KR101040861B1 - 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자, 그 제조방법 및 이를 이용한 항균제에 관한 것으로서, 본 발명의 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자는 물이나 습기를 만났을 때에 팽윤하여 입자의 크기가 커지면서 내부의 은나노 입자를 외부로 방출하는 기능을 하는 광경화형 하이드로겔 폴리머로 구성되며 이러한 과정을 통해서 물이나 습기나 많은 곳에 적용하여 항균작용의 효율을 증대시킨다. 또한 본 발명의 제조방법에 의하면 항균성 은나노 입자를 포함하는 자외선 경화형 하이드로겔 용액을 마이크로 플루이딕 칩에 주입하여 마이크로 드롭렛을 형성시킨 후에 자외선을 일정 시간 동안 조사하여 광경화시킴으로써 균일도가 높고 효율적인 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자를 제조할 수 있다.

Description

항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자 및 그 제조방법{Hydrogel microparticle containing antibacterial nano silver particles and Manufacturing method thereof}

본 발명은 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자, 그 제조방법 및 이를 이용한 항균제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 하이드로겔 마이크로입자는 하이드로겔 폴리머, 은 나노입자 및 광경화 개시제를 포함하고, 상기 제조방법은 은 나노입자, 하이드로겔 폴리머 전구체, 및 광경화 개시제를 교반하여 하이드로겔 용액을 제조하는 혼합단계; 상기 하이드로겔 용액을 오일과 함께 마이크로 플루이딕칩에 주입하여 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 만드는 소포화단계; 및 상기 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 경화하여 하이드로겔 마이크로입자를 만드는 경화단계를 포함한다.

건물의 벽이나 물체의 표면에 습기가 차고 물이 스며들면 이로 인해서 곰팡이나 유해 세균이 번식하게 된다. 일반적으로 이러한 습한 물체의 표면에 증식하는 곰팡이나 세균의 제거를 위해서 항균성 약품을 그 물체의 표면에 스프레이하거나 바른다. 그러나 이와 같이 곰팡이나 세균을 살균하기 위해서 약품을 뿌리거나 도포하는 과정에서 발생하는 항균성 약품이 공기 중으로 휘발하거나 물체 표면에 잔존하게 되는 경우 인체에 해롭다.

은 나노입자에 유해 세균을 살균하는 항균성이 있는 성질을 이용하여 은 나노입자를 고형화된 세라믹이나 플라스틱 기판의 내부에 넣어서 나노복합체로 제조하여 사용하고자 하는 연구개발이 최근 진행되고 있으며, 이를 바탕으로 일부 제품이 제조되고 있는 실정이다. 그러나 이미 딱딱하게 고형화된 고체의 내부에 포함된 은 나노입자가 표면으로 용출되어 항균성 작용을 하기에는 그 효율에 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위하여 항균성 은 나노입자를 특정 용액에 희석하여 물체의 표면에 도포하는 기술이 고려되고 있다. 그러나 물체의 표면에 항균성 은 나노입자를 도포하기 위해서 은 나노입자를 어떤 용액 내에 잘 분산시킨 후에 도포하더라도 도포하는 과정 중이나 도포한 후에 은 나노입자들이 스스로 뭉침(self-assembly)으로써 은 나노입자가 갖는 높은 항균 효율을 현저히 저하시킬 수 있다. 즉, 항균성 은 나노입자를 특정 용액에 분산시켜 물체의 표면에 도포를 잘 하더라도 도포 후에 용매가 증발하는 과정에서 은 나노입자의 서로 간의 응집과 농도 불균형 등으로 인해서 결과적으로 은 나노입자의 분포가 고르지 않게 된다.

