KR20220066710A - 마이크로몰드를 이용한 이중 에멀젼 액적의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복잡한 장비나 유해한 계면활성제를 사용하지 않고 간단한 방법에 의해 단분산성의 이중 에멀젼 액적을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 소정의 형상과 크기를 갖는 마이크로몰드가 소정의 패턴으로 음각된 복제몰드의 마이크로몰드에 고분자 전구체가 용매에 용해된 고분자 전구체 용액을 충진하는 단계; 및 (B) 상기 고분자 전구체 용액의 상면에, 고분자 전구체 용액과 혼화되지 않고, 복제몰드에 대한 고분자 전구체 용액의 접촉각이 150°보다 큰 값을 갖도록 하며, 고분자 전구체 용액에 상전이되어 고분자 전구체와 용매의 상분리를 일으키는 상전이제를 포함하는 습윤액을 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법에 관한 것이다.

Description

마이크로몰드를 이용한 이중 에멀젼 액적의 제조방법{Preparation MEthod for Double Emulsion Drops Using Micromold}

본 발명은 복잡한 장비나 유해한 계면활성제를 사용하지 않고 간단한 방법에 의해 단분산성의 이중 에멀젼 액적을 제조하는 방법에 관한 것이다.

외부 액체와 분리된 액적을 나타내는 단일 에멀젼 액적에 비해, 이중 에멀젼액적은 외부 액체와 분리된 액적의 내부에 작은 액적(내부 액적)을 포함하는 고도로 구조화된 유체이다. 이중 에멀젼 액적은 오일 중에 있는 물 액적의 내부에 오일 액적이 있는 o/w/o(유중수중유 에멀젼)과 수용액 중에 있는 오일 액적의 내부에 물 액적이 있는 w/o/w(수중유중수) 형태로 나눌 수 있다. 이중 에멀젼 액적의 형태에 따라 소수성 분자와 친수성 분자를 모두 중간층 액적의 내부에 포집할 수 있으므로, 다양한 외부 자극에 의해 방출될 수 있는 여러 가지 활성제의 보호에 매우 유용하다. 이 때문에 이중 에멀젼 액적(double emulsion drops)은 기능성 고분자 마이크로캡슐을 제작하기 위한 템플릿으로, 약물전달체, 바이오센서, 조직공학, 촉매지지체 및 디스플레이를 포함하는 다양한 분야에서 사용이 증가하고 있다.

종래 이중 에멀젼 액적은 반복적인 벌크 에멀젼화 공정, 즉, 중간 액체에서 형성된 내부 액적을 외부 액체에 분산시키는 2단계의 유화공정에 의해 제조된다. 그러나 일반적인 벌크 장치를 이용하여 제조되는 전통적인 방법으로는 이중 이멀젼 액적의 하나 하나의 크기와 구조를 조절하는 것이 어렵기 때문에 단분산성의 이중 에멀젼 액적을 재현가능하게 제조하는 데에는 한계가 있다.

최근에는 미세유체장치가 발전함에 따라 미세유체장치의 채널을 선택적으로 표면개질하여 젖음성을 조절하고, 여러 위상의 액체의 흐름을 정밀하게 조절할 수 있도록 하여, 크기와 모양, 특성을 조절한 고도의 단분산성 이중 에멀젼 액적을 제조할 수 있게 하였다. 미세유체장치를 사용하면, 다양한 물리/화학적 방법에 의해 균일한 이중 에멀젼 액적을 제조하고, 더 나아가 이중 에멀젼 액적의 중간층(쉘)을 고분자화하거나 용매를 제거하는 등의 방법에 의해 고체화하여 마이크로캡슐을 제조하는 것이 용이하다. 그러나 복잡한 장치가 필요하고, 유량을 미세하게 조절해야 하는 등의 필연적인 단점이 존재한다. 특히, 본래의 상태를 유지하기 위해서는 에멀젼 안정화제로 계면활성제를 사용하여야만 한다.

단일 에멀젼 액적은 액적과 외부 액체간의 하나의 계면만 존재하기 때문에 하나의 계면을 안정화시키는 것에 의해 에멀젼 액적을 쉽게 안정화시킬 수 있다. 이에 비해 이중 에멀젼 액적은 내부 액적과 중간층인 쉘의 계면 및 쉘과 외부 액체의 계면이 좁은 간격을 두고 존재하기 때문에 계면이 안정화되지 못하면 쉽게 파괴될 수 있다. 따라서 이미 형성된 이중 에멀젼 액적의 안정화를 위해서는 계면활성제를 사용하는 것이 필수적이다. 그러나 계면활성제는 호흡기 장애, 대사 산증, 신장 질환, 전해질 불균형과 같이 만성 독성을 유발할 수 있으며, 인체 뿐 아니라 수생 생태계에 유해하며 공해를 야기하여 폭넓은 응용을 제한한다. 환경친화적 성질을 갖는 맞춤 제작된 생체적합성 계면활성제가 매력적인 대안이 될 수 있으나, 화학 합성 계면활성제는 주로 석유화학 기반으로 환경에 독성을 미칠 수 있다.

