KR20210009629A

KR20210009629A - 스마트 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20210009629A
Application number: KR1020190086402A
Authority: KR
Inventors: 김신현; 김지원; 이상석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-01-27
Also published as: KR102227718B1

Abstract

고분자막을 포함하는 마이크로 캡슐이며, 상기 고분자막은 막 내부에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하고, 상기 상변화물질은 온도 변화에 따라 고체상에서 액체상으로 변화하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐이 개시된다.

Description

스마트 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법{Smart microcapsules and method of manufacturing the same}

스마트 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

세포막은 다양한 막 단백질이 삽입된 인지질 이중층으로 구성된다. 세포막은 세포 외 공간으로부터 세포질의 세포 기관들을 보호하는 동시에 인접 세포들과 상호 작용하는 다양한 물질들의 막관통 운반(transmembrane transport)을 조절한다. 특히, 이온 채널 및 수송자와 같은 막관통 단백질(transmembrane protein)은 농도 구배에 의해 야기되는 자연 확산에 반대되는 것으로, 특정 극성 이온 또는 분자를 선택적으로 펌핑할 수 있다. 세포막을 통한 분자 특이적 침투는 생존을 위한 대사 작용뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에서도 매우 중요하다.

세포막에서 아이디어를 얻은 분자 선택 투과성 막을 인위적으로 설계하는 데 집중적인 연구가 되고 있다. 예를 들어, 세포는 단백질을 분비하는 동안 투과의 차단 임계치가 조절된 반투막 캡슐을 사용하여 면역 시스템으로부터 분리될 수 있다(이를 면역 분리라고 함). 분자 선택 투과성(molecule-selective permeability)은 캡슐 기반 센서를 디자인하는 데 유용하다. 왜냐하면, 캡슐 내에 들어있는 감지 물질은 오염 물질로부터 보호되어 높은 감도를 유지할 수 있으며, 선택적인 막 투과 특성에 의해 표적 분자만을 캡슐 내부로 유입시킬 수 있기 때문이다. 유사한 방식으로, 효소 혹은 촉매 또한 캡슐화되어 선택적인 반응물 유입에 따라 거동하는 캡슐 기반의 반응기로 응용될 수 있다.

막관통 운반을 조절하는 가장 간단한 방법은 일정한 크기의 기공이 있는 막을 사용하는 분자 크기 선택적 투과(molecular size-selective permeation)이다. 막에 일정한 공극을 갖는 마이크로 캡슐을 제조하기 위해, 다양한 접근법이 사용되었다. 예를 들어, 계면 축합 또는 흡착을 통해 에멀전 액적의 표면에 MOF(metal-organic framework) 또는 나노 입자를 형성시키거나, LBL(layer-by-layer) 증착으로 폴리머 층을 형성할 수 있다. 특히, LBL 기술에 의해 제조된 마이크로 캡슐은 pH, 이온 강도, 자외선(UV) 또는 온도 반응성을 나타내도록 설계될 수 있으며, 이는 특정 조건 하에서 분자의 방출을 가능하게 한다(V. Kozlovskaya, E. Kharlampieva, I. Drachuk, D. Cheng, V. V. Tsukruk, Soft Matter, 2010, 6, 3596).

본 발명의 일 측면에서의 목적은 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 나타내는 스마트 마이크로 캡슐을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 측면에서의 목적은 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 나타내는 스마트 마이크로 캡슐의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서의 목적은 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 나타내는 마이크로 캡슐이 적용된 마이크로 센서, 마이크로 반응기 및 약물 전달 시스템 등 광범위한 응용 분야에서의 새로운 적용을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서

고분자막을 포함하는 마이크로 캡슐이며,

상기 고분자막은 막 내부에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하고,

상기 상변화물질은 온도 변화에 따라 고체상에서 액체상으로 변화하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서

연속된 수용액 상 내에 이중 액적을 형성하는 단계로, 상기 이중 액적은 오일상으로 구성된 쉘 및 물상으로 구성된 코어를 포함하고, 상기 쉘은 고분자 단량체 및 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하는 단계; 및

상기 이중 액적의 쉘 내 고분자 단량체를 중합시키는 단계;를 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법이 제공된다.

나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서

상기의 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서가 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에서

상기의 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 반응기가 제공된다.

나아가, 본 발명의 또 다른 일 측면에서

상기의 마이크로 캡슐을 포함하는 약물 전달체가 제공된다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 나타낼 수 있다. 마이크로 캡슐의 고분자막에 상변화물질을 포함시킴으로써 온도에 따라 상변화물질을 고체상에서 액체상으로, 혹은 그 반대로 조절할 수 있다. 특별히 상변화물질의 용융점 이상의 온도에서는 액체상으로 변화된 상변화물질에 용해되는 분자 또는 화합물만이 고분자막을 가로질러 선택적으로 확산될 수 있다. 이러한 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성은 마이크로 캡슐이 잠재적으로 약물 방출을 위한 약물 전달체, 오염이 없는 마이크로 반응기 및 마이크로 센서로의 응용에 유용하다.