이러한 배경 하에, 본 발명자는 항균성 은 나노입자를 물체의 표면에 고르게 분산시키는 과정에 도움을 주는 마이크로 입자에 은 나노입자를 담지하여 도포한 후에, 물이나 습기를 만났을 때에 마이크로 입자 내부의 은 나노입자를 방출하는 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물이나 습기를 만났을 때 내부의 은 나노입자를 방출하여 물체의 표면에 고르게 분산시키는 하이드로겔 폴리머, 은 나노입자 및 광경화 개시제를 포함하는 하이드로겔 마이크로입자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 하이드로겔 마이크로입자를 보다 균일하고 효율적으로 제조하기 위하여 하이드로겔 용액을 제조하는 혼합단계; 상기 하이드로겔 용액을 오일과 함께 마이크로 플루이딕칩에 주입하여 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 만드는 소포화단계; 및 상기 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 경화하여 하이드로겔 마이크로 입자를 만드는 경화단계를 포함하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 하이드로겔 마이크로입자를 이용하여 세균, 곰팡이 등이 번식하기 쉬운 습한 곳에 강력하고 효과적인 항균력을 갖는 항균제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 하이드로겔 폴리머, 은 나노입자 및 광경화 개시제를 포함하는 하이드로겔 마이크로입자에 관한 것이다.

상기 하이드로겔 폴리머는 습기나 물기를 흡수하여 팽윤하면서 내부의 은 나노입자를 외부로 방출하는 기능을 수행하는데, 상기 하이드로겔 폴리머는 열경화형과 광경화형인 모두 사용할 수 있으나 광경화형이 바람직하며 특히 자외선 조사로 광경화되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 하이드로겔 폴리머로는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 갖는 것이 바람직하고, 상기 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 갖는 하이드로겔 폴리머는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 하이드록시에틸 메타크릴레이트로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 하이드로겔 마이크로입자의 직경은 20 내지 500㎛ 인 것이 바람직한데, 이는 20㎛ 미만인 경우 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 제조 과정이 어려운 문제가 있을 수 있고, 500㎛ 초과인 경우 수분 흡수를 통한 팽윤과정에서 항균성 은나노 입자의 방출 효율이 낮아지는 문제가 있을 수 있기 때문이다.

상기 은 나노입자의 직경은 10 내지 40㎚ 인 것이 바람직한데, 이는 10 ㎚ 미만인 경우 항균성 은나노 입자의 제조과정이 어려운 문제가 있을 수 있고, 40 ㎚ 초과인 경우 동일 함량일 경우에 은나노 입자의 표면적이 작아서 항균성을 나타내는 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있기 때문이다.

상기 하이드로겔 마이크로입자는 수분을 흡수함에 따라 그 내부에 함유하는 은 나노입자를 방출함으로써 은 나노입자를 대상물체의 표면에 고르게 분산시킬 수 있으므로 대상물체의 항균효과를 높이는 역할을 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 양상은 은 나노입자, 하이드로겔 폴리머의 전구체, 및 광경화 개시제를 교반하여 하이드로겔 용액을 제조하는 혼합단계; 상기 하이드로겔 용액을 오일과 함께 마이크로 플루이딕에 주입하여 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 만드는 소포화단계; 및 상기 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 경화하여 하이드로겔 마이크로입자를 만드는 경화단계를 포함하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법에 관한 것이다.

상기 혼합단계는 1ｘ10^-3 M 은 나노입자 용액 20 내지 60 부피비, 하이드로겔 폴리머의 전구체 40 내지 80 부피비, 광경화 개시제 0.5 내지 3 부피비로 적용하는 것이 바람직하다. 상기 하이드로겔 폴리머의 전구체는 하이드로겔 폴리머의 모노머, 올리고머, 폴리머를 포함하는 개념이다.

은 나노입자 용액이 60 부피비 초과인 경우 상대적으로 하이드로겔 폴리머 부피가 적어서 자외선경화에 의한 구형체의 형성과 유지가 어려운 문제가 있고, 은 나노입자 용액이 20 부피비 미만인 경우 하이드로겔 마이크로 입자 내에 담지하였을 때에 은 나노입자의 농도가 낮아서 항균효과가 미미한 문제가 있다.

하이드로겔 폴리머의 전구체가 80 부피비 초과인 경우 상대적으로 은 나노 용액의 부피비가 적어서 항균 효율이 저하되는 문제가 있고, 하이드로겔 폴리머의 전구체가 40 부피비 미만인 경우 자외선 경화반응이나 구형체의 유지가 어려운 문제가 있다.

