국립부경대, 3D 프린팅 기반 에멀젼 마이크로캡슐 고속·대량 제조 플랫폼 구현

- 고균일·연속 생산 구현 … 약물 전달·바이오캡슐 상용화 기반 마련

국립부경대학교 황윤호 교수(고분자공학전공) 연구팀은 3D 프린팅 기술을 활용해 이중 에멀젼(double emulsion) 기반 마이크로캡슐을 대량 제조할 수 있는 미세유체 플랫폼을 개발했다.

이번 연구는 포항공과대학교 김동표 교수 연구팀과 공동연구로 진행됐으며, 단일 에멀젼 생성 기술을 넘어, 기능성 마이크로캡슐 제조의 확장 가능한 공정 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

에멀젼(emulsion)은 서로 섞이지 않는 두 액체로 이루어진 제형으로, 일반적인 단일 에멀젼(single emulsion)은 식품·화장품·제약 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 그러나 약물 전달체, 기능성 캡슐, 보호층을 갖는 미립자와 같은 마이크로캡슐을 제조하기 위해서는 내부 코어와 외부 쉘 구조를 동시에 제어할 수 있는 이중 에멀젼(double emulsion) 제조가 필수적이다. 이중 에멀젼의 구조적 균일성은 마이크로캡슐의 크기, 쉘 두께, 방출 특성을 결정하는 핵심 요소다.

기존 벌크유화법(Bulk Emulsification)은 대량생산에는 유리하지만, 이중 에멀젼의 정밀한 구조 제어가 어렵기 때문에 균일한 마이크로캡슐 제조에는 한계가 있었다. 이에 따라 최근에는 미세유체기술(Microfluidics)을 활용해 균일한 이중 에멀젼을 생성하고 이를 주형(template)으로 활용하여 마이크로캡슐을 제조하는 연구가 진행돼 왔다. 하지만 기존 미세유체 소자는 생산량이 낮고, 불균일 유량 분배 등으로 인해 장시간 안정적인 마이크로캡슐 제조가 어렵다는 문제가 남아 있었다.

공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 3D 프린팅기술을 활용하여 병렬형 미세유체 플랫폼 새롭게 설계 및 제작했다. 또한 연구팀은 마이크로캡슐 제조에 필수적인 이중 에멀젼을 구현할 수 있는 3D 프린팅 표면처리 기술을 개발했다. 일반적으로 3D 프린팅 소재는 화학적으로 안정적이어서 친수성 표면처리가 어렵지만, 연구팀은 산성·고온 조건에서 실리카(Silica) 나노입자를 내부 표면에 균일하게 코팅함으로써 이러한 한계를 극복했다. 이를 통해 3D 프린팅 기반 플랫폼에서 이중 에멀젼을 이용한 마이크로캡슐의 연속적·대량 제조를 최초로 구현했다.

이를 통해 다수의 이중 에멀젼 발생기를 동시에 안정적으로 구동할 수 있으며, 이중 에멀젼을 주형으로 하는 마이크로캡슐을 높은 균일도와 재현성으로 대량 생산할 수 있음을 입증했다. 특히 내부 코어 비율과 쉘 구조를 정밀하게 제어함으로써, 마이크로캡슐의 방출 특성을 설계할 수 있는 기반을 마련했다.

나기수 박사는 “3D 프린팅 기반의 병렬화 장치를 개발해 이중 에멀전의 고속·대량생산을 구현해 마이크로캡슐 공정의 스케일업 가능성을 입증했다”고 말했다.

황윤호 교수는 “이번 연구는 단지 마이크로캡슐 제조 플랫폼 개발에 그치지 않고, 마이크로캡슐의 구조와 방출 특성을 정밀하게 제어할 수 있어 학문적 가치와 상업적 활용 가능성이 매우 높아 약물 전달체, 바이오 캡슐, 기능성 소재 캡슐화 기술 전반에 적용될 수 있다”고 설명했다.

한편, 이번 연구 성과는 화학공학 분야 세계 정상급 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF:13.2)에 최근 게재됐다.

※ 붙임: 1. 연구팀 사진. 왼쪽부터 국립부경대 황윤호 교수, 포항공대 김동표 교수, 나기수 박사 연구팀

2. 3D 프린트로 제작된 마이크로캡슐 대량 생산장치 이미지.