도 1은 미세 유체 시스템의 개략도(a) 및 광학 현미경으로 관찰한 사진(b)이고;
도 2는 삼원 혼합물을 포함하는 오일 쉘에서 라우릴 아크릴레이트(LA)와 트리메틸올프로판에톡시 트리아크릴레이트(ETPTA)의 자외선 유도 광중합에 의한 이중 에멀젼 액적으로부터의 마이크로 캡슐의 형성에 대한 도식적 설명과 poly(LA-co-ETPTA) 고분자 골격의 공극에 포함되는 도데칸올의 가열 및 냉각에 의한 가역적인 상 변화(a), 30℃ 및 10℃의 두 가지 온도에서 마이크로 캡슐의 광학 현미경(OM)으로 관찰한 사진(b) 및 고분자막의 단면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진(c)이고;
도 3은 연속 광중합이 아닌 마이크로 캡슐을 수집한 후, 벌크 광중합에 의해 마이크로 캡슐을 제조한 결과를 보여주는 광학 현미경 사진이고;
도 4는 30℃ 및 10℃의 두 가지 온도에서 균일한 크기의 마이크로 캡슐을 광학 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 한 쌍의 유리판에 의해 압축된 마이크로 캡슐을 광학 현미경으로 관찰한 사진(a), 마이크로 캡슐의 힘-변형 그래프(b) 및 마이크로 캡슐의 응력-변형 그래프(c)이고;
도 6은 외부 경계면에서의 용해, 도데칸올 나노 채널을 통한 확산 및 내부 경계면에서의 용해가 가능한 분자의 투과를 용인하는 마이크로 캡슐의 모식도(a), rhodamine 110 chloride(R110)의 분자 구조 및 마이크로 캡슐의 코어 내로의 R110의 투과를 보여주는 일련의 공초점 현미경 사진(b), 고분자막이 도데칸올에 불용인 분자를 거부하는 마이크로 캡슐을 나타낸 모식도(c), 피라닌의 분자 구조 및 마이크로 캡슐로부터 피라닌의 거부를 나타내는 일련의 공초점 현미경 사진(d), 식 (1)에 실선이 적용되는 7개의 상이한 염료 분자에 대한 마이크로 캡슐 내의 정규화된 형광 강도의 시간 변화를 나타낸 그래프(e, f), 캡슐막 투과가 가능한 5개의 상이한 염료에 대한 분배 계수, P_{dodecanol/water}의 함수로서의 막 투과(transmembrane permeation)에 대한 특징적 시간비율, τ를 나타낸 그래프(g), R110(녹색 형광) 및 SRB(적색 형광)의 수용액에 부유된 마이크로 캡슐의 도식(h) 및 SRB(적색 형광)의 유입을 배제한, R110(녹색 형광) 유입만을 용인한 마이크로 캡슐의 공초점 현미경 사진(i)이고;
도 7은 농도에 따른 물에서의 surforhodamin B(SRB)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 564 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 SRB의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 554 nm에서의 흡광도(c, d), SRB가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f)이고;
도 8은 농도에 따른 물에서의 rhodamine 6G(R6G)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 528 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 R6G의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 536 nm에서의 흡광도(c, d), R6G가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f)이고;
도 9는 농도에 따른 물에서의 rhodamine B(RB)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 554 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 RB의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 544 nm에서의 흡광도(c, d), RB가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f)이고;
도 10은 농도에 따른 물에서의 rhodamine B isothiocyanate(RBITC)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 556 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 RBITC의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 544 nm에서의 흡광도(c, d), RBITC가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f)이고;
도 11은 농도에 따른 물에서의 rhodamine 110 chloride(R110)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 498 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 R110의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 506 nm에서의 흡광도(c, d), RBITC가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f)이고;
도 12는 농도에 따른 물에서의 피라닌(pyranine)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 404 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 피라닌의 흡수 스펙트럼과(c), 피라닌이 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(d), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(e)이고;
도 13은 농도에 따른 물에서의 indocyanine green(ICG)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 780 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 ICG의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 804 nm에서의 흡광도(c, d), ICG가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f)이고;
도 14은 농도에 따른 물에서의 rhodamine B isothiocyanate-dextran (RBITC-dex, 10 kDa)의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 556 nm에서의 흡광도(a, b), 농도에 따른 도데칸올에서의 RBITC-dex의 흡수 스펙트럼과 농도에 따른 564 nm에서의 흡광도(c, d), RBITC-dex가 용해된 수용액을 도데칸올과 함께 50℃에서 1주간 배양시킨 유리병의 사진(e), 유리병으로부터 얻은 도데칸올과 물의 흡수 스펙트럼(f), 50℃에서 10시간 동안 RBITC-dex의 수용액에 현탁된 마이크로 캡슐의 공초점 현미경 사진(g), 50℃에서 마이크로 캡슐 내의 정규화된 형광 강도의 시간에 따른 변화 그래프(h)이고;
도 15는 도데칸올의 용융점 이상과 이하로의 가열과 냉각에 따른 분자 투과도의 가역적 변화를 보여주는 모식도(a), 30℃, 20℃ 및 10℃의 3 가지 상이한 온도에서 rhodamine 6G(R6G)의 투과도 변화를 보여주는 일련의 공초점 현미경 사진(b), 상이한 온도에서 R6G 및 피라닌에 대한 정규화된 형광 강도의 시간 변화를 나타낸 그래프(c), R6G에 대한 온도의 함수로서의 막 투과(transmembrane permeation)에 대한 특징적 시간비율, τ를 나타낸 그래프(d)이고;
도 16은 4℃에서 캡슐 내부에 담지한 물질의 보존 및 37℃에서의 선택적인 방출을 보여주는 개략도(a), 37℃ 및 4℃에서 indocyanine green(ICG)의 마이크로 캡슐로부터의 방출에 따른 780 nm에서의 시간에 따른 흡광도 변화를 나타낸 그래프(b), 온도 변화에 대한 흡광도의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프(c)이다.

본 발명의 일 측면에서

고분자막을 포함하는 마이크로 캡슐이며,

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 갖는 마이크로 캡슐을 설계하고자 하며, 이를 통해 향상된 막관통 운반을 제공할 수 있다. 고분자막은 내부에 공극(void)이 형성되어 있으며, 고분자막 내부의 공극이 액체상 또는 고체상의 상변화물질(PCM)로 채워지는 가교 중합체 골격으로 구성된다. 상변화물질이 연속적인 경로를 제공하기 때문에 고분자막은 액체상의 상변화물질에 용해되는 분자의 선택적 확산이 허용된다.

상기 마이크로 캡슐은 온도 변화에 따라 화합물을 투과시킬 수 있다. 온도가 상변화물질의 융점보다 낮으면 상변화물질이 동결되어 모든 분자에 대한 용해도가 현저하게 낮아짐으로써, 온도에 따라 시스템의 온/오프가 가능하다.

상기 마이크로 캡슐은 화합물의 극성에 따라 선택적으로 화합물을 투과시킬 수 있다. 상변화물질이 제공하는 경로를 통해 상변화물질과 유사한 극성을 나타내는 화합물을 투과시킬 수 있다.

이와 같이, 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 갖는 마이크로 캡슐은 캡슐형 마이크로 센서, 촉매의 캡슐화와 같은 다양한 응용분야에서 유용하게 적용될 수 있으며, 온도에 따른 선택적인 투과특성은 체온에 의해 유발되는 약물의 지속적인 방출에 매우 유용하게 적용할 수 있다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 고분자막을 포함하는 마이크로 캡슐로써, 상기 고분자막은 막 내부에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함한다.