광경화 개시제가 3 부피비 초과인 경우 자외선 조사에 의한 광가교가 과도하게 많아서 수분이나 물에 의한 하이드로겔 폴리머의 팽윤작용을 저해하는 문제가 있고, 광경화 개시제가 0.5 부피비 미만인 경우에는 자외선 경화반응의 효율이 저하되며 하이드로겔 폴리머 구형체의 형성과 유지가 어려운 문제가 있다.

상기 혼합단계에 적용되는 은 나노입자는 상술한 바와 같이 10 내지 40㎚인 것이 바람직하다. 상기 은 나노입자는 NaBH₄ 용액에 AgNO₃ 용액을 반응시킨 후 구연산나트륨(sodium citrate)를 첨가하여 은 나노입자를 안정화시킴으로써 제조할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 혼합단계에 적용되는 하이드로겔 폴리머의 전구체는 광경화형인 것이 바람직하며, 자외선 조사에 의한 광경화가 일어나는 것이 더욱 바람직하다.

상기 혼합단계에 적용되는 하이드로겔 폴리머의 전구체는 광경화시 수분이나 습기를 잘 흡수하여 팽윤할 수 있는 폴리머가 되며, 상기 하이드로겔 폴리머의 전구체는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 갖는 것이 바람직하며, 상기 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 갖는 폴리머의 전구체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEGDA), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트(PEGMEA), 하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA)의 전구체 등이 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 혼합단계에 적용되는 광경화 개시제는 α-hydroxy ketone계, α-amino ketone계, benzionalkyether, benzophenone, benzyldimethylkatal, 1,1-dichloroacetophenone, 2-chlorothioxanthone 등을 포함하고, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 소포화단계에 적용되는 오일은 연속상 소수성 유체로서 미네랄 오일, 실리콘 오일 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 하이드로겔 용액이 친수성을 갖기 때문에 소수성을 갖는 미네랄 오일 등을 연속상으로 사용하여, 오일 내에서 하이드로겔이 구슬처럼 구형체를 형성하도록 한다. 이와 같이 상기 오일 속에서 하이드로겔이 구형체를 형성하는 것을 마이크로 플루이딕 칩의 마이크로 채널에서 형성시키면 크기가 매우 균일한 구형체가 제조될 수 있는 장점이 있다.

상기 소포화단계는 하이드로겔 용액과 오일을 마이크로 플루이딕 칩상의 각각의 주입튜브에 적용하여 마이크로 채널 상의 하이드로겔 용액과 오일의 유속을 조절함으로써 다양한 크기의 하이드로겔 마이크로입자를 제조할 수 있다.

상기 마이크로 플루이딕 칩은 당업계에 알려진 마이크로 플루이딕 칩을 사용할 수 있으며, 레이저 빔 등의 고에너지 빔으로 플라스틱이나 유리 또는 실리카 판의 표면을 긁어서 마이크로 채널을 형성시킨 후에 평면 기판을 붙여서 제조하는 등의 기계적 가공에 의해 제조한 마이크로 플루이딕 칩, 포토리소그라피 공정으로 제조한 마이크로 채널 형상의 몰드 구조물을 가지는 포토리지스트가 도포된 실리콘 웨이퍼를 몰드로 사용하여 PDMS 엘라스토머 용액(Sylgard 184, Dow Corning)을 사용하여 소프트 리소그라피 공정에 의해 제조하는 PDMS칩(polydimethylsiloxane chip) 등을 제작하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 경화단계는 소포화단계에서 만들어진 하이드로겔 마이크로 드롭렛에 광을 조사하여 경화반응을 일으킬 수 있고, 바람직하게는 자외선을 조사하는 것이 바람직하다. 상기 자외선은 250 내지 400 ㎚의 파장인 것이 바람직한데, 250㎚ 미만인 것은 자외선 경화반응을 개시하는 광경화 개시제의 라디칼 형성 효율이 낮은 문제점이 있으며, 400 ㎚ 초과인 것은 조사되는 광의 에너지가 낮아서 광경화 개시제의 라디칼 형성이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있으므로, 광경화 개시제가 광반응 개시를 위해 라디칼을 형성하는 자외선 파장 영역인 250 내지 400 ㎚의 파장을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 자외선은 1 내지 50 초 동안 조사하는 것이 바람직하며, 1초 미만인 것은 하이드로겔 폴리머 전구체의 자외선 경화 반응이 충분히 일어나지 않아서 구형체의 형성과 유지가 어려운 문제점이 있으며, 50초 초과인 것은 자외선 경화반응이 과도하게 진행되어 하이드로겔 폴리머의 가교도가 높아 수분이나 물에 의한 팽윤 효율이 낮아지는 문제점과 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 유체를 지속적으로 이송시키면서 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하기에는 그 제조 효율이 현저히 낮아지는 문제점이 있다.