다른 대안으로 상분리물질의 확산이나 삼투압에 의한 물의 유입에 의해 단일 에멀젼에 액체-액체 상분리를 유도하여 이중 또는 다중 에멀젼 액적을 제조할 수 있다. 그러나 이 방법 역시 형성된 이중 에멀젼 액적의 안정화를 위해서는 여전히 계면활성제를 사용하여야 한다.

따라서 계면활성제를 포함한 복잡한 조성이나, 복잡한 장비를 사용하지 않고도 빠르고 간단하며 경제적으로 이중 에멀젼 액적을 제조할 수 있는 방법이 여전히 요구된다.

등록특허 제10-1098174호 등록특허 제10-2056307호 미국공개특허 제2013-0137917호

Angewandte Chemie International Edition 2014, 53, 11793-11797. Small 2018, 14, 1870177

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 정밀한 제어가 필요한 복잡한 장비나 유해한 계면활성제를 사용하지 않고도, 크기와 형상의 조절이 용이하며 간단하고 경제적인 방법으로 이중 에멀젼 액적을 대량생산할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 다중 에멀젼 액적을 템플릿으로 하여 마이크로캡슐을 제조하는 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 이중 에멀젼 액적 또는 마이크로캡슐에 유용물질을 캡슐화하는 방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 소정의 형상과 크기를 갖는 마이크로몰드가 소정의 패턴으로 음각된 복제몰드의 마이크로몰드에 고분자 전구체가 용매에 용해된 고분자 전구체 용액을 충진하는 단계; 및 (B) 상기 고분자 전구체 용액의 상면에, 고분자 전구체 용액과 혼화되지 않고, 복제몰드에 대한 고분자 전구체 용액의 접촉각이 150°보다 큰 값을 갖도록 하며, 고분자 전구체 용액에 상전이되어 고분자 전구체와 용매의 상분리를 일으키는 상전이제를 포함하는 습윤액을 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법에 관한 것이다.

상전이제(phase transfer agent)는 하나의 상에서 다른 상으로 이동하는 물질로서, 본 발명에서는 서로 혼화되지 않는 습윤액으로부터 고분자 전구체 용액으로 이동한다. 본 발명에서 고분자 전구체 용액으로 상전이제가 확산됨에 따라, 상전이제의 고분자 전구체와 용매에 대한 용해도 차이로 인하여 고분자 전구체 용액은 원래의 고분자 전구체 용액보다 고분자 전구체 농도가 높은 부분과 용매의 농도가 높은 부분으로 상분리가 일어나게 된다. 본 발명은 복제몰드 내에서 복제몰드에 대한 고분자 전구체 용액의 젖음성을 습윤액(wetting solution)을 사용하여 조절하는 것에 의해 액적을 형성할 때에, 습윤액에 함유된 상전이제가 고분자 전구체 용액으로 상전이되면서 고분자 전구체와 용매를 상분리시키는 것에 의해 이중 에멀젼 액적을 형성할 수 있다는 점에 착안한 것이다.

이하 각 단계를 상세하게 설명한다.

상기 (A) 단계는 소정의 형상과 크기를 갖는 마이크로몰드가 소정의 패턴으로 음각된 복제볼드의 마이크로몰드에 고분자 전구체가 용매에 용해된 고분자 전구체 용액을 충진하는 단계이다.

본 발명에서 마이크로몰드의 형상이나 패턴에는 제한이 없으나, 1~1000㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 마이크로몰드의 직경이 너무 작으면 제작에 정밀성이 더욱 크게 요구되므로 제작비용이 더 많이 소요될 수 있다. 반면 마이크로몰드의 직경이 커지면 마이크로몰드의 제작은 용이하지만 모세관력의 감소에 의해 액적 생성이 효과적이지 못할 수 있다. 또한 상기 마이크로몰드의 깊이는 마이크로몰드의 횡단면의 최장축 길이보다 짧은 것이 액정 형성에 유리하다. 특히 상기 마이크로몰드는 동일 방향에 대한 최소 폭/최대 폭이 0.4이하이고, 높이/수평 단면적이 0.05~0.15인 조건을 만족하는 소정의 형상을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명자들의 등록특허 제10-1408704호에 개시한 것처럼, 마이크로몰드가 상기 조건을 만족하는 경우 라플라스 압력의 차이로 인하여 액적의 형성이 더욱 용이하게 된다.

마이크로몰드에 충진된 과량의 고분자 전구체 용액은 복제몰드를 단순히 기울이거나, 피펫팁 또는 실린지에 음압을 가하여 용이하게 제거할 수 있다.

