액적생성을위한미세유체기술
유화액과 액적이란 무엇입니까?
유화액은적어도하나의비혼화성액체가다른액체에액적형태로분산된이질적인시스템입니다. 유화되지 않으면, 밀도가 낮고 상이 밀도가 높은 상 위에 위치하게 됩니다. 샐러드드레싱은유화액의흔한예시입니다. 수성상(식초)과 유성상(올리브 오일)으로 이루어진 비네그레트는 유화되지 않으면 두 상이 분리됩니다. 비네그레트 병을 흔들면 식초가 기름진 연속상으로 분산되어 유화액을 만들 수 있습니다. 유화액에서는한액체(분산상이라고함)가다른액체(연속상이라고함)로분산됩니다.
오일 액적 속의 물
유화액의 일반적인 응용 분야는 무엇입니까?
고분자 내 생체분자 캡슐화 [1]
제약: 유화액은 정맥 내, 근육 내, 안구용 또는 경구용 제품을 포함한 다양한 의약품에 사용됩니다. 유화액은고분자미세입자, 지질나노입자또는미세캡슐의템플릿으로도사용됩니다. 여기에서는 유화액이 활성 약제 성분(API) 자체이거나 병용 투여를 위한 보조제로서 약물 전달에 사용될 수 있습니다.
식품산업: 다양한 크기의 액적 분포로 생성될 때 열역학적으로 안정된 분산체로서 유화액의 독특한 특성으로 인해 유화액은 식품 산업의 여러 응용 분야에 적합하게 됩니다.
비타민의 표적 전달 및 조절된 방출을 위한 유망한 접근법으로서 나노 캡슐화 [2]
미세유체 기술을 이용해 개발된 화장품 제품입니다.
화장품: 화장품에서 유화액 기반 제품은 사용 시 섬세한 질감과 부드러운 촉감을 제공하며, 활성 물질의 느리고 지속적인 방출을 위해 시판됩니다. 유화액 기반 제품은 불용성물질의용해나용해도를개선할수도있습니다. 최근에는 “밀리-유체” 장치가 시장에 등장하여 육안으로 관찰할 수 있는 유제를 만들 수 있게 되면서 시각적으로 매력이 높고 독창적인 제품을 개발할 수 있게 되었습니다.
왜 액적 미세유체 기술을 사용해야 할까요?
1) 전통적인방식의액적생성에대한한계점
액적생산의표준방법에는 고속 믹서기, 고압 밸브 균질기, 콜로이드 밀과 같은 기계적 장치가 포함됩니다. 액적 분리는 일반적으로 수동/기계적인 교반에 의해 발생하는 전단 또는 충격 응력을 사용하여 발생합니다. 이러한 조건 하에서, 발생하는 응력은 보통 시스템 전반에 걸쳐 균일하지 않습니다. 그 결과로, 생성된유화액은크기면에서다분산성을보입니다. 유화액의안정성이크기에의존하기때문에많은응용분야에서심각한제한이될수있습니다.
a) 배치 방식과 b) 미세유체 방식을 사용한 마이크로 유화액 생성
2) 제어된유화액생성을위한미세유체장치
단분산성이매우중요한응용분야를위해미세유체시스템을이용한액적생산이도입되었습니다. 마이크로미터 크기의 채널에서는 한 번에 한 방울씩 생성되어, 균일한 크기의 액적을 생산할 수 있습니다. 이러한수준의제어를통해 디지털 PCR 및 액적 내 단일 세포 포집과 같이 이전에는 불가능했던 응용 분야가 등장하게 되었습니다. 또한, 비싼 API(활성제약성분)를사용하는응용분야에있어탁월한방법입니다, 왜냐하면 이 방법은 폐기물을 적게 발생시키기 때문입니다. 전형적인 미세유체 시스템에서는 미세유체 칩이 하나 이상의 흐름 컨트롤러에 연결되어 내부로 유체를 주입합니다. 액적의크기는주로미세유체채널의크기, 유체의특성(점도), 사용된유량에의존합니다.
미세유체 기반의 액적 생성 및 제어를 통해 다음이 가능하게 됩니다.
- 매우균일한분포(<2% 크기 변동)를 가진 액적 생산을 배치 유화액 방식과 달리 상대적으로 높은 빈도로 달성할 수 있습니다.
- 높은재현성을가진복잡한구조(다중 유화액, 다중 코어 유화액 등)
- 개별 pL 규모의 생화학 반응기로서 단일액적조작이 가능합니다.
- 생산및생체분석장치의소형화
액적 칩에서 재료와 표면 처리의 한계를 극복하는 방법
대부분의상업용미세유체액적생성기는평면흐름‑집중구성을 폴리머 또는 유리 칩에 적용하여 사용합니다. 이기하학적형태는많은제한사항이있습니다, 예를 들어 특정코팅이나전용계면활성제가필요합니다. 반면, 유리 모세관‑기반 액적 생산 장치는 분산 상이 외부 모세관의 벽(a,b)과 접촉하지 않기 때문에 큰 개선이 이루어졌습니다.
