KR100740228B1 - A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips - Google Patents

A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips Download PDF

Info

Publication number
KR100740228B1
KR100740228B1 KR1020050062282A KR20050062282A KR100740228B1 KR 100740228 B1 KR100740228 B1 KR 100740228B1 KR 1020050062282 A KR1020050062282 A KR 1020050062282A KR 20050062282 A KR20050062282 A KR 20050062282A KR 100740228 B1 KR100740228 B1 KR 100740228B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
substrate
nozzle
patterning
solution
Prior art date
Application number
KR1020050062282A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20070007577A (en
Inventor
정효일
김현석
황정호
이대영
박종호
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020050062282A priority Critical patent/KR100740228B1/en
Publication of KR20070007577A publication Critical patent/KR20070007577A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100740228B1 publication Critical patent/KR100740228B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/42Apparatus for the treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions

Abstract

본 발명은 세포고정용 생체물질을 패터닝하는 장치와 방법 및 이러한 방법에 의하여 제조된 세포칩에 관한 것으로, 구체적으로는 전기-수력학적 프린팅 방법(electrostatic hydrodynamic printing method)을 이용하여 동물 세포 고정용 콜라겐(collagen)과 같은 생체고분자 물질을 정밀하게 패터닝하는 장치 및 방법과 이러한 방법에 의하여 제조된 세포칩(cell chip)에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for patterning cell-fixing biomaterials, and a cell chip manufactured by the method. Specifically, collagen for fixing animal cells using an electrostatic hydrodynamic printing method An apparatus and method for precisely patterning a biopolymer material such as (collagen) and a cell chip manufactured by the method.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 기판상에 세포고정용 생체물질을 패터닝하는 방법으로서, 상기 세포고정용 생체물질이 포함된 용액이 일정한 수력학적 압력으로 분무되는 노즐과, 상기 노즐과 대응되는 위치로서 소정거리 이격된 거리에 설치되는 핀형상의 접지전극를 제공하는 단계; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 상기 기판을 위치시키는 단계; 상기 노즐로부터 상기 용액이 분무될 때 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 변환시키는 단계; 및 상기 변환된 분무형태로 분무되는 동안, 상기 기판을 미리 설정된 패턴형상으로 이동시키면서 상기 용액을 기판에 부착시키는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, a method for patterning a cell-fixing biomaterial on a substrate, comprising a nozzle that sprays a solution containing the cell-fixing biomaterial at a constant hydraulic pressure, and a position corresponding to the nozzle Providing a pin-shaped ground electrode installed at a distance spaced from a predetermined distance; Positioning the substrate between the nozzle and the ground electrode; Converting the spray form by applying a voltage between the nozzle and the ground electrode when the solution is sprayed from the nozzle; And attaching the solution to the substrate while moving the substrate in a predetermined pattern shape while being sprayed in the converted spray form.

세포고정용 생체물질, 콜라겐, 전기-수력학적 분무방법, 세포칩 Biomaterial for cell fixation, collagen, electro-hydraulic spraying method, cell chip

Description

세포고정용 생체물질을 패터닝하는 장치와 방법 및 이러한 방법에 의하여 제조된 세포칩{A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips}A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips}

도 1은 전위차 또는 전기장 하에서 유량의 변화에 의해 발생하는 여러가지 분무모드를 나타내고,1 shows various spray modes generated by a change in flow rate under a potential difference or an electric field,

도 2 및 도 3은 전기-수력학적 분무방식과 잉크젯 분사방식을 비교하기 위한 설명도를 나타내고,2 and 3 show explanatory diagrams for comparing the electro-hydraulic spray method and the inkjet injection method,

도 4는 본 발명에 따른 기판에서의 미세 세포 패터닝을 위한 전기-수력학적 분무 장치를 나타내며,4 shows an electro-hydraulic spraying device for fine cell patterning on a substrate according to the invention,

도 5는 패터닝용 기판에 대하여 패터닝 과정을 설명하기 위한 설명도를 나타내며,5 is an explanatory diagram for explaining a patterning process with respect to a patterning substrate,

도 6은 본 발명에 의한 다양한 모드의 전기-수력학적 분무 방식에 의하여 패터닝된 콜라겐 용액의 사진을 나타내며,Figure 6 shows a photograph of the collagen solution patterned by various modes of electro-hydraulic spraying method according to the present invention,

도 7은 본 발명에 의한 전기-수력학적 분무 방식에 의하여 패터닝된 콜라겐 패턴을 염색 처리한 후 촬영한 사진을 나타내며,Figure 7 shows a photograph taken after staining the collagen patterned by the electro-hydraulic spray method according to the present invention,

도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 전기-수력학적 분무 방식에 의하여 패터닝된 콜라겐 상에서 배양된 HeLa 세포에 대한 사진을 나타냄. 8 and 9 show photographs of HeLa cells cultured on collagen patterned by the electro-hydraulic spray method according to the present invention.

본 발명은 세포고정용 생체물질을 패터닝하는 장치와 방법 및 이러한 방법에 의하여 제조된 세포칩에 관한 것으로, 구체적으로는 전기-수력학적 프린팅 방법(electrostatic hydrodynamic printing method)을 이용하여 동물 세포 고정용 콜라겐(collagen)과 같은 생체고분자 물질을 정밀하게 패터닝하는 장치 및 방법과 이러한 방법에 의하여 제조된 세포칩(cell chip)에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for patterning cell-fixing biomaterials, and a cell chip manufactured by the method. Specifically, collagen for fixing animal cells using an electrostatic hydrodynamic printing method An apparatus and method for precisely patterning a biopolymer material such as (collagen) and a cell chip manufactured by the method.

최근 세포 생물학, 조직공학, 바이오-멤스(Bio-MEMS), 바이오센서(Biosensor)의 연구가 활발히 진행됨에 따라 단일 세포 또는 세포군의 생리활성에 관한 연구가 중요시 되고 있다. 조직 배양용 동물세포의 성장조절 및 배양의 정밀한 조작을 위해서는 세포 패터닝(Cell Patterning)기술이 요구된다. 특히 조직배양용 생체물질로 많이 사용되는 콜라겐 패터닝 기법(Collagen Patterning Technique)은 세포 생물학, 조직공학 등에 응용하여 나노 바이오 산업에 이바지할 수 있는 획기적인 기술이다. Recently, as the researches of cell biology, tissue engineering, bio-MEMS, and biosensor have been actively conducted, studies on the physiological activity of single cells or cell populations have become important. Cell patterning technology is required for growth control and precise manipulation of culture of animal cells for tissue culture. In particular, the collagen patterning technique, which is widely used as a biomaterial for tissue culture, is an innovative technology that can contribute to the nano bio industry by applying to cell biology and tissue engineering.

이러한 젤라틴, 콜라겐, poly-L-lysine 등과 같은 생체고분자 물질들에 대하여, 세포 패터닝(Cell Patterning)을 이용하여 단순히 평면적으로 자라는 세포들을 우리가 원하는 개체 수와 원하는 형태로 세포를 조절 배양할 수 있고 생리적으로 중요한 세포군을 특이적으로 배열할 수 있다. For biopolymers such as gelatin, collagen, poly-L-lysine, etc., by using cell patterning, cells that grow flat simply can be controlled and cultured to the desired population and desired form. Physiologically important cell populations can be specifically arranged.

