주사 가능한 하이드로겔은 투여 부위의 해부학적 및 생리학적 제약에 부합하는 국소 저장소를 형성할 수 있는 적응형 약물전달 시스템이다. 이들의 성능은 주사 환경과 치료 화물(therapeutic cargo)의 특성 모두에 의해 좌우된다. 적용 분야는 안과, 관절강 내, 피하, 근육 내, 종양, 중추신경계 및 점막 전달에 이르며, 하이드로겔은 청소(제거), 잔류(retention), 및 적합성(compatibility)과 관련된 과제를 해결한다. 대용량 저장소(bulk depots)를 넘어, 마이크로겔(microgels) 및 나노겔(nanogels)과 같은 입자성 하이드로겔 형식은 주사기 주입성(syringeability), 모듈성, 그리고 나노입자 운반체와의 통합을 향상시킨다. 기능적 다양성은 pH, 효소, 열, 레독스(redox), 빛 자극을 포함하는 자극 반응성(stimuli responsiveness)과, 정밀한 제어를 위한 다중 단서(cues)를 통합하는 복합 설계(hybrid designs)에서 비롯된다. 적재(loading) 전략은 수동 포획(passive encapsulation)부터 친화성 결합(affinity binding) 및 공유 결합(covalent conjugation)에 이르며, 방출(release)은 확산(diffusion), 분해(degradation), 그리고 자극에 의해 조절되는 동역학(stimuli-modulated kinetics)에 의해 좌우된다. 번역적(translational) 진전은 재현 가능한 제조(reproducible fabrication), 확장 가능한 대량생산(scalable manufacturing), 그리고 장치 통합(device integration)에 달려 있는 한편, 투여 부위에 따른 제약과 규제 관련 난관(regulatory hurdles)은 여전히 중요한 도전 과제로 남아 있다.

하이드로겔은 치료 및 생의공학 분야에서 가장 주목받는 생체재료 중 하나로, 생체적합성, 화학적/물리적 조절 가능성, 그리고 다양한 제조 기술에 대한 폭넓은 활용성 덕분에 활용이 확대되고 있다. 최근 하이드로겔 연구에서 두드러진 성과 중 하나는 미세/나노가공 기술로, 하이드로겔의 고유한 기계적·화학적 특성과 다양한 화학 반응 메커니즘, 그리고 학제 간 접근을 활용하여 이러한 크기 규모에서 혁신적인 시스템을 구현한다. 본 종설은 생의학 및 치료 분야 응용에 중점을 두고, 하이드로겔 기반의 미세 및 나노 시스템 제조에서의 최신 발전에 관한 포괄적인 개관을 제공한다. 또한 물질, 제조, 시스템 설계의 관점에서 어려움과 전망을 논의함으로써 효과적이고 개인화되며 다목적(다재다능)인 하이드로겔 기반 치료법의 개발 방향을 제시한다.

전통적인 공초점 라만 분석으로 평가한, 유의하게 더 높은 농도의 기준 시료에서 얻은 스펙트럼과 비교해도 유리한 CFU/ml 결과를 보였다. 나노갭 기술은 희석 시료로부터 박테리아를 잘 정의된 광 검출 부피로 농축하기 위한 간단하고 견고하며 수동적인 접근법을 제공하며, 이를 통해 표지 없는 식별을 위한 집중된 세포의 신속하고 민감한 공초점 라만 검출이 가능해진다.

