KR100754406B1 - 카본나노튜브를 이용한 3차원 세포 배양 구조물과 그 제조방법, 그리고 상기 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링장치 - Google Patents
카본나노튜브를 이용한 3차원 세포 배양 구조물과 그 제조방법, 그리고 상기 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링장치 Download PDFInfo
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Abstract
카본나노튜브를 이용한 3차원 세포 배양 구조물과 그 제조 방법, 그리고 상기 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물은 불규칙적으로 얽힌 다수의 카본나노튜브 조각들로 이루어진 다공체의 골격; 및 상기 다공체 내부에 분포되고 상기 골격으로 채워지지 않은 빈 공간으로서, 고안된 크기 및 형상을 가지는 다수의 세공(細孔)을 포함한다. 본 발명에 따른 상기 구조물의 제조 방법은 미리 정해진 크기 및 형상을 갖는 다수의 고체 입자를 쌓고, 카본나노튜브 분산 용액을 이용하여 상기 고체 입자들 사이사이에 카본나노튜브 조각들을 분산시키고, 카본나노튜브 조각들이 사이사이에 분산된 고체 입자 적층물로부터 상기 다수의 고체 입자를 제거하는 과정을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치는 절연성 기판; 상기 절연성 기판상에 서로 이격되게 배치된 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 양단이 상기 한 쌍의 전극에 각각 전기적으로 접촉되도록 배치된 본 발명의 3차원 세포 배양 구조물을 포함한다.
세포 배양, 스캐폴드(scaffold), 카본나노튜브(CNT), 카본나노튜브 분산 용액, 세포 배양 모니터링
Description
도 1은 본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물의 일 실시예를 보이는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 3차원 배양 구조물 제조 과정의 일 실시예를 개략적으로 보이는 공정도이다.
도 3a 내지 도 3f는 상기 도 2a와 같이 고체 입자를 쌓는 과정의 일 예를 개략적으로 보이는 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치의 제1실시예를 보이는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치의 제2실시예를 보이는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치의 제3실시예를 보이는 단면도이다.
도 7은 카본나노튜브 분산 용액에서 분산제가 용매 속에서 카본나노튜브의 표면에 흡착되어 분산되는 상태를 도시한 모식도이다.
* 발명의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 3차원 세포 배양 구조물 11: 고체 입자
12: 다공체 골격(카본나노튜브) 13: 세공
15: 용기 120: 카본나노튜브 분산 용액
본 발명은 새로운 3차원 세포 배양 구조물과 그 제조 방법 및 상기 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 3차원적인 세포 배양이 가능한 다공질의 3차원 구조물과, 의도에 따라 상기 구조물의 세공(pore)의 크기 및 배열을 제어할 수 있는 제조 방법 및 상기 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 세포 배양 구조물이란 세포가 부착되고 증식될 수 있는 공간을 제공하는 다공질의 3차원 구조물로서 생체 내에서와 유사한 세포 증식 환경을 제공하기 위한 구조물이다. 생체 내에서 세포는 주변 세포들에 둘러싸여 3차원적으로 증식되기 때문에 실험실 내에서의 세포 배양 시에도 생체 내에서와 유사한 환경을 제공하기 위해서는 세포가 3차원적으로 부착될 수 있는 다수의 세공을 가지는 다공질의 3차원 구조물을 이용할 수 있다.
그런데, 종래의 3차원 세포 배양 구조물들은 그 소재 및 제조 방법 상의 한 계로 인해, 예를 들면 펩티드(peptide)의 자기조립(self-assembly)에 의해 3차원 구조물을 얻는 등의 이유로 인해 세공(pore)의 크기 및 그 배열 형태를 표준화하거나 의도대로 제어할 수 없었다. 이러한 점은 세포 배양 조건을 표준화하거나 특정 목적의 세포 배양 구조물을 제공하는 것을 제약하는 요소가 되어왔다.