지금까지 연구된 대표적인 세포 패터닝(Cell Patterning) 방법들로는 마스크(Mask)를 이용한 고전적인 소프트리소그래피(Softlithography)법과 포토리소그래픽 프로테인 패터닝(Photolithographic Protein Patterning)법, 레이저를 이용한 레이저지향 세포 라이팅(Laser-directed Cell Writing)법, AFM을 이용한 딥-펜 나노리소그래피(Dip-pen Nanolithography)법과 잉크젯(Inkjet) 분사방법을 이용한 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing) 기법[E.A. Roth, T. Xu, M. Das, C. Gregory, J.J. Hickman, T. Boland., “Inkjet printing for high-throughput cell patterning” Biomaterials, pp. 3707-3715, 2004], 및 MEMS 공정을 이용한 패턴 기법[강현재 외 4, “단일 세포 매니퓰레이션을 위한 세포 고정용 젤라틴 패턴화된 유리 기판 제작”, 제6회 한국 MEMS 학술대회 초록집 pp. 225-229, 2004; 최요한, 이승섭, “표면 처리에 의한 세포 증식 패턴의 조절”, 제6회 한국 MEMS 학술대회 초록집 pp. 367-371, 2004] 등을 들 수 있다. Representative cell patterning methods studied so far include classical softlithography using a mask, photolithographic protein patterning, and laser-directed cell writing using a laser. Inkjet Printing Technique Using Cell Writing, Dip-pen Nanolithography Using AFM, and Inkjet Spraying Method [EA Roth, T. Xu, M. Das, C. Gregory, J.J. Hickman, T. Boland., “Inkjet printing for high-throughput cell patterning” Biomaterials, pp. 3707-3715, 2004], and Pattern Techniques Using MEMS Processes [Kang, Hyun et al. 4, “Manufacturing gelatin-patterned glass substrates for cell fixation for single cell manipulation”, 6th Korea MEMS Conference Abstract pp. 225-229, 2004; Choi, Yo-Han, Seung-Seop Lee, “Control of Cell Proliferation Patterns by Surface Treatment”, 6th MEMS Conference 367-371, 2004].

본 발명은 전기-수력학적 분무 기법을 이용하여 세포 고정용 생체고분자를 1차적으로 패터닝하고 궁극적으로는 세포배양을 통해 세포 패터닝(Cell Patterning)하는 기술이다. 여기서 전기-수력학적 분무기법은, 후술되겠지만, 정전기적 전하충전을 이용하여 매우 미세한 액적을 분사할 수 있는 방법을 말한다.The present invention is a technique of primarily patterning cell polymers for cell fixation using electro-hydraulic spraying techniques and ultimately cell patterning through cell culture. Here, the electro-hydraulic nebulization technique, as will be described later, refers to a method capable of spraying very fine droplets using electrostatic charge charging.

본 발명에서 채택하고 있는 전기-수력학적 분무기법에 의하면 기존의 패터닝 방법들과 비교했을 때, 수 마이크로미터 또는 수백 나노미터의 정확도로 글라스 기 판(glass plate)상에 수용액의 분사가 가능하므로, 더욱 정교하고 미세한 세포 패터닝(Cell Patterning)이 가능하도록 하는 것을 그 목적으로 한다. According to the electro-hydraulic spraying method adopted in the present invention, since it is possible to spray an aqueous solution on a glass plate with an accuracy of several micrometers or hundreds of nanometers, compared with conventional patterning methods, The aim is to enable more sophisticated and finer cell patterning.

또한 본 발명에 의한 전기-수력학적 분무기법에 의하여, 마스크를 이용한 복잡한 리소그래피공정이나 고가의 장비를 이용하는 AFM 방법들과 같은 종래기술과 비교하여 더 쉬운 방법으로 세포 패터닝(Cell Patterning)이 가능하며 다양한 바이오물질들을 빠르고 저렴하게 패터닝 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. In addition, by the electro-hydraulic nebulization method according to the present invention, cell patterning is possible in an easier manner compared with the conventional art such as a complicated lithography process using a mask or AFM methods using expensive equipment. It aims to be able to pattern biomaterials quickly and inexpensively.

또한 본 발명에 의한 전기-수력학적 분무기법을 이용한 세포 패터닝(Cell Patterning) 방법으로 한정된 기판 공간내에 단일세포 배양 및 세포군 동시배양이 가능하도록 함으로써 신약개발 및 기초 연구에 따르는 비용과 그에 수반되는 재료비를 감소시키는 것을 목적으로 한다. In addition, the cell patterning method using the electro-hydraulic spraying method according to the present invention enables single cell culture and cell co-culture in a limited substrate space, thereby reducing the costs associated with drug development and basic research and the accompanying material costs. It is aimed at reducing.

아울러, 본 발명에 의한 전기-수력학적 분무기법을 이용한 세포 패터닝(Cell Patterning)방법에 의하여, 근래 나노바이오기술의 연구 분야와 관련되어 미세한 세포 패터닝(Cell Patterning)을 이용하여 더 작고 정밀한 세포 칩(cell chip) 생산이 가능하도록 하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, by the cell patterning method using the electro-hydraulic nebulization method according to the present invention, in recent years in connection with the field of research of nanobiotechnology, smaller and more precise cell chips using fine cell patterning (Cell Patterning) ( The purpose is to enable the production (cell chip).

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 기판상에 세포고정용 생체물질을 패터닝하는 방법으로서, 상기 세포고정용 생체물질이 포함된 용액이 일정한 수력학적 압력으로 분무되는 노즐과, 상기 노즐과 대응되는 위치로서 소정거리 이격된 거리에 설치되는 핀형상의 접지전극를 제공하는 단계; 상기 노즐과 상기 접지전극 사 이에 상기 기판을 위치시키는 단계; 상기 노즐로부터 상기 용액이 분무될 때 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 변환시키는 단계; 및 상기 변환된 분무형태로 분무되는 동안, 상기 기판을 미리 설정된 패턴형상으로 이동시키면서 상기 용액을 기판에 부착시키는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for patterning a cell-fixing biomaterial on a substrate, comprising: a nozzle in which a solution containing the cell-fixing biomaterial is sprayed at a constant hydraulic pressure, and corresponding to the nozzle Providing a pin-shaped ground electrode installed at a distance spaced a predetermined distance as a position to be formed; Positioning the substrate between the nozzle and the ground electrode; Converting the spray form by applying a voltage between the nozzle and the ground electrode when the solution is sprayed from the nozzle; And attaching the solution to the substrate while moving the substrate in a predetermined pattern shape while being sprayed in the converted spray form.

또한, 상기 전압을 인가하여 분무형태를 변환시키는 단계는, 상기 분무형태를 원뿔형 액주모드로 변환시키는 것을 특징으로 한다. In addition, the step of converting the spray form by applying the voltage, characterized in that for converting the spray form in the conical liquid injection mode.

또한, 상기 패터닝 방법에 있어서, 상기 세포고정용 생체물질로서 콜라겐(collagen)을 제공하는 것을 특징으로 한다. In addition, the patterning method, characterized in that to provide collagen (collagen) as the cell-fixing biomaterials.

또한, 상기 패터닝 방법에 있어서, 상기 기판은, 한천배지(agarose) 용액으로 기판 표면을 코팅하고 상온에서 소정시간 동안 건조시킨 후 자외선으로 살균시키는 과정을 거친 것을 특징으로 한다. In addition, in the patterning method, the substrate is coated with agar medium (agarose) solution, characterized in that the surface of the substrate and dried for a predetermined time at room temperature and then sterilized with ultraviolet rays.

아울러, 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 기판상에 세포고정용 생체물질을 패터닝하는 패터닝 장치로서, 상기 세포고정용 생체물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐; 상기 노즐과 대응되는 위치로서 소정거리 이격된 거리에 설치되는 핀형상의 접지전극; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 상기 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 분무형태를 변환시키고, 상기 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 용액을 상기 기판에 부착시키기 위한 전원공급장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the present invention provides a patterning device for patterning a cell-fixing biomaterial on a substrate, in order to achieve the above object, a nozzle for spraying a solution containing the cell-fixing biomaterial at a constant hydraulic pressure; A pin-shaped ground electrode installed at a distance spaced a predetermined distance as a position corresponding to the nozzle; A stage positioned between the nozzle and the ground electrode to move the substrate while holding the substrate; And a power supply device for converting the spray form by applying a voltage between the nozzle and the ground electrode, and attaching the solution to the substrate according to a pattern shape preset in the converted spray form. .

한편, 상기 변환된 분무형태는 원뿔형 액주모드인 것을 특징으로 한다. On the other hand, the converted spray form is characterized in that the conical liquid injection mode.

또한, 상기 세포고정용 생체물질은 콜라겐(collagen)인 것을 특징으로 한다.In addition, the cell-fixing biomaterial is characterized in that the collagen (collagen).