상기와 같은 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 마이크로 드롭렛을 제조한 후에 자외선을 조사하여 광경화 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하는 방법은 제조된 마이크로 입자의 크기가 매우 균일하며 연속적으로 빠른 속도로 마이크로 입자들을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자의 제조과정에서 마이크로 플루이딕 칩의 마이크로 채널에서 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 만든 후에 마이크로 플루이딕 칩의 일정 구간만 선택적으로 자외선을 조사하여 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 드롭렛이 광경화되어 안정적인 겔상태의 마이크로 입자를 형성하는데, 상기 마이크로 드롭렛의 형성과 자외선에 의한 광경화 반응이 동일 마이크로 플루이딕 칩 상에서 수 초의 시간 내에 연속적으로 진행이 되기 때문에 매우 효율적이다.

제조된 하이드로겔 마이크로 입자가 서로 뭉치는 것을 방지하고 안정화를 위하여 계면활성제로 처리할 수 있으며, 상기 계면활성제로는 SDS(Sodium lauryl sulfate), IGEPAL(Octylphenoxy polyethoxyethanol) 등이 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자는 광경화된 후 물을 흡수하여 크기가 증가하는 성질이 있는 하이드로겔 물질을 사용하기 때문에 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자가 물이나 습기를 만났을 때에 이를 흡수하여 팽윤하면서 내부에 있는 항균성 은 나노입자를 외부로 방출하게 됨으로써 항균성 은 나노입자를 고르게 분산시키고 항균 효율을 증가시킨다.

상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자는 제조과정에서 자외선 조사에 의해 경화된 그물 구조의 하이드로겔 폴리머를 구성성분으로 가지고 있기 때문에 물이나 습기에 의해서 하이드로겔 마이크로입자가 팽윤하더라도 구형의 형태를 유지하면서 크기가 커지고 내부의 항균성 은 나노입자를 외부로 쉽게 방출하게 된다.

본 발명에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자를 사용함으로써, 은 나노입자를 특정 용액에 분산시켜 사용할 시에 발생할 수 있는 용액 내에서의 은 나노입자들이 뭉치는 문제나 도포 후 용매의 증발 과정에서 은 나노입자들이 뭉치는 문제들을 해결할 수 있다. 즉 항균성을 갖는 수십 나노미터 크기의 은 입자를 수십 내지 수백 마이크로미터 크기의 하이드로겔 입자에 담아서 사용할 시에 용액이나 물체의 표면에 고르게 분산되는 효율을 현저히 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자의 제조를 위해 사용하는 상기 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 하이드로겔 마이크로 입자의 제조방법은 마이크로 플루이딕 채널의 하이드로겔 용액의 유속과 주변 오일의 유속을 변화시킴으로써 수백 마이크로미터 크기의 직경을 갖는 마이크로 입자를 균일하고 효율적으로 제조할 수 있고 일반적인 에멀젼 방법에 의해 제조된 마이크로 입자에 비해서 입자의 크기 균일도가 매우 높다.