상기 상변화물질은 탄화수소 알콜, 파라핀계 왁스, 동식물성 지방산 및 동식물성 지방산 에스테르 등일 수 있으며, 상기 동식물성 지방산 에스테르는 동식물성 지방산 글리세라이드일 수 있고, 상기 글리세라이드는 모노글리세라이드, 다이글리세라이드, 트리글리세라이드를 포함할 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 상변화물질은 탄소수 9개 내지 28개를 가지는 알콜류 및 탄소수 9개 내지 28개를 가지는 파라핀계 탄화수소 물질 등일 수 있으며, 1-Nonanol, 1-Decanol, 1-Undecanol, 1-Dodecanol, 1-Tridecanol, 1-Tetradecanol, 1-Pentadecanol, 1-Hexadecanol, 1-Heptadecanol, 1-Octadecanol, 1-Nonadecanol, 1-Eicosanol, 1-Docosanol, n-Nonane, n-Decane, n-Undecane, n-Dodecane, n-Tridecane, n-Tetradecane, n-Pentadecane, n-Hexadecane, n-Heptadecane, n-Octadecane, n-Nonadecane, n-Eicosane, n-Docosane 등일 수 있다.

상기 고분자막은 아크릴레이트계 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 아크릴레이트계 고분자는 다관능성 아크릴레이트계 단량체로부터 형성되는 것일 수 있고, 트리메틸올프로판에톡시 트리아크릴레이트(ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, ETPTA), 트리메틸올프로판 프로폭시레이트 트리아크릴레이트(trimethylolpropane propoxylate triacrylate), 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate, TMPTA), 에톡시레이티드 비스페놀A디메타크릴 레이트(ethoxylated bis phenol A dimethacrylate), 헥산디올디아크릴레이트(hexandiol diacrylate, HDDA), 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트(tripropyleneglycoldiacrylate, TPGDA), 에틸렌글리콜 디아크릴레이트(ethyleneglycoldiacrylate, EGDA), 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(tetraethylene glycol diacrylate), 글리세린 프로폭실화 트리아크릴레이트(glycerol propoxylated triacrylate, GPTA), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(pentaerythritol tetraacrylate, PETA) 및 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(dipentaerythritol hexaacrylate, DPHA) 중 1종 이상의 단량체로부터 형성되는 것일 수 있다. 상기 아크릴레이트계 고분자로부터 형성되는 고분자막은 가교된 고분자 골격을 형성함으로써 상변화물질로 이루어진 연속적인 나노 채널을 형성할 수 있고, 높은 기계적 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 아크릴레이트계 고분자는 상변화물질과 아크릴레이트계 고분자의 호환성을 유지시키기 위한 상용화제를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 단량체의 중합반응은 불활성 액체에 대한 혼화성을 감소시키고, 다상분리(macrophase separation)를 야기한다. 이는, 중합 유도 상분리(polymerization-induced phase separation)라고 할 수 있다. 이에, 상기 아크릴레이트계 고분자는 상용화제를 더 포함할 수 있으며, 상기 상용화제는 아크릴레이트계 고분자와 공중합되어 공중합체로 형성될 수 있다. 사용하는 상변화물질 그리고 아크릴레이트계 단량체와 비슷한 분자 구조를 가지는 상용화제를 이용하면 상변화물질과 아크릴레이트계 고분자의 호환성을 향상시킬 수 있으며, 탄소수 6개 내지 20개의 아크릴레이트계 단량체 및 탄소수 6개 내지 20개의 메타아크릴레이트계 단량체 중 1종 이상일 수 있고, Nonyl acrylate, Decyl acrylate, Undecyl acrylate, Dodecyl acrylate (=Lauryl acrylate, 라우릴 아크릴레이트), Tridecyl acrylate, Tetradecyl acrylate, Pentadecyl acrylate, Hexadecyl acrylate, Heptadecyl acrylate, Octadecyl acrylate, Nonadecyl acrylate 및 Nonyl methacrylate, Decyl methacrylate, Undecyl methacrylate, Dodecyl methacrylate (=Lauryl methacrylate, 라우릴 메타아크릴레이트), Tridecyl methacrylate, Tetradecyl methacrylate, Pentadecyl methacrylate, Hexadecyl methacrylate, Heptadecyl methacrylate, Octadecyl methacrylate, Nonadecyl methacrylate일 수 있다.

나아가, 상기 아크릴레이트계 고분자는 단량체 및 상용화제로서 공단량체를 포함하는 공중합체일 수 있으며, 상기 단량체 및 상용화제의 혼합비율은 1:0.1 내지 1:8일 수 있으며, 1:0.25 내지 1:7일 수 있고, 1:0.5 내지 1:6일 수 있으며, 1:1 내지 1:5일 수 있다.

또한, 상기 상변화물질의 함량은 전체 고분자막 100 중량부 대비 10 중량부 내지 70 중량부일 수 있으며, 10 중량부 내지 50 중량부일 수 있고, 10 중량부 내지 35 중량부일 수 있으며, 20 중량부 내지 35 중량부일 수 있고, 25 중량부 내지 35 중량부일 수 있다.

나아가, 상기 마이크로 캡슐의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으며, 50 ㎛ 내지 400 ㎛일 수 있고, 100 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다.

상기 마이크로 캡슐은 화합물의 극성에 따라 선택적으로 화합물을 투과시킬 수 있다.

이때, 상기 화합물은 rhodamine 110 chloride(R110), rhodamine B(RB), rhodamine B isothiocyanate(RBITC), rhodamine 6G(R6G), indocyanine green (ICG) 등일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서

이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법은 연속된 수용액 상 내에 이중 액적을 형성하는 단계로, 상기 이중 액적은 오일상으로 구성된 쉘 및 물상으로 구성된 코어를 포함하고, 상기 쉘은 고분자 단량체 및 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하는 단계를 포함한다.

상기 단계에서는 마이크로 캡슐의 고분자막을 구성하는 고분자 단량체 및 고분자막에 포함되는 상변화물질을 포함하는 오일 쉘을 포함하는 액적을 형성하는 단계로, 연속된 수용액 상 내에 오일 쉘 및 수용액 코어를 포함하는 이중 액적을 형성한다.