주사 가능한 하이드로겔은 투여 부위의 해부학적 및 생리학적 제약에 부합하는 국소 저장소를 형성할 수 있는 적응형 약물전달 시스템이다. 이들의 성능은 주사 환경과 치료 화물(therapeutic cargo)의 특성 모두에 의해 좌우된다. 적용 분야는 안과, 관절강 내, 피하, 근육 내, 종양, 중추신경계 및 점막 전달에 이르며, 하이드로겔은 청소(제거), 잔류(retention), 및 적합성(compatibility)과 관련된 과제를 해결한다. 대용량 저장소(bulk depots)를 넘어, 마이크로겔(microgels) 및 나노겔(nanogels)과 같은 입자성 하이드로겔 형식은 주사기 주입성(syringeability), 모듈성, 그리고 나노입자 운반체와의 통합을 향상시킨다. 기능적 다양성은 pH, 효소, 열, 레독스(redox), 빛 자극을 포함하는 자극 반응성(stimuli responsiveness)과, 정밀한 제어를 위한 다중 단서(cues)를 통합하는 복합 설계(hybrid designs)에서 비롯된다. 적재(loading) 전략은 수동 포획(passive encapsulation)부터 친화성 결합(affinity binding) 및 공유 결합(covalent conjugation)에 이르며, 방출(release)은 확산(diffusion), 분해(degradation), 그리고 자극에 의해 조절되는 동역학(stimuli-modulated kinetics)에 의해 좌우된다. 번역적(translational) 진전은 재현 가능한 제조(reproducible fabrication), 확장 가능한 대량생산(scalable manufacturing), 그리고 장치 통합(device integration)에 달려 있는 한편, 투여 부위에 따른 제약과 규제 관련 난관(regulatory hurdles)은 여전히 중요한 도전 과제로 남아 있다.

하이드로겔은 치료 및 생의공학 분야에서 가장 주목받는 생체재료 중 하나로, 생체적합성, 화학적/물리적 조절 가능성, 그리고 다양한 제조 기술에 대한 폭넓은 활용성 덕분에 활용이 확대되고 있다. 최근 하이드로겔 연구에서 두드러진 성과 중 하나는 미세/나노가공 기술로, 하이드로겔의 고유한 기계적·화학적 특성과 다양한 화학 반응 메커니즘, 그리고 학제 간 접근을 활용하여 이러한 크기 규모에서 혁신적인 시스템을 구현한다. 본 종설은 생의학 및 치료 분야 응용에 중점을 두고, 하이드로겔 기반의 미세 및 나노 시스템 제조에서의 최신 발전에 관한 포괄적인 개관을 제공한다. 또한 물질, 제조, 시스템 설계의 관점에서 어려움과 전망을 논의함으로써 효과적이고 개인화되며 다목적(다재다능)인 하이드로겔 기반 치료법의 개발 방향을 제시한다.

전통적인 공초점 라만 분석으로 평가한, 유의하게 더 높은 농도의 기준 시료에서 얻은 스펙트럼과 비교해도 유리한 CFU/ml 결과를 보였다. 나노갭 기술은 희석 시료로부터 박테리아를 잘 정의된 광 검출 부피로 농축하기 위한 간단하고 견고하며 수동적인 접근법을 제공하며, 이를 통해 표지 없는 식별을 위한 집중된 세포의 신속하고 민감한 공초점 라만 검출이 가능해진다.

나노스케일 리포좀 합성 동안 소낭(베지클) 크기를 제어하는 것은 리포좀 나노의약품의 약물학적 특성을 규정하는 데 중요하다. 크기 조절이 가능한 리포좀 생성을 수행하는 마이크로플루이딕스 기술은 널리 탐구되어 왔으나, 크기 제어를 희생하지 않으면서 이러한 마이크로플루이딕스 플랫폼을 고생산 처리량을 위한 규모로 확장하는 데에는 어려움이 있음이 입증되었다. 본 연구에서는 용해된(용매화된) 지질의 원주 대칭적(축대칭) 유선(스트림)을 중심으로 고도로 와류적인 유동을 형성하고, 동시에 와류 유동장의 적용을 통해 지질을 집중시키는 한편 빠른 대류 및 확산 혼합을 유도하는, 마이크로플루이딕스 기반 공정을 기술한다. 시스템 내에서 개별 완충액 및 지질 유량을 조절함으로써, 마이크로플루이딕스 와류 집중(vortex focusing) 기법은 정확히 제어된 크기와 낮은 크기 변동성을 갖는 리포좀을 생성할 수 있으며, 고처리량 소낭(베지클) 생산을 위해 층류 유동 한계(laminar flow limit)까지 운전할 수 있다. 직경 27 nm만큼 작은 크기의 리포좀에 대한 신뢰할 수 있는 형성과, 20 g/h를 초과하는 질량 생산 속도가 입증되었으며, 단일 연속 흐름형 와류 집중 장치를 이용한 생산 규모 리포좀 합성으로의 경로를 제시한다.