모세관의 중심을 맞추는 것(모세관 중심화)이 구현하기 어려웠고, 시중에 나와 있는 설계는 액적 생산에 있어 유연성이 떨어집니다(직경 > 100µm, 생성 속도 < 1kHz). 두개의원형모세관을사각형외부흐름모세관(c,d)에삽입함으로써중심맞추기를단순화할수있지만, 관련제조방식은대량생산을제한하고, 고처리량 모세관 기반 액적 생산은 아직까지 이루어지지 않았습니다. 추출튜브를주입튜브앞에배치하여주변을구속하지않는새로운구성(e)은유망한대안을제시합니다. 하지만 이 시스템은 액적의단일분산성을보장하지않는분사체제에서만작동하고 드리핑 체제와도 관련이 있습니다.
사용 가능한 모세관 기반 축 대칭 설계의 액적 생성기
Raydrop: 비내장형 공동 집중 미세유체 액적 생성기
Fluigent와 Secoya는후자의구성을기반으로새로운시스템을개발했지만, 이시스템은추출모세관보다작은직경의주입모세관을사용하여강제로액적을생성하는방식을적용합니다. 이것은 최신 기계 가공 및 3D 프린팅 기법의 개선된 조합으로 이루어집니다. 이 비내장형 디자인은 공동흐름및흐름집중구성의특성을모두나타내고 “비내장형 공동 집중” 디자인으로 설명됩니다. 이 구성은 미세유체 액적 생성기의 설계 배열에서의 공백을 메웁니다.
(a) Raydrop의 분해도 및 (b)조립도 (c) 주입 및 추출 유리 모세관이 장착된 Raydrop (d) 연속상으로 채워진 챔버 내 정렬된 두 모세관의 상단 창을 통해 확대한 모습 (e) 모세관 기반 액적 생성 영역을 확대한 모습
PLGA 마이크로비드의 예시
Raydrop은사용하기쉽고상업적으로구입가능한미세유체칩으로, 우수한단분산성을가진액적을생성할수있도록해줍니다.
Raydrop®을 사용하면 코팅 처리 없이 단순유화액(수중유 및 유중수)과 이중유화액(유중수중유 또는 수중유중수)을 생산할 수 있습니다.
이중 유화액은 단일 유화액에 비해 많은 장점이 있습니다. 이중 유화액은 일반적으로 더 안정적이며 응집하기 쉽지 않고, 취급하고 분석하기가 더 용이합니다. 이중유화액은 수성 연속상에서 쉽게 분산될 수 있습니다(단, 생명 과학 분야에서 단일 유화액은 그렇지 않은 경우가 많습니다). 이를 통해 형광활성화세포분류(FACS)와같은자동화된세포분류로 특성화하고 분류할 수 있습니다. 또한, 이중유화액은쉘을경화시켜마이크로캡슐을제조하는훌륭한템플릿입니다.
PLGA(왼쪽) 및키토산(오른쪽) 마이크로캡슐의예시
액적 생성에서 유량이 어떤 역할을 합니까?
유량의안정성은반복가능한반응기부피와재현가능한결과를위해서매우중요합니다. 시린지 펌프는 미세유체 실험에서 액적 생성에 흔히 사용됩니다. 시린지 펌프는 사용 중인 모델에 따라 유량 제어가 제한됩니다. 그러므로 유량에 비례하는 액적 크기에 영향을 받습니다. 이러한 장치로 실제 유량을 모니터링할 수 없습니다. 장치에는 유량 값이 표시되지만, 설정된 유량에 도달하는 데 필요한 시간에 대한 정보는 제공되지 않습니다(유량 평형에 이르는 시간은 미세유체 설정에 따라 다를 수 있고, 기기에 따라 유량이 달라질 수 있음). 시린지펌프의대안으로는당사의 Flow EZ 압력을기반으로하는유량컨트롤러가있습니다. 이러한컨트롤러를사용하면고정밀유량제어, 빠른반응시간, 유량모니터링이가능합니다. 시린지 펌프와 비교하여 안정적이고 반복 가능한 흐름이 생성되었습니다.
References
- Iqbal, M., Zafar, N., Fessi, H., & Elaissari, A. (2015). Double emulsion solvent evaporation techniques used for drug encapsulation. International Journal of Pharmaceutics. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2015.10.057
- Katouzian, I., Jafari, S.M., Nano-encapsulation as a promising approach for targeted delivery and controlled release of vitamins, Trends in Food Science & Technology (2016), https://doi: 10.1016/j.tifs.2016.05.002