구체적으로, 이중 액적을 형성하는 단계는 미세 유체 시스템을 사용하여 수행될 수 있고, 물 흐름을 포함하는 외부관; 상기 외부관의 내부에 위치하며, 고분자 단량체 및 상변화물질(Phase Change Material, PCM)를 포함하는 오일 흐름을 포함하는 내부관; 및 이중 액적의 코어를 구성할 내부 물 흐름을 포함하는 상기 내부관 내의 작은 내부관; 및 오일 흐름을 포함하는 내부관과 마주보게 위치하며, 바깥 물 흐름을 포함하는 오리피스;를 포함하는 도 1의 미세 유체 시스템을 통해 수행될 수 있다.

상기 오일상으로 구성된 쉘은 광 개시제를 포함할 수 있으며, 상기 광개시제는 고분자 단량체의 가교를 유도하는 것이면 제한되지 않고 사용할 수 있고, 일례로 상기 광개시제는 2-하이드록시-1-[4-(2-하이드록시데톡시)페닐]-2-메틸프로판-1-온(2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methylpropan-1-one), 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온(2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one), 2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(4-모르폴리닐)페닐]-1-부타논(2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl)phenyl]-1-butanone), 1-하이드록시사이클로헥실 벤조페논 (1-Hydroxycyclohexyl benzophenone), 1-하이드록시사이클로헥실 페닐케톤 (1-Hydroxycyclohexyl phenylketone), 2-하이드록시-4'-(2-하이드록시에톡시)-2-메틸프로피어페논(2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone), 2,2-다이메톡시-1,2-다이페닐에탄온(2,2-Dimethoxy-1,2-di(phenyl)ethanone) 및 메탄온,1,1'-(페닐포스피니리덴)비스[1-(2,3,6-트리메틸페닐)](Methanone,1,1'-(phenylphosphinylidene)bis[1-(2,4,6-trimethylphenyl)]) 등을 사용할 수 있다.

상기 광개시제의 함량은 전체 수용액에 대하여 0.01 w/w% 내지 10 w/w%일 수 있으며, 0.1 w/w% 내지 5 w/w%일 수 있고, 0.3 w/w% 내지 3 w/w%일 수 있으며, 0.5 w/w% 내지 2 w/w%일 수 있고, 0.6 w/w% 내지 1.5 w/w%일 수 있으며, 0.7 w/w% 내지 1 w/w%일 수 있다.

상기 수용액은 물과 오일 계면을 안정화 시키기 위해 수용성 계면활성제를 포함한다. 일례로써 polyethylene glycol (PEG), poly(vinyl alcohol) (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP)을 포함한 수용액을 사용할 수 있다.

이때, 상기 수용성 고분자의 함량은 전체 수용액에 대하여 0.1 w/w% 내지 30 w/w%일 수 있으며, 1 w/w% 내지 20 w/w%일 수 있고, 3 w/w% 내지 10 w/w%일 수 있으며, 4 w/w% 내지 6 w/w%일 수 있다.

상기 고분자 단량체는 아크릴레이트계 단량체일 수 있으며, 트리메틸올프로판에톡시 트리아크릴레이트(ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, ETPTA), 트리메틸올프로판 프로폭시레이트 트리아크릴레이트(trimethylolpropane propoxylate triacrylate), 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate, TMPTA), 에톡시레이티드 비스페놀A디메타크릴 레이트(ethoxylated bis phenol A dimethacrylate), 헥산디올디아크릴레이트(hexandiol diacrylate, HDDA), 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트(tripropyleneglycoldiacrylate, TPGDA), 에틸렌글리콜 디아크릴레이트(ethyleneglycoldiacrylate, EGDA), 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(tetraethylene glycol diacrylate), 글리세린 프로폭실화 트리아크릴레이트(glycerol propoxylated triacrylate, GPTA), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(pentaerythritol tetraacrylate, PETA) 및 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(dipentaerythritol hexaacrylate, DPHA) 중 1종 이상의 단량체일 수 있다.

또한, 상기 오일상으로 구성된 쉘은 상변화물질과 고분자 단량체의 호환성을 유지시키기 위한 상용화제를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 단량체의 중합반응은 불활성 액체에 대한 혼화성을 감소시키고, 다상분리(macrophase separation)를 야기한다. 이는, 중합 유도 상분리(polymerization-induced phase separation)라고 할 수 있다. 이에, 상기 오일 쉘은 상용화제를 더 포함할 수 있으며, 상기 상용화제는 탄소수 6개 내지 20개의 아크릴레이트계 단량체 및 탄소수 6개 내지 20개의 메타크릴레이트계 단량체 중 1종 이상일 수 있고, Nonyl acrylate, Decyl acrylate, Undecyl acrylate, Dodecyl acrylate (=Lauryl acrylate, 라우릴 아크릴레이트), Tridecyl acrylate, Tetradecyl acrylate, Pentadecyl acrylate, Hexadecyl acrylate, Heptadecyl acrylate, Octadecyl acrylate, Nonadecyl acrylate 및 Nonyl methacrylate, Decyl methacrylate, Undecyl methacrylate, Dodecyl methacrylate (=Lauryl methacrylate, 라우릴 메타아크릴레이트), Tridecyl methacrylate, Tetradecyl methacrylate, Pentadecyl methacrylate, Hexadecyl methacrylate, Heptadecyl methacrylate, Octadecyl methacrylate, Nonadecyl methacrylate일 수 있다.

상기 고분자 단량체 및 상변화물질의 혼합비율은 1:0.1 내지 1:5의 중량비일 수 있고, 1:0.3 내지 1:4의 중량비일 수 있으며, 1:0.5 내지 1:3의 중량비일 수 있고, 1:1 내지 1:3의 중량비일 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법은 상기 이중 액적의 쉘 내 고분자 단량체를 중합시키는 단계를 포함한다.

이때, 상기 중합은 연속적인 광 조사(UV 조사)에 의해 수행될 수 있으며, 광 조사에 의해 상기 이중 액적의 오일 쉘 내 고분자 단량체가 중합되어 고분자 골격을 형성할 수 있다. 다만, 상기 중합은 필요할 경우 광 중합뿐만 아니라 열중합, 이온중합을 통해 수행할 수도 있다. 그리고, 형성된 고분자 골격의 공극을 상변화물질이 채우게 된다.

또한, 상기 광 조사에 있어 자외선 조사는 1 내지 100 mW/cm²의 광도에서 0.1 내지 10초 동안 수행할 수 있으나, 이중 액적 쉘 내 고분자 단량체가 중합되는 조건이라면 광도와 노광시간 조절이 가능하다.