급격한 기술 발전은 센서에 대한 수요를 증가시켰다. 따라서 차세대 기술에 적합한 고성능이 요구된다. 감지 기술은 다양한 응용 분야를 가지므로 센서 제작에는 여러 재료와 패터닝 방법이 사용된다. 이는 센서의 특성과 성능에 영향을 미치며, 고집적 및 고성능을 위해 이러한 패턴에 특화된 연구가 필요하다. 본 논문에서는 최근에 보고된 센서에서 사용된 패터닝 기술을, 특히 가장 널리 사용되는 용량성 센서를 중심으로 검토하고, 이것이 센서 성능에 미치는 영향을 논의한다. 또한 3차원(3D) 구조를 통해 센서 성능을 향상시키는 방법을 소개한다.

두 광자 중합(two-photon polymerization)에 의한 직접 레이저 라이팅(direct laser writing) 동안 현장(in situ) 광접목(photografting)을 수행하는 방법을 제시한다. 이 기술은 3D 포토레지스트 구조와 열가소성 표면 사이의 공유 결합(covalent bonds)을 형성하기 위한 강력한 접근법으로 작용한다. 패턴 생성과 국소 표면 반응에 동일한 레이저를 활용함으로써, 중합 과정 중에 포토레지스트 벌크와 열가소성 표면 사이의 가교결합(crosslinking)이 이루어진다. 이를 미세유체 소자(microfluidic device) 제작을 위한 채널 내(in-channel) 직접 레이저 라이팅에 적용하면, 채널 설계, 광개시제(photoinitiator) 선택, 그리고 공정 조건을 적절히 조절함으로써 최대 7 MPa에 달하는 압력 구배(pressure gradients)에도 견딜 수 있는 매우 강한 접착력과 견고한 결합 계면(bond interfaces)이 산출된다.

하이드로사이클론은 간단하면서도 강력한 입자 분리 기술로, 대규모 산업 공정에서 널리 사용되고 있으며 소형화에 대한 막대한 잠재력을 지닌다. 최근 수 센티미터 규모까지 하이드로사이클론을 축소하려는 시도는 수동적이며 고처리량인 미립자 분리에 대해 큰 가능성을 보여주었지만, 장치 크기 축척과 설계가 분리 성능에 미치는 영향에 대한 이해가 제한적이라는 점, 그리고 기존 미세가공 기술로는 작은 크기에서 하이드로사이클론의 복잡한 내부 구조를 구현하는 데 어려움이 있다는 점 때문에 추가 소형화가 제약된다. 여기서는 임계 치수가 1 mm 미만인 하이드로사이클론에 대한 근본적인 축척 문제를 조사하고, 입체리소그래피(스테레오리소그래피)에 디지털 광처리(digital light processing)를 결합하여 3D 프린팅을 활용함으로써 임계 기능 크기가 250 µm까지 작은 최초의 마이크로 스케일 하이드로사이클론을 구현하였다. 그 결과의 장치는 3.7 µm 크기까지의 입자에 대해 높은 분리 효율을 제공하는 것으로 나타났으며, 40 mL min −1 까지의 높은 유량에서 작동한다. 또한 축척 분석 결과, 추가 소형화를 통해 1 µm 미만의 입자 분리도 달성할 수 있을 것으로 시사되며, 이는 무기 및 생물학적 나노입자를 신속하게 분리하고 농축하는 데 이 기술을 적합하게 만들 수 있을 잠재력이 있다.

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