도 1은 본 발명에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자의 구성성분을 나타내며, 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자가 물 또는 습기를 만났을 때에 이를 흡수하여 팽윤하면서 상기 마이크로 입자 내부의 항균성 은 나노입자를 방출하는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하기 위한 마이크로 플루이딕칩의 구조와 상기 마이크로 입자의 제조 과정 및 자외선 조사에 의한 광경화된 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 3은 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자를 포함하는 용액을 기저판 물체의 표면에 도포했을 시에 물 또는 습기에 의해 상기 마이크로 입자 내부의 항균성 은 나노입자가 주변으로 방출되는 과정을 나타내는 모식도이다.
도 4는 실제 PDMS(polydimethylsiloxane)로 제조된 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하는 과정을 나타내는 실험 사진(도 4a)과 상기와 같은 방법으로 제조된 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자의 사진(도 4b)를 나타낸다.
도 5는 합성한 은나노 입자의 전자현미경 사진으로, 이 전자현미경 사진을 통해서 은 나노입자의 크기를 알 수 있으며, 상기 합성한 은나노 입자의 평균 크기가 약 20 ㎚인 것을 확인할 수 있다.
도 6은 합성한 은 나노입자의 자외선-가시광선(UV-vis) 스펙트럼 분석을 나타내는 그래프로, 자외선-가시광선 스펙트럼 분석을 통하여 최대흡수파장과 스펙트럼의 곡선의 형태를 통해서 합성한 은 나노입자의 크기와 용액 내에서의 분산 정도가 고르다는 것을 확인하였다.
도 7은 PDMS 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자를 제조하는 과정을 나타낸 사진으로, 은 나노 입자 담지 하이드로겔 용액의 유속을 0.4ml/h로 일정하고 유지하고, 연속상의 미네랄 오일의 유속을 변화시켰을 때의 실험결과를 나타내며, 도 7(a)는 미네랄 오일의 유속(QC)이 1.2ml/h, 도 7(b)는 QC가 1.8ml/h, 도 7(c)는 QC가 2ml/h, 도 7(d)는 QC가 2.2ml/h이고, 각 도면의 Scale bar는 100㎛이다.
도 8는 PDMS 칩의 채널 구조에 따른 하이드로겔 마이크로 입자의 크기를 나타내는 모식도로, Input, Neck 및 Output의 직경에 따라 디자인 1, 2, 3의 PDMS 칩을 제작하였음을 나타낸다.
도 9은 도 8의 3 가지 디자인의 PDMS 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 제조한 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자의 크기를 나타내는 그래프로, 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 용액의 유속은 일정하게 하고 연속상인 미네랄 오일의 유속을 변화시킬 때에 얻어진 다양한 크기의 입자를 나타내며, PEGMEA 하이드로겔 용액의 농도는 20%로 하였다.
도 10은 하이드로겔 용액의 농도를 다양하게 할 경우 미네랄 오일의 유속에 따른 마이크로 입자의 다양한 크기를 나타내는 그래프로, 도 8의 PDMS 칩 디자인 3번을 사용하여, PEGMEA 하이드로겔 용액의 농도를 다양하게 변화시켰을 때에 제조되는 마이크로 입자의 크기 변화를 나타내었고 하이드로겔 용액의 유속은 0.1 (ml/h)로 일정하게 하였다.
도 11는 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 용액을 사용하여 하이드로겔 마이크로 입자를 제조한 후에 자외선을 조사하여 제조한 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로입자의 광학현미경 사진을 나타낸 것으로, 자외선 세기(irradiated UV intensity) 70 mW/㎠로 5초 가량 조사한 것을 나타낸 것이다. 이에 적용되는 하이드로겔 용액은 약 2%의 광개시제를 포함하는 60% PEGDA(poly(ethylene glycol)-diacrylate)(A)와 60% PEGMEA(Poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate)(B)용액을 사용하였다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시를 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 보호범위에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

