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정상체온에 맞춰 모양이 변하는 스마트 입자 개발
암세포감지, 약물전달 등 적용 기대
특허뉴스 이성용기자 기사입력  2017/06/29 [18:45]

  김범준 교수(한국과학기술원) 연구팀이 온도 변화에 따라 성질이 바뀌는 고분자를 이용하여 인체의 정상체온 등 외부 온도에 따라 입자의 모양이 자유자재로 변하는 스마트 마이크로입자* 제작 기술을 개발했다고 미래창조과학부(장관 최양희)는 밝혔다.
 
* 마이크로입자 : 마이크로미터의 크기를 가진 입자
 
   연구팀은 외부의 온도 변화에 따라 입자의 계면* 특성을 선택적으로 조절하여 내부 고분자 배열을 바꿀 수 있는 계면활성제*를 개발하였고, 이를 활용하여 온도 감응 범위가 손쉽게 조절되며 외부온도에 반응하여 가역적*으로 입자모양을 변화하는 스마트입자를 제작하였다.
 
* 계면 : 기체상, 액체상, 고체상 등의 3상 중 인접한 2개의 상 사이의 경계면
* 계면활성제 : 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 소수성 부분을 동시에 가지고 있는 화합물
* 가역적 : 반응을 하는 데에 있어서 정반응과 역반응이 모두 가능한 것을 의미
 
  미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행한 김범준 교수 연구팀(한국과학기술원)의 연구 내용은 국제적인 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 6월 8일자에 게재되었다.
 
  논문명과 저자 정보
- 논문명 : Stimuli-Responsive, Shape-Transforming Nanostructured Particles
- 저자 정보 : 김범준 교수(교신저자, 한국과학기술원), 이준혁(제1저자, 한국과학기술원), 이기라 교수(공동저자, 성균관대), 장세규 박사(공동저자, 한국과학기술연구원)
 
1. 연구의 필요성
  입자의 모양은 그 입자의 특성(광학적 특성 및 세포와의 상호작용 등)을 결정하는 중요한 인자이다.
 
따라서 다양한 모양을 가지는 비구형입자*는 구형과는 달리 모양에서 비롯된 특성 때문에 디스플레이용 광결정 물질*, 광화학 센서, 코팅필름, 화장품 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
 
* 비구형입자 : 지름이 일정한 구 모양이 아닌 형태의 입자를 일컫는 말로 예를 들면 바둑알, 럭비공, 아령, 도넛 형태 등이 있음
* 광결정물질 : 특정 색이 물질 내부에 존재하지 못하고 밖으로 반사되는 소재를 말하며, 이를 반도체 발광소자(LED) 등에 사용하면 훨씬 밝은 빛을 낼 수 있음
 
   더 나아가 외부 자극에 반응하여 스스로 모양이 변하는 스마트 입자는 자극 조건에 따른 선택적인 약물전달, 색변화가 가능한 코팅 재료 등 보다 다양한 분야로 응용 가능하다.
 
하지만 현재 개발된 스마트 입자는 제작과정이 복잡하며 모양 변화가 비가역적이기 때문에 사용이 제한적이다.
 
이러한 문제를 해결하기 위해 간단한 공정을 통해 제작할 수 있으면서 가역적으로 모양이 조절되는 스마트 입자 개발의 필요성이 커지고 있다.
 
2. 연구 내용
   연구팀은 외부 온도 자극에 감응하여 계면의 특성을 선택적으로 변화시킬 수 있는 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM)* 기반의 온도감응성 계면활성제를 개발하였다.
 
블록공중합체*가 녹아있는 유기용매*를 PNIPAM 계면활성제와 함께 물 속에 분산시켜 수중유(oil-in-water) 에멀전*을 만든 후, 내부의 유기용매를 증발시키는 간단한 제조과정을 통해 비구형의 고분자 입자를 제조하였다.
 
* 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) : 대표적인 온도 감응성 고분자의 한 종류
* 블록공중합체 : 두 종류 이상의 서로 다른 고분자가 블록 형태로 공유 결합한 고분자
* 유기용매 : 탄소로 이루어진 유기물질을 녹이는 액체로서 물에 잘 녹지 않고 휘발성이 높음
* 수중유에멀전 : 물 상에 분산되어 있는 기름방울
 
   온도감응성 계면활성제를 사용하였을 때에는 고분자 배열이 조절되어 볼록렌즈 형태 혹은 타원체 형태의 비구형 입자가 형성되었다.
 