또한, 상기 기판은 한천배지(agarose) 용액으로 그 표면이 코팅된 것을 특징으로 한다. In addition, the substrate is characterized in that the surface is coated with agar medium (agarose) solution.

한편, 본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 세포 칩으로서 상술된 패터닝 방법에 의하여 패터닝된 기판에서 상기 패터닝된 세포고정용 생체물질 상에 소정의 세포를 배양하여 형성된 것을 특징으로 한다. On the other hand, the present invention is characterized in that the cell chip is formed by culturing predetermined cells on the patterned cell-fixing biomaterial on the patterned substrate by the patterning method described above as a cell chip.

이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a more clear description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.

먼저, 전기-수력학적 분무방법에 의한 생체물질의 부착 및 세포배양에 대한 상세한 설명에 앞서, 본 발명에서 채택하고 있는 전기-수력학적 분무 원리에 대하여 기존의 잉크젯 분사방법과 비교하여 설명한다. First, the electro-hydraulic spraying principle employed in the present invention will be described in comparison with the conventional inkjet spraying method, prior to the detailed description of the adhesion and cell culture of the biomaterial by the electro-hydraulic spraying method.

전기-수력학적 분무는 기존의 분무 방식에 비해 미세한 액적의 분무가 가능하고 단분산으로 이루어진 입자 분무가 가능하며 표면 부착성이 우수한 분무 방식이다. 전기-수력학적 분무 방식은 고전압을 전도성 모세관에 인가하여 대상 유체가 접지쪽으로 분무되는 일련의 과정을 의미한다. 즉 전기-수력학적 분무란 액체의 전도성을 이용하여 단극성 대전 액체를 만들고 전위차에 의해 형성된 전기장에 의해 분무되는 원리이다. Electro-hydraulic spraying is a spraying method capable of spraying fine droplets, spraying particles composed of monodispersed particles, and having excellent surface adhesion compared to conventional spraying methods. Electro-hydraulic spraying refers to a series of processes in which a high voltage is applied to a conductive capillary to spray a target fluid toward ground. In other words, electro-hydraulic spraying is a principle of making unipolar charged liquid using the conductivity of a liquid and spraying by an electric field formed by a potential difference.

도 1은 전위차 또는 전기장 하에서 유량의 변화에 의해 발생하는 여러가지 모드를 나타낸다. 전기장이 없는 경우(상태 ①) 노즐 출구의 궤면적에서는 정수력학적인 압력과 모세 압력의 평형이 형성되지만 전기장이 있는 경우(상태 ②)는 궤면상의 표면 전하에 의한 정전기적 압력이 추가되며 일반적인 적하모드에 의해 발생되는 액적의 크기보다 작은 액적이 발생하게 된다. 이러한 궤면 상의 안정된 압력 평형 상태를 지나 궤면 상의 전위가 임계전위 이상으로 커지게 되면 축 상에서 액주의 형태로 유체기둥이 분출되며 이 유체는 대전되어 있으므로 분출된 만큼에 해당하는 전하의 손실을 보상하기 위해서 전도 전류가 흐르게 된다. 이때 상태 ③은 상당히 안정된 상태로 원뿔형 액주 모드(cone-jet mode)라 불리며 다른 모드에 비해 액적의 크기 분포가 단분산(monodisperse)에 가까운 분무를 한다. 상태 ④는 불안정 원뿔형 액주 모드로 외부 전기장 또는 공급 유량의 불안정성으로 발생하게 된다. 상태 ⑤는 매우 높은 전압 상태에서 발생하는 모드로 노즐 부근에서 원뿔형태가 없어지고 분무 물질이 여러 개의 제트 상태로 나누어져 분무되며 액적에 가해지는 큰 자기장으로 인한 대전현상으로 액적 표면에 몰렸던 전하들간의 강한 쿨롱 반발력으로 인하여 액체가 미립화되는 스프레이 모드가 발생하게 된다.1 illustrates various modes caused by changes in flow rate under a potential difference or an electric field. In the absence of an electric field (state ①), the hydrostatic area of the nozzle outlet creates an equilibrium of hydrostatic pressure and capillary pressure, but in the presence of an electric field (state ②), electrostatic pressure from the surface charge on the surface is added and a general drop is achieved. Droplets smaller than the size of the droplets generated by the mode are generated. When the potential on the surface increases beyond the critical potential after the stable pressure equilibrium on the surface, a column of fluid is ejected in the form of a liquid column on the shaft, and since the fluid is charged, to compensate for the loss of charge corresponding to the amount of ejected Conducting current flows. At this time, state ③ is called a cone-jet mode in a fairly stable state, and compared with other modes, the droplet size distribution is sprayed closer to monodisperse. State ④ is an unstable conical liquid column mode, which is caused by the instability of the external electric field or the supply flow rate. State ⑤ is a mode that occurs in a very high voltage state, the conical shape disappears near the nozzle, the spray material is divided into several jet state and sprayed, and the charge caused by the large magnetic field applied to the droplet The strong coulomb repulsion results in a spray mode in which the liquid is atomized.

즉, 전기-수력학적 분무에 있어서는 인가되는 전압의 크기에 따라 분무되는 형태가 변화되어, 적하모드, 마이크로 적하모드, 원뿔형 액주모드, 불안정 액주모드, 스프레이모드 등과 같은 일련의 분무모드를 제어할 수 있게 된다. 이러한 분무모드는 그 용도에 따라 다양하게 응용이 가능하게 된다. That is, in the electro-hydraulic spraying, the spraying pattern is changed according to the magnitude of the applied voltage, so that a series of spraying modes such as dropping mode, micro dropping mode, conical liquid pouring mode, unstable liquid pouring mode, and spray mode can be controlled. Will be. This spray mode can be variously applied depending on the application.

이러한 전기-수력학적 분무의 원리에서 알 수 있듯이, 잉크젯 분사에 비하여 전기-수력학적 분무방식은, 기본적으로 전압의 제어 및 접지형상의 변화에 따라 다양한 형태의 단분산 입자를 생성시키는 분무형태를 얻을 수 있으며, 특히 원뿔형 액주모드를 이용할 경우 미세하면서도 단락없이 원하는 위치에 소정의 형상 패터닝이 가능한 장점이 있다. As can be seen from the principle of the electro-hydraulic spraying, the electro-hydraulic spraying method, compared with the inkjet spraying, basically obtains a spraying form that produces various types of monodisperse particles according to the voltage control and the change of the ground shape. In particular, in the case of using the conical liquid injection mode, there is an advantage in that a predetermined shape can be patterned at a desired position without a short circuit.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 전기-수력학적 분무방식은 미세 패터닝 가능측면에서 잉크젯 분사보다 유리하다. 즉, 기존의 잉크젯 분사의 경우 도 2 (a)에서 확인되는 바와 같이 노즐의 크기가 발생되는 액적의 크기에 미치는 영향이 절대적이며 발생되는 액적의 크기는 노즐 크기의 약 2배 정도(d=1.89D0; d는 액적직경이며, D0는 노즐직경을 의미함)로 형성된다. 따라서 미세한 액적을 분무하기 위해서는 노즐의 크기가 그만큼 작아져야 하므로, 고도의 정밀 가공을 요구할 뿐만 아니라, 불용성 입자를 분무해야 할 경우에는 노즐 출구에서 노즐막힘 현상이 발생할 수 있어 노즐 크기를 줄이는 것에 한계가 존재한다. 결국 발생되는 액적의 크기를 줄이는데 한계가 존재한다. 이에 비해, 전기-수력학적 분무방식은 도 2 (b)에서 확인되는 바와 같이 전기적인 힘을 추가로 이용하기 때문에 상대적으로 큰 입경의 노즐을 이용해 더욱더 미세한 액적을 얻을 수 있으며 균일한 크기의 액적을 얻을 수 있다. 또한 도 2 (b)에서 확인되는 바와 같이 원뿔형 액주모드의 경우 발생되는 액적의 크기는 노즐의 크기에 의해 좌우되기 보다 액주의 직경(Dj)에 따라 좌우되며 이 액주의 직경은 분무되는 물질의 전기전도도(K)와 유량(Q)에 따라 변하므로 물질의 물성치와 유량 조절을 통해 액주의 직경을 줄일 수 있다. 즉, 노즐 출구의 크기에는 무관하게 액주의 크기를 제어할 수 있으므로, 미세가공의 필요성이나 노즐출구의 막힘현상 없이 미세한 크기의 액주를 형성하여 패터닝할 수 있게 된다. First, as shown in FIG. 2, electro-hydraulic spraying is advantageous over inkjet spraying in terms of fine patterning. That is, in the case of the conventional inkjet spraying, as shown in FIG. 2 (a), the nozzle size has an influence on the size of the generated droplets, and the generated droplet size is about twice the size of the nozzle (d = 1.89 D 0 ; d is the droplet diameter, D 0 means the nozzle diameter). Therefore, in order to spray fine droplets, the size of the nozzle must be so small. Therefore, not only high precision processing is required, but also when spraying insoluble particles, nozzle clogging may occur at the nozzle outlet. exist. There is a limit to reducing the size of the resulting droplets. In contrast, the electro-hydraulic spraying method uses an additional electric force, as shown in FIG. 2 (b), so that finer droplets can be obtained by using a nozzle having a relatively large particle size, and a uniform droplet size can be obtained. You can get it. In addition, as shown in FIG. 2 (b), the size of the droplets generated in the conical liquid column mode depends on the diameter of the liquid column (D j ) rather than the size of the nozzle. Since it changes according to the electrical conductivity (K) and the flow rate (Q), it is possible to reduce the diameter of the liquid column by adjusting the material properties and flow rate. That is, since the size of the liquid column can be controlled irrespective of the size of the nozzle outlet, it is possible to form and pattern a liquid column having a fine size without the necessity of micromachining or clogging of the nozzle outlet.

