Article
  • Synthesis of Poly(N-isopropylacrylamide) Micro-hydrogel Using a Microfluidic Channel and Study on Concentration Sensor

  • Shin Hye Kang#, Seo Gyun Kim#, and Heon Sang Lee†

  • Department of Chemical Engineering, Dong-A University, Busan 49315, Korea

  • 미세채널을 이용한 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) 마이크로 하이드로젤의 합성 및 농도측정 센서 용도

  • 강신혜# · 김서균# · 이헌상†

  • 동아대학교 화학공학과

Abstract

In this study, PDMS microchannels were fabricated by using a soft lithography process. Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAm) micro-hydrogel spheres were synthesized by using the microfluidic channel. The volume of synthesized micro-hydrogel was reduced as increasing temperature, exhibiting lower critical solution temperature (LCST) behavior at around 32 ℃. The volume changes of the micro-hydrogels were monitored as they were immersed into poly(vinyl alcohol) (PVA) or sodium chloride (NaCl) solution. The effects of temperature and solution concentration on the volume of the micro-hydrogels were investigated. The osmotic pressures of the micro-hydrogels were calculated from the solid contents in the micro-hydrogel by using the Flory-Huggins theory. It was suggested that the micro-hydrogel can be used as a sensor detecting concentration of solution and temperature.


본 연구에서는 소프트리소그래피(soft lithography) 공정을 이용하여 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 재질의 미세채널을 제작하였고, 이를 활용하여 구형의 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAm) 미세-하이드로젤을 합성하였다. 합성된 미세-하이드로젤은 온도가 상승할수록 부피가 감소하였으며, 32 ℃ 주변에서 최저임계용액온도(lower critical solution temperature, LCST) 거동을 보였다. 미세-하이드로젤을 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol), PVA) 용액 또는 염화나트륨(sodium chloride, NaCl) 용액에 담구었을 때, 용액의 농도 및 온도에 따른 미세-하이드로젤의 부피변화를 관찰하였다. 부피변화로부터 미세-하이드로젤에 포함된 물과 고분자의 부피분율 변화를 계산하였다. Flory-Huggins 이론을 도입하여 각 용액의 농도 및 온도에 따른 삼투압 변화를 확인하였다. 측정된 부피변화와 삼투압 변화 결과로부터 제조된 미세-하이드로젤은 온도 및 농도측정 센서로 활용가능함을 확인하였다.


Keywords: osmotic pressure, poly(N-isopropylacrylamide), microgel, hydrogel, microfluidics

서 론

최근에는 미세채널(microfluidic channel)을 활용한 다양한 연구들이 보고되고 있는데, 예를 들면 단분산 입자(monodisperse particle)의 합성, 생물의학적 응용, 유체의 흐름, 및 점도측정 등이다.1-12 또한 여러가지 디자인의 미세채널 제조방법이 보고되고 있다.13,14 미세채널의 제조는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 이용한 소프트리소그래피(soft lithography) 공정이 주로 활용되고 있다.4-7,11-14 PDMS를 이용한 소프트리소그래피는 제작 비용이 저렴하고, 포토마스크(photo mask)의 패턴을 통해 다양한 채널 크기와 모양을 설계할 수 있다. 제조된 미세채널을 이용하면 적은 양의 유체도 활용할 수 있는 장점이 있다. 또한 제작된 하나의 몰드(mold)로부터 많은 PDMS 복제품(replica)을 제작할 수 있어 대량생산이 가능하다.14
미세채널을 이용하여 제조된 단분산 기능성 입자(monodisperse functional particle)는 대부분 동일한 표면적과 부피를 가지기 때문에 동일한 특성과 거동을 필요로 하는 응용연구에 특히 유용하다.1-4,6-10,15-17 그중 다량의 물을 흡수하여 팽윤하는 단분산 하이드로젤(hydrogel)의 합성에 대한 활용 연구도 많이 보고되고 있다.18-27 본 연구그룹에서는 미세채널을 이용하여 탄성률이 매우 낮은 구형 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAm) 하이드로젤을 합성하였고, 하이드로젤의 탄성과 전단흐름에서의 변형에 대해 보고하였다.11,12
PNIPAm는 빛, 온도, pH 등과 같은 외부의 자극에 반응하여 밀도와 같은 물리적성질이 변화하는 하이드로젤이다.24-30 PNIPAm은 온도가 상승함에 따라 물과 고분자사슬과의 혼합깁스 자유에너지가 증가하다가 최저임계용액온도(lower critical solution temperature, LCST)에서 혼합 깁스 자유에너지는 임계값보다 큰 양의 값을 갖게 된다. 따라서 LCST 이상의 온도에서는 물과 고분자사슬간의 열역학적인 상용성이 없어지게 되면서 PNIPAm 하이드로젤 내부의 수분이 급격히 빠져 나가게 된다. 따라서 온도가 LCST 이상이 되면서 하이드로젤의 부피가 급격히 줄어드는 특성을 보인다. 이런 특성을 이용하여 약물전달체, 스마트 윈도우, 세포배양체 등의 다양한 활용 연구도 보고되고 있다.31-36 특히, 수십~수백 마이크로미터 크기의 구형 하이드로젤은 외부 자극에 따른 응답시간이 빠른 장점이 있어 센서 등의 응용에 장점을 가지고 있다.37-39
많은 양의 수분을 함유하고 있는 하이드로젤은 이온성 액체나 고분자 용액에 담구었을때, 하이드로젤 내부와 외부의 농도차에 의한 화학퍼텐셜의 변화로 인해 삼투압의 변화가 발생한다. 삼투압에 따라 물을 방출하거나 흡수하는 현상이 나타나게 된다. 삼투압은 순수 용매와 용액 사이에 화학퍼텐셜을 같게 만드는데 필요한 압력으로 이상희석용액에서 van’t Hoff 식으로 표현될 수 있다.40 고분자 용액의 경우 열역학적상평형, 상분리 등의 현상을 설명하는 Flory-Huggins식으로 나타낼 수 있다.41-45 이와 관련한 젤의 변형이나 열역학적 모델 등의 연구들 또한 계속해서 진행되고 있다.46-57
본 연구에서는 소프트리소그래피 공정을 이용하여 하이드로젤의 합성을 위한 PDMS 미세채널을 제작하였다. 제작한 미세채널을 활용하여 구형의 PNIPAm 미세-하이드로젤을 합성하였으며, 합성된 하이드로젤의 온도에 따른 크기 변화를 통해 LCST 거동을 확인하였다. 미세-하이드로젤을 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol), PVA) 용액과 염화나트륨(sodium chloride, NaCl) 용액에 담구었을 때, 용액의 농도 및 온도에 따른 하이드로젤의 부피 변화를 관찰하였고, Flory-Huggins 이론을 이용하여 삼투압의 변화를 계산하였다. 측정된 부피변화와 삼투압 결과로부터 제조된 미세-하이드로젤은 온도 및 농도측정 센서로 활용가능함을 확인하였다.

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This Article

  • 2018; 42(6): 1052-1058

    Published online Nov 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.6.1052
  • Received on Jul 9, 2018
  • Revised on Jul 20, 2018
  • Accepted on Jul 30, 2018

Correspondence to

  • Heon Sang Lee

  • Department of Chemical Engineering, Dong-A University, Busan 49315, Korea

  • E-mail: heonlee@dau.ac.kr
  • ORCID:
    0000-0002-6806-5666