나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서

상기의 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서, 마이크로 반응기 또는 약물 전달체가 제공된다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 나타낼 수 있다. 마이크로 캡슐의 고분자막에 상변화물질을 포함함으로써 상변화물질의 용융점 이상의 온도에서 액체상으로 변화된 상변화물질에 용해되는 분자 또는 화합물이 고분자막을 가로질러 선택적으로 확산될 수 있다. 이러한 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성은 마이크로 캡슐이 잠재적으로 약물 방출을 위한 약물 전달체, 오염이 없는 마이크로 반응기 및 마이크로 센서로의 응용에 유용하다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1>

미세 유체 시스템은 도 1(a)에 나타내었으며, 구체적으로 1개의 사각형 모양의 모세관(1.5 mm OD, 1.05 mm ID, Atlantic International Technologies, Inc.) 내에 조립된 2개의 원통형 모세관(1.0 mm OD, 0.58 mm ID, World Precision Instruments) 그리고 1개의 가는 원통형 모세관(OD, ID는 0.1 mm 이하)으로 구성되었다.

사각형 모양의 모세관은 에폭시 접착제를 사용하여 투명 슬라이드 유리에 고정되었다. 2개의 원통형 모세관을 모세관 풀러(P97, Sutter Instrument)로 점점 가늘어지도록 처리한 다음 원하는 직경을 갖도록 샌딩 처리하였다.

하나는 직경이 240 ㎛인 주입구를 갖는 내부관이고, 다른 하나는 직경이 280 ㎛인 수집구가 있는 오리피스로 적용하였다. 직경이 240 ㎛인 주입구를 갖는 내부관 내에 위치할, 내부 물상 주입을 위한 모세관은 불로 그을린 상태에서 손으로 잡아당겨 더욱 가늘게 만들어 사용하였다.

내부관을 2-[메톡시(폴리에틸옥시)6-9프로필]트리메톡시 실란(2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl]trimethoxysilane; Gelest)에 25분 동안 침지시켜 표면을 소수성으로 처리하였다. 오리피스를 트리메톡시(옥타데실) 실란(trimethoxy (octadecyl) silane; Sigma-Aldrich)에 침지시켜 표면을 친수성으로 처리하였다. 상기 2개의 모세관을 이소프로판올과 증류수로 각각 세척한 후 모세관을 완전히 건조시키고, 사각형 모세관(외부관)에서 동축으로 조립되어 주입구와 수집구의 간격이 200 ㎛로 형성되었다. 그리고 소수성으로 처리된 원통형 모세관 내부에 1개의 가는 모세관을 삽입하였다. 모세관 사이의 공간들은 바늘을 세운 뒤 에폭시 접착제로 밀봉하여 그 공간으로 유체가 주입될 수 있도록 하였다.

마이크로 캡슐을 제조하기 위해 10 w/w%의 폴리비닐알코올(PVA, Mw 13,000~23,000 g/mol, Sigma-Aldrich) 수용액을 연속상과 내부 물상으로 적용하였고, 1 w/w%의 광개시제(2-hydroxy--methylpropiophenone, Darocur 1173, 97%, Sigma Aldrich), 29 w/w%의 도데칸올(dodecanol), 45 w/w%의 라우릴 아크릴레이트(lauryl acrylate, LA) 및 25 w/w%의 트리메틸올프로판에톡시 트리아크릴레이트(ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, ETPTA)를 포함하는 오일용액 또는 1 w/w%의 광개시제, 29 w/w%의 도데칸올, 35 w/w%의 LA 및 35 w/w%의 ETPTA를 포함하는 오일용액을 오일상(또는 오일 흐름)으로 적용하였다. 가장 안쪽 물상, 중간 오일상 및 연속상 유량은 각각 800, 1100 및 3000 μL/h로 설정하였다. 생체 내 실험을 진행하기 위한 조건으로는 Sucrose를 이용하여 연속상의 삼투압을 300 mOsm/L로 맞춰 주었으며 상기 값은 Sucrose 농도 조절을 통해 자유롭게 조절될 수 있다.

미세 유체 시스템의 온도를 45℃로 설정하고, 미세 유체 시스템에 주사기 펌프를 사용하여 물상, 오일상 및 연속상을 주입하였다. 물상, 오일상 및 연속상은 내부관에서 오리피스 방향인 같은 방향의 흐름으로 주입되었으며, 내부 가는 모세관에서 나오는 물상은 오일상 내에 단일 액적을 형성하였고 상기 단일 액적은 오리피스 근처로 도달하며 연속상 내에 이중 액적을 형성하였다.

이후, 오리피스 끝에서 연속적인 자외선(UV) 조사에 의해 이중 액적의 오일 쉘의 고분자 단량체인 LA 및 ETPTA가 중합되고, 고분자 골격 공극에 도데칸올이 위치한다.

최종적으로, 단일 액적이 형성하는 입자와 이중 액적이 형성하는 마이크로 캡슐은 3 wt% PVA 용액에 수집함으로써 밀도 차에 의해 쉽게 분리하였다.

