KR20170005977A

KR20170005977A - 기공이 형성된 미세 캡슐의 제조 방법 및 이에 의한 반투과성 미세캡슐

Info

Publication number: KR20170005977A
Application number: KR1020150096235A
Authority: KR
Inventors: 김신현; 이태용; 김보미; 김동재
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2017-01-17
Also published as: KR101859797B1

Abstract

본 발명은 저장성 용액과 미세캡슐의 삼투압 차이에 의해 미세캡슐이 팽창하여 기공이 형성된 미세 캡슐의 제조 방법 및 이에 의한 반투과성 미세캡슐에 관한 것이다.
본 발명은 농도 차이에 의해 발생되는 삼투압을 이용하여 미세캡슐에 기공을 형성할 수 있으며, 더 나아가 삼투압 차이나 인큐베이팅 시간을 조절하여 기공의 크기나 개수를 제어할 수 있다. 본 발명은 다양한 종류의 고분자나 단량체를 이용하여 기공이 형성된 미세캡슐을 제조할 수 있으며, 특히 용해성 고분자나 자기조립 고분자 등 의 고분자들을 사용할 수 있고, 이들은 용해 분리하는 공정이 필요 없으므로 공정이 간단하고 경제적이다.
본 발명의 미세캡슐은 타겟 물질만 선택적으로 투과시켜 시료의 전처리 과정을 없앨 수 있고, 내부의 금속 입자가 오염되는 것도 방지할 수 있으므로 표면증강 라만 산란 표지용 센서로 적합하다.
본 발명의 미세캡슐은 기판형태가 아닌 마이크로젤 형태(입자형태)이기 때문에 주사(injection) 및 혼합이 가능하므로 타겟 물질과의 결합속도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 미세캡슐은 내부에 금속 나노입자를 담지하는 간단한 구조이므로 제조가 용이하고 대량 생산이 용이하다.

Description

기공이 형성된 미세 캡슐의 제조 방법 및 이에 의한 반투과성 미세캡슐{Method for preparing porous micro capsule and semi permeable micro capsule thereby}

본 발명은 기공이 형성된 미세 캡슐의 제조 방법 및 이에 의한 반투과성 미세캡슐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저장성 용액과 미세캡슐의 삼투압 차이에 의해 미세캡슐이 팽창하여 기공이 형성된 미세 캡슐의 제조 방법 및 이에 의한 반투과성 미세캡슐에 관한 것이다.

미세캡슐은 색소, 약물, 세포 등 활성성분을 특정 위치에 전달하는데 매우 효율적일뿐만 아니라 이들 활성성분을 안정적으로 구분하거나 저장할 수 있는 매체로 알려져 있다.

이러한 미세캡슐을 제조하기 위한 다양한 방법들이 문헌에 제안되어 있다. 액적(emulsion drops)은 캡슐 제조의 템플릿으로 사용될 수 있으며, 계면에서 입자 흡착 또는 계면 중합을 이용하여 쉘을 형성하여 내부 활성 물질을 저장하게 된다. 예를 들면 당해 소수성 액체를 멜라민 포름알데히드 예비-축합물을 함유하는 수성 매질 내에 액적으로 분산시키고, 수성 매질의 pH를 감소시킴으로써 당해 소수성 액체를 둘러싸는 불침투성 아미노플라스트 수지를 쉘로써 생성시켜 소수성 액체를 캡슐화시키는 것은 공지되어 있다.

최근에는 이중 액적(double-emulsion drops)을 코어-셸 구조의 미세캡슐을 생산하는 템플릿으로서 이용하고 있다. 등록특허 10-965839호에 이중액적을 이용한 고분자 캡슐의 제조방법이 개시되어 있다.

미세캡슐을 약물 전달체나 미세반응기 등의 다양한 용도로 활용하기 위해 박막이면서도 안정적으로 물질을 저장하거나 선택적으로 물질을 유출 및 유입하는 기술이 요구되고 있다. 이를 위해 캡슐에 기공을 형성하려는 시도가 있으나 현재까지 기공 크기, 개수, 막의 안정성을 제어하는 기술이 없었다. 또한, 간단한 공정을 이용하여 효율적으로 미세캡슐에 기공을 형성하는 방법은 여전히 요구되고 있고 이를 이용하여 약물의 저장 및 전달 뿐만 아니라 세포 이식이 가능한 미세 캡슐이 필요한 실정이다.

한편, 표면증강라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)은 높은 민감도(sensitivity)로 인해 화학물질(chemical)을 탐지하고 생화학적으로 분석하는 방법으로 각광받고 있다.

라만산란은 입자의 진동과 회전 에너지로 인해 에너지를 잃거나 얻으면서 산란되는 과정을 말하고, 화학물질에 따라 고유의 스펙트럼을 방출한다. 하지만, 그 크기가 매우 작기 때문에 표면증강법을 사용하여 산란을 증가시킨다.

표면증강법은 금속나노입자에서 발생하는 플라즈모닉 현상을 이용하여 금속나노입자 표면주위에서 라만 산란을 증강시키는 것을 말한다. 이때, 사용되는 금속입자는 일반적으로 금(Au) 나노입자와 은(Ag) 나노입자를 사용한다.

