Search / Korean Journal of Chemical Engineering
Korean Chemical Engineering Research,
Vol.52, No.5, 632-637, 2014
미세 채널에서 칼슘이온 물질전달을 이용한 단분산성 알지네이트 하이드로젤 입자의 실시간 젤화
In situ Gelation of Monodisperse Alginate Hydrogel in Microfluidic Channel Based on Mass Transfer of Calcium Ions
본 논문은 가교제의 물질전달을 통한 실시간 생체고분자의 젤화 과정으로 단분산성을 갖는 구형의 알지네이트 하이드로젤을 미세유체 채널 내에서 제조하는 방법에 관한 연구이다. 먼저 미세유체 채널 내에서 단분산성 알지네이트 액적들을 형성하고 연속상에 분산된 염화칼슘 분자들의 물질전달 과정을 통해 실시간 젤화과정이 이루어지게 하여 알지네이트 하이드로젤 입자를 제조하였다. 이때, 미세유체 채널에서 형성되는 액적의 크기는 손쉽게 케필러리 수(capillary number)와 분산상의 유속 조절을 통하여 제어할 수 있다. 본 방법은 미세유체 채널 내에서 안정적인 액적을 형성할 수 있고 칼슘 가교제로 제조된 알지네이트 하이드로젤 입자들은 균일한 크기 분포를 가지며(C.V=2.71%) 유속, 점도, 및계면장력의 조절을 통하여 30 μm에서 60 μm까지의 다양한 크기의 알지네이트 하이드로젤 입자를 제조할 수 있다. 본 논문에서 제시한 간단한 미세유체 접근방법을 통해 제조되는 단분산성을 갖는 알지네이트 하이드로젤 입자는 생체물질들을 손쉽게 함입(encapsulation)할 수 있으며 이는 식품, 화장품, 잉크 및 약물 등의 전달체로 활용이 가능하고 생체적합성이 뛰어나 세포이식 분야에도 활용될 가능성이 있다.
A microfluidic method for the in situ production of monodispersed alginate hydrogels using biocompatible polymer gelation by crosslinker mass transfer is described. Gelation of the hydrogel was achieved in situ by the dispersed calcium ion in the microfluidic device. The capillary number (Ca) and the flow rate of the disperse phase which are important operating parameters mainly influenced the formation of three distinctive flow regions, such as dripping, jetting, and unstable dripping. Under the formation of dripping region, monodispersed alginate hydrogels having a narrow size distribution (C.V=2.71%) were produced in the microfluidic device and the size of the hydrogels, ranging from 30 to 60 μm, could be easily controlled by varying the flow rate, viscosity, and interfacial tension. This simple microfluidic method for the production of monodisperse alginate hydrogels shows strong potential for use in delivery systems of foods, cosmetics, inks, and drugs, and spherical alginate hydrogels which have biocompatibility will be applied to cell transplantation.
[References]
  1. Desai A, Kisaalita WS, Keith C, Wu ZZ, Biosens Bioelectron, 21, 1483, 2006
  2. Norton LW, Tegnell E, Toporek SS, Reichert WM, Biomaterials, 26, 3285, 2005
  3. Frykman S, Srienc F, Biotechnol. Bioeng., 59(2), 214, 1998
  4. Xu B, Iwata H, Miyamoto M, Balamurugan AN, Murakami Y, Cui W, Imamura M, Inoue K, Cell Transplant, 10(4-5), 403, 2001
  5. Dove A, Nat Biotechnol., 20, 339, 2002
  6. Borisov SM, Wolfbeis OS, Anal Chem., 78, 5094, 2006
  7. Goponenko AV, Asher SA, J. Am. Chem. Soc., 127(30), 10753, 2005
  8. Ben-Moshe M, Alexeev VL, Asher SA, Anal Chem., 78, 5149, 2006
  9. Tan YC, Hettiarachchi K, Siu M, Pan YP, J. Am. Chem. Soc., 128(17), 5656, 2006
  10. Choi CH, Jung JH, Rhee YW, Kim DP, Shim SE, Lee CS, Biomed Microdevices, 9, 855, 2007
  11. Silva CM, Ribeiro AJ, Figueiredo IV, Goncalves AR, Veiga F, Int J Pharm, 311(1-2), 1, 2006
  12. Sugiura S, Oda T, Aoyagi Y, Matsuo R, Enomoto T, Matsumoto K, Nakamura T, Satake M, Ochiai A, Ohkohchi N, Nakajima M, Biomed Microdevices, 9, 91, 2007
  13. Sugiura S, Oda T, Izumida Y, Aoyagi Y, Satake M, Ochiai A, Ohkohchi N, Nakajima M, Biomaterials, 26(16), 3327, 2005
  14. Halle JP, Leblond FA, Pariseau JF, Jutras P, Brabant MJ, Lepage Y, Cell Transplant, 3(5), 365, 1994
  15. Whitesides GM, Nature, 442(7101), 368, 2006
  16. Huh YS, Jeon SJ, Lee EZ, Park HS, Hong WH, Korean J. Chem. Eng., 28(3), 633, 2011
  17. Min SK, Lee BM, Hwang JH, Ha SH, Shin HS, Korean J. Chem. Eng., 29(3), 392, 2012
  18. Jeong HH, Lee SH, Lee CS, Biosens. Bioelectron., 47, 278, 2013
  19. Jung JH, Lee CS, Korean Chem. Eng. Res., 48(5), 545, 2010
  20. Nie ZH, Xu SQ, Seo M, Lewis PC, Kumacheva E, J. Am. Chem. Soc., 127(22), 8058, 2005
  21. Zourob M, Mohr S, Mayes AG, Macaskill A, Perez-Moral N, Fielden PR, Goddard NJ, Lab on a Chip., 6(2), 296, 2006
  22. Tan WH, Takeuchi S, Adv. Mater., 19(18), 2696, 2007
  23. Huang KS, Lai TH, Lin YC, Lab on a Chip., 6(7), 954, 2006
  24. Agarwal P, Zhao ST, Bielecki P, Rao W, Choi JK, Zhao Y, Yu JH, Zhang WJ, He XM, Lab on a Chip, 13, 4525, 2013
  25. Zhang H, Tumarkin E, Peerani R, Nie Z, Sullan RMA, Walker GC, Kumacheva E, J. Am. Chem. Soc., 128(37), 12205, 2006
  26. Dreyfus R, Tabeling P, Willaime H, Phys. Rev. Lett., 90(14), 2003
  27. Xu JH, Luo GS, Li SW, Chen GG, Lab on a Chip, 6(1), 131, 2006
  28. Choi CH, Jung JH, Lee CS, Korean Chem. Eng. Res., 48(4), 470, 2010
  29. Nie ZH, Seo MS, Xu SQ, Lewis PC, Mok M, Kumacheva E, Whitesides GM, Garstecki P, Stone HA, Microfluidics and Nanofluidics, 5(5), 585, 2008
  30. Yobas L, Martens S, Ong WL, Ranganathan N, Lab Chip, 6, 1073, 2006
  31. Zhou C, Yue P, Feng JJ, Physics of Fluids, 18, 1, 2006
  32. Peng L, Yang M, Guo SS, Liu W, Zhao XZ, Biomed Microdevices, 13, 559, 2011