본 발명에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 각 구성요소의 크기 등은 설명의 편의성과 명료성을 위하여 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자의 구성성분과 그 작용을 개략적으로 도시한 도면으로서, 하이드로겔 마이크로 입자(1) 내부에 광경화된 하이드로겔 폴리머(2)와 항균성 은 나노입자(3)로 구성되어 있다. 또한 상기 항균성 은나노 입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자(1)가 물 또는 습기를 만났을 때에 물 또는 습기를 흡수하여 팽윤하면서 상기 마이크로 입자(1) 내부의 항균성 은 나노입자(3)를 방출하는 과정을 나타낸다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자(1)는 제조과정에서 자외선 조사에 의해 경화된 하이드로겔 폴리머(2)를 구성성분으로 가지고 있기 때문에 물이나 습기에 의해서 하이드로겔 마이크로입자가 팽윤하더라도 구형의 형태를 유지하면서 크기가 커지고 내부의 항균성 은 나노 입자(3)를 외부로 쉽게 방출하게 된다.

이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 항균성 은나노 입자 담지 하이드로겔 마이크로 입자(1)의 제조 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 상기 항균성 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자(1)를 제조하기 위한 마이크로 플루이딕 칩(5)의 구조와 자외선 조사에 의해 광경화된 하이드로겔 마이크로입자를 제조하는 과정을 나타낸다.

먼저 본 발명에 의해 구현되는 은 나노입자의 합성은 다음의 4단계로 이루어진다. 상기 은 나노입자는 NaBH₄ 용액에 AgNO₃ 용액 방울을 조금씩 떨어뜨려서 1.0ⅹ10^-3 M 은나노 입자를 합성하였으며 구연산나트륨(sodium citrate)를 첨가하여 합성된 은 나노입자를 안정화시켰다. 삼각플라스크에 2 x 10^-3 mol/L 농도의 NaBH₄ 용액 75 ml를 넣고(1단계). 상기 삼각플라스크에 1 x 10^-3 mol/L AgNO₃ 농도의 용액을 천천히 한 방울씩 떨어뜨려 25 ml를 주입하여 마그네틱 바를 사용하여 용액을 저어주면서 질산은 용액을 천천히 주입하였으며(2단계), 약 10 분 후에, 1% (wt./wt.) 구연산나트륨(sodium citrate) 수용액 5 ml를 상기 삼각플라스크의 용액에 주입하여 은 나노 입자를 안정화시킨 후(3단계), 추가로 20분 정도 상기 용액을 마그네틱 바를 사용하여 저어주어 은 나노입자의 제조를 완성하였다(4단계).

상기 은 나노입자를 포함하는 하이드로겔 용액(10)을 마이크로 플루이딕 칩(5)의 마이크로 채널(6)과 연결된 용액 주입 튜브(9)를 통해서 마이크로 채널로 주입한다. 이와 동시에 양쪽 옆에 두 개의 오일 주입 튜브(7)를 통해 주입되는 오일(8)이 각각의 마이크로 채널(6)에 주입되어 은 나노입자를 포함하는 하이드로겔 용액(10)이 마이크로 드롭렛(11)을 형성하도록 한다.

은 나노입자를 포함하는 하이드로겔 용액(10)이 마이크로 채널 내에서 마이크로 드롭렛(11)을 형성하기 위해서는 오일(8)의 유속과 은 나노입자를 포함하는 하이드로겔 용액(10)의 유속의 상대적인 비율이 중요한 변수로 작용한다. 또한 마이크로 플루이딕 칩의 주요 구조물의 크기가 마이크로 드롭렛의 형성에 중요한 영향을 미친다.

도 8에 도시한 바와 같이, 마이크로 플루이딕 칩의 세 가지 주요 구조물(Input, Neck, Output)의 크기를 다르게 하여 PDMS 마이크로 플루이딕 칩을 제조하여 하이드로겔 마이크로 드롭렛의 형성을 조사하였다. 도 9에 도시한 바와 같이, 마이크로 플루이딕 칩의 구조물의 크기에 따라서 형성되는 하이드로겔 마이크로 드롭렛의 크기가 다양하였으며 또한 미네랄 오일의 유속에 따라서 형성되는 하이드로겔 마이크로 드롭렛의 크기가 다양하게 제조되었다. 그리고 하이드로겔 용액의 농도에 따라서 형성되는 하이드로겔 마이크로 드롭렛의 크기가 다양하게 제조되는 것을 도 10에 도시하였다.