종래의 표면증강라만산란은 콜로이드 상태의 금속나노입자를 사용하거나 금속나노입자 혹은 나노구조들을 기판 표면에 형성하여 사용한다. 콜로이드를 이용한 표면증강 라만산란의 경우 측정하고자 하는 화학물질과의 화학반응 및 입사해주는 빛에 의한 효과로 인해 라만산란이 균일하지 못하며, 측정을 위해 콜로이드의 농축이 필요한 문제점이 있다.

또한, 기판에 금속나노입자 혹은 나노구조를 배열하여 사용하는 경우는 균일한 신호의 증강을 얻을 수 있지만 생체내 투여가 어렵고, 타겟물질과의 결합속도가 낮은 문제점이 있었다.

본 발명은 크기 및 개수의 제어가 가능한 기공을 미세캡슐에 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 간단한 공정을 이용하여 효율적으로 미세캡슐에 기공을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 선택적 투과도를 가지는 표면 증강 라만 산란 표지용 미세캡슐을 제공하는 것이다.

본 발명은 시료의 전처리 과정을 없애 공정을 단순화시킨 표면 증강 라만 산란 표지용 미세캡슐을 제공하는 것이다.

본 발명은 미생물과 세포의 저장 및 전달용뿐만 아니라 배양까지도 가능한 미세 캡슐을 제공하는 것이다.

하나의 양상에서 본 발명은

내부상으로 저장물질을 포함하는 제 1 유체, 중간상으로 고분자 또는 중합가능한 고분자 단량체를 포함하는 제 2 유체, 연속상으로 계면활성제를 포함하는 친수성의 제 3 유체를 주입하여 이중액적을 형성하는 단계 ; 상기 이중액적을 고형화시켜 코어-쉘 구조의 미세캡슐을 형성하는 단계 ; 및 저장성 용액에 상기 미세캡슐을 소정 시간 동안 인큐베이팅하여 상기 쉘에 기공을 형성하는 단계를 포함하는 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조방법에 관계한다.

다른 양상에서 본 발명은 내부상으로 세포을 포함하는 제 1 유체, 중간상으로 생체 적합성 고분자 및 유기용매를 포함하는 제 2 유체, 연속상으로 계면활성제를 포함하는 친수성의 제 3 유체를 주입하여 이중 액적을 형성하는 단계 ; 상기 이중 액적을 수집 및 용매를 증발시켜 고형화된 코어-쉘 구조의 미세캡슐을 형성하는 단계 ; 및 상기 미세캡슐의 삼투압보다 작은 삼투압을 가지는 저장성 용액에 상기 미세캡슐을 소정 시간 동안 인큐베이팅하여 상기 쉘에 기공을 형성하는 단계를 포함하는 세포 함유 미세캡슐의 제조방법에 관계한다.

또 다른 양상에서, 본 발명은 저장물질을 함유하는 코어 ; 및 상기 코어를 둘러싸고 크랙 형상의 기공이 형성된 쉘을 포함하는 미세캡슐로서, 상기 쉘은 반투과성 고분자막이고, 상기 기공은 미세캡슐이 인큐베이팅되는 저장성 용액과의 삼투압 차이에 의해 상기 미세캡슐이 팽창하여 형성된 반투과성 미세캡슐에 관계한다.

또 다른 양상에서, 본 발명은 상기 미세캡슐을 포함하고, 상기 저장물질이 금속나노입자이고, 상기 미세캡슐은 기공 사이즈보다 작은 타겟물질만 선택적으로 투과시켜 라만 신호를 발생시키는 표면증강 라만 산란 표지용 센서에 관계한다.

또 다른 양상에서, 본 발명은 상기 미세캡슐과 상기 미세캡슐이 담지되는 용기를 포함하고, 상기 미세캡슐의 저장물질은 세포이고, 상기 용기의 영양소가 상기 미세캡슐의 상기 기공을 통하여 미세캡슐 내부로 공급되고, 미세캡슐 내에서 생성된 세포의 대사산물이 기공을 통해 용기로 배출되는 미세 생물 반응기에 관계한다.

본 발명은 농도 차이에 의해 발생되는 삼투압을 이용하여 미세캡슐에 기공을 형성할 수 있으며, 더 나아가 삼투압 차이나 인큐베이팅 시간을 조절하여 기공의 크기나 개수를 제어할 수 있다.

본 발명은 다양한 종류의 고분자나 단량체를 이용하여 기공이 형성된 미세캡슐을 제조할 수 있으며, 특히 용해성 고분자나 자기조립 고분자 등 의 고분자들을 사용할 수 있고, 이들은 용해 분리하는 공정이 필요 없으므로 공정이 간단하고 경제적이다.

본 발명의 미세캡슐은 타겟 물질만 선택적으로 투과시켜 시료의 전처리 과정을 없앨 수 있고, 내부의 금속 입자가 오염되는 것도 방지할 수 있으므로 표면증강 라만 산란 표지용 센서로 적합하다.

