Functional Microhydrogels using Mono/Biphasic Aqueous Systems based on Microfluidic Emulsification

Abstract

본 연구논문은 미세유체장치 기반 단상/이상 수용성 시스템 (mono/biphasic aqueous systems)을 이용한 기능성 미세하이드로젤(microhydrogel)의 제조에 관한 것이다. 하이드로젤(hydrogel)은 불수용성의 3차원 친수성 고분자 네트워크 구조를 가진 물질로써 수용액상에서 다량의 물을 내부에 함유하여 팽윤(swelling)할 수 있는 특징을 가지고 있다. 특히 미세하이드로젤이란 수 백 um 이하의 크기를 가지는 하이드로젤을 말하는데, 미세하이드로젤은 크기가 매우 작고 높은 생적합성을 가질 뿐만 아니라, 생물학적, 화학적, 기계적 물성을 자유롭게 변화시킬 수 있어 조직공학, 약물전달, 바이오 센서 분야에 널리 응용되고 있다. 미세하이드로젤을 제조하기 위한 방법으로는 에멀젼화(emulsification), 마이크로몰딩(micromolding), 포토리소그래피(photolithography), 미세유체장치 (microfluidics) 등이 제안되었는데, 이 중에서 미세유체장치를 이용한 미세하이드로젤의 제조는 단분산의 미세하이드젤 제조가 가능하여 최근 들어 많은 연구가 이루어지고 있다. 이에 본 연구에서는 미세유체장치를 기반으로 기능성 미세하이드로젤의 제조하기 위하여 단상/이상 수용성 시스템을 개별적으로 도입하였다. 단상 수용성 시스템(monophasic aqueous system)은 서로 혼합되지 않는 하나의 수용상(aqueous phase)과 하나의 오일상(oil phase)으로 구성되며, 수용상을 분산상으로 오일상을 연속상으로 미세유체장치를 기반으로 미세하이드로젤을 제조할 경우 구형의 단분산 미세하이드로젤을 제조할 수 있다. 따라서 두 가지의 특징적인 기능성 미세하이드로젤, 즉 (i)온도감응성 미세하이드로젤과 (ii)위치추적 가능 미세하이드로젤을 단상 수용성 시스템을 이용하여 제조하였다. 먼저 (i)온도감응성 미세하이드로젤을 제조하기 위하여 NIPAAm (N-isopropylacrylamide) 단량체를 분산상으로 하여 미세유체장치 내에서 구형의 미세액적(microdroplet)을 형성 한 후, UV경화 시킴으로써 PNIPAAm (poly (N-isopropylacrylamide)) 미세하이드로젤을 제조하였다. 제조된 온도감응성 PNIPAAm 미세하이드로젤은 혈관색전술의 사용되는 색전입자로써 응용을 고려해 볼 수 있는데, 이를 위한 개념입증연구(proof-of-concept)로 미세카테터(microcatheter) 통과 및 온도에 따른 색전특성을 확인하였다. 특히 온도의 변화에 따라 미세하이드로젤 내에서 방출되는 형광색소를 확인 함으로써 제조된 미세하이드로젤이 화학치료를 동시에 수행 할 수 있음을 알 수 있었다. (ii)위치추적 가능 미세하이드로젤을 제조하기 위하여 PEGDA (poly (ethylene glycol) diacrylate)를 분산상으로 하여 앞에서 언급한 방법과 유사하게 PEGDA 미세하이드로젤을 제조하였다. 미세하이드로젤 제조 시, 초상자성 산화철 나노입자(superparamagnetic iron oxide nanoparticle; SPION)를 PEGDA 미세하이드로젤 내에 혼합하였는데 이를 통하여 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)을 통한 위치추적가능성을 확보하였다. 더 나아가, 제조된 위치추적 가능 미세하이드로젤의 한쪽 면에 백금코팅을 함으로써 오가노-모터를 개발하였으며 과산화수소가 포함된 수용액 상에서 오가노-모터의 자가추진 및 자석을 이용한 방향제어를 확인하였다. 이상 수용성 시스템(biphasic aqueous system)은 서로 혼합되지 않는 두 가지의 수용상과 하나의 오일상으로 구성되며, 두 가지의 수용상을 분산상으로 오일상을 연속상으로 미세유체장치를 기반으로 미세하이드로젤을 제조할 경우, 복잡한 형상의 단분산 미세하이드로젤을 제조할 수 있다. 따라서 두 가지의 특징적인 형상을 가지는 기능성 미세하이드로젤, 즉 (iii)야누스(Janus) 형상의 미세하이드로젤과 (iv)코어-쉘(core-shell) 형상의 미세하이드로젤을 이상 수용성 시스템을 이용하여 제조하였다. 복잡한 형상의 미세하이드로젤은 구형의 미세하이드로젤과 비교하였을 시, 보다 향상된 기능성을 제시할 수 있다. (3)야누스 형상의 미세하이드로젤을 제조하기 위하여 과농도NIPAAm 단량체 수용액에서 야기되는 상분리 현상을 이용하였다. 상기의 상분리 현상을 통하여 고농도 NIPAAm 수용액(N-rich phase)과 저농도 NIPAAm 수용액(N-poor phase)을 서로 혼합되지 않는 두 가지 수용상으로 얻을 수 있었으며, 이를 미세유체장치 내에서 야누스 형상의 미세액적으로 형성 한 후, 미세액적을 UV경화 시킴으로써 야누스 PNIPAAm 미세하이드로젤을 제조하였다. 제조된 야누스 PNIPAAm 미세하이드로젤은 특이하게 이방적 온도감응 특성 및 친유성/친수성을 교차오염(cross-contamination) 없이 동시에 가질 수 있는 특성을 가질 수 있었다. 마지막으로 (4)코어-쉘 형상의 미세하이드로젤을 제조하기 위하여 상분리 된 코아세르베이트 (coacervate)와PEGDA 수용액을 두 가지 수용상으로 하여 코어-쉘 코아세르베이트-PEGDA 미세하이드로젤을 제조하였다. 제안된 이상 수용성 시스템 내의 각각의 계면에너지를 측정함으로써 코어-쉘 형상을 예측 하였으며 실험적으로 증명하였다. 특히 미세하이드로젤의 코어를 형성하는 코아세르베이트는 수용액 상에서의 낮은 계면 에너지 및 조직의 치밀성으로 인해 약물전달체로써 이상적인 물질로 각광받고 있다. 이에 제조된 코어-쉘 코아세르베이트-PEGDA 미세하이드로젤은 약물전달체로써 응용하고자 대식세포(macrophage; RAW 264.7)을 이용하여 그 가능성을 확인하였다. 더불어 외곽의 PEGDA의 가교 정도를 조절함으로써 약물전달 속도 또한 조절할 수 있음을 밝혔다. 본 연구에서 제시한 미세유체장치 기반 단상/이상 수용성 시스템을 이용하여 제조된 다양한 미세하이드로젤은 기능성 미세하이드로젤 제조에 있어 새로운 방향성을 제시 할 수 있을 뿐만 아니라 미세하이드로젤 분야의 기초연구에서부터 생의학, 의화학, 의공학 분야 등에 걸친 다양한 응용분야에 적용 될 수 있을 것으로 사료된다.

