KR100718918B1 - 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를이용한 생체물질의 패터닝 방법 - Google Patents

나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를이용한 생체물질의 패터닝 방법 Download PDF

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임정혁
김경민
이재혁
안용철
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충주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 코팅된 나노기공성 하이드로겔 고분자를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 생체물질을 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 나노기공으로 흡수시킨 후 원자력 현미경의 탐침을 대체하여 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시킴으로써, 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 생체물질의 전사가 전사용 팁과 대상 물질 표면과의 거리에만 의존하므로 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 효과가 있다.
나노기공성 하이드로겔 고분자 팁

Description

나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법 {Nano-porous hydrogel polymer tip, method for preparing the same and patterning method of bio-substance using the same}
도 1은 종래의 실리콘 팁을 사용한 딥-펜 나노리쏘그래피 방식의 생체물질 패터닝 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라서, 실리콘 팁의 표면에 고분자 반응을 통하여 폴리옥사졸린 고분자를 형성하는 공정에 대한 개략적인 도면이다.
도 3a 및 3b는 도 2의 공정에 있어서, 나노기공성 하이드로겔 폴리옥사졸린 고분자가 코팅되기 전후의 모습을 전자 현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 도 3b의 팁을 사용하여 제조된 IgG 단백질 어레이에 대한 원자 현미경 이미지이다.
본 발명은 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 생체물질을 나노기공으로 흡수시킨 후 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시킴 으로써, 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 생체물질의 전사가 전사용 팁과 대상 물질 표면과의 거리에만 의존하므로 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법에 관한 것이다.
21 세기 포스트 게놈 (Post-Genome)시대에 양산되는 많은 정보를 효율적으로 처리하고자 나노기술과 바이오 기술을 융합한 나노 바이오 기술이 태동하였다. 그중 바이오칩은 DNA나 단백질과 같은 생체 물질을 고체 기질 위에 고밀도로 집적화 시킨 것으로서, 생물학적 정보를 얻거나 분석하고자하는 대상물질과 반응시킨 후 동시에 초고속으로 이를 분석하는 장치이다. 현재, 바이오칩은 집적 물질에 따라, DNA칩과 단백질 칩 및 랩 온 어 칩 (Lab on a chip) 등으로 나뉜다. 이와 같은 바이오칩은 고체 표면에서 생체물질의 고정화와 표적물질의 측정을 가능하게 하는데 그 기술적 핵심이 있으며, 고체 표면상에 고정화되는 생체물질의 밀도, 균일성 및 생체 활성도 등에 따라 DNA, RNA, 항원, 바이러스 및 기타 단백질 분자들의 검출한계와 비특이적 결합여부가 결정된다.
종래의 생체물질의 어레이를 위한 기술로는 마이크로어레이, 포토리쏘그래피 (Photolithography), 잉크젯 프린팅 (Inkjet printing) 또는 소프트 리쏘그래피 (Soft lithography) 등의 기술이 사용되고 있으나, 생체물질의 고정화 기술과 단위면적에 집적화시킬 수 있는 양이 제한될 뿐만 아니라, 고정화시에 부착된 생체물질 의 방향성 제어가 어렵고, 생체적 활성도가 저하된다는 등의 단점이 존재한다.
최근에 나노수준에서 생체물질을 복합적으로 고정화하는 방법으로서, 딥-펜 나노리쏘그래피 (Dip-pen nanolithography; DPN) 방식이 미국 노스웨스턴 대학의 Chad A Mirkin 교수에 의해 개발되었다 (Chad A. Mirkin et al. Science 283, 661 (1999)). DPN 방식이란 주사탐침현미경 (SPM) 팁을‘펜’으로 하고, 고체기판을‘종이’로 하여, 고체 상태의 기판에 화학적 친화력을 가진 분자나 생체물질을‘잉크’로서 SPM 팁과 기판 사이에 형성되는 물 메니스커스 (water meniscus)를 통한 확산 현상에 의해서 기판에 코팅하는 기술이며, 도 1에는 이러한 방식에 의한 생체물질의 패터닝 방법을 개략적으로 도시하였다. 이러한 DPN 방식은 잉크로 사용하는 물질의 제약이 거의 없을 뿐만 아니라, 기능성 유기분자나 생체물질을 그 구조의 손상 없이 직접적으로 패터닝할 수 있는 매우 큰 장점을 지니고 있다. DPN 방식에 있어서, 패터닝되는 물질의 크기는 팁의 고체 기판 표면에 대한 접촉 시간과 물 메니스커스의 크기에 영향을 주는 상대습도에 전적으로 의존하게 된다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고, DPN 방식을 이용한 생체물질의 패터닝에는 아직까지 하기와 같은 한계점들이 존재한다.