본 발명의 미세캡슐은 기판형태가 아닌 마이크로젤 형태(입자형태)이기 때문에 주사(injection) 및 혼합이 가능하므로 타겟 물질과의 결합속도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 미세캡슐은 내부에 금속 나노입자를 담지하는 간단한 구조이므로 제조가 용이하고 대량 생산이 용이하다.

본 발명의 미세캡슐은 크기가 수십 내지 수백 마이크로미터로 작아 시료에 직접적인 분산이 가능하며, 분리 및 농축이 용이하다.

본 발명의 미세캡슐은 세포의 생존에 영향을 미칠 수 있는 기공형성용 단량체나 고분자 등의 물질이 추가로 투입되지 않을 수 있어 미세 생물 반응기로 적합하다.

본 발명의 미세 캡슐은 수나노에서 수십 나노의 기공을 가지고 있어 세포 또는 미생물의 물질대사에 적합하다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 미세캡슐을 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 세포가 코어에 함유되고 쉘에 기공이 형성된 미세캡슐을 제조하는 방법을 도시한 것이다.
도 4는 실험 1의 결과를 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 실험 2의 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 실험 3의 결과로서, 시간에 따라 염료가 미세캡슐을 투과한 정도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 실험 3의 결과로서, 시간에 따른 염료의 침투를 보여주는 사진이다.
도 10은 실시예 4에서 수득한 금 나노입자를 함유한 미세캡슐이다.
도 11과 도 12는 실시예 4에서 수득한 미세캡슐을 수용액 중에 분산시킨 후 0.1mM 의 로다민6G 용액, 1mM 의 로다민6G 용액을 각각 넣어 주어 라만 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸다.

이하에서 본 발명을 상술한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 미세캡슐을 제조하는 방법을 나타낸 것이다. 본 발명의 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조방법은 이중액적 형성단계, 미세캡슐 형성 단계 및 기공형성 단계를 포함한다.

상기 이중액적은 w/o/w(수상/유상/수상) 구조이다. 본 발명은 이중액적을 형성하는 방법에 어떠한 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들면, 도 1 및 도 2의 미세유체 소자를 사용하지 않고 이중액적을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명은 저장물질이 포함된 제 1 유체를 소수성의 제 2 유체에 적하하고 이를 경화시켜 이중액적을 제조할 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 미세유체 소자를 사용하여 이중액적을 제조할 수 있으며, 또한, 제 1 벌크 유화를 통해 수상/유상의 단일 액적을 형성한 후, 이를 제 2 친수성 유체에 연속적으로 벌크유화(제 2 벌크 유화)시키는 벌크 유화법으로도 이중액적을 제조할 수 있다.

상기 이중액적을 형성하는 단계는 저장물질을 포함하는 친수성의 제 1 유체를 내부상으로 주입하고, 고분자 또는 중합가능한 고분자 단량체를 포함하는 친유성의 제 2 유체를 중간상으로 주입하고, 계면활성제를 포함하는 친수성의 제 3 유체를 연속상으로 주입하여 이중액적을 형성한다.

상기 친수성의 제 1 유체는 저장물질을 포함하여 내부상을 형성할 수 있으며, 물에 저장물질이 용해된 것을 사용할 수 있다. 이때, 폴리비닐알코올 (PVA, poly(vinyl alcohol))와 같은 수용성 계면활성제가 포함되어 계면을 안정화시킬 수 있다.

상기 저장물질은 물에 용해되거나 분산되는 물질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 저장물질은 금속나노입자, 수용성 약물이나 단백질, 수용성 고분자, 미생물 또는 세포일 수 있다.

좀 더 구체적으로, 상기 금속나노입자는 표면 증강 라만 산란을 일으킬 수 있는 모든 금속이 가능하며, 예를 들면, 생체 적합성이 있는 은 나노입자 또는 금 나노입자일 수 있다.

상기 금속나노입자의 크기는 표면 증강 라만 산란을 일으킬 수 있는 정도의 크기면 모두 가능하다. 예를 들면, 상기 금속 나노 입자는 지름이 3~1,000 nm, 바람직하게는 5~500 nm, 바람직하게는 20~100 nm 일 수 있다.

또한, 상기 저장물질이 자성 나노 입자일 수 있으며, 이 경우 자성 나노 입자를 포함하는 캡슐은 외부 자력에 반응할 수 있다. 한편, 상기 자성 나노입자는 친유성 유체에 혼합되어 주입될 수도 있다. 이 경우에 상기 자성 나노 입자는 친유성 성질을 띨 수 있으며 쉘 내부에 분산되어 존재한다.

상기 저장물질은 약물(drug), 화장료(cosmetic), 영양소 또는 효모 세포나 포유동물의 세포일 수 있다.

또한, 상기 저장물질로 물에 분산되는 비수용성 입자 등의 물질을 제한 없이 사용할 수 있다.