또한, 종래의 3차원 세포 배양 구조물들을 이용하여 세포를 배양할 경우, 세포 배양 상태를 정기적으로 모니터링하기 위해서는 매 번 현미경 등을 통해 관찰하고 기록하여야 하므로 많은 노력이 필요할 뿐더러 정량적인 비교가 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점들을 개선하기 위하여 제안된 것으로, 카본나노튜브를 백본(backbone)으로 이용하여 3차원적인 세포 배양이 가능한 다공질의 3차원 구조물을 제공하고, 의도에 따라 상기 구조물의 세공(pore)의 크기 및 배열을 제어할 수 있도록 하는 제조 방법 및 상기 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 3차원 세포 배양 구조물은, 불규칙적으로 얽힌 다수의 카본나노튜브 조각들로 이루어진 다공체의 골격; 및 상기 다공체 내부에 분포되고 상기 골격으로 채워지지 않은 빈 공간으로서, 미리 정해진 크기 및 형상을 가지는 다수의 세공(細孔)을 포함한다.
여기서, 상기 다수의 세공은 그 형상이 실질적으로 구형 또는 계란형을 포함 하는 소정의 모양일 수 있다. 또한, 상기 다수의 세공은 그 크기가 실질적으로 동일한 것이거나, 그 크기가 서로 다른 여러 그룹들로 이루어지고, 상기 각각의 그룹은 그 크기가 실질적으로 동일한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법은, 미리 정해진 크기 및 형상을 갖는 다수의 고체 입자를 쌓는 단계; 카본나노튜브 분산 용액을 이용하여 상기 고체 입자들 사이사이에 카본나노튜브 조각들을 분산시키는 단계; 및 카본나노튜브 조각들이 사이사이에 분산된 고체 입자 적층물로부터 상기 다수의 고체 입자를 제거하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 고체 입자는 전술한 세공과 같이 그 형상이 실질적으로 구형 또는 계란형을 포함하는 소정의 모양일 수 있다. 또한, 상기 고체 입자는 그 크기에 따라 적어도 하나 또는 둘 이상의 그룹으로 이루어지고, 각각의 그룹은 상기 고체 입자의 크기가 실질적으로 동일한 것일 수 있다.
상기 다수의 고체 입자를 쌓는 단계에서는, 상기 여러 고체 입자 그룹들 중에서 상대적으로 크기가 작은 고체 입자 그룹이 아래쪽에, 상대적으로 크기가 큰 고체 입자 그룹이 위쪽에 배치되도록 쌓을 수 있다. 다만, 상기 3차원 세포 배양 구조물의 용도에 따라 고체 입자의 쌓는 순서를 조절 할 수 있다.
이상의 제조 방법에 있어서, 상기 고체 입자는 가연성 수지 비드일 수 있다. 이 경우, 상기 다수의 고체 입자를 제거하는 단계에서는, 하소(calcination) 공정에 의해 다수의 가연성 수지 비드를 제거할 수 있다. 여기서, 상기 하소 공정의 공정온도는 상기 가연성 수지 비드가 연소되는 최저 온도보다 높고, 상기 카본나노튜 브 조각들의 열 변성이 시작되는 온도보다 낮은 것이 바람직하다.
상기 카본나노튜브 분산 용액을 이용하여 상기 고체 입자들 사이사이에 카본나노튜브 조각들을 분산시키는 단계에서, 상기 카본나노튜브 분산 용액은, 다량의 카본나노튜브 조각들; 수성 용매; 및 하기의 [화학식 1] 내지 [화학식 6]중 어느 하나로 표시되는 분산제를 포함하는 것일 수 있다.
상기 식중, a는 1 내지 30의 정수이고, R´는 H, NH4 , Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택되고, x+y+z=3 , x≠0 및 y≠0이다.