다음, 도 3에 도시된 바와 같이 전기-수력학적 분무방식은 패터닝 라인의 추종성 즉 '단선과 단락 방지 측면'과, 원하는 위치로의 부착 즉 '위치오차 방지 측면'에서 잉크젯 분사보다 유리하다. 도 3 (a)에 도시된 잉크젯 분사의 경우 작은 크기의 노즐에서 작은 액적을 발생시키더라도 발생된 액적들은 브라운 운동(Brownian motion) 등에 의한 영향으로 원하는 위치에 정확하게 부착되지 못하는 위치 오차가 발생하게 된다. 즉, 서브 마이크론 이하의 액적을 적하모드(drop-by-drop mode)로 분사할 경우 브라운 운동 등에 의하여 일단 액적의 분무궤도 중심축으로부터 벗어난 액적들은 원래의 중심위치로 다시 돌아올 수 없어 위치오차가 발생될 수 밖에 없다. 이에 비하여 도 3 (b)에 도시된 전기-수력학적 분무에 있어서의 인택트 젯(intact jet)의 경우, 액적들이 연결되어 있는 액주형태이기 때문에액주가 외부 힘의 영향으로 인해 중심축으로부터 벗어나도 액주자체가 가지고 있는 표면 장력에 의해 중심축을 따라 정렬하려는 경향을 가지게 되어 필라멘트의 변형이 방지될 수 있어, 원하는 위치에 정확하게 젯이 도달할 수 있게 된다. Next, as shown in FIG. 3, the electro-hydraulic spraying method is advantageous over inkjet spraying in terms of the followability of the patterning line, that is, the 'break and short circuit prevention side', and the attachment to a desired position, that is, the 'position error prevention side'. In the case of inkjet injection shown in FIG. 3 (a), even if small droplets are generated in a small nozzle, the generated droplets may not be accurately attached to a desired position due to Brownian motion. . That is, when spraying sub-micron droplets in the drop-by-drop mode, droplets that have once escaped from the central axis of the spray trajectory of the droplets cannot be returned to their original center positions due to the Brownian motion. It must be. On the other hand, in the case of the intact jet in the electro-hydraulic spray shown in FIG. 3 (b), since the liquid column is in the form of a liquid column to which the droplets are connected, the liquid column may be deviated from the central axis due to the influence of external force. The tendency to align along the central axis by the surface tension of the column itself can be prevented from deformation of the filament, so that the jet can accurately reach the desired position.

미세 세포 패터닝(cell patterning)을 위한 전기-수력학적 분무 장치Electro-hydraulic nebulizer for fine cell patterning

도 4은 본 발명에 따른 기판에서의 미세 세포 패터닝을 위한 전기-수력학적 분무 장치를 나타낸다. 4 shows an electro-hydraulic spraying device for fine cell patterning on a substrate according to the present invention.

본 장치는, 노즐(11)과, 상기 노즐(11)로 일정한 유량의 액체를 공급하기 위한 액체공급부(1), 노즐(11)에 소정의 전압을 공급하여 원하는 전기-수력학적 분무 모드를 구현시키는 전압공급부(2), 기판(5)을 유지하면서 입력된 형상대로 회로를 패터닝하기 위하여 기판(5)을 이동시키는 정밀이동 스테이지부(3), 및 정밀이동 스테이지부의 위치 및 이동속도를 제어하기 위한 제어부(4)로 구성된다. The device implements a desired electro-hydraulic spray mode by supplying a nozzle 11, a liquid supply unit 1 for supplying a constant flow rate of liquid to the nozzle 11, and a predetermined voltage to the nozzle 11. To control the position and the moving speed of the voltage supply unit 2, the precision movement stage unit 3 for moving the substrate 5 to pattern the circuit in the input shape while maintaining the substrate 5, and the precision movement stage unit. It consists of a control unit 4 for.

상기 전기-수력학적 분무 장치는, 클래스 100(0.5mm 기준)의 청정공간(cleanbooth)의 환경내에 배치된다. 한편, 상기 구성에 의한 전기-수력학적 분무 과정은 고배율렌즈(Hirox, 최대 600배)가 장착된 CCD 카메라로 모니터링 하였으며, 각각의 분무영상은 컴퓨터에 실시간으로 저장된다.The electro-hydraulic spraying device is placed in a cleanbooth environment of class 100 (0.5 mm standard). On the other hand, the electro-hydraulic spraying process according to the configuration was monitored by a CCD camera equipped with a high magnification lens (Hirox, up to 600 times), each spray image is stored in a computer in real time.

먼저, 액체공급부(1)는, 분무하고자 하는 등으로 이루어진 물질을 0.1㎕/min까지의 유량으로 자유롭게 조절할 수 있는 실린지 펌프(12; kds-100, KD Scientific Inc.)와, 상기 실린지 펌프(12)로부터 공급되며 이러한 물질이 포함된 액체를 기판상으로 분무하는 노즐(11) 및 상기 노즐(11)과 상기 기판을 게재한 상태에서 서로 대향하는 위치에 설치되는 접지핀(13)으로 이루어진다. 상기 노즐 (11)은 전기-수력학적 분무를 위한 도전성 물질로 이루어진 노즐로서, 내경이 0.14 mm, 외경이 0.32 mm 스테인레스 재질로 형성되고, 접지핀(13)은 상기 노즐과 같은 형상 및 크기로 상기 노즐의 위치로부터 2.7 mm 아래 노즐 고정 스테이지(미도시)를 이용해 고정시켰다. First, the liquid supply unit 1, the syringe pump (12; kds-100, KD Scientific Inc.) that can be freely adjusted to the flow rate of the material to be sprayed up to 0.1 μl / min and the syringe pump (12) and a nozzle (11) for spraying a liquid containing such a substance onto a substrate and a ground pin (13) installed at a position opposite to each other in a state where the nozzle (11) and the substrate are placed. . The nozzle 11 is a nozzle made of a conductive material for electro-hydraulic spraying. The nozzle 11 is formed of a stainless material having an inner diameter of 0.14 mm and an outer diameter of 0.32 mm, and the ground pin 13 has the same shape and size as that of the nozzle. It was fixed using a nozzle fixing stage (not shown) 2.7 mm below the position of the nozzle.