< 실험예 1> 마이크로 캡슐 제조공정 및 제조된 마이크로 캡슐의 형상 분석

본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 수중유중수(water-in-oil-in-water; W/O/W) 이중 에멀젼 액적을 템플릿으로 사용하여 설계되었다(도 2a 참조). 이중 에멀젼 액적의 오일 쉘은 2 개의 서로 다른 단량체들과 액체상의 상변화물질(PCM)인 도데칸올의 삼원 혼합물이고, 광 중합을 통해 고분자막을 형성하게 된다. 불활성 액체인 상변화물질은 광 중합이 일어나지 않은 액체 상태로 남아 있으며 고체상의 쉘인 고분자막의 전체 두께에 걸쳐 나노 채널을 형성하여 내부와 주변 사이의 확산 경로 역할을 한다. 상변화물질 채널을 통한 막 투과 속도는 액체 상변화물질에서 분자의 용해도에 크게 의존하기 때문에 분자 극성 의존성 투자특성을 제공한다. 상변화물질의 융점 이하의 온도에서는 상변화물질이 동결되어 고체상이 되며, 분자 투과특성이 크게 낮아져 외부 온도에 따른 투과성을 제어할 수 있다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 제조방법과 같이 인-시츄(in-situ) 광 중합은 현탁액 안정성을 확보하면서 마이크로 캡슐의 형성을 가능하게 한다. 수집 후 벌크 UV 노출은 도 3에 나타낸 바와 서로 밀착된 마이크로 캡슐을 형성한다. 또한, 인-시츄 광 중합은 쉘의 비교적 균질한 두께를 형성하는데 용이하다. 액적들이 오랜 시간 수용액 상태에 있는 경우, 물상의 코어와 오일상의 쉘 사이의 밀도 차이는 오일 쉘 내에서 액적 내부 물질의 이동을 유발하여 벌크 중합 후에 불균일한 고분자막 형성을 나타낼 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 제조방법으로 생성된 마이크로 캡슐은 도 4에 나타낸 바와 같이, 같이 고도로 단분산 되어있음을 확인할 수 있다. 마이크로 캡슐은 평균 직경이 207 ㎛이고, 변동 계수(CV)는 1.39%이다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 고분자막은 LA와 ETPTA가 공중합을 통해 고분자 골격을 형성하고 액상 도데칸올은 고상 분리 없이 고분자 골격의 공극을 균일하게 채운다. 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 광학현미경으로 실시예 1의 마이크로 캡슐을 관찰하였다. 마이크로 캡슐은 도데칸올의 융점보다 높은 온도(30℃)에서 투명한 것을 확인할 수 있다. 온도가 도데칸올의 융점보다 낮아지면(10℃) 도데칸올은 동결되고 마이크로 캡슐은 반투명해지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 다상 분리가 없음을 확인하기 위해 마이크로 캡슐을 이소프로판올로 여러번 세척하여 도데칸올을 제거하고 도 1(d)에 나타낸 바와 같이 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 결과, 고분자막의 표면 및 단면은 거대 공극을 나타내지 않으며, 고분자막의 두께는 약 2.3 ㎛인 것을 확인하였다.

고분자막은 공극이 도데칸올로 채워지는 poly(ETPTA-co-LA) 고분자 골격으로 구성된다. 따라서, 마이크로 캡슐은 고분자 골격이 고체 지지체로 작용되어 외부 전단 흐름 및 온도 변화에 대해 매우 안정하다. 이 높은 안정성은 도데칸올이 녹을 때 마이크로 캡슐이 파열되는 순수한 도데칸올로 이루어진 쉘에서는 달성할 수 없다. 또한, 순수한 상변화물질로 이루어진 쉘은 동결 중에 균열을 형성하여 캡슐 내용물의 누출을 초래한다. 본 발명에 따른 마이크로 캡슐의 도데칸올은 많은 주기의 온도 변동에도 고분자 골격에 남아 있으며 동결시 균열을 일으키지 않는다.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 기계적 안정성을 확인하기 위해 마이크로 캡슐을 준비하고 한 쌍의 유리판으로 압축하였다. 마이크로 캡슐은 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 고분자막의 형태를 유지하면서 압축에 의해 디스크 모양으로 변형된다. 변형률이 0.60의 임계 값을 초과하면 고분자막이 갑자기 파열되는 것을 확인할 수 있다. 정량적으로 변형을 분석하기 위해 주사기 펌프와 정밀 저울로 구성된 장치를 사용하여 압축 중 힘을 측정하였으며, 도 5(b)에 나타내었다. 파절시의 힘은 0.642 N으로 추정된다. 응력은 마이크로 캡슐의 투영 면적으로 힘을 나눔으로써 계산될 수 있으며, 이를 도 5(c)에 나타내었다. 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 응력(Stress)은 변형률-응력 곡선의 기울기에서 15 MPa로 계산된다.

< 실험예 2> 마이크로 캡슐의 투과특성 분석

도데칸올이 고분자 골격의 전체 공극을 완전히 차지하기 때문에 물리적 공극을 통해 분자가 확산되지 않는다. 그러나 상대적으로 낮은 극성을 지닌 분자는 원래 물에 용해되어 도데칸올에 전달될 수 있으며, 이후에 고분자막의 도데카놀을 통해 다른면으로 확산되고 마지막으로 도 6(a)에 나타낸 바와 같이 다른 수용액상으로 이동할 수 있다. 연속상(마이크로 캡슐 외부의 수용액상)에 용해된 Rhodamine 110 chloride (R110)는 고분자막을 가로 질러 확산하여 도 6(b)와 같이 점차적으로 마이크로 캡슐의 중심부에서 형광 강도를 증가시킨다. 강도는 1 시간 내에 포화되어 주변 환경과 유사한 것을 확인할 수 있다. 즉, 고분자 골격 내의 도데칸올이 채워진 공극이 상호 막관통 운반(transmembrane transport)을 위한 확산 경로 역할을 하도록 상호 연결된 것임을 확인할 수 있다. 대조적으로, 극성이 높은 분자는 도데칸올에 불용성이며, 도 6(c)에 나타낸 바와 같이 마이크로 캡슐의 고분자막으로부터 거부된다. 예를 들어 피라닌은 고분자막을 가로 질러 확산되지 못하므로 도 6(d)와 같이 주변에서만 형광이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이때, R110과 피라닌의 분자량과 유체 역학적 직경은 유사하다.

도데칸올의 분자 용해도가 막 투과 속도에 미치는 영향을 더욱 연구하기 위해, 7개의 수용성 염료 분자를 주위에 별도로 용해하고 약 30℃의 온도에서 형광 강도의 시간 변화를 측정하였으며 그 결과를 도 6(e) 및 도 6(f)에 나타내었다. rhodamine B(RB), rhodamine B isothiocyanate(RBITC), rhodamine 6G(R6G), rhodamine 110 chloride(R110) 및 indocyanine green(ICG)의 염료 분자는 형광 강도의 초기 단계와 점진적인 포화에서 급격한 증가를 보였으며, sulforhodamine B(SRB)와 피라닌은 30,000초(~ 8.3시간)의 시간 척도에서 의미있는 형광을 나타내지 않음을 확인하였다. 형광 강도는 염료 분자의 농도에 비례하기 때문에 형광의 시간 변화는 농도의 시간 변화로 해석될 수 있다. 시간적 변화는 대략적으로 하기 식 (1)의 지수 함수를 따른다.

, (1)

여기서 I(t)는 시간 의존 형광 강도이고, Imax는 최대 강도이며, τ는 투과에 대한 특징적 시간비율이다.