상기 식중, a는 1 내지 30의 정수이고, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 식중, a 및 b는 서로 독립적으로 1 내지 30의 정수이고, R´는 H, NH4 , Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 식중, a는 1 내지 30의 정수이며, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 식중, a는 50 내지 160의 정수이며, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 식중, a는 0 내지 4의 정수이고, x는 45 내지 160의 정수이며, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 카본나노튜브 분산 용액에서 상기 수성 용매는 물 또는 물과 1종 이상의 극성 용매의 혼합물일 수 있고, 여기서 상기 극성 용매는 메틸알콜, 에틸알콜, n-프로필알콜, 이소프로필알콜, n-부틸알콜, sec-부틸알콜, t-부틸알콜, 이소부틸알콜, 에틸렌글리 콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,2-헥산디올, 및 1,6-헥산디올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 것일 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물을 이용한 세포 배양 모니터링 장치 는, 전기적 신호를 이용하여 세포 배양 정도를 나타내는 장치에 있어서, 절연성 기판; 상기 절연성 기판상에 서로 이격되게 배치된 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 양단이 상기 한 쌍의 전극에 각각 전기적으로 접촉되도록 배치된 3차원 세포 배양 구조물을 포함하고, 상기 3차원 세포 배양 구조물은, 불규칙적으로 얽힌 다수의 카본나노튜브 조각들로 이루어진 다공체의 골격; 및 상기 다공체 내부에 분포되고 상기 골격으로 채워지지 않은 빈 공간으로서, 미리 정해진 크기 및 형상을 가지는 다수의 세공(細孔)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다수의 세공은 그 형상이 실질적으로 구형 또는 계란형을 포함하는 소정의 모양일 수 있다. 또한, 상기 다수의 세공은 그 크기가 실질적으로 동일한 것이거나, 그 크기가 서로 다른 여러 그룹들로 이루어지고, 상기 각각의 그룹은 그 크기가 실질적으로 동일한 것일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물의 일 실시예를 보이는 단면도이다. 본 실시예에 따른 카본나노튜브를 이용한 3차원 세포 배양 구조물(10)은 내부에 다수의 세공(細孔:pore)(13)을 포함하는 다공체로서, 상기 다공체의 골격(12)은 무수히 많은 카본나노튜브 조각들이 불규칙적으로 얽혀 고정된 형상을 이루고 있다.
여기서, 카본나노튜브(Carbon Nanotube:CNT) 조각으로는 단층 카본나노튜브(single wall carbon nanotube:SWNT) 이든 다층 카본나노튜브(multi wall carbon nanotube:MWNT)이든 무관하게 사용될 수 있으며, 그 길이에도 뚜렷한 제약이 없다. 다만, 길이의 면에서는 카본나노튜브 조각들이 다수의 세공(13)들 사이사이에 배치되는 점에 비추어 상기 세공(13)의 지름보다 상대적으로 짧은 것이 바람직하다.
상기 다수의 세공(13)은 각각이 세포의 증식 공간을 제공하는 것으로서, 다양한 형상을 가질 수 있으며, 그 크기도 배양하고자 하는 세포의 크기에 따라 정해질 수 있다. 본 발명에서 상기 세공(13)의 형상은 구형, 계란형 또는 다면체 등을 포함하는 소정의 모양일 수 있다. 다수의 세공(13)들은 인접한 다른 세공(13)들과 공간적으로 연결되는 것이 바람직하다. 상기 다수의 세공(13)은 그 크기가 상기 구조물(10) 전체에 걸쳐서 실질적으로 동일할 수도 있고, 크기가 서로 다른 다수의 그룹들로 이루어질 수도 있다. 여기서, 상기 각 그룹에 속한 세공(13A, 13B, 13C)들끼리는 그 크기가 실질적으로 동일할 수 있다. 크기가 실질적으로 동일하다 함은 크기가 동일하거나 세포 배양이라는 기능적 측면에서 차이가 없을 정도의 편차를 가진다는 의미이다.
본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물(10)에서 세공(13)의 형상 및 크기는 기존의 3차원 세포 배양 구조물에서와 달리 설계자의 의도에 따라 미리 정해질 수 있고, 다양화될 수 있다. 본 실시예에 따른 구조물(10) 역시 구형으로서 미리 정해진 3가지 크기의 세공들(13A, 13B, 13C)을 가지며, 이렇게 다양한 크기의 세공(13A, 13B, 13C)들은 상기 도 1에 도시된 바와 같이 그 크기별로 군집될 수도 있다. 이와 달리 불규칙적으로 산재될 수도 있음은 물론이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 3차원 배양 구조물 제조 과정의 일 실시예를 개략적으로 보이는 공정도이다. 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 용기(15)에 다수의 고체 입자(11)를 쌓는다. 상기 다수의 고체 입자(11)는 그 크기가 전체적으로 실질적으로 동일할 수도 있고, 크기가 서로 다른 다수의 그룹들로 이루어질 수도 있다. 상기 고체 입자(11)는 상기 세공(13)과 마찬가지로 다양한 형상을 가질 수 있고, 예를 들면 구형, 계란형 또는 다면체 등을 포함하는 소정의 모양일 수 있다. 여기서, 상기 각 그룹에 속한 고체 입자(11A, 11B, 11C)들끼리는 그 크기가 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 고체 입자(11)의 형상 및 크기에 따라 상기 도 1에서 언급된 세공(13)의 형상 및 크기가 정해진다.