전압공급부(2)는, 노즐(11)과 접지핀(13)을 포함하는 전극 및 상기 전극에 전압을 인가하는 전원공급장치(21)를 포함한다. 접지전극으로서 상술한 바와 같이 노즐(11)과 같은 형상 및 크기로 된 상기 접지핀(13)이 사용되었다. 즉, 접지전극의 형상은 결국 핀-대-핀(pin-to-pin) 전극타입이 된다. 이러한 핀-대-핀 전극타입은 특히 원뿔형 액주모드에서의 액주가 액적으로 분열되지 않고 액주 자체로서 기판에 부착될 수 있는, 즉 인택트 젯(intact jet)을 이용할 수 있는 최적의 전극 타입이 된다. 상기 노즐(11)과 접지전극인 접지핀(13)은 15 kV 이상의 전압을 공급할 수 있는 전원공급장치(21)와 연결된다. The voltage supply unit 2 includes an electrode including a nozzle 11 and a ground pin 13 and a power supply 21 for applying a voltage to the electrode. As the ground electrode, the ground pin 13 having the same shape and size as the nozzle 11 was used as described above. That is, the shape of the ground electrode eventually becomes a pin-to-pin electrode type. This pin-to-pin electrode type is an optimal electrode type that can be attached to the substrate as the liquid column itself, in particular, in the conical liquid column mode without splitting the droplet into droplets, that is, using an intact jet. . The nozzle 11 and the ground pin 13, which is a ground electrode, are connected to a power supply 21 capable of supplying a voltage of 15 kV or more.

정밀이동 스테이지부(3)는 제어부(4)의 명령에 따라 소정물질을 패터닝시키기 위한 구성으로서, 이러한 정밀이동 스테이지부(3)는 리니어 모터(미도시)와 x-y 두 축의 스테이지(미도시)로 구성되어 있다. 상기 스테이지는 노즐(11)과 접지핀(13) 사이에서 이동될 수 있도록 위치되며, 리니어 모터와 스테이지는 최대 100 mm로 이동이 가능하며 이동 중에 발생하는 반복 이동 오차는 5 ㎛ 이하이다.The precision movement stage unit 3 is a configuration for patterning a predetermined material according to the command of the control unit 4, and the precision movement stage unit 3 is a linear motor (not shown) and a stage (not shown) of two axes xy. Consists of. The stage is positioned so as to be movable between the nozzle 11 and the ground pin 13, the linear motor and the stage can be moved up to 100 mm, and the repetitive movement error occurring during the movement is 5 m or less.

제어부(4)는 정밀이동 스테이지부(3)를 원하는 위치에 이동시키고 속도를 제어할 수 있는 장치로서, 일반적으로 pc의 CPU가 이에 해당될 수 있다. The control unit 4 is a device capable of moving the precision moving stage unit 3 to a desired position and controlling the speed. Generally, the CPU of the pc may correspond to this.

생체 고분자물질 패터닝용 기판Substrates for patterning biopolymers

본 발명에 있어서 패터닝용 기판(5)으로 관찰이 용이하도록 투명한 기판인 유리 커버 슬립 등이 사용될 수 있다. 한편, 상기 기판은, 불순물이 적고 친수성 상태의 기판을 얻기 위하여, 일예로서 과산화수소와 황산을 소정 비율로 섞은 피라나 용액(Piranha solution)을 약간 가열한 상태에서 세척되는 것이 바람직하다. 이 방법은 유리 표면을 매우 깨끗하고 친수성의 상태로 만들어주어, 콜라겐 등과 같은 생체물질로 표면처리를 용이하게 한다. In the present invention, a glass cover slip or the like, which is a transparent substrate, may be used as the patterning substrate 5 for easy observation. On the other hand, in order to obtain a substrate in a hydrophilic state with little impurities, it is preferable that the substrate is washed with a slightly heated Piranha solution in which hydrogen peroxide and sulfuric acid are mixed at a predetermined ratio. This method makes the glass surface very clean and hydrophilic, facilitating surface treatment with biomaterials such as collagen.

도 5는 패터닝용 기판에 대하여 패터닝 과정을 도시한 것으로, 일반적으로 기판의 표면은 세포의 특이적 정착을 위해 세포-친화적 특성과 세포-비친화적 특성의 높은 대조적 특성을 갖을 것이 요구된다.FIG. 5 illustrates a patterning process for a substrate for patterning. In general, the surface of the substrate is required to have a high contrast characteristic of cell-friendly and cell-incompatible properties for specific fixation of cells.

패터닝 용액Patterning solution

전기-수력학적 분무 방식에 의하여 패터닝될 세포-친화적 물질로서 콜라겐과 젤라틴, 또는 콜라겐과 글리세린 등의 혼합용액에 염화나트륨 물질이 첨가되어 사용될 수 있으며, 상기 패터닝된 영역을 제외한 부분의 기판에는 백그라운드(background)로 사용된 세포-비친화적 물질로서 한천배지(agaros)가 코팅된다. 물질에 포함된 염화 나트륨은 액체의 전도성을 조절하는 물질이다. 전기-수력학 분무 방식은 액체의 전도성을 이용하여 단극성 대전 액체를 만들고 전위차에 의해 형성된 전기장에 의해 물질이 분무되는 것이므로 액체의 전도성은 매우 중요하다.As a cell-friendly material to be patterned by an electro-hydraulic spray method, sodium chloride may be added to a mixed solution such as collagen and gelatin, or collagen and glycerin, and the background of the substrate except for the patterned region may be used as a background (background). Agar media are coated as cell-incompatible materials used as). Sodium chloride in the material is a material that controls the conductivity of the liquid. The electro-hydraulic spray method uses the conductivity of the liquid to make the monopolar charged liquid and the material is sprayed by the electric field formed by the potential difference, so the conductivity of the liquid is very important.

콜라겐은 모든 생물체의 몸을 구성하는 단백질로써 가장 흔히 사용되며, 또 한 세포친화적이며, 셀 리셉터(cell receptor)에 의해 쉽게 인식되며, 따라서 세포의 부착력을 좋게하는 특성을 갖는다. Collagen is most commonly used as a protein constituting the body of all living organisms, and is also cell-friendly, easily recognized by cell receptors, and thus has the property of improving cell adhesion.

상술한 바와 같이, 기판은 이미 세포-비친화적 특성을 지닌 한천배지에 의해 코팅되어 있기 때문에 세포-친화적 물질인 콜라겐을 패터닝 용액으로 사용할 경우 강한 대비효과를 제공하여 세포 제어를 할 수 있게 된다. As described above, since the substrate is already coated by agar medium having cell-incompatible properties, it is possible to control cells by providing a strong contrast effect when using collagen, which is a cell-friendly material, as a patterning solution.

한편, 앞서 설명한 전기-수력학적 프린팅 모드는 용액의 점도(viscosity), 용액의 전기전도도(conductivity), 용액의 유량 및 인가된 전압 등에 의존한다. 따라서, 콜라겐 용액은 고점도 요건을 만족시키도록 변형되어야만 하는데, 이는 점도성이 높을수록 더 작은 직경의 안정된 제트를 갖는 콘젯(cone-jet) 모드에서의 전기-수력학적 분무가 가능하기 때문이다. 이러한 고점도성을 만족시키기 위하여, 젤라틴(gelatin) 1㎎/㎖의 10%를 포함하는 콜라겐 30㎎/㎖ 용액과 같이 소정량의 젤라틴, 글리세린 등이 추가될 수 있다. 또한, 소정량의 염화나트륨이 첨가될 수도 있는데, 이는 패터닝 용액이 소정의 전기전도도를 얻을 수 있도록 해주는 역할을 한다. On the other hand, the electro-hydraulic printing mode described above depends on the viscosity of the solution, the electrical conductivity of the solution, the flow rate of the solution and the applied voltage. Thus, the collagen solution must be modified to meet high viscosity requirements, since higher viscosities allow electro-hydraulic spraying in the cone-jet mode with smaller diameter stable jets. In order to satisfy this high viscosity, a predetermined amount of gelatin, glycerin, and the like may be added, such as a collagen 30 mg / ml solution containing 10% of gelatin 1 mg / ml. In addition, a predetermined amount of sodium chloride may be added, which serves to allow the patterning solution to obtain a predetermined electrical conductivity.