상기 제 2 유체로는 유기용매에 용해된 고분자를 사용할 수 있으며, 또한, 상기 제 2 유체로는 경화가능한 물질을 사용할 수 있다. 상기 고분자나 경화 가능한 물질은 고형화된 후 물을 투과시킬 수 있는 반투과성 고분자막을 형성할 수 있다.

상기 저장물질, 고분자 등의 함량에 대해 특별한 제한이 있는 것은 아니며, 예를 들면, 상기 저장물질은 1~20 중량%가 제 1 유체에 용해 또는 분산될 수 있다.

상기 고분자나 경화가능한 물질은 5~25 중량%, 바람직하게는 7~15 중량%가 제 2 유체에 용해될 수 있다.

광개시제를 추가로 사용하는 경우에는, 전체 혼합물 대비 중량 대비, 광경화 개시제 0.01~100 중량%, 바람직하게는 0.1~5 중량%, 가장 바람직하게는 0.1~1 중량%를 사용할 수 있다.

상기 고분자로는 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리(D,L-락트산-co글리콜산)(poly(D,L-lactic-co-glycolic acid), PLGA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리(발레로락톤), 폴리(하이드록시 부티레이트), 폴리(하이드록시 발러레이트), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 및 에틸셀룰로스 (Ethyl cellulose) 일 중에서 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 고분자는 유기용매, 예를 들면, 톨루엔 등에 용해되어 상기 제 2 유체로 사용될 수 있다.

경화 가능한 물질은 예를 들면, 광중합, 열중합, 이온 중합 가능한 고분자 단량체와 냉각에 따른 물리적 젤화 가능한 물질을 포함한다.

광중합 가능한 물질로 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트 기능기를 갖는 단량체일 수 있다. 상기 고분자 단량체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)), 하이드록시에틸 메타크릴레이트일 수 있다.

상기 제 2 유체는 중합을 위한 광경화 개시제를 포함할 수 있으며, 상기 광경화 개시제는 α-hydroxy ketone계, α-amino ketone계, benzionalkyether, benzophenone, benzyldimethylkatal, 1,1-dichloroacetophenone, 2-chlorothioxanthone 등을 포함하고, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)-phenyl]-2-hydroxy-2-methyl-1-propane-1-one이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 열중합 가능한 물질로 광중합과 동일한 물질이 사용될 수 있으며, 광개시제 대신 열개시제를 사용할 수 있다. 상기 열개시제는 Potassium persulfate, 2,2'-Azobisisobutyronitrile (AIBN), Benzoyl peroxide 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이온중합이 가능한 물질로는 알지네이트(Alginate) 등이 있으며, 이온의 투입에 따른 젤화가 일어나는 모든 물질이 가능하다.

냉각에 따른 물리적 젤화가 가능한 물질로는 아가(Agar), 젤라틴 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 연속상으로 물, 바람직하게는 계면활성제가 포함된 물(제 3 유체)을 사용할 수 있다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 미세캡슐의 형틀인 이중액적을 제조할 수 있는 장치를 보여준다. 도 1을 참고하면, 이중액적 형성 장치는 주입모세관(110), 수집모세관(120) 및 외곽모세관(130)을 포함한다. 상기 주입모세관의 내측에는 내부모세관(140)을 포함한다. 상기 주입모세관 내벽은 소수성을 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 상기 내부모세관(140) 내측(A)으로 상기 제 1 유체를 주입하고 주입모세관(110)과 내부모세관(140) 사이 공간(B)으로 제 2 유체를 흘려준다. 또한, 연속상으로 제 3 유체를 상기 주입모세관(110)과 외곽 모세관(130)의 틈(C)으로 주입한다.

상기 제 1 유체와 제 2 유체는 주입모세관(110) 내부에서 상 분리되어 흐르게 되는데, 즉, 상기 주입모세관(110) 중심부에는 단속성의 제 1 유체가 흐르고, 상기 제 2 유체가 상기 주입모세관 내벽을 따라 상기 제 1 유체를 둘러싸며 흐른다. 상기 제 1 유체 및 제 2 유체가 상기 주입모세관(110)의 끝에 형성된 오리피스에서 제 3 유체 내부로 적하되면서 w/o/w 에멀젼이 형성된다.

상기 코어-쉘 형태의 미세캡슐은 상기 이중액적을 고형화시켜 형성할 수 있다.

도 1을 참고하면, 상기 고형화는 이중액적에 UV를 조사하여 고분자 단량체를 광중합할 수 있다.

도 2를 참고하면, 상기 고형화 단계는 유기용매를 증발시켜 용해된 고분자를 고형화할 수 있다. 예를 들면, 상기 유기용매(톨루엔 등)의 증발은 35 ~ 45℃의 온도에서 60 ~ 120분 동안 수행할 수 있다. 도 2를 참고하면, UV를 조사 없이, 상기 수집 모세관 하류 측에서 내부상과 삼투압을 동일하게 맞춘 수집용액이 담긴 샬레 등의 수집용기에 이중액적을 다량으로 모은 후에, 상기 온도의 오븐에 넣어둠으로써 휘발성 용매를 증발시켜 수용액 상에 분산되어있는 고형화된 미세캡슐을 얻을 수 있다.