첫째, 기존의 DPN 기술은 팁과 기판 사이에 존재하는 물 메니스커스를 통해서는, 고분자량을 갖는 단백질 (예를 들어, IgG)의 확산이 용이하지 않으며, 패터닝에 장시간이 소요되고 (물질 확산 속도가 매우 느려서, 100 nm 이하의 크기 하나를 패터닝하는 데에 3초에서 수 분의 시간이 소요된다), 재현성이 크지 않다는 문제점이 있다.
둘째, 기존의 실리콘 팁 또는 실리콘 질화물 팁은 소수성을 띄기 때문에 단백질 등과 같은 친수성 물질을 코팅할 경우 실리콘 팁 표면에 코팅되는 시료의 양이 매우 적으며, 패터닝 작업시 종종 재코팅 작업을 요한다는 문제점이 있다.
셋째, 시료가 공기 중에 노출되어 있으므로, 건조로 인하여 생체 활성을 유지하기가 어렵고 (예를 들어, 상대습도 60% 이하에서는 물질 패터닝이 어려우므로 별도의 습도조절용 글로브 박스를 필요로 한다), 첨가제를 첨가한 경우라도 확산에 대한 제어가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서, 생체물질을 나노기공으로 흡수시킨 후 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시킴으로써, 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 생체물질의 전사가 전사용 팁과 대상 물질 표면과의 거리에만 의존하므로 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 일 태양에서,
소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 코팅된 나노기공성 하이드로겔 고분자를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 제공한다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 태양에서,
소수성 팁의 표면을 세척하고, -OH기를 부착하는 단계;
상기 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계;
상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 중합 반응을 수행함으로써, 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 하이드로겔 고분자층을 형성하는 단계; 및
상기 소수성 팁을 세척하는 단계
를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 태양에서,
생체물질이 패터닝될 기판의 표면에 상기 생체물질과 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착하는 단계;
상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 생체물질을 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계; 및
상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 기판 상에서 이동시키며 상기 생체물질을 전사하는 단계
를 포함하는 생체물질의 패터닝 방법을 제공한다.
이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 생체물질을 나노기공으로 흡수시킨 후 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시키는 방식에 의해서, 종래의 물 메니스커스를 통한 확산 방식에 비해서 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체 물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 코팅된 나노기공성 하이드로겔 고분자를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 소수성 팁으로는 이산화규소 또는 실리콘 질화물 등과 같은 재질의 소수성 팁이 사용될 수 있다.
종래에, 소수성 이산화규소 팁 또는 실리콘 질화물 팁은 소수성을 띄기 때문에 단백질 등과 같은 친수성 물질을 코팅할 경우 팁 표면에 코팅되는 시료의 양이 매우 적으며, 패터닝 작업시 종종 재코팅 작업을 요한다는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 소수성 팁의 표면에 친수성 고분자의 네트워크 형태를 갖는 나노기공성 하이드로겔 고분자를 코팅하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다.
바람직하게는, 상기 하이드로겔 고분자는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 폴리 2-메틸-2-옥사졸린, 폴리 2-히드록시에틸메타크릴레이트, 폴리옥시에틸렌, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리 N-아세틸에틸렌이민 또는 그 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 하이드로겔 고분자는 표면에 미세한 나노사이즈의 기공들이 형성된 나노기공 구조를 갖는데, 바람직하게는 상기 나노기공의 평균 직경은 20nm 내지 100nm이다. 상기 나노기공의 평균 직경이 20nm 미만인 경우에는 10~30nm 정도의 고분자량을 갖는 단백질, 바이러스 등의 생체물질이 용이하게 흡수될 수 없다는 문제점이 있으며, 100nm를 초과하는 경우에는 흡수되었던 생체물질이 쉽게 빠져나오는 등의 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
또한, 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자의 코팅 두께는 50nm 내지 5,000nm인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이와 같이 단백질 등과 같은 친수성 물질을 저장 또는 담지하기에 적합한 친수성의 하이드로겔 성상을 지니면서도 미세한 기공을 지닌 나노기공 구조의 나노기공성 하이드로겔 고분자를 소수성 팁의 표면에 코팅함으로써, 생체물질의 저장용량을 획기적으로 증가시키고, 또한 생체물질의 수화 (haydration) 정도를 별도의 보조수단 없이도 장시간 유지할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법에 대해서 서술하기로 한다.
