현미경 사진 및 공초점 현미경 사진을 나타내었다.9 shows optical micrographs and confocal micrographs of microparticles having BSA protein physically adsorbed on a surface thereof.
<실시예 8> : 속이 빈 고분자 캡슐의 제조Example 8 Preparation of Hollow Polymer Capsule
상기 실시예 1과 동일한 조건으로 캡슐을 제조하되 내부흐름을 수용액이 아닌 공기로 바꾸어 수행하였다. 공기는 중간상 내부에서 바깥쪽으로 빠져 나가지 않 았고, 이를 하류에서 광경화 시켰다. 그 결과 내부에 공기가 들어있는 고분자 캡슐이 제조되었다.The capsules were prepared under the same conditions as in Example 1, but the internal flow was changed to air instead of an aqueous solution. The air did not escape from the inside of the middle phase to the outside, and it was photocured downstream. As a result, a polymer capsule containing air therein was prepared.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and modified within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.
본 발명에 의한 고분자 캡슐의 제조방법은 자외선 경화가 가능한 오일을 중간상으로 이용하여 이중액적 형성 후 광경화함으로써 매우 균일한 크기의 고분자 캡슐을 실시간으로 연속 생산할 수 있는 기술을 제공한다.The method for producing a polymer capsule according to the present invention provides a technology capable of continuously producing polymer capsules having a very uniform size in real time by photocuring after forming double droplets using an oil capable of UV curing as an intermediate phase.
또한, 본 발명을 통해 제조되는 고분자 캡슐 내부에 다양한 물질을 감금시킬 수 있어 다양한 응용분야에서 매우 유용할 것이다. 특히 결정 콜로이드 배열을 내부에 감금시키는 경우 액상 광결정구를 제조할 수 있어 빠른 응답속도를 보이는 반사형 디스플레이의 화소로 활용가능하며, 색소를 감금하는 경우에는 내부 액적의 색깔과 숫자의 제어가 가능해 생물 분자 감지용 미세입자로 활용할 수 있을 것이다. 또한 반응성 물질이 함유되어 있는 경우에는 미세 반응기로, 위험물질이나 고순도를 요구하는 물질의 경우에는 미세 밀폐용기로 활용될 수 있을 것이다.In addition, it is possible to confine various materials inside the polymer capsule produced by the present invention will be very useful in a variety of applications. Particularly, when the crystal colloid array is confined inside, liquid photonic crystal spheres can be manufactured, and it can be used as a pixel of a reflective display with fast response speed.In the case of dye confinement, the color and number of the internal droplet can be controlled. It can be used as a microparticle for molecular detection. In addition, if the reactive material contains a fine reactor, in the case of a dangerous material or a material that requires high purity it may be used as a fine sealed container.
도 1은 본 발명에 의한 이중액적을 이용한 고분자 캡슐의 제조방법을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a method for producing a polymer capsule using a double droplet according to the present invention.
도 2는 실시예 1에 의해 이중액적이 만들어지는 순간의 광학현미경 사진과 이중액적의 하류를 보여주는 광학현미경 사진이다.2 is an optical micrograph showing the optical micrograph of the moment when the double droplet is made by Example 1 and the downstream of the double droplet.
도 3은 실시예 1에 의해 제조된 액상 광결정구의 광학현미경사진이다.3 is an optical micrograph of the liquid photonic crystal sphere prepared in Example 1.
도 4는 실시예 2에 의해 제조된 제어된 숫자의 내부 액적을 갖는 고분자 캡슐 미세입자의 광학현미경 사진이다.FIG. 4 is an optical micrograph of polymer capsule microparticles having a controlled number of internal droplets prepared by Example 2. FIG.
도 5는 실시예 3에 의해 제조된 다양한 색깔의 고분자 캡슐 미세입자의 광학현미경 사진이다.5 is an optical micrograph of the various color polymer capsule microparticles prepared by Example 3.
도 6은 실시예 4에 의해 제조된 다양한 색깔과 숫자의 내부 액적을 갖는 미세입자의 광학현미경 사진이다.FIG. 6 is an optical micrograph of microparticles having internal droplets of various colors and numbers prepared by Example 4. FIG.
도 7은 실시예 5 에 의해 제조된 표면에 작용기를 갖는 미세입자의 광학현미경 사진이다.7 is an optical micrograph of the fine particles having a functional group on the surface prepared by Example 5.
도 8은 실시예 6 에 의해 제조된 표면에 나노입자 배열을 갖는 미세입자의 주사전자현미경사진이다.8 is a scanning electron micrograph of the microparticles having a nanoparticle array on the surface prepared in Example 6.
도 9는 실시예 7에 의해 제조된 표면에 단백질 분자를 함유하는 미세입자의 광학 및 공초점 현미경의 사진을 나타낸 것이다.FIG. 9 shows optical and confocal micrographs of microparticles containing protein molecules on the surface prepared by Example 7. FIG.
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