고분자 전구체는 중합이 가능한 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 이중 에멀젼의 목적에 따라 적절한 소재를 선택하여 사용하는 것은 당업자에게 용이할 것이다. 고분자 전구체로는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEG-DA), 아크릴아마이드, N-하이드록시에틸아크릴아마이드, N-이소프로필아크릴아마이드(NIPAm), N-이소프로필메타크릴아마이드(NINAM) 등을 예로 들 수 있으나 이에 한정되지 않음은 당연하다.

중합 시 개시제나 가교제 등 첨가제가 필요한 경우 상기 고분자 전구체 용액은 상기 첨가제를 포함할 수 있으며, 혹은 하기 습윤제에 첨가된 상태로 제공될 수 있다. 또는 상기 고분자 전구체 용액은 고분자 전구체와 함께 이중 에멀젼 액적에 포집되기를 원하는 성분을 추가로 함유할 수 있다. 예를 들어 화장품이나 약물전달체로 사용되는 경우 생리활성물질을 함유할 수 있다.

상기 고분자 전구체 용액 중 고분자 전구체의 농도는 1~90 v%일 수 있다. 다른 조건은 일정하다면, 고분자 전구체의 농도가 증가할수록 이중 에멀젼 액적의 전체 크기와 쉘의 두께는 증가하고 내부 액적의 크기는 감소하므로 고분자 전구체의 농도를 조절하는 것에 의해 이중 에멀젼 액적의 형상, 즉 액적의 크기 및 쉘의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.

상기 고분자 전구체 용액을 제조하는 용매는 단일용매 또는 혼화성인 둘 이상의 용매의 혼합물인 혼합용매일 수 있다. 사용하고자 하는 단일용매에 대해 고분자 전구체의 용해도가 너무 낮다면 고분자 전구체 용액의 농도가 너무 낮아 이중 에먼젼 구조에 제약이 있으며, 반대로 고분자 전구체의 용해도가 너무 높다면 하기 (B) 단계에서 상전이제에 의한 상분리가 효과적으로 일어나지 않을 수 있다. 이 경우에는 서로 혼화되며 고분자 전구체에 대한 용해도가 높은 제1용매와 고분자 전구체에 대한 용해도가 높은 제2용매의 혼합용매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 하기 실시예에서는 NIPAm의 물에 대한 용해도가 너무 낮기 때문에 용해를 위하여 메탄올과의 혼합용매를 사용하였다. 그러나 혼합용매로 사용되는 제1용매와 제2용매의 종류는 당연히 이에 한정되지 않으며, 고분자 전구체의 용해도를 고려하여 적절히 선택될 수 있을 것이다.

상기 (B) 단계는 마이크로몰드에 충진된 고분자 전구체 용액의 상면에, 상전이제를 포함하는 습윤액을 처리하는 단계이다.

습윤액은 고분자 전구체에 비해 복제몰드와의 젖음성이 커서 복제몰드에 대한 고분자 전구체의 접촉각을 증가시키는 것으로서, 젖음성의 변화에 의한 표면장력, 모세관력, 라플라스 압력의 차 등에 의해 액적이 형성되는 것을 이용한 것이다. 접촉각 150°는 초소수성(superhydrophobic)의 기준이 되는 값으로, 150° 이상이 되면 고분자 전구체 용액의 하부에 습윤액에 의한 포켓(pocket)이 형성된다. 접촉각이 180°이면 완전한 구형의 액적을 형성하게 된다. 접촉각이 150° 이상인 경우 액적의 형성이 효과적이며, 접촉각이 150°보다 작은 경우에는 표면에 곡률이 형성되기는 하였으나 액적 형성은 어려웠다.

상전이제는 고분자 전구체 용액의 용매에 대한 용해도는 낮으나, 고분자 전구체 자체에는 용해될 수 있는 물질로, 습윤액에 용해된 상태로 고분자 전구체 용액의 상면에 처리되면 습윤액으로부터 고분자 전구체 용액으로 상전이된다. 상전이가 진행됨에 따라 고분자 전구체 용액은 고분자 전구체와 용매의 상분리가 일어나며 이로 인해 이중 에멀젼 액적이 형성된다.

습윤액 중 상전이제의 함량이 높을수록, 고분자 전구체 용액으로 확산되는 양이 증가함에 따라, 이중 에멀젼 액적의 크기와 쉘의 두께가 증가하게 된다. 따라서, 습윤액 중 상전이제의 농도를 조절하는 것에 의해 내부 액적의 크기에는 큰 영향을 미치지 않고 이중 에멀젼 액적의 크기와 쉘의 두께를 조절하는 것이 가능하다.

상기 상전이제는 고분자 전구체와 습윤액에 대한 분배계수가 0.3~6.0인 것이 바람직하다. 분배계수는 상전이제의 고분자 전구체에 대한 용해도와 습윤액에 대한 용해도의 비로, 분배계수가 클수록 고분자 전구체에 대한 용해도가 높은 것을 나타낸다. 분배계수가 0.3보다 작더라도 상전이제를 다량 사용한다면 이중 에멀젼 액적의 형성이 불가능한 것은 아니나 효율성과 경제성을 고려한다면 분배계수가 0.3보다 큰 것이 바람직하다. 분배계수가 크면 소량을 사용하더라도 상분리가 효율적으로 일어날 수 있으나, 습윤액에 대한 용해도가 낮아져 습윤액에 용해시키는 것이 곤란할 수 있다.