본 발명에 따른 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법은, 소수성 팁의 표면을 세척하고, -OH기를 부착하는 단계; 상기 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계; 상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 중합 반응을 수행함으로써, 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 하이드로겔 고분자층을 형성하는 단계; 및 상기 소수성 팁을 세척하는 단계를 포함한다.
소수성 팁 표면의 세척은 에탄올, 아세톤 또는 그 혼합물 등을 사용하여 수 행될 수 있으며, 세척된 팁 표면에는 H2SO4 및 H2O2를 3:1의 부피비로 혼합한 용액 중에서 10분~20분 동안 처리함으로써 -OH기가 부착될 수 있다. 이러한 -OH기의 부착은 후술할 중합 반응 개시기의 부착을 위한 선행단계로서, 이후 단계에서 중합 반응 개시기와의 치환 반응을 통해서 제거된다.
-OH기와 중합 반응 개시기와의 치환 반응은, 중합 반응 개시기를 포함하는 물질의 용액 중에 상기 표면에 -OH기가 부착된 소수성 팁을 침지시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 중합 반응 개시기는 자기 조립 (self assembly) 방식에 의해서 소수성 팁의 표면에 고정이 가능한 물질로서, 바람직하게는, 할로겐족 원소를 포함하는 반응기이며, 이에 제한되는 것은 아니지만, -Br기, -I기 또는 -Cl기를 예로 들 수 있다. 여기에서, "자기 조립"이란 소수성 팁 표면의 -OH기와 중합 반응 개시기의 한쪽 말단에 있는 실란기가 만나면 자발적인 반응에 의해서 실란기가 표면에 부착되어 안정화된다는 것을 의미한다.
상기 중합 반응 개시기를 포함하는 물질의 용액은, 브로모프로필트리클로로실란, 클로로프로필트리클로로실란 또는 요오도프로필트리클로로실란 등과 같은 화합물을, 톨루엔, 아세토니트릴 또는 메틸렌클로라이드 등과 같은 용매에 용해시킴으로써 제조될 수 있고, 상기 용액의 농도는 0.5mM~1.5mM인 것이 바람직하다.
이어서, 제조된 용액 중에 표면에 -OH기를 갖는 소수성 팁을 침지시킴으로써 중합 반응 개시기로의 치환 반응이 수행되며, 침지 온도 및 시간은 10℃~50℃ 온도 의 용액 중에 5분~30분 동안 침지시키는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 침지 반응 이후에, 소수성 팁을 무수 톨루엔 등의 용매를 사용하여 수차례 세척하고, 질소 환류 하에서 상기 용매를 제거함으로써 표면이 중합 반응 개시기로 치환된 소수성 팁을 제조할 수 있게 된다.
상기와 같이 중합 반응 개시기가 부착된 소수성 팁의 제조 이후에는, 제조된 소수성 팁 표면의 중합 반응 개시기 말단에서 중합에 의해서 나노기공성 하이드로겔 고분자를 형성하게 될 단량체를 중합시키는 반응을 수행하게 된다.
도 2를 참조하면, 단량체로서 2-메틸-2-옥사졸린 단량체를 사용하여 소수성 팁의 표면에서 중합체를 형성하는 개략적인 반응 공정을 도시하였다. 이러한 단량체의 중합 반응은 양이온 개환 중합반응에 의해서 수행될 수 있다.
양이온 개환 중합반응은, 중합 반응 개시기가 떨어져 나가면서 양전하를 띄는 탄소 원자가 생성된 후, 생성된 양전하성 탄소 원자가 전자가 풍부한 단량체를 공격하고 (도 2에서는 2-메틸-2-옥사졸린의 질소 원자를 공격), 전자 이동에 의한 공명현상에 의해서 인접한 탄소 원자가 다시 양전하성을 나타내게 되면서 개환되고, 이와 같이 생성된 양이온이 다른 단량체와 반복적으로 반응하면서 고분자가 생성되는 중합 반응이다.
구체적으로, 상기 양이온 개환 중합반응은 바이얼 병에 소정량의 단량체를 첨가한 후, 상기 바이얼 병의 뚜껑에 소수성 팁의 말단을 아래로 향하도록 고정한 다음, 뚜껑을 닫고, 70℃~90℃의 온도에서 5~10분간 유지시켜서, 단량체의 증기 증착 반응을 유도함으로써 수행될 수 있다.