이상과 같은 마이크로 플루이딕 칩의 주요 구조물의 크기, 하이드로겔 용액과 오일의 유속의 비율, 하이드로겔 용액의 농도 등의 주요 변수들을 제어함으로써 수십 내지 수백 마이크로 미터 크기의 하이드로겔 마이크로 입자를 제조할 수 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 항균성 은 나노입자를 포함하는 하이드로겔 용액(10)이 마이크로 드롭렛(11)을 형성한 후에 광경화 마이크로 채널(14)에서 포토마스크(12)의 투명한 포토마스크 윈도우(13)를 통하여 일정 시간 동안 자외선을 조사하여 하이드로겔 마이크로 드롭렛(11)이 광경화 되도록 한다. 이와 같이 광경화된 항균성 은나노 입자를 포함하는 하이드로겔 마이크로 입자(15)를 제조한 후에 마이크로 입자 배출 튜브(16)를 통해서 외부에 설치된 제조한 마이크로 입자 담는 통(17)으로 이송하여 제조한 마이크로 입자를 포함하는 용액(18)을 얻는다. 상기와 같은 항균성 은나노 입자를 포함하는 하이드로겔 용액(10)이 마이크로 채널 내에서 마이크로 드롭렛(11)을 형성하고 자외선 조사에 의해 광경화되고 외부로 배출되어 통(17)에 저장되는 과정이 연속적이고 빠르게 진행되기 때문에 제조 효율이 높다.

상기 광경화형 하이드로겔 용액은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 아크릴레이트, 하이드록시 에틸 메타크릴레이트와 같이 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 가지는 하이드로겔 폴리머 전구체에 광경화 개시제를 0.5 내지 3 부피비로 첨가하여 제조된 용액의 사용이 가능하다.

또한, 상기 항균성 은 나노입자(3)를 포함하는 하이드로겔 용액(10)을 마이크로 플루이딕 칩(5)에 주입하여 마이크로 드롭렛(11)을 제조하는 과정에서 상기 항균성 은나노 입자(3)를 포함하는 하이드로겔 용액(10)의 유속과 상기 주변 오일(8)의 유속의 비율을 제어함으로써 하이드로겔 마이크로 입자(1)의 크기를 다양하게 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 항균성 은나노 입자 담지 하이드로겔 마이크로 입자(1)를 포함하는 용액을 기저판(20) 물체의 표면에 도포했을 시에 물이나 습기가 상기 도포막(19)에 닿을 때에 상기 하이드로겔 마이크로 입자(1)가 물이나 습기를 흡수하여 팽윤하는 과정에서 내부의 항균성 은 나노입자(3)를 외부 주변으로 방출하는 것을 나타낸다. 이와 같은 과정을 통하여, 유해한 곰팡이나 세균이 증식하기 쉬운 물이나 습기가 많은 고체의 표면에 항균성 은 나노입자(3)를 방출함으로써 유해한 곰팡이나 세균의 증식 억제와 살균 효율이 증대된다.

도 4는 실제 PDMS 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 상기 항균성 은 나노입자 담지 하이드로겔 마이크로 입자의 제조과정을 나타내는 실험 사진(도 4a)과 상기와 같은 방법으로 제조된 항균성 은나노 입자 담지 하이드로겔 마이크로 입자의 사진(도 4b)를 나타낸다.

도 4a 및 도 4b에서는 평균 직경이 20㎚인 은나노 입자를 1.2ㅧ10^-3 M 농도로 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 아크릴레이트 (3% 광개시제 포함) 용액에 첨가하여 항균성 은나노 입자를 포함하는 하이드로겔 용액을 제조하였으며, 제조한 마이크로 입자의 이미지를 선명하게 관측하기 위해서 10 mM 농도의 로다민(rhodamin) 염료를 첨가하여 실험하였다. 또한 상기 항균성 은나노 입자를 포함하는 하이드로겔 용액을 마이크로 플루이딕 칩에 주입하여 마이크로 드롭렛을 제조한 후 자외선을 3초간 조사하여 광경화된 항균성 은 나노입자 담지 하이드로겔 마이크로 입자를 제조하였다.