상전이제의 분배계수가 클수록 동일한 양의 상전이제를 사용하였을 때 습윤액으로부터 고분자 전구체 용액으로 상전이제가 다량 분배된다. 따라서 다른 조건이 동일하다면, 상분리제의 분배계수를 증가시키는 것에 의해 이중 에멀젼 액적의 전체 크기와 쉘의 두께를 증가시킬 수 있다. 상분리제의 분배계수는 하기 수식에서 확인할 수 있듯이, 동일한 물질을 사용하더라도 고분자 전구체와 습윤제의 종류에 따라 변동되는 변수이다. 따라서 상분리제의 분배계수를 변동시키기 위해서는 다른 상분리제를 사용할 수도 있으나, 습윤제의 종류나 고분자 전구체의 종류를 변동시키는 것에 의해서도 조절이 가능하다.

분배계수는 하기 수식에 의해 이론적으로 계산할 수 있다.

여기서, K는 분배계수, V는 몰당 부피(m³/mol), δ는 solubility parameter를 나타내며, 첨자 p는 상분리제, 첨자 d는 고분자 전구체, 첨자 c는 습윤제를 의미한다. 하기 실시예에서 사용한 고분자 전구체 NIPAm, 습윤제 n-헥사데칸, 상분리제 DEAP의 solubility parameter는 각각 22.0, 16.3 및 18.4로 분배계수는 약 2.7이다.

하기 실시예에서는 상분리제로 DEAP를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 분배계수의 조건을 만족한다면 어느 것이든 사용가능하다. 예를 들어, DEAP와 동일한 아세토페논 계열의 상분리제로서 4'-에톡시아세토페논, 2',3'-디메톡시아세토페논 역시 이중 에멀젼 액적을 형성시킬 수 있었다.

본 발명에서는 상기 (A) 단계와 (B) 단계 사이에 고분자 전구체 용액이 충진된 복제몰드를 진공하에서 처리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다. 마이크로몰드에 충진된 고분자 전구체 용액에는 미소 공기방울이 존재할 수 있으며, 미소 공기방울은 이중 에멀젼 액적의 형성에 영향을 미칠 수 있다. 상기 진공하에서 처리하는 과정에서 미소 공기방울이 제거된다.

본 발명에 의한 이중 에멀젼 액적은 마이크로캡슐의 템플릿으로 이용될 수 있다. 이에, 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 이중 에멀젼 액적에서 고분자 전구체를 중합하는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐의 제조방법을 제공한다. 상기 고분자 전구체의 중합 방법은 고분자 전구체의 특성에 의해 적절하게 선택될 수 있으며, 중합의 형태에 의해 제한을 받지 않는다. 예를 들어, 광중합, 열중합, 촉매에 의한 중합, 졸겔반응, 교질 조립 등을 이용할 수 있다. 또한 중합 시 촉매가 개시제가 필요하다면, 해당 촉매나 개시제는 반응의 성격을 고려하여 고분자 전구체 용액이나 습윤액에 포함시킬 수 있다. 고분자 전구체의 종류에 따른 중합 조건은 종래 기술에서 이미 잘 확립되어 있는 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명의 마이크로캡슐에는 내부 또는 쉘에 유효물질을 선택적으로 포집시킬 수 있다. 유효물질의 포집은 이중 에멀젼 액적의 제조 시 고분자 전구체 용액 혹은 습윤액에 유효물질을 용해시켜 이중 에멀젼 액적이 형성되는 과정에서 캡슐 내부에 또는 캡슐의 쉘에 포집되도록 할 수 있다. 이 경우에는 특히 유효물질의 특성에 따라 마이크로캡슐의 내부 또는 쉘에 선택적으로 포집할 수 있으며, 유효물질이 두 가지 이상인 경우에는 내부와 쉘에 각각 다른 유효물질이 선택적으로 포집되도록 할 수 있다. 이러한 마이크로캡슐은 특히 두 가지 이상의 유효성분을 포함하며, 각각의 성분을 분리된 상태로 전달해야하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다.

또는 하기 실시예의 NIPAm과 같이 특정 조건에서 팽윤과 수축이 가역적으로 일어나는 고분자를 사용하여, 마이크로캡슐의 제조 후 유효물질이 투과에 의해 포집되도록 할 수도 있다.