도 1과 도 2를 참고하면, 상기 미세캡슐에 기공을 형성하는 단계는 저장성 용액에 상기 미세캡슐을 담지시켜 소정 시간 동안 인큐베이팅 한다.

상기 저장성 용액은 상기 미세캡슐의 농도보다 낮은 액체, 즉 저장액을 나타낸다.

상기 기공은 저장성 용액과 상기 미세캡슐의 삼투압 차이에 의해 상기 미세캡슐이 팽창하여 형성된다.

상기 미세캡슐의 삼투압은 코어에 함유된 수용액 농도에 따라 결정된다. 상기 저장성 용액의 삼투압은 상기 미세캡슐의 삼투압보다 낮으므로 저장성 용액의 물이 상기 반투막인 미세캡슐의 쉘을 투과하여 코어로 들어간다. 삼투압 차이에 따른 미세캡슐 내부(코어)로 유입된 물에 의해 미세캡슐이 팽창하게 된다. 상기 미세캡슐과 저장성 용액의 삼투압 차이가 소정 압력(문턱 삼투압) 이상이 되면, 쉘에 균열(crack)이 생기게 되고 이러한 과정이 지속되면 기공이 형성된다.

상기 문턱 삼투압은 기공이 형성될 수 있는 상기 미세캡슐과 저장성 용액의 삼투압 차이를 나타낸다. 상기 문턱 삼투압은 상기 미세캡슐의 크기, 쉘의 두께, 쉘 물질의 종류 등에 따라 결정될 수 있다.

예를 들면, 고분자로 폴리(D,L-락트산-co글리콜산)(poly(D,L-lactic-co-glycolic acid), PLGA)를 사용하여 두께 60 nm, 크기 100μm 정도의 미세캡슐인 경우, 문턱 삼투압이 250 kPa 이상일 수 있다.

상기 방법은 상기 미세캡슐과 상기 저장성 용액의 삼투압의 차이를 조절하여 상기 기공의 크기를 제어할 수 있다. 예를 들면, 미세캡슐과 저장성 용액과의 삼투압 차이가 클수록 상기 기공의 크기가 증가할 수 있다.

상기 방법은 상기 미세캡슐과 상기 저장성 용액의 삼투압 차이를 250~740 kPa 범위로 조절할 수 있으며, 이러한 삼투압 차이에 의해 형성된 기공의 크기는 3~30, 바람직하게는 7~17 nm 범위일 수 있다.

상기 방법은 미세 캡슐의 인큐베이팅 시간을 조절하여 기공의 수를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 미세캡슐이 저장성 용액에 담지되는 시간이 길어질수록 기공의 수가 증가한다.

본 발명의 방법은 수나노에서 수십 나노 사이즈의 기공을 매우 간단한 방법으로 미세캡슐에 형성시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 삼투압 차이와 인큐베이팅 시간을 조절하여 기공의 크기와 개수를 제어할 수 있다.

상기 저장물질이 표면 증강 라만 산란을 발생하는 금속나노입자인 경우, 상기 제 1 유체는 상기 저장물질을 0.1 ~ 30 중량%, 바람직하게는 0.5 ~ 10 중량% 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 기공의 크기가 상기 금속나노입자의 크기보다 작도록 제어할 수 있다. 본 발명의 마세캡슐은 기공 사이즈보다 작은 타겟 물질만 선택적으로 투과할 수 있다. 즉, 본 발명의 마세캡슐은 기공보다 큰 이물질이 캡슐 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있어 사이즈에 따라 선택적으로 타겟물질을 센싱할 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 세포의 저장, 이송 및 배양이 가능한 미세캡슐을 제조하는 방법에 관계한다.

본 발명의 방법은 내부상으로 세포를 담지하는 제 1 유체, 중간상으로 생체 적합성 고분자 및 유기용매를 포함하는 제 2 유체, 연속상으로 계면활성제를 포함하는 친수성의 제 3 유체를 주입하여 이중 액적을 형성하는 단계 ;

상기 이중 액적을 수집 및 용매를 증발시켜 고형화된 코어-쉘 구조의 미세캡슐을 형성하는 단계 ; 및

상기 미세캡슐의 삼투압보다 작은 삼투압을 가지는 저장성 용액에 상기 미세캡슐을 소정 시간 동안 인큐베이팅하여 상기 쉘에 기공을 형성하는 단계를 포함한다.

도 3은 본 발명의 제조방법을 도시한 것이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 제조방법은 이중액적을 형성하는 단계, 미세캡슐 형성단계 및 기공형성 단계를 포함한다.

도 3의 방법은 도 2의 제조방법과 동일하다. 상기 제 1 유체로는 물에 세포가 포함되어 있는 유체를 사용할 수 있다. 상기 제 2 유체로는 유기용매에 용해된 고분자를 사용할 수 있다. 상기 고분자로는 앞에서 상술한 바와 같이, 폴리락트산(PLA), 폴리글리콜산(PGA), 폴리(D,L-락트산-co글리콜산)(poly(D,L-lactic-co-glycolic acid), PLGA), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리(발레로락톤), 폴리(하이드록시 부티레이트), 폴리(하이드록시 발러레이트), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 및 에틸셀룰로스 (Ethyl cellulose) 중에서 어느 하나를 사용할 수 있다.