τ의 값은 각각 RB, RBITC 및 R6G에 대해 7.63초, 24.1초 및 66.7초를 나타낸다. 따라서 마이크로 캡슐의 중심부가 주변 환경에 필적할만한 농도를 가지려면 100초도 걸리지 않는다. RB, RBITC 및 R6G와 거의 같은 자유 확산 상수(free diffusion constant)를 가진 R110의 경우 τ 값은 499초로 큰 값을 나타내었다. 이것은 막관통 운반 속도가 상변화물질 채널을 통한 확산에 의해 결정되는 것이 아니라 고분자막의 2 개의 계면에서의 전달에 의해 결정된다는 것을 나타낸다. τ의 값은 ICG의 경우 9260초, SRB 및 피라인의 경우 무한대이다.

주변과 고분자막 사이의 계면에서의 용해특성이 막관통 운반의 전반적인 역학을 결정할 것으로 예상된다. 따라서, 운반 속도와의 관계를 찾기 위해 분자의 분배 계수를 측정하였다. 분배 계수는 도데칸올과 물의 두 가지 비혼화 상태에서 특정 분자가 평형상태에 도달한 이후의 농도비로 정의된다(하기 식 (2) 참조).

. (2)

P_d/w의 값을 측정하기 위해 순수한 도데칸올과 염료 분자의 수용액을 유리 바이알에서 50℃의 온도로 1주 동안 배양한 다음 도데칸올과 수용액의 염료 농도를 흡광도 스펙트럼을 사용하여 측정하여 그 결과를 도 6 내지 도 13에 나타내었다. 도데칸올과 물의 농도-표준 흡광도에 대한 표준 곡선을 모든 염료에 대해 구하여 흡광도로부터 각 단계의 농도를 계산하였다. 막관통 운반에 대한 특징적 시간비율은 도 5(g) 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 예상대로 분배 계수가 증가함에 따라 감소한다.

이에, 다음과 같이 τ와 P_d/w 사이의 대략적인 경험적 관계를 발견하였다(하기 식 (3) 참조).

, (3)

여기서 c₁ 및 c₂는 각각 0.34 및 0.62인 것으로 확인되었고, 즉, 운반 속도는 용해 속도에 매우 민감하며, 전체 에너지는 인터페이스에서 용해에 의해 결정된다는 결론을 얻었다.

분자 극성 선택성은 도 6(h)에 나타낸 바와 같이 도데칸올에 용해되는 염료와 다른 불용성 염료의 이원 용액을 사용하여 직접 입증할 수 있다. R110과 SRB의 용액에 현탁된 마이크로 캡슐은 코어로부터 녹색 형광을 나타내지만, 주변은 도 6(i)에 나타낸 바와 같이 녹색과 적색 형광을 동시에 나타냄을 확인할 수 있었다. 0.156의 P_d/w를 갖는 R110은 고분자막을 따라 확산되는 반면, 0.0452의 P_d/w를 갖는 SRB는 거부된다. 이러한 분자 선택적 투과특성은 2개의 분자가 비슷한 직경을 가지기 때문에 균일한 크기의 공극으로 달성하기가 매우 어려운 것이다.

마이크로 캡슐의 고분자막은 분자 극성 선택성뿐 아니라 분자 크기 선택도 또한 제공한다. 마이크로 캡슐을 분자량 10,000 g/mol의 rodamine B isothiocyanate(RBITC)-tagged dextran의 수용액에 현탁시켰을 때, 이들은 도 14(g) 및 도 14(h)에 나타낸 바와 같이 적어도 10시간 동안 물질의 진입을 허용하지 않은 것을 확인할 수 있다. rodamine B isothiocyanate(RBITC)-tagged dextran에 대한 P_d/w 값은 도 14(a) 내지 도 14(f)로부터 0.35로 추정된다. 이 값은 도 6(g)에 따른 쉘을 통해 투과될 수 있을만큼 충분히 크다. 그럼에도 불구하고 rhodamine B isothiocyanate(RBITC)-tagged dextran가 거부된다는 것은 분자의 유체 역학적 크기에 비해 상변화물질로 채워진 나노 채널이 작기 때문이다.

도데칸올은 분자가 물에서 운반될 수 있도록 22-26℃의 융점(또는 녹는점) 이상에서는 액체로 남아 있게 된다. 온도가 융점 이하로 떨어지면 도데칸올이 동결되어 분자(또는 화합물)가 덜 용해되거나 불용성이 된다. 따라서, 도 15(a) 나타낸 바와 같이 막 투과가 극적으로 금지될 수 있다. 분자 투과의 온도 의존성을 연구하기 위해 R6G는 마이크로 캡슐이 30℃, 20℃ 및 10℃의 세 가지 다른 온도에 노출되는 물에 용해된다. 3 가지 온도 모두에서, 형광 강도는 식 1을 대략적으로 따라 증가하고 점차적으로 포화되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 운반 시간대에는 큰 차이가 있음이 확인되었다. 도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 30℃의 온도에서 마이크로 캡슐의 코어에서의 형광 강도는 80초 이내에 주변에 비해 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 형광 강도의 포화 시간은 20℃의 온도에서 10분, 10℃의 온도에서 150분으로 증가한다. 30℃, 20℃ 및 10℃의 온도에서의 형광 강도의 시간 변화는 도 5(c)에 나타낸 바와 같으며, τ 값은 각각 66.7초, 7.45분, 106분으로 계산된다. 도 15(d)에 나타낸 바와 같이, τ는 초 단위로 온도(T)는 ℃ 단위로 대략 경험적 관계를 따른다(하기 식 (4) 참조).

, (4)

여기서 c₃ 및 c₄는 각각 -0.099 및 4.74이다.

도데칸올의 융점 이하에서도 R6G가 천천히 투과된다. 이는 냉동된 도데칸올에 용해되는 것인지 또는 균열이 생겨 운반이 계속 진행되는 것인지 확인하기 위해 비교예로서 피라닌을 사용하였다. 피라닌은 30℃의 온도에서 P_d/w = 0을 나타내며 고분자막에서 거부된다. 도 15(c)와 같이 10℃의 온도에서도 침투가 없다는 것은 순수하게 상변화물질만으로 이루어진 쉘과는 달리 동결 시 투과를 결정할만한 균열 형성이 없다는 것을 나타낸다. 도데칸올은 고분자 골격 내에 위치한 분자 수준의 공극을 채우고 있므로 동결이 균열이나 공극을 발생시키지 않는다. 그러므로, 융점 이하의 R6G의 막관통 운반은 순수하게 동결된 도데칸올에 R6G를 용해시킴으로써 야기된다.

마이크로 캡슐의 고분자막을 통한 투과 속도는 분자 극성 및 온도에 강하게 의존한다. 따라서, 도 16(a)에 나타낸 바와 같이, 도데칸올 용해성인 물질은 마이크로 캡슐 내부에 담지되어 온도에 따라 그 방출 기작이 조절될 수 있다. 예시된 목적을 달성하기 위해, 마이크로 캡슐 내부에 P_d/w 0.086의 ICG를 사용하고 주변 수용액의 흡광도를 시간에 따라 관찰하여 마이크로 캡슐로부터의 ICG 방출을 분석하였다. 마이크로 캡슐은 도 16(b)에 나타낸 바와 같이 72시간 동안 4℃의 온도에서 무시할 수 있는 ICG의 방출을 나타내었다. 대조적으로, ICG는 37℃의 온도에서 마이크로 캡슐로부터 방출된다. 이러한 방출은 18시간이 될 때까지 상대적으로 빠르며 이후에는 속도가 느려진다. 방출 속도는 온도에 따라 다르므로 방출은 외부 온도를 제어하여 켜고 끌 수 있다. 예를 들어, 4℃의 온도에서 ICG를 유지하는 마이크로 캡슐은 온도가 37℃로 설정된 경우 6시간 동안 ICG를 방출한다. 도 16(c)에 나타낸 바와 같이 온도가 4℃로 내려가면 해제되고 온도가 37℃로 올라가면 다시 방출이 시작된다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성을 나타낼 수 있다. 마이크로 캡슐의 고분자막에 상변화물질을 포함함으로써 상변화물질의 용융점 이상의 온도에서 액체상으로 변화된 상변화물질에 용해되는 분자 또는 화합물이 고분자막을 가로질러 선택적으로 확산될 수 있다.

분자 극성 의존성 투과특성은 상대적으로 비극성인 분자를 선택적으로 투과할 수 있게 하며, 반면에 이들 분자가 크기가 비슷하더라도 상대적으로 극성인 분자를 거부할 수 있다. 이러한 분자 선택성은 잠재적으로 더 많은 극성 오염 물질을 배제함으로써 마이크로 반응기 및 캡슐 타입 분자 센서의 성능을 향상시키는 데 유용하다.

또한, 온도 의존성 투과특성은 저온에서 내부에 담지된 물질의 안정된 저장 및 체온에서의 조절된 방출을 가능하게 한다. 그러므로 캡슐에 약물을 담아 냉장고에 보관하고 신체에 이식되었을 때 국부적이고 지속적인 방식으로 방출할 수 있으며 가역적인 온도 변화에 따른 단계적인 약물 방출 또한 가능하다.

이러한 분자 극성 의존성 투과특성 및 온도 의존성 투과특성은 마이크로 캡슐이 잠재적으로 약물 방출을 위한 약물 전달체, 오염이 없는 마이크로 반응기 및 마이크로 센서로의 응용에 유용하다.

Claims

고분자막을 포함하는 마이크로 캡슐이며,
상기 고분자막은 막 내부에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하고,
상기 상변화물질은 온도 변화에 따라 고체상에서 액체상으로 변화하는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 캡슐은 온도 변화에 따라 화합물을 투과시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐.
제1항에 있어서,
상기 상변화물질은 탄화수소 알콜, 파라핀계 왁스, 동식물성 지방산 및 동식물성 지방산 에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 마이크로 캡슐.
제1항에 있어서,
상기 고분자막은 아크릴레이트계 고분자를 포함하는 마이크로 캡슐.
제4항에 있어서,
상기 아크릴레이트계 고분자는 트리메틸올프로판에톡시 트리아크릴레이트(ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, ETPTA), 트리메틸올프로판 프로폭시레이트 트리아크릴레이트(trimethylolpropane propoxylate triacrylate), 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(trimethylolpropane triacrylate, TMPTA), 에톡시레이티드 비스페놀A디메타크릴 레이트(ethoxylated bis phenol A dimethacrylate), 헥산디올디아크릴레이트(hexandiol diacrylate, HDDA), 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트(tripropyleneglycoldiacrylate, TPGDA), 에틸렌글리콜 디아크릴레이트(ethyleneglycoldiacrylate, EGDA), 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(tetraethylene glycol diacrylate), 글리세린 프로폭실화 트리아크릴레이트(glycerol propoxylated triacrylate, GPTA), 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(pentaerythritol tetraacrylate, PETA) 및 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(dipentaerythritol hexaacrylate, DPHA)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 단량체로부터 형성되는 마이크로 캡슐.
제5항에 있어서,
상기 아크릴레이트계 고분자는 상변화물질과 아크릴레이트계 고분자의 호환성을 유지시키기 위한 상용화제를 더 포함하는 마이크로 캡슐.
제6항에 있어서,
상기 상용화제는 탄소수 6개 내지 20개의 아크릴레이트계 단량체 및 탄소수 6개 내지 20개의 메타크릴레이트계 단량체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 마이크로 캡슐.
제1항에 있어서,
상기 상변화물질의 함량은 전체 고분자막 100 중량부 대비 10 중량부 내지 70 중량부인 마이크로 캡슐.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 캡슐의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 500 ㎛인 마이크로 캡슐.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 캡슐은 화합물의 극성에 따라 선택적으로 화합물을 투과시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐.
연속된 수용액 상 내에 이중 액적을 형성하는 단계로, 상기 이중 액적은 오일상으로 구성된 쉘 및 물상으로 구성된 코어를 포함하고, 상기 쉘은 고분자 단량체 및 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하는 단계; 및
상기 이중 액적의 쉘 내 고분자 단량체를 중합시키는 단계;를 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 쉘은 광 개시제를 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 고분자 단량체 및 상변화물질의 혼합비율은 1:0.1 내지 1:5의 중량비인 마이크로 캡슐의 제조방법.
제1항의 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서.
제1항의 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 반응기.
제1항의 마이크로 캡슐을 포함하는 약물 전달체.