본 실시예에 따르면, 상기 고체 입자(11)를 쌓는 단계에서 상기 고체 입자(11)는 구형으로서 미리 정해진 3가지 크기의 고체 입자들(11A, 11B, 11C)로 이루어지며, 이렇게 다양한 크기의 고체 입자들(11A, 11B, 11C)은 상기 도 2a에 도시된 바와 같이 그 크기 별로 군집될 수 있다. 이와 달리, 크기와 무관하게 산재되도록 쌓일 수도 있음은 물론이다. 고체 입자(11)를 크기 별로 쌓는 방법에는 상기 고체 입자(11)의 종류에 따라 여러 가지 방법이 있을 수 있으며, 일 예로서 가연성 수지 비드인 폴리스티렌 비드를 크기 별로 쌓는 방법은 아래의 도 3a 내지 도 3f를 통해 상세히 설명된다.
본 실시예에서와 같이 3가지 크기의 고체 입자(11)를 크기 별로 쌓을 때는 크기가 가장 작은 고체 입자(11A)들이 가장 아래쪽에 배치되고, 중간 크기의 고체 입자(11B)들이 그 위에, 가장 큰 고체 입자(11C)들이 가장 위쪽에 배치되도록 쌓는 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 제조될 3차원 세포 배양 구조물의 용도에 따라 상기 고체 입자(11)의 형상, 크기 및 그 배치를 달리 할 수 있 다. 이렇게 의도에 따라 자유롭게 3차원 세포 배양 구조물의 변형이 가능하다 점이 본 발명에 따른 제조 방법의 특징이며 장점이기도 하다.
상기 고체 입자(11)의 크기는 배양하고자 하는 세포의 크기에 준하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 수 마이크로미터 내지 수 백 마이크로미터 정도의 범위에서 본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물의 제작 의도에 따라 자유롭게 선택될 수 있다. 상기 고체 입자(11)로는 여러 가지 재료 입자가 채용될 수 있으며, 본 실시예에서는 폴리스티렌 비드(polystyene bead)가 채용되었다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 구조물의 제작 의도에 맞는 크기로 가공된 입자로서, 상기 구조물의 골격을 이루는 카본나노튜브에 대하여 선별적으로 제거 될 수 있는 재료이면 채용될 수 있다.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이 다수의 고체 입자(11)가 쌓인 용기(15)에 카본나노튜브 분산 용액(120)을 붓는다. 카본나노튜브 분산 용액(120)이란 수성 또는 유기 용매에 적절한 분산제를 첨가하여 무수히 카본나노튜브 조각들을 분산시킨 용액을 말하는 것으로서, 그 예로는 한국특허출원 제2005-0068346호 및 제2005-0093352호에서 제시된 조성물을 들 수 있으며, 상기 카본나노튜브 분산 용액의 예에 관해서는 아래에서 도 7을 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
상기 도 2a에 보이는 바와 같이, 고체 입자(11) 중에서 크기가 큰 고체 입자(11C)들이 위쪽에 쌓여 있는 경우, 입자들 사이의 공간이 커서 카본나노튜브 조각들의 침투가 용이하다. 따라서, 아래쪽에 쌓여 있는 작은 고체 입자(11A)들 사이의 좁은 공간까지 카본나노튜브 조각들이 고르게 분포될 수 있다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이 용기(15)로부터 카본나노튜브 분산 용액의 분산매(120')를 제거한다. 분산매(120')의 제거를 위해서는 배수, 흡입, 건조 또는 원심분리 등의 다양한 방법이 이용될 수 있다.