이러한 입자의 모양은 온도 조건에 따라 결정되었는데, 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM)의 구조변화가 일어나게 되는 하한 임계 용액 온도(LCST)* 이하에서는 볼록렌즈 형태의 입자를 얻은 반면 하한 임계 용액 온도(LCST) 이상에서는 타원체 형태의 입자가 제조되었다.
 
* 하한 임계 용액 온도(lower critical solution temperature) : 온도 감응성 고분자의 구조변화가 나타나는 온도로서, PNIPAM의 경우 LCST 이하에서는 극성을 띄어 물에 잘 분산되어 있으며, LCST 이상에서는 응축이 일어남
 
   나아가 전이온도 변화가 다른 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) 유도체를 계면활성제로 사용해서 입자의 모양 변형이 일어나는 전이온도를 3°C에서 50°C까지 손쉽게 조절할 수 있었다.
 
 
3. 연구 성과
   이 연구에서는 외부 온도 자극을 감지하고, 이에 따라 스스로 입자의 모양을 바꾸는 스마트입자 제작 기술을 개발했다.
 
개발한 스마트 입자는 스스로 자가 조립이 일어나는 블록공중합체를 이용한 입자이므로 복잡한 공정과정 없이 매우 간단하게 제작이 가능하다.
 
  개발된 스마트 입자의 온도 감응 범위는 손쉽게 조절할 수 있기 때문에 생물학 및 의료 부분에 활용될 수 있다.
 
또한 가역적 입자 모양 조절이 가능한 이 기술은 향후 외부 온도나 자극에 따른 선택적인 약물전달, 특이성을 보이는 세포 감지 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
 
□ 논문의 주요 내용
 
  김범준 교수는 “이 연구는 온도에 따라 스스로 입자의 모양이 변하는 차세대 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발한 것이다.
 
온도, 빛, 압력, 수소이온농도(pH) 등 다양한 외부자극에도 입자의 모양은 변화할 수 있다.
 
이는 특이성을 보이는 암 세포를 감지하거나 온도의 변화에 따른 선택적인 약물 전달 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.


▲ PNIPAM를 이용한 스마트 블록공중합체 입자 제작 모식도     © 특허뉴스

 그림설명 :  PNIPAM를 이용한 스마트 블록공중합체 입자 제작 모식도 

   이 연구에서는 온도감응성 고분자인 PNIPAM을 PS-b-P4VP 용액에 첨가한 후 에멀전을 만들어 블록공중합체 입자를 제조하였다. PNIPAM이 블록공중합체 입자의 외부표면에 위치하게 되어 계면의 특성을 바꿈으로써 비구형의 블록공중합체 입자가 형성되었다. 특히 이 때 하한 임계 용액 온도(LCST)를 기준으로 낮은 온도에서는 볼록렌즈 형태의 입자가 형성되는 반면, 높은 온도에서는 타원체 형태의 입자가 형성되었다. 나아가 용매 증기 어닐링 방법을 통해 입자내의 고분자 사슬의 이동도를 증가시키고 온도 조건에 따라 고분자 사슬을 재배열하였으며, 볼록렌즈 형태의 입자와 타원체 형태의 입자 사이의 가역적인 모양의 변화를 보였다.


PNIPAM 첨가 전후 블록공중합체 입자의 구조변화 (전자현미경 이미지)        © 특허뉴스

그림설명 : PNIPAM 첨가 전후 블록공중합체 입자의 구조변화 (전자현미경 이미지)

(a, d) PNIPAM를 첨가하지 않고 PS-b-P4VP만으로 제조한 마이크로 입자: 구형의 입자가 만들어지고 내부에는 실린더 형태의 P4VP 도메인이 형성된다. (b, e) PNIPAM을 첨가한 뒤, LCST보다 낮은 온도에서 제조한 PS-b-P4VP 마이크로 입자: 볼록렌즈 형태의 입자가 형성되었으며, 실린더 채널들이 육각구조를 형성하고 있다. (c, f) PNIPAM을 첨가한 뒤, LCST보다 높은 온도에서 제조한 PS-b-P4VP 마이크로 입자: 타원체 형태의 입자가 형성되었으며, 라멜라 구조가 축의 방향으로 정렬되어 있다.

기사입력: 2017/06/29 [18:45]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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