상기 제 1 유체가 코어를 형성하고, 쉘은 상기 제 2 유체를 증발시켜 상기 고분자막을 형성한다. 상기 고분자막은 반투과성 특성을 가진다.

도 3을 참고하면, 고형화된 미세캡슐을 저장성 용액에 담지시키면 물이 미세캡슐 내부로 유입되어 미세캡슐을 팽창시킨다. 앞에서 상술한 바와 같이, 미세캡술과 저장성 용액의 삼투압 차이와 인큐베이팅 시간에 따라 기공의 크기와 개수가 결정될 수 있다.

도 3에서 제조된 미세캡슐을 영양소가 들어있는 용액에 넣거나 영양소를 미세캡슐이 담지된 용액에 넣어주면, 영양소가 기공을 통해 미세캡슐 내부로 유입될 수 있다.

도 3에서 제조된 세포가 담지되고 기공이 형성된 미세캡슐은 상기 세포에 필요한 영양소를 공급받아 캡슐 내부에서 배양될 수 있다.

좀 더 구체적으로, 상기 코어는 효모, 대장균(E. coli) 등의 세포를 포함할 수 있으며, 이 경우 세포를 포함하는 미세캡슐은 기공을 통하여 캡슐 외부의 영양소, 산소 등을 캡슐 내부에 공급할 수 있으며 캡슐 내에서 생성된 대사산물을 캡슐 외부로 내보낼 수도 있다. 따라서, 상기 기공-함유 캡슐은 세포 배양을 위한 미세 생물 반응기로서 기능할 수 있다. 또한 복수의 캡슐을 이용하여 각각의 캡슐에 각기 다른 종류의 미생물을 포함할 수도 있으며 이 경우, 미생물 배양 시 각기 다른 종류의 미생물이 서로 섞이는 것을 방지할 수 있으며, 각기 다른 종류의 미생물이 서로 섞이는 것을 방지하면서도 어느 하나의 종류의 미생물의 대사산물에 의하여 다른 하나의 종류의 미생물의 성장 및 대사가 조절되는 효과를 줄 수도 있다. 또 다른 양상에서, 본 발명은 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐에 관계한다. 상기 미세캡슐은 저장물질을 함유하는 코어 ; 및 상기 코어를 둘러싸고 크랙 형상의 기공이 형성된 쉘을 포함한다. 상기 기공은 미세캡슐이 인큐베이팅되는 저장성 용액과의 삼투압 차이에 의해 상기 미세캡슐이 팽창하여 형성된다. 상기 기공은 상기 미세캡슐이 팽창하여 형성된 균열(crack)이 확대되어 형성된다.

상기 기공의 사이즈가 상기 저장물질의 사이즈보다 작아 상기 저장물질이 미세캡슐 내부에 담지될 수 있다.

상기 미세캡슐은 기공 사이즈보다 작은 타겟 물질만 선택적으로 투과할 수 있다.

상기 저장물질은 금속나노물질, 약물(drug), 화장료(cosmetic), 영양소, 세포 등이다.

상기 미세캡슐은 크기가 2~1000㎛, 바람직하게는 10~1000㎛ 범위일 수 있다.

상기 기공은 크기가 3~30nm, 바람직하게는 7 ~ 17 nm 범위일 수 있다.

상기 금속나노입자는 지름이 3~1,000 nm, 바람직하게는 5~500 nm, 바람직하게는 20~100 nm 일 수 있다.

상기 쉘의 두께는 20 ~ 5000 nm 일 수 있다.

상기 쉘은 반투과성 고분자막이다.

상기 미세캡슐에 대해서 앞에서 상술한 내용들을 참고할 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 표면증강 라만 산란 표지용 센서에 관계한다. 본 발명은 표면증강 라만 산란 표지용 센서는 상기 미세캡슐을 포함하고, 상기 저장물질이 금속나노입자이고, 상기 미세캡슐은 기공 사이즈보다 작은 타겟물질만 선택적으로 투과시켜 라만 신호를 발생시킬 수 있다.

상기 미세캡슐에 대해서는 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다.

또한, 본 발명은 미세 생물 반응기에 관계한다. 상기 미세생물 반응기는 세포가 내부에 함유되어 있는 미세캡슐과 상기 미세캡슐이 분산되어 있는 영양분 등이 함유된 용액을 포함한다.

상기 영양소가 상기 미세캡슐의 상기 기공을 통하여 미세캡슐 내부로 공급되고, 미세캡슐 내에서 생성된 세포의 대사산물이 기공을 통해 용액으로 배출될 수 있다.

이하 본 발명을 다음의 실시 예에 의해 좀 더 상세하게 설명하겠으나, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1~3

도 2의 장치를 이용하여 미세캡슐을 제조하였다.