도 4a에 상기와 같은 과정을 통해 제조한 직경 100㎛ 크기의 항균성 은 나노입자 담지 하이드로겔 마이크로입자들이 나타나 있다. 특히, 도 4a 및 도 4b에서 제조된 마이크로 입자들의 크기 균일도가 매우 높은 것을 볼 수 있다.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

1 : 하이드로겔 마이크로 입자
2 : 하이드로겔 폴리머
3 : 항균성 은 나노입자
4 : 팽윤된 하이드로겔 마이크로 입자
5 : 마이크로 플루이딕 칩
6 : 마이크로 채널
7 : 오일 주입 튜브
8 : 오일
9 : 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 용액 주입 튜브
10 : 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 용액
11 : 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 드롭렛
12 : 포토마스크
13 : 투명한 포토마스크 윈도우
14 : 광경화 마이크로 채널
15 : 광경화된 은 나노입자를 담지한 하이드로겔 마이크로 입자
16 : 제조한 하이드로겔 마이크로입자 배출 튜브
17 : 제조한 하이드로겔 마이크로입자를 담는 통
18 : 제조한 하이드로겔 마이크로입자를 포함하는 용액
19 : 하이드로겔 마이크로입자를 포함하는 도포막
20 : 기저판

Claims (24)

1. 은 나노입자, 하이드로겔 폴리머의 전구체, 및 광경화 개시제를 교반하여 하이드로겔 용액을 제조하는 혼합단계;
   상기 하이드로겔 용액을 오일과 함께 마이크로 플루이딕 칩에 주입하여 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 만드는 소포화단계; 및
   상기 하이드로겔 마이크로 드롭렛을 경화하여 하이드로겔 마이크로입자를 만드는 경화단계;를 포함하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 혼합단계는 1ｘ10^-3 M 은 나노입자 용액 20 내지 60 부피비, 하이드로겔 폴리머의 전구체 40 내지 80 부피비, 및 광경화 개시제 0.5 내지 3 부피비로 적용하는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 혼합단계에 적용되는 은 나노입자는 10 내지 40 ㎚인 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 혼합단계에 적용되는 하이드로겔 폴리머의 전구체는 광경화형인 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 혼합단계에 적용되는 하이드로겔 폴리머의 전구체는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 갖는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트 기능기를 갖는 폴리머의 전구체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 하이드록시에틸 메타크릴레이트의 전구체로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 것임을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 혼합단계에 적용되는 광경화 개시제는 α-하이드록시 케톤계, α-아미노 케톤계, 벤지온알키에테르, 벤조페논, 벤질디메틸카탈, 1,1-디클로로아세토페논, 2-클로로티옥산톤 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된 것임을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 소포화단계에 적용되는 오일은 미네랄 오일 또는 실리콘 오일인 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 소포화단계는 하이드로겔 용액과 오일을 마이크로 플루이딕 칩 상의 별도의 주입구를 통해 주입하여 하이드로겔 용액과 오일의 유속를 조절함으로써 하이드로겔 마이크로 드롭렛의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 마이크로 플루이딕 칩은 소프트 리소그라피 방법으로 제작된 PDMS칩(polydimethylsiloxane chip)인 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
    
11. 제1항에 있어서, 상기 경화단계는 소포화단계에서 만들어진 하이드로겔 마이크로 드롭렛에 자외선을 조사함으로써 경화반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 자외선은 250 내지 400 ㎚의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
    
13. 제11항에 있어서, 상기 자외선은 1 내지 50 초 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
    
14. 제1항에 있어서, 상기 경화단계 이후에 제조된 하이드로겔 마이크로 입자를 계면활성제로 처리하는 안정화단계를 추가적으로 포함하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
    
15. 제14항에 있어서, 상기 계면활성제는 SDS(sodium dodecyl sulfate) 또는 IGEPAL(Octylphenoxy polyethoxyethanol)인 것을 특징으로 하는 하이드로겔 마이크로입자 제조방법.
    
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