본 발명은 마이크로캡슐의 크기와 두께를 손쉽게 조절할 수 있고, 화학 또는 생물 활성 물질을 포집할 수 있으므로 약물 전달체, 화장품 및 조직 공학을 포함한 다양한 분야에 응용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 이중 에멀젼 액적의 제조 방법에 의하면, 복잡한 장비나 유해한 물질을 사용하지 않고 고분자 전구체 또는 상전이제의 농도를 조절하는 것만으로도 요구되는 크기와 쉘의 두께를 갖는 이중 에멀젼 액적, 더 나아가 마이크로캡슐을 단분산성으로 용이하게 제조할 수 있어, 이중 에멀젼 액적 및 마이크로캡슐을 요하는 각종 응용분야에 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이중 에멀젼 액적의 제조방법에 대한 모식도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 이중 에멀젼 액적의 단분산성을 보여주는 광학현미경 이미지 및 그래프.
도 3은 고분자 전구체의 농도와 상전이제의 농도에 의해 이중 에멀젼 액적의 크기가 제어됨을 보여주는 이미지 및 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 이중 에멀젼 액적에 친수성 및 소수성 물질이 포집될 수 있음을 보여주는 모식도 및 광학현미경 이미지.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 이중 에멀젼 액적으로부터 제조된 마이크로캡슐의 광학현미경 이미지.
도 6은 쉘의 두께가 아주 얇은 ultra-thin 마이크로캡슐의 광학현미경 이미지.
도 7은 p-NIPAm으로 제조된 마이크로캡슐의 열감응성을 보여주는 광학현미경 이미지.
도 8은 p-NIPAm으로 제조된 마이크로캡슐의 포집 및 조건 방출을 보여주는 모식도와 이미지.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

[실시예]

실시예 1 : 복제몰드의 제작

복제몰드는 통상적인 소프트 식각(soft lithography) 방법에 따라 제조하였다. 보다 구체적으로, 실리콘 웨이퍼 위에 네가티브형 감광제(SU-8, Microchem Co., USA)를 고르게 도포한 후, 2,000rpm으로 스핀 코팅하여 소정의 높이로 감광제를 코팅하였다. 하기 각 실시예에 기재된 형상을 갖도록 마스크를 제조하고, 상기 마스크를 통해 실리콘 웨이퍼 상에 코팅된 감광제 코팅층에 UV를 조사하여 상기 패턴이 양각으로 형성된 마스터 몰드를 제작하였다. 이후, PDMS(Polydimethylsiloxane) (Sylgard 184; Dow Corning, Midland, MI)와 경화제의 10:1 혼합물을 제작된 마스터 몰드에 부어준 후 65℃에서 48시간 경화시켜 마이크로몰드를 갖는 복제몰드를 제작하였다.

실시예 2 : 복제몰드를 이용한 이중 에멀젼 액적 및 캡슐의 제조

실시예 1의 방법에 의해 제작한 길이 100㎛, 깊이 50㎛이며, 내부 부피는 2.5 nL인 십자가 형상의 마이크로몰드를 사용하여 이중 에멀젼 액적을 제조하였다. 도 1은 각 단계별 모식도(A)와 마이크로몰드의 광학현미경 이미지(B)이다.

복제몰드의 마이크로몰드에 NIPAm(N-iosopropylacrylamide, Sigma-Aldrich) 60 w%, BIS(N,N'-methylenebisacylamide, Sigma-Aldrich) 3 w%, 메탄올 5 v%를 포함하는 고분자 전구체 수용액을 피펫을 사용하여 십자가 형상의 마이크로몰드에 가득 충진하였다(도 1의 A step 1, B의 a). 상기 고분자 전구체 용액이 담긴 복제몰드를 진공챔버에 넣어 용액 중 공기 방울을 제거하고, 마이크로몰드를 채우고 남는 과량의 용액은 피펫팁을 사용하여 제거하였다.

이후, 습윤액으로 상전이제(SA)인 DEAP(2,2-diethoxyacetophenone, Sigma-Aldrich)를 10 v% 함유하는 n-헥사데칸을 피펫을 사용하여 마이크로몰드 위에 가하였다(도 1의 A step 2, B의 b). 습윤액과 고분자 전구체 수용액이 접촉하면, 습윤액의 계면에서 물에 녹지 않는 상전이제가 고분자 전구체 수용액으로 확산됨에 따라 고분자 전구체 수용액은 고분자 전구체가 다량 함유된 부분과 물이 다량 함유된 부분으로 상분리가 일어난다. 또한 습윤액과 고분자 전구체 수용액의 계면장력에 의해 볼록한 형상을 갖게 됨에 따라, 습윤액은 고분자 전구체 수용액보다 모세관력이 크기 때문에 PDMS 벽을 따라 아래로 움직이며 그 결과 이중 에멀젼 액적이 형성된다(도 1의 A step 3, B의 c).