도 2에서는 단량체로서 2-메틸-2-옥사졸린을 사용하여 소수성 팁의 표면에 폴리(2-메틸-2-옥사졸린) 중합체를 형성하는 것을 예로 들었으나, 단량체의 종류는 제조하고자 하는 나노기공성 하이드로겔 중합체에 따라서, 2-히드록시에틸메타크릴레이트, 옥시에틸렌, 아크릴아미드, 비닐피롤리돈, N-아세틸에틸렌이민 또는 그 혼합물 등과 같은 다양한 단량체들이 선택될 수 있다.
마지막으로, 상기 중합 반응이 종료된후, 반응 용액의 온도를 서서히 냉각시키고, 나노기공성 하이드로겔 중합체층이 형성된 팁 표면을 수 차례 세척함으로써 본 발명에 따른 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 완성할 수 있게 된다.
상기 세척 과정에 사용가능한 용매로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 아세토니트릴, 에탄올, 메탄올 또는 그 혼합물 등과 같은 다양한 용매들을 예로 들 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 태양에서, 생체물질이 패터닝될 기판의 표면에 상기 생체물질과 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착하는 단계; 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 생체물질을 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계; 및 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 기판 상에서 이동시키며 생체물질을 전사하는 단계를 포함하는 생체물질의 패터닝 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 생체물질의 패터닝 방법은 생체물질이 패터닝될 기판의 표면에 대한 전처리 단계를 필요로 한다. 이는 패터닝될 생체물질과 기판과의 특이적 반응을 통한 화학 결합을 유도하기 위한 것으로서, 패터닝될 기판의 표면에 카르복실기, 아민기 또는 알데히드기 등과 같은 다양한 반응기를 부착시키는 반응일 수 있다.
또한, 패터닝 기판 표면의 재질로는 이에 제한되는 것은 아니지만, 금, 백금, 실리콘 또는 유리 등과 같은 다양한 재질이 선택될 수 있다.
따라서, 예를 들어 도금 기판의 표면에 카르복실기를 부착하고자 하는 경우에는 16-머캅토헥사데칸산 (16-Mercaptohexadecanoic acid; MHA)으로 도금 기판의 표면을 개질하는 반응을 수행할 수 있다.
한편, 도금 기판의 제조는 실리콘 등의 재질로 이루어진 기판 상에 먼저 도금을 용이하게 하기 위한 제1 금속 박막을 3nm~7nm의 두께로, 티타늄 등의 금속을 사용하여 스퍼터링 등의 방식으로 증착하고, 다음으로 형성된 제1 금속 박막층 상에 금 박막을 60nm~80nm의 두께로 스퍼터링 방식 (또는 열증착 방식)으로 증착함으로써 수행될 수 있다.
이어서, 도금 기판을 16-머캅토헥사데칸산을 에탄올 용매에 용해시킨 용액에 침지시키고 상온에서 방치한 다음, 세척 및 건조 과정을 거침으로써 카르복실기가 부착된 도금 기판을 제조할 수 있게 된다. 상기 반응은 16-머캅토헥사데칸산의 -SH기와 귀금속과의 특이반응을 통하여 이루어지게 된다.
기판의 표면 처리 단계 이후에는, 앞서 제조된 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 기판에 전사하고자 하는 생체물질을 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계를 수행한다.
기판에의 전사 대상이 되는 생체물질로는, 예를 들어 DNA, RNA, 항원, 바이러스 및 단백질 등의 다양한 생체물질들이 사용될 수 있고, 이러한 생체물질들을 인산완충염 용액 등에 첨가함으로써 그 생체활성이 유지된 채로 본 발명에 따른 패터닝 방법에 사용될 수 있다.
하이드로겔 고분자 팁을 생체물질 함유 용액 중에 침지시킴에 있어서, 침지 시간은 3~5분 정도 소요될 수 있으며, 침지 이후에는 팁을 용액에서 빼내어 5~10분 정도 방치하여 고분자 팁의 겉표면에 물리적 접촉에 의해서 젖어 있는 물이 마를 수 있는 시간을 부여하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기와 같이 생체물질을 함유하는 나노기공성 고분자 팁을 생체물질의 전사 대상이 되는 기판 상에서 이동시키며 생체물질을 기판으로 전사하게 된다. 생체물질의 전사 과정은 다양한 방식에 의해서 수행될 수 있으며, 그 일예를 들면, 생체물질이 흡수된 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 원자현미경 (Atomic Force Microscope; AFM)의 탐침으로 대체하여, 원자현미경 사용방법과 동일하게 생체물질을 패터닝하고자 하는 기판의 표면에 접근시키고 (접촉 모드 및 태핑 모드 양자 모두 사용가능), 접근이 이루어진 후에는 원하는 위치에 팁을 옮겨가며 단백질을 패터닝하는 등의 방법이 가능하다.