A 주입관으로 4 wt%의 폴리비닐알코올 수용액, B 주입관으로 10 wt% PLGA(분자량 110,000)이 용해된 톨루엔 용액을 주입하였으며, C 공간으로 10 wt%의 폴리비닐알코올 수용액을 주입하여 연속상을 형성하였다. 수집모세관 후단에서 이중액적이 분산된 연속상 용액을 수집용액을 담은 수집용기에 수집한 후 40 ℃의 오븐에서 톨루엔을 증발시켜 쉘의 두께가 약 100 nm인 미세캡슐을 수득하였다.

이어서, 상기 미세캡슐을 저장성 용액(수산화나트륨이 용해되어있는 수용액)에 넣어(실시예 1 : 삼투압 차이 250kPa, 실시예 2 : 삼투압 차이 500kPa, 실시예 3 : 삼투압 차이 740kPa) 24시간 인큐베이팅시킨 후 캡슐을 용액으로부터 분리하여 회수하였다.

실시예 4

도 2의 장치를 이용하여 미세캡슐을 제조하였다.

A 주입관으로 10 wt%의 폴리비닐알코올 수용액과 금나노입자(입자 사이즈 20nm) 0.8wt%, B 주입관으로 10 wt% PLGA(분자량 110,000)이 용해된 톨루엔 용액을 주입하였으며, C 공간으로 10 wt%의 폴리비닐알코올 수용액을 주입하여 연속상을 형성하였다. 수집모세관 후단에서 이중액적이 분산된 연속상 용액을 수집용액을 담은 수집용기에 수집한 후 40 ℃의 오븐에서 톨루엔을 증발시켜 쉘의 두께가 약 100 nm인 미세캡슐을 수득하였다.

이어서, 상기 미세캡슐을 저장성 용액(수산화나트륨이 용해되어있는 수용액, 삼투압 차이 250 kPa)에 넣어 24시간 인큐베이팅시킨 후 캡슐을 용액으로부터 분리하여 회수하였다.

비교예 1

실시예 1의 제조방법에서 톨루엔을 증발시켜 미세캡슐을 수득하는 단계까지만 발명을 실시하였다.

실험 1

적색 염료(Sulforhodamine B (Mw 580)(사이즈 약 1nm)가 분산된 용액에 비교예 1에서 제조된 미세캡슐을 넣어 30분 정도 인큐베이팅시켰다. 미세캡슐의 삼투압(오스몰 농도 300mOsm/L)과 동일하도록 분산 용액의 삼투압을 조절하였다.

도 4는 실험 1의 결과를 나타내는 것으로서, 도 4를 참고하면, 30분이 경과한 후에도 캡슐 내부에 적색 염료가 침투하지 못하였음을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 1에서 제조한 미세 캡슐에는 어떠한 기공도 형성되지 않았음을 알 수 있다.

실험 2

실시예 1 내지 3에서 수득한 미세캡슐을 분자량이 다른 FITC-dextran이 분산된 저장액에 넣어 캡슐의 cut-off value를 측정하였다.

사용된 FITC-dextran의 분자량과 크기는 10k(5nm), 20k(7nm), 40k(9nm), 70k(12nm), 150k(17nm), 500k(32nm)이다.

도 5 내지 도 7은 실험 2의 결과를 나타낸 것이다. 도 5를 참고하면, 삼투압 차이가 250kPa인 경우 FITC-dextran의 분자량이 40k 이상에서는 염료가 투과하지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 삼투압 차이가 250kPa인 경우, 9nm 이하(7~9nm)의 기공이 형성되었다는 것을 예측할 수 있다.

마찬가지로, 도 6을 참고하면, 삼투압 차이가 500kPa인 경우 FITC-dextran의 분자량이 150k 이상에서는 염료가 투과하지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 삼투압 차이가 500kPa인 경우, 17nm이하(12~17nm 범위)의 기공이 형성되었다는 것을 예측할 수 있다.

또한, 도 7을 참고하면, 삼투압 차이가 740kPa인 경우 FITC-dextran의 분자량이 150k 이상에서는 염료가 투과하지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 삼투압 차이가 500kPa인 경우에도 17nm 이하(12~17nm)의 기공이 형성되었다는 것을 예측할 수 있다.

실험 3

적색 염료(Sulforhodamine B (Mw 580)(사이즈 약 1nm)가 분산된 용액에 실시예 1과 2에서 제조된 미세캡슐을 넣어 1~20분 정도 인큐베이팅시켰다. 실험 3에서 사용된 미세캡슐은 실시예 1 및 2의 조건에서 각각 2시간과 6시간 동안 인큐베이팅한 것이다.

도 8은 시간에 따라 염료가 미세캡슐을 투과한 정도를 보여주는 그래프이고, 도 9는 시간에 따른 염료의 침투를 보여주는 사진이다.

도 8 및 도 9는 삼투압 차이가 크고, 인큐베이팅 시간이 길어질수록 투과도가 증가함을 보여준다.

