광학적, 전기적, 화학적 반응성을 가진 마이크로입자 개발 토대 마련
입자 모양은 그 입자의 특성(광학적 특성 및 세포와의 상호작용 등)을 결정하는 중요한 인자다. 따라서 다양한 형태의 비구형 입자(지름이 일정한 구 모양이 아닌 형태의 입자를 의미하며 바둑알, 럭비공, 아령, 도넛 형태 등이 있음)는 구형과 달리 모양에서 비롯된 특성 때문에 디스플레이용 광결정 물질, 광화학 센서, 코팅필름, 화장품 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 여기서 광결정 물질이란, 특정 색이 물질 내부에 존재하지 못하고 밖으로 반사되는 소재를 말하며, 이것을 반도체 발광소자(LED) 등에 사용하면 훨씬 더 밝은 빛을 낼 수 있다.
또한 외부 자극에 반응하여 스스로 모양이 변하는 스마트 입자는 자극 조건에 따른 선택적인 약물전달, 색 변화가 가능한 코팅 재료 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 하지만 현재 개발된 스마트 입자는 제작 과정이 복잡하고 모양 변화가 비가역적이기 때문에 사용이 제한적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 간단한 공정을 통해 제작할 수 있으면서 가역적으로 모양이 조절되는 스마트 입자 개발의 필요성이 점점 더 커졌다. 여기서 가역적이란, 반응을 하는 데 있어서 정반응과 역반응이 모두 가능한 것을 의미한다.
비구형의 고분자 입자 제조
한국과학기술원의 김범준 교수 연구팀은 외부 온도 자극에 감응하여 계면(기체상, 액체상, 고체상 등의 3상 중 인접한 2개의 상 사이 경계면) 특성을 선택적으로 변화시킬 수 있는, 대표적인 온도 감응성 고분자(외부 온도에 따라서 그 성질이 바뀌는 고분자)의 한 종류인 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) 기반의 온도감응성 계면활성제를 개발했다. 여기서 계면활성제란, 물에 녹기 쉬운 친수성 부분과 기름에 녹기 쉬운 소수성 부분을 동시에 갖고 있는 화합물을 말한다.
블록공중합체(두 종류 이상의 서로 다른 고분자가 블록 형태로 공유 결합한 고분자)가 녹아있는 유기용매(탄소로 이루어진 유기물질을 녹이는 액체로, 물에 잘 녹지 않고 휘발성이 높음)를 PNIPAM 계면활성제와 함께 물속에 분산시켜 수중유(Oil-in-water) 에멀전(물 위에 분산되어 있는 기름방울)을 만든 후, 내부의 유기용매를 증발시키는 간단한 제조 과정을 통해 비구형의 고분자 입자를 제조했다.
이 연구에서는 온도에 감응할 수 있는 고분자(PNIPAM)를 사용해 특수한 성질을 가진 계면활성제를 만들고, 이를 폴리(스타이렌-블록-4-바이닐피리딘: PS-b-P4VP) 블록공중합체(한두 종류 이상의 서로 다른 고분자가 블록 형태로 공유 결합한 고분자)를 포함하는 유기용액에 첨가하여 에멀전을 만들었다. 이후 내부의 유기용매를 증발시켜 블록공중합체 입자를 제조했으며 온도 조건에 따른 블록공중합체 입자의 모양 변화를 관찰했다.
온도감응성 계면활성제를 사용했을 때는 고분자 배열이 조절되어 볼록렌즈 형태 혹은 타원체 형태의 비구형 입자가 형성되었다. 이러한 입자의 모양은 온도 조건에 따라 결정되었는데, 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM)의 구조 변화가 일어나게 되는 하한 임계 용액 온도(LCST: Lower Critical Solution Temperature) 이하에서는 볼록렌즈 형태의 입자를 얻은 반면, 하한 임계 용액 온도(LCST) 이상에서는 타원체 형태의 입자가 제조되었다.
여기서 하한 임계 용액 온도란 온도 감응성 고분자의 구조 변화가 나타나는 온도로서, PNIPAM의 경우 LCST 이하에서는 극성을 띄어 물에 잘 분산되어 있으며, LCST 이상에서는 응축이 일어난다.
PNIPAM과 물 용액은 LCST 이하의 온도에서 하나의 상을 이루고 높은 용해도를 가지며, LCST 이상의 온도에서는 낮은 용해도를 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 즉, PNIPAM과 물의 용해도는 외부 온도 자극에 감응하여 변하는데, 유기용매와 물의 에멀전 시스템에서 PNIPAM은 온도에 따라 물과 유기용매 층에 선택적으로 존재하게 되어 입자의 모양을 결정하는 역할을 한다.
입자의 모양 변화가 일어나는 전이온도를 넓은 범위에서 조절하기 위해 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM)와 구조가 유사한 유도체를 합성함으로써 LCST가 변화된 계면활성제를 제조했다. 그리고 이를 통해 입자모양이 변하는 온도 구간을 3℃에서 50℃까지 손쉽게 조절할 수 있었다.
▲ 그림 1. PNIPAM 첨가 전후 블록공중합체 입자의 구조 변화(전자현미경 이미지)
(a), (d)는 PNIPAM을 첨가하지 않고 PS-b-P4VP만으로 제조한 마이크로 입자이다. 구형의 입자가 만들어
지고 내부에는 실린더 형태의 P4VP 도메인이 형성된다.
(b), (e)는 PNIPAM을 첨가한 뒤, LCST보다 낮은 온도에서 제조한 PS-b-P4VP 마이크로 입자이다. 볼록렌즈
형태의 입자가 형성되었으며, 실린더 채널들이 육각구조를 형성하고 있다.
(c), (f)는 PNIPAM을 첨가한 뒤, LCST보다 높은 온도에서 제조한 PS-b-P4VP 마이크로 입자이다. 타원체
형태의 입자가 형성되었으며, 라멜라 구조가 축 방향으로 정렬되어 있다.
생물, 의료 등 다양한 분야에 응용 가능
이번 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 공정 과정 없이 매우 간단하게 제작할 수 있다.
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, 스마트 코팅 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
김범준 교수는 “이 연구는 온도에 따라 스스로 입자의 모양이 변하는 차세대 스마트 입자 제작 플랫폼을 개발한 것이다. 입자의 모양은 온도, 빛, 압력, 수소이온농도(pH) 등 다양한 외부자극에 의해 변할 수 있다. 이는 특이성을 보이는 암 세포를 감지하거나 온도의 변화에 따른 선택적인 약물 전달 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행한 김범준 교수 연구팀의 연구 내용은 국제적인 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 6월 8일자에 게재되었다.