전기-수력학적 분무 방식에 의한 패터닝 방법Patterning method by electro-hydraulic spray method

상술한 전기-수력학적 분무장치를 이용한 기판상에서의 콜라겐과 같은 세포부착용 생체물질의 패터닝 구현방법은 다음과 같다.The method of implementing the patterning of a cell adhesion biomaterial such as collagen on a substrate using the electro-hydraulic spraying device described above is as follows.

먼저 패터닝될 금속을 포함하는 혼합물질을 실린지 펌프(12)를 이용해 일정하게 노즐(11)로 분무시킨 후 그 분무형태가 원뿔형 모드가 되도록 노즐(11)에 전 압를 인가하고 이때 인택트 젯을 형성시킬 수 있는 안정적인 원뿔형 모드가 구현되는 조건을 확인하여야 한다. First, the mixture containing the metal to be patterned is sprayed into the nozzle 11 uniformly using the syringe pump 12, and then a voltage is applied to the nozzle 11 so that the spray form becomes a conical mode. The conditions under which a stable conical mode can be formed should be identified.

그 후, 다음으로 제어부에 미리 입력된 패턴형상에 따라 기판(5)을 유지하고 있는 정밀이동 스테이지부(3)를 이동시킨다. 결국 원뿔형 모드로부터 분무되는 인택트 젯이 전극 사이에 위치하는 기판(5)에 부착되어 원하는 세포부착용 생체물질 패턴을 형성하게 되고, 그 후 후술하는 세포배양 공정을 수행하여 상기 패턴 상에서 원하는 세포가 배양될 수 있도록 한다. Thereafter, the precision moving stage 3 holding the substrate 5 is moved in accordance with the pattern shape previously input to the controller. Eventually, the intact jet sprayed from the conical mode is attached to the substrate 5 positioned between the electrodes to form a desired cell attachment biomaterial pattern, and then, the cell culture process described below is performed to culture the desired cells on the pattern. To be possible.

세포 배양Cell culture

콜라겐과 같은 세포부착용 생체물질이 패터닝 된 기판 상에, 소정의 목적에 따라 Hela(ATCC CCL-2) 세포와 같은 다양한 세포가 동시에 배양될 수 있다. 일례로인 Hela(ATCC CCL-2) 세포 배양에 있어서, 세포는 기본 조건(37°C, 5% CO2)에서 10%의 우태아 혈청[Fetal Bovine Serum(FBS)]과 1%의 항생물질(antibiotics)이 첨가된 Dulbecco's Modified Eagles Media(DMEM: Cambrex, USA)를 사용하여 배양될 수 있다. Various cells such as Hela (ATCC CCL-2) cells may be cultured simultaneously on a substrate on which a cell-adhering biomaterial such as collagen is patterned. For example, in Hela (ATCC CCL-2) cell culture, cells were treated with 10% Fetal Bovine Serum (FBS) and 1% antibiotics under basic conditions (37 ° C, 5% CO 2 ). (antibiotics) can be incubated using Dulbecco's Modified Eagles Media (DMEM: Cambrex, USA).

한편, 상기 패터닝된 영역을 제외한 부분의 기판에는 백그라운드(background)로 사용된 세포-비친화적 물질로서 한천배지(agaros)가 미리 코팅된 상태이므로, 이 영역에서는 세포가 배양되지 못하는 결과 강한 대비효과를 제공하여 세포 제어를 할 수 있게 된다. On the other hand, since the agar plate is pre-coated as a cell-incompatible material used as a background on the substrate except for the patterned area, the cells cannot be cultured in this area, resulting in a strong contrast effect. To provide cellular control.

[실시예]EXAMPLE

본 실시예에서는 패터닝용 기판(5)으로 관찰이 용이하도록 투명한 기판인 유리 커버 슬립(Microscope cover slips; Marienfeld, Germany)을 사용하였다. 한편, 상기 기판에 대하여, 불순물이 적고 친수성 상태의 기판을 얻기 위하여 과산화수소와 황산을 1 대 3의 비율로 섞은 피라나 용액(Piranha solution)을 약 70℃의 온도로 가열한 상태에서 20분 동안 세척하였다. 아울러, 세포의 특이적 고정에 필요한 표면 조건을 얻기 위해 고압증기멸균기(autoclave)로 살균한 한천배지(agarose) 0.15% 용액(BD biosciences, USA)으로 기판 표면을 코팅하고 상온에서 3시간 동안 건조시킨 후 자외선으로 2시간 이상 살균시키는 과정을 거쳤다.In this embodiment, glass cover slips (Microscope cover slips; Marienfeld, Germany), which are transparent substrates, were used as the substrate 5 for patterning. Meanwhile, in order to obtain a substrate in which the impurities are low and hydrophilic, the Piranha solution mixed with hydrogen peroxide and sulfuric acid at a ratio of 1 to 3 is heated at a temperature of about 70 ° C for 20 minutes. It was. In addition, the substrate surface was coated with 0.15% agar solution (BD biosciences, USA) sterilized by autoclave and dried at room temperature for 3 hours to obtain the surface conditions necessary for specific fixation of cells. After that, it was sterilized for 2 hours or more with ultraviolet light.

상기 처리결과, 한천배지가 코팅된 기판의 특성에 있어서, 한천은 표면 성질을 변화시킨 커버 글라스(cover glass) 위에 약 2μm 의 두께로 일정하게 코팅되었으며, 코팅된 한천의 표면 거칠기는 1500Å ± 500 정도였다.As a result of the treatment, in the characteristics of the substrate coated with agar, the agar was uniformly coated with a thickness of about 2 μm on a cover glass whose surface properties were changed, and the surface roughness of the coated agar was 1500Å ± 500 It was.

전기수력학적 패터닝 방식에 사용된 세포부착용 프린팅 용액에 있어서는, 송아지 피부에서 추출된 타입I의 농도 1.0mg/㎖ 콜라겐 용액(Sigma Chemical Inc., USA)에 염화나트륨을 약 2.5%, 10%씩 추가하여 사용하였다. 모든 용액은 4℃에서 보관되었으며, 프린팅이 된 직후 빠르게 말랐다. 패터닝된 콜라겐 용액의 두께는 약 4000Å ± 1000Å 정도였다. In the cell adhesion printing solution used in the electrohydraulic patterning method, about 2.5% and 10% of sodium chloride was added to 1.0 mg / ml collagen solution (Sigma Chemical Inc., USA) of type I extracted from calf skin. Used. All solutions were stored at 4 ° C. and dried quickly after printing. The thickness of the patterned collagen solution was about 4000 mm ± 1000 mm.

상기 프린팅 용액은 전기수력학 패터닝 장비에 의해 여러 타입으로 프린팅 되었다. 프린팅 공정은 청정공간 안에서 이루어졌으며, 패터닝된 콜라겐 용액은 1 시간 동안 말린 뒤 촬영되었다. The printing solution was printed in various types by electrohydraulic patterning equipment. The printing process was performed in a clean space, and the patterned collagen solution was photographed after drying for 1 hour.

도 6은 본 발명에 의한 다양한 모드의 전기-수력학적 분무 방식에 의하여 패터닝된 콜라겐 용액의 사진을 나타내는 것으로서, A는 적하모드(dripping mode), B는 다중적하모드(multi-dripping mode), C는 콘젯모드(cone-jet mode), 및 D는 콘택모드(contact mode)에 의하여 패터닝된 상태이며 다양한 패턴이 제작 가능함을 확인할 수 있다. 이러한 각각의 모드는 인가된 전압에 따라 발생되는데, 실린지 펌프의 분무유량이 2.5㎕/min 인 경우에 있어서, 상기 적하모드는 약 ~5.5kV, 상기 다중적하모드는 약 5.5kV 내지 8.5kV, 상기 콘젯모드는 약 6.5kV 내지 7.25kV, 그리고 상기 콘택모드는 약 6.5kV 내지 9.5kV에서 발견되었다. Figure 6 shows a photograph of the collagen solution patterned by various modes of electro-hydraulic spraying method according to the present invention, A is dripping mode, B is multi-dripping mode, C It can be seen that is the contact mode (cone-jet mode), and D is a patterned state by the contact mode (contact mode) and that various patterns can be produced. Each of these modes is generated according to the applied voltage, when the spray flow rate of the syringe pump is 2.5 μl / min, the dropping mode is about ˜5.5 kV, and the multi dropping mode is about 5.5 kV to 8.5 kV, The contact mode was found at about 6.5 kV to 7.25 kV, and the contact mode was at about 6.5 kV to 9.5 kV.