이 경우, 상술한 바와 같이, 종래의 DPN 방식과는 상이하게, 생체물질의 전사는 전사용 팁과 전사 대상이 되는 기판 표면과의 접촉 및 팁의 크기에만 전적으로 의존하므로 (DPN 방식에서, 패터닝되는 물질의 크기는 팁의 고체 기판 표면에 대한 접촉 시간 및 물 메니스커스의 크기에 영향을 주는 상대습도 등에 의존), 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기 및 속도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
실시예 1. 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조
실시예 1-1. 소수성 팁의 표면처리
소수성 팁으로서 이산화규소 (SiO2) 팁을 사용하였으며, 이를 아세톤 및 에탄올로 세척한 후, 상기 이산화규소 팁에 대해서 피라나 (Piranha) 처리 (H2SO4 : H2O2 = 3 : 1의 용액 중에서 15분 동안 침지)를 수행하여 표면에 -OH기를 부착시켰다. 상기 표면처리된 이산화규소 팁의 표면에 중합 반응 개시기를 부착하기 위해서, 톨루엔 10 ml에 브로모프로필트리클로로실란 (Bromopropyltrichlorosilan; SiCl3(CH2)3Br)을 1 mM 농도로 제조한 다음, 표면에 -OH기 처리된 SiO2 팁을 침지시켜 10분간 상온에서 방치하였다. 10분 경과 후, 무수 톨루엔으로 수차례 세척하고, 질소를 불어 톨루엔을 제거하였다. 이러한 실란화 반응을 통하여 표면에 중합 반응 개시기인 -Br이 부착된 소수성 이산화규소 팁을 제조하였다.
실시예 1-2. 소수성 팁 표면에서의 단량체 중합
실시예 1-1에서 제조된 SiO2 팁 표면의 중합 반응 개시기 말단에서 2-메틸-2-옥사졸린 단량체를 양이온 개환 중합시켰다. 이는, 바이얼 병에 단량체 1 mL를 첨가한 후, 바이얼 뚜껑에 SiO2 팁의 끝 부분이 아래를 향하도록 고정시킨 다음, 뚜껑을 닫고, 80℃에서 5~10분간 유지하여 단량체를 증기 증착시킴으로써 수행하였다. 반응이 끝난 후 온도를 상온까지 서서히 냉각시킨 후, 팁 표면을 아세트로니트릴 용매에 수차례 세척함으로써 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 완성하였다.
도 3a 및 3b에는 실시예 1에 따라서 나노기공성 하이드로겔 폴리옥사졸린 고분자가 코팅되기 전후의 모습을 전자 현미경으로 관찰한 사진을 도시하였으며, 도 3a 및 3b를 참조하면, 코팅 전의 소수성 팁 표면과 비교할 때에, 코팅 후의 소수성 팁 표면 상에는 나노기공성 하이드로겔 폴리옥사졸린 고분자가 조밀하게 형성된 것을 알 수 있다.
실시예 2. 생체 물질의 패터닝
실시예 2-1. 패터닝 기판의 표면처리
패터닝 하고자하는 생체물질로서 단백질을 선택하고, 기판으로서 금 기판을 선택하였다. 단백질과 기판과의 특이적 반응을 통한 화학 결합을 유도하기 위해서 금 표면을 16-머캅토헥사데칸산 (16-Mercaptohexadecanoic acid; MHA)으로 개질하여 표면에 카르복실기 (-COOH)기를 부착시켰으며, 이는 하기 과정을 통해서 수행하였다.
실리콘 웨이퍼 위에 5 nm 두께의 티타늄 박막을 스퍼터링 방식으로 증착한 후, 그 위에 다시 70 nm 두께의 금 박막을 스퍼터링 방식 (또는 열증착 방식)으로 증착하였다. 무수 에탄올 10 ml에 16-머캅토헥사데칸산을 1 mM의 농도로 제조한 다음, 금 기판을 침지시켜서 상온에서 10분간 방치하였다. 10분 경과 후, 에탄올로 수차례 세척한 다음, 질소를 불어 건조시켰다. 이러한 반응은 MHA의 -SH기와 귀금속과의 특이반응을 통하여 이루어지며, 결과적으로 금 표면의 말단에 카르복실 (-COOH)기가 형성된다.
실시예 2-2. 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 이용한 단백질의 패터닝
100 ㎕/mL-1의 쥐 면역글로불린 G (rabbit immunoglobulin G; IgG)를 인산 완충염 (Phosphate Buffer Saline, PH 7.3) 용액에 넣어 생체 활성을 유지시켰다. 이어서, 상기 실시예 1에서 제작된 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 용액에 담그고, 3~5분간 쥐 IgG를 팁에 흡수시켰다. 3~5분 경과 후, 다시 팁을 빼서 5분간 방치하여 사용하였다. 단백질이 흡수된 고분자 나노-포러스 팁을 원자현미경 (Atomic Force Microscope; AFM)의 탐침으로 대체하여, 원자현미경 사용방법과 동일하게 생체물질을 패터닝하고자 하는 기판의 표면에 접근시키고 (접촉 모드 및 태핑 모드 양자 모두 사용가능), 접근이 이루어진 후에는 원하는 위치에 팁을 옮겨가며 단백질을 패터닝하였다.
도 4에는 상기 과정을 통하여 제조된 IgG 단백질 어레이에 대한 원자 현미경 이미지를 도시하였다.
본 발명에 따르면, 생체물질을 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 나노기공으로 흡수시킨 후 원자력 현미경의 탐침을 대체하여 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시킴으로써, 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 생체물질의 전사가 전사용 팁과 대상 물질 표면과의 거리에만 의존하므로 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 코팅된 나노기공성 하이드로겔 고분자를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소수성 팁의 재질은 이산화규소 또는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하이드로겔 고분자는, 폴리 2-메틸-2-옥사졸린, 폴리 2-히드록시에틸메타크릴레이트, 폴리옥시에틸렌, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리 N-아세틸에틸렌이민 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노기공의 평균 직경은 20nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁.
  5. 제1항에 있어서, 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자의 코팅 두께는 50nm 내지 5,000nm인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁.
  6. 소수성 팁의 표면을 세척하고, -OH기를 부착하는 단계;
    상기 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계;
    상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 중합 반응을 수행함으로써, 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 하이드로겔 고분자층을 형성하는 단계; 및
    상기 소수성 팁을 세척하는 단계
    를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 -OH기의 부착은 상기 소수성 팁의 표면을, H2SO4 및 H2O2를 3:1의 부피비로 혼합한 용액 중에서 10분~20분 동안 처리함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 중합 반응 개시기는 자기 조립 (self assembly) 방식에 의해서 소수성 팁의 표면에 고정이 가능한 물질인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 중합 반응 개시기는 -Br기, -I기 또는 -Cl기인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 -OH기의 상기 중합 반응 개시기로의 치환은, 상기 중합 반응 개시기를 포함하는 물질의 용액 중에, 상기 -OH기를 갖는 소수성 팁을, 10 ℃~50℃ 온도에서 5분~30분 동안 침지시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 중합 반응은 양이온 개환 중합반응인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 단량체는 2-히드록시에틸메타크릴레이트, 옥시에틸렌, 아크릴아미드, 비닐피롤리돈, N-아세틸에틸렌이민 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 제조방법.
  13. 생체물질이 패터닝될 기판의 표면에 상기 생체물질과 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착하는 단계;
    제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따른 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 생체물질을 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계; 및
    상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 상기 기판 상에서 이동시키며 상기 생체물질을 전사하는 단계
    를 포함하는 생체물질의 패터닝 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반응기는 카르복실기, 아민기 또는 알데히드기인 것을 특징으로 하는 생체물질의 패터닝 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 패터닝될 기판 표면의 재질은, 금, 백금, 실리콘 또는 유리인 것을 특징으로 하는 생체물질의 패터닝 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 생체물질은 DNA, RNA, 항원, 바이러스 및 단백질로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 생체물질의 패터닝 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 생체물질 함유 용액 중에의 침지 시간은 3~5분인 것을 특징으로 하는 생체물질의 패터닝 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 상기 기판 상에서의 이동은, 상기 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁을 원자현미경의 탐침으로 사용하여 상기 기판의 표면에 접근시키고, 이를 이동시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 생체물질의 패터닝 방법.
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