액적의 형성에는 대략 10초 정도가 소요되었으며, 액적 형성 이전에 고분자 전구체 수용액의 상분리가 일어남을 확인할 수 있었다. 습윤액을 가하고 20초 이내에 이중 에멀젼 액적이 완전히 형성되었다. 그 결과 도 2에 도시된 것처럼 총 크기와 내부 액적의 크기가 모두 매우 균일하며 안정적인 이중 에멀젼 액적이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 평균 크기에 대한 표준편차의 비를 나타내는 변동계수(CV, coefficient of variation)는 약 1%였다.

생성된 이중 에멀젼 액적에서 각 액체 층간의 계면장력을 pendant drop method(smartDrop, Femtobiomed, Korea)로 측정하고, 그로부터 확산계수를 다음 식으로부터 계산하였다.

는 중간층인 i상(phase)과 인접한 j상 및 k상과의 계면의 표면장력을 나타낸다. 각 층에 대해 계산된 확산계수는 Sw = -40.38, Sp = 40.38, and Sh = -60.26 mN/m이었다. Sw는 내부 액적, Sp는 고분자 전구체 쉘, Sh는 습윤액의 확산계수를 의미한다.

확산계수는 중간층이 비혼화성인 다른 두 층으로 확산되는 경향을 나타낸다. 중간층인 Sp>0이고, Sw<0, Sh<0이면 안정한 이중 에멀젼 액적을 형성할 수 있으며, 상기 실험에서 얻어진 값은 해당 조건을 충족함을 확인할 수 있다. 이는 계면활성제를 사용하지 않더라도 이중 에멀젼 액적이 안정한 상태를 유지할 수 있음을 의미한다.

만일 Sp, Sw, Sh 모두가 0보다 작다면 덤벨과 같은 에멀젼 액적이 형성되며, Sp와 Sw는 0보다 작으나, Sh>0이라면 분리된 액적이 형성된다.

실시예 3 : 이중 에멀젼 액적의 크기 및 두께의 제어

이중 에멀젼 액적에서 쉘(shell)의 두께는 캡슐 내에 포집된 활성물질의 방출 특성에 영향을 미치는 고분자 캡슐의 두께를 반영하기 때문에, 이를 조절하는 것은 매우 중요하다. 이에 이중 에멀젼 액적의 제조 시 쉘의 두께를 조절할 수 있는 지 확인하였다.

먼저 습윤액 중 상전이제의 농도를 10 v%로 고정하고 고분자 전구체 수용액 중 NIPAm의 농도를 20~60 w%로 변경하면서 실시예 2와 동일한 방법에 의해 이중 에멀젼 액적을 제조하였다. 도 3의 A는 그 결과를 보여주는 광학현미경 이미지이며, 도 2의 c는 생성된 이중 에멀젼 액적의 크기와 내부 액적의 두께, 이로부터 계산된 쉘의 두께를 도시한 그래프이다. 도 3의 A와 C로부터 고분자 전구체 수용액 중 NIPAm의 농도가 증가함에 따라 이중 에멀젼 액적의 크기가 증가하였으며, 내부 액적의 크기는 반대로 감소하여 쉘의 두께가 두꺼워진 것을 알 수 있다. 이는 고분자 전구체 수용액 중 NIPAm의 농도가 증가하면서 더 많은 양의 상전이제가 고분자 전구체 수용액 액적 내로 용해해 들어가기 때문에 전체적인 크기가 증가한 반면에, NIPAm의 농도가 증가하면서 물의 양이 적어지기 때문에 내부 액적의 크기는 감소한 것으로 사료된다. 이는 단순히 고분자 전구체의 농도만으로 이중 에멀젼 액적 또는 이로부터 제조되는 고분자 캡슐의 두께를 조절할 수 있음을 보여준다.

더 나아가, 고분자 전구체 수용액 중 NIPAm의 농도를 30 w%로 고정하고, 습윤액 중 상전이제의 농도를 0~20 v%로 변화시키면서 위와 동일한 방법에 의해 이중 에멀젼 액적의 크기와 내부 액적의 크기 및 쉘의 두께를 측정하여 도 3의 B와 D에 도시하였다. 습윤액에 상전이제를 첨가하지 않은 경우에는 고분자 전구체 수용액의 상분리가 일어나지 않아 이중 에멀젼 액적이 형성되지 않았으며, 5% 이상의 상전이제를 첨가하였을 때에는 상분리가 일어나 이중 에멀젼 액적이 형성되었다. 상전이제의 농도가 증가함에 따라 이중 에멀젼 액적의 전체 크기와 쉘의 두께는 증가하였으나, 내부 액적의 크기에는 큰 변화가 없었다. 이는 상전이제의 농도가 증가함에 따라 고분자 전구체 수용액 중으로 확산하여 들어간 상전이제의 양이 증가하기 때문에 이중 에멀젼 액적의 전체 크기는 증가하나, 고분자 전구체 수용액 중 NIPAm의 농도가 일정하게 유지되어 물의 양도 일정하게 유지되므로 내부 액적의 크기에는 큰 변화가 없기 때문으로 설명될 수 있다.

이로부터 고분자 전구체 수용액 중 고분자 전구체의 농도와, 습윤액 중 상전이제의 농도에 의해 이중 에멀젼 액적의 크기와 쉘의 두께를 간단하게 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.

실시예 4 : 이중 에멀젼 액적 중 유효물질의 포집 확인

실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 이중 에멀젼 액적은 w/o/w 형태로 고분자 전구체가 다량함유된 소수성 쉘과 물이 다량 함유된 친수성 내부 액적으로 이루어져 있다. 따라서, 유효물질의 특성에 따라 쉘과 내부 액적 내에 이들을 포집시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이를 확인하기 위하여, 친수성 유효물질로 erioglaucine disodium salt와 소수성 유효물질로 Nile red를 사용하여, 이중 에멀젼 액적이 친수성 또는 소수성 유효물질을 포집할 수 있음을 검증하였다.

구체적으로 30 w% NIPAm과 함께 1 mg/mL의 erioglaucine disodium salt 또는 0.01 mg/mL의 Nile red를 용해시켜 고분자 전구체 수용액을 제조하였다. 이후, 10 v%의 DEAP가 혼합된 습윤액을 사용하여 실시예 3의 방법에 따라 이중 에멀젼 액적을 제조하였다. 참고로, erioglaucine disodium salt와 Nile red의 물에 대한 용해도는 각각 100 g/L와 1 g/L이다.

도 4는 이들의 모식도 및 광학현미경 이미지를 보여주는 것으로, 친수성인 erioglaucine disodium slat는 내부 액적에(도 4의 A), 소수성인 Nile red는 쉘에(도 4의 B) 포집됨을 보여준다.

하나의 담체 내에 여러 가지 성분을 한꺼번에 포집하는 것에 의해 둘 이상의 활성물질이 특정 타겟에서 동시에 혹은 순차적으로 방출될 수 있도록 할 수 있으므로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 특성은 특히 암이나 HIV와 같이 약물의 병용 요법을 요하는 치명적인 질병에서 중요한 역할을 할 수 있다. 본 발명의 방법에 의한 이중 에멀젼 액적의 제조를 상기와 같이 다중 성분의 포집에 사용할 수 있는 지 확인하기 위하여, 고분자 전구체 수용액에 eriglaucine disodium salt와 Nile red를 동시에 용해시킨 후 이중 에멀젼 액적을 제조하였다. 도 4의 C는 그 결과를 보여주는 것으로, eriglaucine disodium salt와 Nile red가 하나의 이중 에멀젼 액적의 내부 액적과 쉘로 각각 분배되어 포집되는 것을 확인할 수 있다.

실시예 5 : 이중 에멀젼 액적을 이용한 마이크로캡슐의 제조

마이크로몰드 내에서 실시예 3에서 제조된 이중 에멀젼 액적에 UV 광(Excelitas, Omnicure S1500 spot US)을 30초간 조사하였다. 상전이제인 DEAP는 광개시제로도 사용되는 것으로서, 광조사에 의해 고분자 전구체인 NIPAm이 다량 함유된 중간층(쉘)이 광중합되어, 수용액 내부 액적을 갖는 마이크로캡슐이 제조되었다. 제조된 마이크로캡슐은 DI수로 잔류의 습윤액을 세척하였다. 도 5의 A는 제조된 마이크로캡슐의 이미지로 단분산성의 마이크로캡슐이 형성된 것을 보여준다. 도 5의 A에서 오른쪽 도면은 고분자 전구체 수용액에 FITC-dextran(MW 2,000,000 g/mol)을 용해시켜 제조한 이중 에멀젼을 광중합한 것으로 수용성 물질인 FITC-dextran이 캡슐의 내부에 포집되어 있음을 확인할 수 있다. FITC-dextran은 pNIPAm 하이드로겔 네트워크의 메쉬 크기보다 크기 때문에 마이크로캡슐에 포집되어 밖으로 투과되어 나오지 않는다. 도 5의 B는 탈수 후 마이크로캡슐의 SEM 이미지로, 탈수에 의해 마이크로캡슐이 붕괴됨을 보여주어 내부에 중공 구조를 갖는 것을 시사하였다.

종래 기술에 의한 이중 에멀젼 액적의 제조방법에서는 매우 얇은(ultra-thin) 쉘을 갖는 균일한 마이크로캡슐을 제조하는 것이 곤란하였다. 이에 쉘의 두께를 최소화할 수 있도록 10% NIPAm 고분자 전구체 수용액을 사용하여 이중 에멀젼 액적을 제조하고, 여기에 UV를 조사하여 마이크로캡슐을 제조하였다. 도 6의 A는 5 ㎛의 매우 얇은 쉘을 갖는 마이크로캡슐의 광학 이미지이다. 도 6의 B는 이를 탈수시킨 후의 SEM 이미지로, 쉘이 매우 얇은 것을 다시 한번 확인할 수 있다.

실시예 6 : 서방성 마이크로캡슐

pNIPAm은 열감음성 하이드로겔로 상온에서는 친수성을 나타내지만, 임계온도인 32℃ 이상에서 p-NIPAm 구조 내에서 탈수반응이 진행되면서 소수성을 나타내게 되고, 겔은 팽윤상태에서 수축상태로 전환된다. pNIPAm으로 제조된 마이크로캡슐의 이러한 특성을 이용하여 유효물질을 포집하고, 특정 조건에서 방출(triggered release)되도록 하는 데에 사용될 수 있다.

이를 위하여 먼저, 실시예 2에서 제조된 pNIPAm 마이크로캡슐을 물에 분산시키고, 온도의 변화에 따른 크기 변화를 관측하였다. 도 7은 그 결과를 보여주는 광학현미경 이미지로 온도가 증가함에 따라 캡슐의 크기가 감소함을 보여준다.

pNIPAm 마이크로캡슐은 팽윤된 상태에서는 친수성과 다공성을 나타내지만, 온도가 증가하여 수축하게 되면 다공성이 사라지고 소수성을 나타낸다. 따라서, 친수성물질의 입경이 마이크로캡슐의 포어보다 작다면, 마이크로캡슐이 팽윤된 상태에서 친수성 물질이 캡슐내로 침투될 수 있다. 이후 온도를 임계온도 이상으로 올리면 pNIPAm 쉘이 수축하면서 소수성을 나타내게 되므로 친수성 유효성분은 마이크로캡슐 내부에 포집되게 된다. 포집되지 않은 물질을 세척하고 다시 마이크로캡슐을 임계온도 이상의 물에 분산시킨 후, 온도를 낮추면 마이크로캡슐이 다시 팽윤되면서 내부에 포집되어 있던 물질이 밖으로 방출된다. 도 8의 A는 이를 보여주는 모식도이다. 이를 실험적으로 확인하기 위하여 pNIPAm 마이크로캡슐을 5 mg/mL sulforhodamine B 수용액에 분산시킨 후, 60℃로 승온하여 sulforhodamine B를 포집시켰다. 뜨거운 물로 마이크로캡슐에 포집되지 않은 과량의 sulforhodamine을 세척한 후 상온에서 형광현미경(Eclipse Ti2, Nikon)으로 형광의 변화를 관측하여 도 8의 B와 C에 그 결과를 나타내었다. 도 8의 B와 C에서 마이크로캡슐의 강한 형광은 내부에 sulforhodamine이 성공적으로 포집되었음을 보여주며, 시간이 경과하여 온도가 임계온도 밑으로 내려감에 따라 형광 강도가 감소하여 surforhodamine B가 캡슐에서 방출된 것을 확인할 수 있다.

Claims (12)

1. (A) 소정의 형상과 크기를 갖는 마이크로몰드가 소정의 패턴으로 음각된 복제몰드의 마이크로몰드에 고분자 전구체가 용매에 용해된 고분자 전구체 용액을 충진하는 단계; 및
   (B) 상기 고분자 전구체 용액의 상면에, 고분자 전구체 용액과 혼화되지 않고, 복제몰드에 대한 고분자 전구체 용액의 접촉각이 150°보다 큰 값을 갖도록 하며, 고분자 전구체 용액에 상전이되어 고분자 전구체와 용매의 상분리를 일으키는 상전이제를 포함하는 습윤액을 처리하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (A) 단계와 (B) 단계 사이에,
   고분자 전구체 용액이 충진된 복제몰드를 진공하에서 처리하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 상전이제는 고분자 전구체와 습윤액에 대한 분배계수가 0.3~6.0인 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고분자 전구체 용액 중 고분자 전구체의 농도가 증가할수록 이중 에멀젼 액적의 전체 크기와 쉘의 두께는 증가하고, 내부 액적의 크기는 감소하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 습윤액 중 상전이제의 농도가 증가할수록 이중 에멀젼 액적의 전체 크기와 쉘의 두께가 증가하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   고분자 전구체와 습윤제에 대한 상기 상전이제의 분배계수가 클수록, 이중 에멀젼 액적의 전체 크기와 쉘의 두께가 증가하는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 마이크로몰드는 동일 방향에 대한 최소 폭/최대 폭이 0.4이하이고, 높이/수평 단면적이 0.05~0.15인 조건을 만족하는 소정의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이중 에멀젼 액적의 제조방법.
   
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 이중 에멀젼 액적에서 고분자 전구체를 중합하는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐의 제조방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 고분자 전구체의 중합은 광중합 또는 열중합에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐의 제조방법.
   
10. 제 8항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐의 내부 또는 쉘에 유효물질이 선택적으로 포집되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐의 제조방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이크로캡슐의 내부와 쉘에 각각 다른 유효물질이 선택적으로 포집되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐의 제조방법.
    
12. 제 10 항에 있어서,
    제 8 항에 의한 마이크로캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 약물전달체.

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