도 10은 실시예 4에서 수득한 금 나노입자를 함유한 미세캡슐이다. 도 11과 도 12는 실시예 4에서 수득한 미세캡슐을 수용액 중에 분산시킨 후 0.1mM 의 로다민6G 용액, 1mM 의 로다민6G 용액을 각각 넣어 주어 라만 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸다. 도 11과 도 12에서, 동일한 파장대의 라만 피크가 발생함을 알 수 있다. 도 11과 도 12를 참고하면, 본 발명의 미세캡슐은 내부에 금속 나노 입자를 담지하여 캡슐 내부로 투과한 물질에 대해 라만 신호를 증강시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 구현예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위가 이들로 제한되는 것은 아니다.

110 : 주입 모세관 120 : 수집 모세관
130 : 외곽 모세관 140 : 내부 모세관

Claims

내부상으로 저장물질을 포함하는 이중액적을 형성하는 단계 ;
상기 이중액적을 고형화시켜 코어-쉘 구조의 미세캡슐을 형성하는 단계 ; 및
저장성 용액에 상기 미세캡슐을 소정 시간 동안 인큐베이팅하여 상기 쉘에 기공을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 이중액적을 형성하는 단계는 내부상으로 저장물질을 포함하는 제 1 유체, 중간상으로 고분자 또는 중합가능한 고분자 단량체를 포함하는 제 2 유체 및 연속상으로 계면활성제를 포함하는 친수성의 제 3 유체를 주입하여 이중액적을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 기공 형성 단계는 저장성 용액과 상기 미세캡슐의 삼투압 차이를 이용하여 상기 미세캡슐에 균열을 발생시키는 단계인 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 미세캡슐과 상기 저장성 용액의 삼투압의 차이를 조절하여 상기 기공의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 미세캡슐과 상기 저장성 용액의 삼투압 차이를 250 ~ 740 kPa 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세캡슐의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 방법은 미세 캡슐의 인큐베이팅 시간을 조절하여 기공의 수를 제어하는 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세 캡슐의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 고형화 단계는 고분자 단량체를 경화하거나 제 2 유체에 포함된 유기용매를 증발시키는 단계인 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세 캡슐의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 저장물질은 금속나노입자, 수용성 약물, 단백질, 수용성 고분자, 미생물 또는 세포인 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세 캡슐의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 저장물질이 표면 증강 라만 산란을 발생하는 금속나노입자인 경우, 상기 제 1 유체는 상기 저장물질을 0.1 ~ 30 중량%, 바람직하게는 0.5 ~ 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세 캡슐의 제조 방법.
제 8항에 있어서, 상기 기공의 크기가 상기 금속나노입자의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 기공이 형성된 반투과성 미세 캡슐의 제조 방법.
저장물질을 함유하는 코어 ; 및
상기 코어를 둘러싸고 크랙 형상의 기공이 형성된 쉘을 포함하는 미세캡슐로서, 상기 쉘은 반투과성 고분자막이고, 상기 기공은 미세캡슐이 인큐베이팅되는 저장성 용액과의 삼투압 차이에 의해 상기 미세캡슐이 팽창하여 형성된 것을 특징으로 하는 반투과성 미세캡슐.
제 11항에 있어서, 상기 기공은 상기 미세캡슐이 팽창하여 형성된 균열(crack)이 확대된 것을 특징으로 하는 반투과성 미세캡슐.
제 11항에 있어서, 상기 기공의 사이즈가 상기 저장물질의 사이즈보다 작아 상기 저장물질이 미세캡슐 내부에 담지되는 것을 특징으로 하는 반투과성 미세캡슐.
제 11항에 있어서, 상기 미세캡슐은 기공 사이즈보다 작은 타겟 물질만 선택적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 반투과성 미세캡슐.
제 11항에 있어서, 상기 저장물질은 금속나노입자, 약물(drug), 화장료(cosmetic), 영양소, 미생물 또는 세포인 것을 특징으로 하는 미세캡슐.
제 11항에 있어서, 상기 미세캡슐은 크기가 2~1000 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 미세캡슐.
제 11항에 있어서, 상기 기공은 크기가 3~30nm 범위인 것을 특징으로 하는 미세캡슐.
제 15항에 있어서, 상기 금속나노입자의 크기가 20 ~ 100 nm 범위인 것을 특징으로 하는 미세캡슐.
제 11항 내지 제 18항 중 어느 한 항의 미세캡슐을 포함하고, 상기 저장물질이 금속나노입자이고, 상기 미세캡슐은 기공 사이즈보다 작은 타겟물질만 선택적으로 투과시켜 라만 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 표면증강 라만 산란 표지용 센서.
제 11항 내지 제14항, 제 16항 및 제17항 중 어느 한 항의 미세캡슐과 상기 미세캡슐이 담지되는 용기를 포함하고, 상기 미세캡슐의 저장물질은 세포이고, 상기 용기의 영양소가 상기 미세캡슐의 상기 기공을 통하여 미세캡슐 내부로 공급되고, 미세캡슐 내에서 생성된 세포의 대사산물이 기공을 통해 용기로 배출하는 것을 특징으로 하는 미세 생물 반응기.