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이 다수의 고체 입자(11)를 제거함으로써 다수의 세공(13)을 형성한다. 본 실시예에서는 상기 고체 입자(11)로서 가연성 수지 비드, 구체적으로는 폴리스티렌 비드를 이용하였으므로, 하소(calcination) 공정을 통해 상기 고체 입자(11)들을 제거할 수 있다. 하소 공정이란, 구성물질의 소결 온도보다 낮은 온도로 가열하여 휘발물을 제거하는 것을 말한다. 여기서 하소 공정의 온도는 고체 입자(11)로 사용된 가연성 비드가 휘발되는 온도보다 높고 카본나노튜브가 열 변성을 일으키는 온도보다 낮은 것이 바람직하다. 일 예로서, 폴리스티렌 비드 구성 물질(11')을 휘발시키기 위해 섭씨 550도의 온도에서 대략 5시간 정도 하소 공정을 진행할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 상기 도 2a와 같이 고체 입자를 쌓는 과정의 일 예를 개략적으로 보이는 공정도이다. 지름이 수 내지 수 백 마이크로미터인 가연성 수지 비드, 예를 들면 폴리스티렌 비드는 보편적으로 분산 용액 중에 분산된 상태로 공급된다. 본 실시예는 3가지 크기의 폴리스티렌 비드(11A, 11B, 11C)가 분산된 각각의 분산 용액(110A, 110B, 110C)을 이용하여 상기 도 2a와 같이 폴리스티렌 비드를 쌓는 방법에 관한 것이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 용기(15)에 가장 작은 크기의 비드(11A)가 분산된 용액(110A)을 넣고, 원심분리하여 상기 비드(11A)를 쌓은 뒤, 도 3b와 같이 분산매를 제거한다. 다음으로, 도 3c와 같이 그 용기(15)에 중간 크기의 비드(11B)가 분산된 용액(110B)를 넣고 전술한 과정을 반복함으로써, 도 3d와 같이 쌓는다. 다음으로, 도 3e 및 도 3f와 같이 가장 큰 크기의 비드(11C)가 분산된 용액(110C)을 넣고 전술한 과정을 다시 한 번 반복한다.
도 4는 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치의 제1실시예를 보이는 단면도이다. 본 실시예에 따른 세포 배양 모니터링 장치(201)는 전기적 신호를 이용하여 세포 배양 정도를 나타내는 장치로서, 절연성 기판(21)과 상기 절연성 기판(21)상에 서로 이격되게 배치된 한 쌍의 전극(23A, 23B) 및 상기 한 쌍의 전극(23A, 23B) 사이에 양단이 상기 한 쌍의 전극(23A, 23B)에 각각 전기적으로 접촉되도록 배치된 본 발명의 3차원 세포 배양 구조물(10)을 포함한다. 여기서, 상기 3차원 세포 배양 구조물(10)은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 장치(201)는 상기 한 쌍의 전극(23A, 23B)를 이용하여 상기 3차원 세포 배양 구조물(10)의 전기적 특성의 변화, 예를 들면 전기 전도도 또는 임피던스의 변화를 감지한다. 상기 구조물(10)은 그 골격이 카본나노튜브로 이루어져 있어서 기본적으로 도전체 혹은 반도체로서의 성질을 가지며, 상기 구조물(10) 내의 세포 배양 정도에 따라 그 전기적 특성이 변함으로써 세포 배양 정도에 관한 정량적인 정보를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치의 제2실시예를 보이는 단면도이다. 본 실시예에 따른 장치(202)는 상기 도 4에 도시된 구성요소들과 함께 상기 절연성 기판(21)의 표면에 절연성 표층(211)을 더 구비할 수 있다. 상기 절연성 표층(211)은 예를 들면, 폴리실리콘 층일 수 있고, 다른 예로는 상기 절연성 기판(21)과 동일한 소재로 이루어진 것으로서 소정의 표면처리에 의해 형성된 층일 수도 있다. 상기 절연성 표층(211)은 상기 절연성 기판(21)과 그 위에 마련된 상부 구조물, 예를 들면, 상기 한 쌍의 전극(23A, 23B) 및 상기 3차원 세포 배양 구조물(10) 사이의 결합 특성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치의 제3실시예를 보이는 단면도이다. 