Microhydrogels are micrometer-sized hydrogels that consist of a crosslinked hydrophilic polymer network which can be swollen by solvent, typically water. They are well suited to address problems in tissue engineering, drug delivery, and biosensors due to their size, biocompatibility, and controllable biological, chemical, and mechanical properties. Several methods have been suggested to synthesize the microhydrogels such as conventional emulsification, micromolding, photolithography, and microfluidic emulsification. Among these methods, microfluidic emulsification has been extensively explored because of their ability to synthesize monodisperse microhydrogels with narrow size distribution. In this thesis, functional microhydrogels were synthesized by introducing the mono/biphasic aqueous systems based on microfluidic emulsification. In the “monophasic aqueous system”, the system consists of one aqueous phase and immiscible oil phase. An aqueous phase solution is dispersed as droplets in continuous oil phase (water-in-oil emulsion). By employing monophasic aqueous system into microfluidic synthesis of microhydrogels, two types of sphere microhydrogels having (i) thermo-responsiveness and (ii) locational traceability, were synthesized. First, sphere poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) microhydrogels with thermo-responsiveness were synthesized using monophasic aqueous system. The thermo-responsive behaviors of the PNIPAAm microhydrogels were investigated by changing a crosslinker concentration which was found to be a dominant factor to tune a shrinkage ratio in response to temperature change. For an application of the thermo-responsive microhydrogels as chemo-embolic microspheres, the deliverability of the microhydrogels through a microcatheter was first confirmed and the compact occlusion of a microchannel was demonstrated through a tapered microchannel in response to the temperature increase to physiological temperature of 36℃. Temperature triggered release behavior of the fluorescent dye from the microhydrogels was also investigated for the chemotherapeutic purpose as a proof of concept study. Also, sphere poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) microhydrogels with location traceability were synthesized using the monophonic aqueous system. For spatial and temporal traceability of the microhydrogels under magnetic resonance imaging (MRI), superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION; Fe₃O₄) were incorporated into the PEGDA microhydrogels. This microhydrogels can be also applied as the location traceable and self-propelled organo-motor. For this purpose, a thin layer of platinum (Pt) was deposited onto one side of the microhydrogels providing catalytic propulsion in aqueous fluids containing hydrogen peroxide solution (H₂O₂). The motion of the organo-motor was controlled by a small external magnet enabled by the presence of SPION in the microhydrogel architecture. In the “biphasic aqueous system”, two aqueous phase solutions are dispersed in continuous oil phase and create droplets having complex morphology (Janus and core-shell) while compartmentalizing their internals. By utilizing biphasic aqueous system into microfluidic synthesis of microhydrogels, complex microhydrogels with (iii) Janus (water-by-water-in-oil) and (iv) core-shell (water-in-water-in-oil) morphologies were synthesized. The complex microhydrogels consisting of two distinct compositions and having core-shell or Janus morphology with compartmentalized internals can provide advanced functionality comparing to the microhydrogels consisting of single composition and having sphere morphology. First, Janus PNIPAAm microhydrogels were synthesized based on biphasic aqueous system of NIPAAm-rich and NIPAAm-poor phases that were obtained through liquid-liquid phase separation of the supersaturated NIPAAm monomer solution. Intriguingly, the synthesized Janus PNIPAAm microhydrogels exhibited tunable anisotropic thermo-responsive behavior and organophilic/hydrophilic dual loading capability without cross-contamination. Furthermore, core-shell coacervate-PEGDA microhydrogels were synthesized based on biphasic aqueous system of the phase separated coacervate and PEGDA solution. By defining interfacial tension of the biphasic aqueous system, we can expect the core (coacervate)-shell (PEGDA) morphology of the microhydrogels. Due to the remarkable properties of the coacervate such as low interfacial energy in aqueous solutions and highly dense matrix network, core-shell coacervate-PEGDA microhydrogels can be applied as microcapsule for drug delivery systems. These present microhydrogels using mono/biphasic aqueous systems based on microfluidic emulsification may lead us to a simple and helpful direction in synthesizing various functional microhydrogels with tailored morphology; sphere, Janus, and core-shell. Our functional microhydrogels will have implications on both the fundamental research and broad applications such as biomedicine and biochemicals.