상기 패턴 중 액적의 직경은 50~500㎛에 걸쳐 분포되며 통상적으로 200~300㎛에 해당되고, 상기 패턴 중 직선의 폭은 콘젯모드에서는 180±20㎛, 콘택모드에서는 500±40㎛에 해당되었다. The diameter of the droplets in the pattern was distributed over 50 ~ 500㎛ and typically corresponds to 200 ~ 300㎛, the width of the straight line of the pattern corresponded to 180 ± 20 ㎛ in contact mode, 500 ± 40 ㎛ in contact mode .

한편, 도 7은 본 발명에 의한 전기-수력학적 분무 방식에 의하여 패터닝된 패턴의 성분이 콜라겐임을 확인하기 위해 단백질 염색약의 일종인 코마시 블루 용액으로 염색 처리를 한 후 촬영한 사진을 나타낸다. On the other hand, Figure 7 shows a photograph taken after the dyeing treatment with the Coomassie Blue solution, a kind of protein dye to confirm that the component of the pattern patterned by the electro-hydraulic spray method according to the present invention.

각각의 패터닝 된 22×22㎟ 커버슬립(cover slip)들은 100㎜ 조직배양(tissue culture)용 접시(dish)에 놓여졌으며, 40,000 내지 50,000 cells/㎖의 세포 배양액 2㎖씩 각각의 접시에 주입되었다. 세포 배양용 배지는 하루에서 이틀 간격을 두고 교체되었으며, 세포의 성장은 매일 관찰되었다. Each patterned 22 × 22 mm 2 cover slip was placed in a dish for 100 mm tissue culture and injected into each dish with 2 ml of cell culture from 40,000 to 50,000 cells / ml. . Cell culture medium was replaced at one to two day intervals, and cell growth was observed daily.

도 8는 패터닝된 콜라겐 상에서 배양된 HeLa 세포에 대한 사진으로서, (A)는 미처리된 글라스 표면에서의 배양사진, (B)는 한천이 코팅된 표면과 콜라겐이 코팅된 표면 사이의 극명한 대비를 나타냄을 보이기 위한 사진, (C)는 직선으로 패터닝된 콜라겐 상에서 배양된 HeLa 세포에 대한 사진, 및 (D)는 콜라겐이 패터닝된 표면 상에서 성장된 세포의 확대사진을 각각 나타낸다. 즉, HeLa 세포는 앞서 상세히 설명한 바와 같이 한천배지로 기판 표면이 코팅된 영역에서는 자라지 못했으며, 콜라겐이 패터닝된 곳에서는 표면에 붙어서 배양되었음을 확인할 수 있었다.FIG. 8 is a photograph of HeLa cells cultured on patterned collagen, (A) a photograph of culture on untreated glass surface, (B) showing a sharp contrast between agar coated surface and collagen coated surface (C) shows a photograph of HeLa cells cultured on linearly patterned collagen, and (D) shows enlarged photographs of cells grown on the collagen-patterned surface. That is, HeLa cells did not grow in the area coated with the agar plate as described in detail above, it was confirmed that the collagen was attached to the surface cultured in the patterned area.

또한 도 9에 도시된 바와 같이, 콜라겐 용액의 전기-수력학적 분무시 그 패턴의 두께를 얇게 하여 세포를 배양해 보았다. (A)는 약 200μm 두께의 패턴 위에서 배양된 HeLa 세포를 나타낸 사진이며, (B)는 이를 확대한 사진이다. In addition, as shown in FIG. 9, the cells were cultured by thinning the thickness of the pattern during electro-hydraulic spraying of the collagen solution. (A) is a photograph showing HeLa cells cultured on a pattern of about 200μm thickness, (B) is an enlarged photograph.

한편, 상기 실시예를 통하여 단일 세포를 본 발명에 의한 전기-수력학적 패터닝 방법에 의하여 미세하게 패터닝할 수 있음을 확인하였다. 이러한 미세패터닝되고 조직배양된 세포 칩(cell chip)을 생체학적으로 이용함과 더불어, 전기-수력학적 패터닝 방법에 의하면 공간적으로 한정된 기판 또는 칩 상에 더 많은 세포군을 배양할 수 있기 때문에 신약개발 시에 하이-스루풋 스크리닝(High-Throughput Screening)을 이용함에 있어 다중웰(Multiwell) 상에서 다세포의 배양 및 항체 및 항원실험에 소요되는 방대한 시약과 실험비용을 현저하게 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. On the other hand, it was confirmed through the above example that a single cell can be finely patterned by the electro-hydraulic patterning method according to the present invention. In addition to using such micropatterned and tissue cultured cell chips biologically, the electro-hydraulic patterning method allows the cultivation of more cell populations on spatially limited substrates or chips. By using high-throughput screening, it can be seen that the vast amount of reagents and experiments required for the cultivation of multi-cells in multiwells and the experiment of antibodies and antigens can be significantly reduced.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들 에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be variously modified and changed by those skilled in the art, which should be regarded as included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims. something to do.

상술한 바와 같이 본 발명에서는, 이미 기존에 잘 알려진 사진 식각 기술을 사용한 임프린팅 기법, 상용화되어 있는 잉크젯 프린터를 이용한 잉크젯 프린팅 기법과는 달리 새롭게 개발된 전기-수력학적 프린팅 기법을 활용하여 콜라겐과 같은 세포부착용 생체물질을 원하는 형태로 패터닝하여 세포의 접착을 조절하였다. As described above, in the present invention, unlike an inkjet printing method using an inkjet printer using a commercially known photolithography technique and a commercially available inkjet printer, the present invention utilizes a newly developed electro-hydraulic printing technique such as collagen. Adhesion of cells was controlled by patterning the cell-adhesive biomaterial into a desired form.

즉, 기존의 방법보다 더 정교하고 간편한 세포 패터닝(Cell Patterning)방법을 이용하여 단일 세포 및 세포군의 배양을 중점적으로 발전시킴으로써 인체 내부 기관의 세포 및 조직 재생에 관한 연구에 큰 기여를 할 수 있다. That is, by intensively developing the culture of single cells and cell populations using more sophisticated and simple cell patterning method than the existing method, it can make a great contribution to the study of cell and tissue regeneration of internal organs of the human body.

또한, 신약개발 시에 하이-스루풋 스크리닝(High-Throughput Screening)을 이용함에 있어 다중웰(Multiwell) 상에서 다세포의 배양 및 항체 및 항원실험에 소요되는 방대한 시약과 실험비용을, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 단일 세포 및 세포군의 패터닝기법을 통해 현저하게 감소시킬 수 있는 효과를 창출한다. In addition, in the use of high-throughput screening in the development of new drugs, a vast amount of reagents and experiment costs for culturing multi-cells on multiwells and testing antibodies and antigens can be obtained through the present invention. The patterning technique of single cells and populations of cells creates effects that can be significantly reduced.

결과적으로 신약개발과 관련된 개발 시기 단축 및 소요비용 절감의 효과로 다양하고 새로운 성분의 신약의 제조가 가능할 뿐만 아니라, 더 나아가 삶의 질을 중시하는 미래사회의 경향에 부합하여 질병의 위험에서 벗어나 안락한 삶을 영위하는데 일조할 수 있다.As a result, it is possible to manufacture new drugs with various new ingredients by shortening the development time and cost reduction related to new drug development, and moreover, it is comfortable to meet the trends of future society that values quality of life. It can help you live your life.