본 실시예에 따른 장치(203)는 상기 도 5에 도시된 구성요소들과 함께 상기 3차원 세포 배양 구조물(10)의 저면에 카본나노튜브 코팅층(22)을 더 구비할 수 있다. 상기 카본나노튜브 코팅층(22)은 짧은 카본나노튜브 조각들로 이루어진 단섬유 웹(web)의 형태를 가질 수 있다. 상기 카본나노튜브 코팅층(22)은 상기 한 쌍의 전극(23A, 23B) 사이의 초기 전기 전도도를 향상시키고, 상기 3차원 세포 배양 구조물(10)과 그 하래에 마련된 하부 구조물, 예를 들면 상기 절연성 표층(211) 및 상기 절연성 기판(21)과의 결합 특성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 카본나노튜브 분산 용액에서 분산제가 용매 속에서 카본나노튜브의 표면에 흡착되어 분산되는 상태를 도시한 모식도이다. 본 발명에 따른 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법에서 사용된 카본나노튜브 분산 용액을 위한 분산제는 앞서 언급된 [화학식 1] 내지 [화학식 6]에서 보는 바와 같이 머리(head)부분이 소수성 사슬(hydrophobic chain)로 구성되어 있으며, 머리를 이루는 사슬부분의 탄소가 모두 불소(F)로 치환되어 있는 단분자 내지 고분자이다. 또한 분자내 친수성 부분은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염 등으로 이루어 져 있어, 분산제는 소수성의 탄소타노튜브와 흡착 가능할 뿐만 아니라 물과의 수화력도 아주 높다. 상기 도 7은 상기 분산제가 용매 속에서 카본나노튜브의 표면에 흡착되어 분산시키는 예를 도시한 것이다. 분산제의 소수성 사슬이 소수성의 카본나노튜브의 표면에 흡착한 후 카본나노튜브 주위의 용매에 꼬리를 늘어뜨려 입체장애 효과로 카본나노튜브 사이의 간격을 일정하게 유지시켜 카본나노튜브들이 재응집되는 것을 막아준다. 또한 친수성의 꼬리는 전하를 띄고 있기 때문에 카본나노튜브간에 반발력이 생겨서 입자들간의 재응집되는 것을 막아준다.
이하, 상기 화학식 1 내지 6의 분산제를 포함하고 있는 카본나노튜브 분산 용액에 대하여 살펴보면 다음과 같다. 카본나노튜브 분산 용액은 상기 분산제 및 수성 용매와 카본나노튜브를 포함하며, 상기 수성 용매로는 물을 단독으로 사용하거나, 1종 이상의 극성 용매를 혼합하여 사용할 수 있다. 이 때 상기 수성 용매 내에서 물과 극성 용매의 혼합부피비는 3:2 내지 1:9인 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 2:3일 수 있다.
이와 같이 수성 용매와 극성 용매를 함께 사용하면 카본나노튜브 입자와 매질 사이의 계면 장력을 감소시켜 카본나노튜브의 습윤(wetting)을 확산시키므로 단일용매를 사용할 때보다 카본나노튜브의 분산을 향상시킬 수 있다.
상기 카본나노튜브 분산 용액에 사용가능한 극성 용매는 메틸알콜, 에틸알콜, n-프로필알콜, 이소프로필알콜, n-부틸알콜, sec-부틸알콜, t-부틸알콜, 이소부틸알콜, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,2-헥산디올, 및 1,6- 헥산디올로 이루어진 군으로부터 선택할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 카본나노튜브는 단일벽 카본나노튜브, 이중벽 카본나노튜브, 다중벽 카본나노튜브 및 다발형 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다.
또한, 상기 카본나노튜브 분산 용액에서, 상기 카본나노튜브와 분산제의 혼합중량비는 1:0.1 내지 1:100인 것이 적당하다. 여기에서, 상기 카본나노튜브 분산 용액은 카본나노튜브 0.01 내지 10 중량%, 분산제 0.001 내지 50 중량% 및 수성액체매질 40 내지 99.989 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
전술한 발명의 구성에 의해서, 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 3차원 세포 배양 구조물은 소정 크기 및 배열의 세공들을 가지는 다공질의 3차원 세포 배양 구조물을 제공하는 효과가 있다.
아울러 본 발명에 따른 상기 구조물의 제조 방법은 의도에 따라 상기 구조물의 세공(pore)의 크기 및 배열을 제어할 수 있는 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
상기한 발명의 특징들은 2종 이상의 다른 크기와 기능을 가지는 세포를 3차원적으로 배양하여 인공 조직(artificial tissue)을 구성할 수 있게 하는 효과가 있다. 따라서, 본 발명은 일 예로 인공 혈관의 조성 등에 응용이 가능한 3차원 세포 배양 구조물 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 세포 배양 모니터링 장치는 상기 3차원 세포 배양 구조물을 이용한 것으로서, 기존의 모니터링 장치가 바닥에 붙어 자라는 세포들만을 모니터링할 수 있는 2차원 세포 배양구조물이었다는 점을 보완하고, 배양 면적을 극대화 시킬뿐만 아니라, 전기 전도성 및 민감도에서 우수한 물질을 사용함으로써 세포 배양의 정도에 따라 전기적 신호를 제공하여 정량적인 분석을 가능하게 하는 3차원 세포 배양 모니터링 장치를 제공하는 효과가 있다.
Claims (21)
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- 미리 정해진 크기 및 형상을 갖는 다수의 고체 입자를 쌓는 단계;카본나노튜브 분산 용액을 이용하여 상기 고체 입자들 사이사이에 카본나노튜브 조각들을 분산시키는 단계; 및카본나노튜브 조각들이 사이사이에 분산된 고체 입자 적층물로부터 상기 다수의 고체 입자를 제거하는 단계를 포함하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 고체 입자는 그 형상이 구형 또는 계란형인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 다수의 고체 입자는 그 크기가 서로 다른 여러 그룹의 고체 입자들로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,다수의 고체 입자를 쌓는 단계에서, 상기 여러 고체 입자 그룹들 중에서 상대적으로 크기가 작은 고체 입자 그룹이 아래쪽에, 상대적으로 크기가 큰 고체 입자 그룹이 위쪽에 배치되도록 쌓는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
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- 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 고체 입자는 가연성 수지 비드인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제10항에 있어서,상기 다수의 고체 입자를 제거하는 단계에서, 하소(calcination) 공정에 의해 다수의 가연성 수지 비드를 제거하는 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 하소 공정의 온도는 상기 가연성 수지 비드가 휘발되는 최저 온도보다 높고, 상기 카본나노튜브 조각들의 열 변성이 시작되는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,상기 카본나노튜브 분산 용액은,다량의 카본나노튜브 조각들;수성 용매; 및하기의 [화학식 1] 내지 [화학식 6] 중 어느 하나로 표시되는 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 배양 구조물의 제조 방법.[화학식 1](CF3 (CF2)a CH2 CH2 O)x PO(OR´)y (OCH2 CH2 OH)z상기 식중, a는 1 내지 30의 정수이고, R´는 H, NH4 , Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택되고, x+y+z=3 , x≠0 및 y≠0이다.[화학식 2]CF3 (CF2)a CH2 CH2 SCH2 CH2 R상기 식중, a는 1 내지 30의 정수이고, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.[화학식 3](CF3 (CF2)a CH2 CH2 O) PO(OR´) (OCH2 CH2 (CF2)b CF3)상기 식중, a 및 b는 서로 독립적으로 1 내지 30의 정수이고, R´는 H, NH4 , Li, Na 및 K로 이루어진 군으로부터 선택된다.[화학식 4]CF3 (CF2)a CH2 CH2 R상기 식중, a는 1 내지 30의 정수이며, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.[화학식 5]CF3 (CF2 CFR)a CF3상기 식중, a는 50 내지 160의 정수이며, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.[화학식 6]CF3 [(CF2 CF2)a (CF2 CF (OCF2 CF (CF3) OCF2 CF2 R)]x CF3상기 식중, a는 0 내지 4의 정수이고, x는 45 내지 160의 정수이며, R은 카르복실산이나 그의 염, 인산이나 그의 염, 술폰산이나 그의 염으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
- 제13항에 있어서,상기 수성 용매는 물 또는 물과 1종 이상의 극성 용매의 혼합물인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
- 제14항에 있어서,상기 극성 용매는 메틸알콜, 에틸알콜, n-프로필알콜, 이소프로필알콜, n-부틸알콜, sec-부틸알콜, t-부틸알콜, 이소부틸알콜, 에틸렌글리 콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,5-펜탄디올, 1,2-헥산디올, 및 1,6-헥산디올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 세포 배양 구조물의 제조 방법.
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