외부 온도 변화 맞춰 모양 자유자재 변하는 스마트 입자 개발

[산업일보]
입자의 모양은 그 입자의 특성(광학적 특성 및 세포와의 상호작용 등)을 결정하는 중요한 인자다. 다양한 모양을 가지는 비구형입자는 구형과는 달리 모양에서 비롯된 특성 때문에 디스플레이용 광결정 물질, 광화학 센서, 코팅필름, 화장품 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

더 나아가 외부 자극에 반응해 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.

김범준 교수(한국과학기술원) 연구팀이 온도 변화에 따라 성질이 바뀌는 고분자를 이용해 인체의 정상체온 등 외부 온도에 따라 입자의 모양이 자유자재로 변하는 스마트 마이크로입자 제작 기술을 개발했다고 미래창조과학부는 밝혔다.

연구팀은 외부의 온도 변화에 따라 입자의 계면 특성을 선택적으로 조절해 내부 고분자 배열을 바꿀 수 있는 계면활성제를 개발했고, 이를 활용해 온도 감응 범위가 손쉽게 조절되며 외부온도에 반응해 가역적으로 입자모양을 변화하는 스마트입자를 제작했다.

연구팀은 외부 온도 자극에 감응해 계면의 특성을 선택적으로 변화시킬 수 있는 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) 기반의 온도감응성 계면활성제를 개발했다. 블록공중합체가 녹아있는 유기용매를 PNIPAM 계면활성제와 함께 물 속에 분산시켜 수중유(oil-in-water) 에멀전을 만든 후, 내부의 유기용매를 증발시키는 간단한 제조과정을 통해 비구형의 고분자 입자를 제조했다.

온도감응성 계면활성제를 사용했을 때에는 고분자 배열이 조절돼 볼록렌즈 형태 혹은 타원체 형태의 비구형 입자가 형성됐다. 이러한 입자의 모양은 온도 조건에 따라 결정됐는데, 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 제조됐다.

나아가 전이온도 변화가 다른 폴리N아이소프로필아크릴아마이드(PNIPAM) 유도체를 계면활성제로 사용해서 입자의 모양 변형이 일어나는 전이온도를 3°C에서 50°C까지 손쉽게 조절할 수 있었다.

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.

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.

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.