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 기판상에 세포고정용 생체물질로서 콜라겐(collagen)을 패터닝하는 방법에 있어서,In the method for patterning collagen (collagen) as a cell-fixing biomaterial on a substrate, 상기 세포고정용 생체물질이 포함된 용액이 일정한 수력학적 압력으로 분무되는 노즐과, 상기 노즐과 대응되는 위치로서 이격된 거리에 설치되는 핀형상의 접지전극를 제공하는 단계;Providing a nozzle in which the solution containing the cell-fixing biomaterial is sprayed at a constant hydraulic pressure, and a pin-shaped ground electrode installed at a distance separated by a position corresponding to the nozzle; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 상기 기판을 위치시키는 단계;Positioning the substrate between the nozzle and the ground electrode; 상기 노즐로부터 상기 용액이 분무될 때 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 상기 용액의 분무형태를 변환시키는 단계; 및Converting the spray form of the solution by applying a voltage between the nozzle and the ground electrode when the solution is sprayed from the nozzle; And 상기 용액이 변환된 분무형태로 분무되는 동안, 상기 기판을 미리 설정된 패턴형상으로 이동시키면서 상기 용액을 기판에 부착시키는 단계를 포함하는 패터닝 방법. Attaching the solution to the substrate while moving the substrate in a predetermined pattern shape while the solution is sprayed in the converted spray form. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 기판은, 한천배지(agarose) 용액으로 기판 표면을 코팅하고 상온에서 건조시킨 후 자외선으로 살균시키는 과정을 거친 것을 특징으로 하는 패터닝 방법.The substrate is a patterning method characterized in that the surface of the substrate is coated with an agar medium (agarose) solution, dried at room temperature and sterilized with ultraviolet rays. 삭제delete 삭제delete 기판상에 세포고정용 생체물질인 콜라겐(collagen)을 패터닝하는 패터닝 장치에 있어서,In the patterning device for patterning collagen (collagen) which is a cell-fixing biomaterial on a substrate, 상기 세포고정용 생체물질이 포함된 용액을 일정한 수력학적 압력으로 분무하는 노즐;A nozzle for spraying the solution containing the cell-fixing biomaterial at a constant hydraulic pressure; 상기 노즐과 대응되는 위치로서 이격된 거리에 설치되는 핀형상의 접지전극;A pin-shaped ground electrode installed at a distance spaced from the nozzle corresponding position; 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 위치하며, 상기 기판을 유지하면서 이동시키는 스테이지; 및A stage positioned between the nozzle and the ground electrode to move the substrate while holding the substrate; And 상기 노즐과 상기 접지전극 사이에 전압을 인가하여 상기 용액의 분무형태를 변환시키고, 상기 용액을 변환된 분무형태로 미리 설정된 패턴형상에 따라 상기 기판에 부착시키기 위한 전원공급장치를 포함하는 패터닝 장치. And a power supply device for converting the spray form of the solution by applying a voltage between the nozzle and the ground electrode, and attaching the solution to the substrate according to a predetermined pattern shape in the converted spray form. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 기판은 한천배지(agarose) 용액으로 그 표면이 코팅된 것을 특징으로 하는 패터닝 장치.The substrate is a patterning device, characterized in that the surface is coated with agar solution (agarose) solution. 제3항 또는 제4항에 기재된 패터닝 방법에 의하여 패터닝된 기판 중 상기 패터닝된 세포고정용 생체물질 상에 소정의 세포를 배양하여 형성된 것을 특징으로 하는 세포 칩.A cell chip formed by culturing predetermined cells on said patterned cell-fixing biomaterial in a patterned substrate by the patterning method according to claim 3 or 4.
KR1020050062282A 2005-07-11 2005-07-11 A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips KR100740228B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050062282A KR100740228B1 (en) 2005-07-11 2005-07-11 A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050062282A KR100740228B1 (en) 2005-07-11 2005-07-11 A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070007577A KR20070007577A (en) 2007-01-16
KR100740228B1 true KR100740228B1 (en) 2007-07-16

Family

ID=38010142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050062282A KR100740228B1 (en) 2005-07-11 2005-07-11 A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100740228B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101167435B1 (en) 2010-10-28 2012-07-19 삼성전기주식회사 Cell Chip
KR101355001B1 (en) 2011-10-21 2014-01-27 아주대학교산학협력단 Fine-structured Substrate For Cell Culture
US11015164B2 (en) 2016-01-07 2021-05-25 T&R Biofab Co., Ltd. Cell printing apparatus for heat-sensitive cell printing composition

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101127075B1 (en) * 2008-05-30 2012-03-23 성균관대학교산학협력단 Method for forming biomaterial pattern and manufacturing biosensor by using inkjet printing of self-assembly monolayer
KR101218982B1 (en) * 2010-05-03 2013-01-04 삼성전기주식회사 Cell chip, method of manufacturing the same and device for manufacturing cell chip

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5776748A (en) 1993-10-04 1998-07-07 President And Fellows Of Harvard College Method of formation of microstamped patterns on plates for adhesion of cells and other biological materials, devices and uses therefor
WO2000060356A1 (en) 1999-04-01 2000-10-12 Cellomics, Inc. Miniaturized cell array methods and apparatus for cell-based screening
KR20060025796A (en) * 2004-09-17 2006-03-22 황정호 Patterning method of microelectronic circuit and a fabricating apparatus thereof, and a printed circuit board using the method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5776748A (en) 1993-10-04 1998-07-07 President And Fellows Of Harvard College Method of formation of microstamped patterns on plates for adhesion of cells and other biological materials, devices and uses therefor
WO2000060356A1 (en) 1999-04-01 2000-10-12 Cellomics, Inc. Miniaturized cell array methods and apparatus for cell-based screening
KR20060025796A (en) * 2004-09-17 2006-03-22 황정호 Patterning method of microelectronic circuit and a fabricating apparatus thereof, and a printed circuit board using the method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101167435B1 (en) 2010-10-28 2012-07-19 삼성전기주식회사 Cell Chip
KR101355001B1 (en) 2011-10-21 2014-01-27 아주대학교산학협력단 Fine-structured Substrate For Cell Culture
US11015164B2 (en) 2016-01-07 2021-05-25 T&R Biofab Co., Ltd. Cell printing apparatus for heat-sensitive cell printing composition

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070007577A (en) 2007-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sanjana et al. A fast flexible ink-jet printing method for patterning dissociated neurons in culture
Onses et al. Mechanisms, capabilities, and applications of high‐resolution electrohydrodynamic jet printing
Jayasinghe et al. Electric field driven jetting: an emerging approach for processing living cells
Roth et al. Inkjet printing for high-throughput cell patterning
Craighead et al. Chemical and topographical surface modification for control of central nervous system cell adhesion
Craighead et al. Chemical and topographical patterning for directed cell attachment
Tourovskaia et al. Micropatterns of chemisorbed cell adhesion-repellent films using oxygen plasma etching and elastomeric masks
KR100740228B1 (en) A novel electrohydrodynamic printing technique for cell patterning and its application as cell chips
Ringeisen et al. Jet‐based methods to print living cells
Vogt et al. Impact of micropatterned surfaces on neuronal polarity
KR100922232B1 (en) Method for Direct Patterning of live Cells using Electrohydrodynamic Printing Method and Device therefor
Turcu et al. Ink-jet printing for micropattern generation of laminin for neuronal adhesion
Kim et al. Drop-on-demand patterning of bacterial cells using pulsed jet electrospraying
Cai et al. Mechanisms, influencing factors, and applications of electrohydrodynamic jet printing
Sun et al. Inkjet-printing patterned chip on sticky superhydrophobic surface for high-efficiency single-cell array trapping and real-time observation of cellular apoptosis
Lee et al. Electrolyte solution-assisted electrospray deposition for direct coating and patterning of polymeric nanoparticles on non-conductive surfaces
De Silva et al. Two‐step cell patterning on planar and complex curved surfaces by precision spraying of polymers
O'connell et al. Nano-bioelectronics via dip-pen nanolithography
Xie et al. Electric field controlled electrospray deposition for precise particle pattern and cell pattern formation
Macis et al. An automated microdrop delivery system for neuronal network patterning on microelectrode arrays
Kim et al. Optimization of electrohydrodynamic writing technique to print collagen
Yang et al. Dynamically directing cell organization via micro-hump structure patterned cell-adhered interfaces
Hong et al. Neurons-on-a-chip: In vitro neurotools
Coppola et al. On the spraying modality of liquids by pyroelectrohydrodynamics
Jing et al. Precise cell patterning using cytophobic self-assembled monolayer deposited on top of semi-transparent gold

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120614

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee