KR101107242B1 - 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물, 상기 혼합조성물로 이루어진 발열구조체 및 이를 이용한 생물학적 또는 화학적 반응방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 인가 교류 자장에 의해 열을 발생시킬 수 있는 자성 입자(magnetic particle), PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물, 상기 혼합조성물로 만들어지고 외부 인가 교류 자장에 의해 열을 발생시킬 수 있는 발열구조체, 및 상기 발열구조체를 이용한 생물 화학 반응 방법에 관한 것이다.

본 발명의 혼합조성물은 고분자 수지를 포함하여 다양한 크기와 패턴을 가진 소자를 제작할 수 있고, 상기 혼합조성물로 만들어진 발열구조체는 자성 입자를 포함하여 외부 인가 교류자장에 의해 별도의 열원 없이 자체적으로 열을 발생시키는 특성을 가지고 있어, 유전자 증폭을 비롯한 다양한 생물 및 화학 실험에 응용 가능하다.

폴리디메틸실록산, 자성 입자, 히터, 교류 자장, 마이크로칩

Description

자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물, 상기 혼합조성물로 이루어진 발열구조체 및 이를 이용한 생물학적 또는 화학적 반응방법{COMPOSITION OF MAGNETIC PARTICLE AND POLYMER HAVING SILICON GROUP, HEATING ELEMENT MADE FROM THE COMPOSITION, AND BIOLOGICAL OR CHEMICAL REACTIONS USING THEREOF}

본 발명은 외부 인가 교류 자장에 의해 열을 발생시킬 수 있는 자성 입자(magnetic particle)와 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물, 상기 혼합조성물로 만들어진 외부 인가 교류 자장에 의해 열을 발생시킬 수 있는 발열구조체, 및 상기 발열구조체를 이용한 생물학적 또는 화학적 반응 방법에 관한 것이다.

자성체를 이용하여 바이오 관련 연구용 소재 및 바이오 의료에 응용하는 연구가 최근에 많이 시도되고 있다.

특히 바이오 물질 분리용 소재 및 의료 소재로의 이용 연구가 많이 되고 있는데, DNA 및 RNA의 분리정제, 단백질 및 아미노산의 분리정제, 바이오 센서, 약물 전달시스템(Drug Delivery System), 자기공명영상(MRI) 조영제 및 국소온열치료 등에 사용이 가능하도록 자성입자에 유기기능성 화합물로 코팅하는 기능성 실란 코팅 자성입자들이 연구되고 있다.

자성 입자는 입자 자체가 자기장을 가지고 있지는 않지만 자기장에 노출되었을 때는 자기쌍극자를 형성하는 물질을 의미한다. 자성 입자의 물리화학적 성질은 그 크기, 자화 정도, 표면 형상 등으로 특징지어진다. 자성 입자는 외부 자기장을 이용해 조작할 수 있는 특징을 지녀 여러 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 자성 입자 중에서도 상자성이나 초상자성을 지니는 입자들은 외부 자기장에 반응하며, 특히 초상자성 입자들은 유전자 전달, MRI(magnatic resonance imaging), 조직 복구, 해독 등의 다양한 생의학 분야에 응용되고 있다. 자성 입자는 교류 자장 내에서 자성 입자의 교류 자장을 가했을 때 자화손실에 의해 자체 열(self-heating)을 발생시키는 특징이 있다. 이러한 자성 입자의 특성을 이용한 자성 입자의 생체 치료로의 응용의 또 하나의 예로서, 자성 스핀 에너지를 이용한 고온 치료를 들 수 있다(US 6,530,944 B2, US 5,411,730). 자성 입자는 외부에서 라디오주파수의 교류전류를 흘려주면 스핀 플립핑(flipping) 과정을 통해 열을 방출하게 된다. 이때 입자 주변의 온도가 40℃ 이상이 되면 세포가 높은 열에 의해 죽게 되어 질병 세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있다.

열의 흡수 및 방출등 열순환과 관련된 생물학적 또는 화학적 다수 존재하며, 이중 대표적인 것은 중합효소 연쇄반응(PCR 반응)이다.

상기 중합효소 연쇄반응에서는 세 단계의 중합효소 반응이 일어나며, 첫번째는 DNA의 변성(Denaturation), 두번째는 프라이머(Primer)의 결합(Annealing), 세번째는 DNA의 합성(Polymerization)이 계속 반복하여 진행되면서 원하는 DNA의 부분을 증폭시키게 된다.

첫번째 과정인 DNA의 변성에서는 90-95℃로 가열하여 더블 스트랜드DNA(double strand DNA)를 싱글 스트랜드 DNA(single strand DNA)로 분리시키게 된다. 두번째 과정인 프라이머의 결합과정은 40-60℃로 진행되며, 염기간에 G와 C는 세군데에서 수소결합이 일어나고, A와 T는 두군데에서 결합이 일어나므로 G+C 비율에 따라서 결합온도에 변화를 주어야 한다. 세번째 과정인 DNA의 합성 과정은 70-75℃에서 시행되며, 원하는 중합효소 연쇄반응 산물의 크기가 크거나 반응요소의 농도가 낮을 때에는 시간을 연장시키는 것이 좋다.

상기 과정을 진행하기 위한 중합효소 연쇄반응 기계는 실험자가 원하는 온도 및 시간, 그 외의 변화를 설정 입력하면,이에 따라서 작동하게 된다. 상기 중합효소 연쇄반응 기계의 1회전(cycle)은 디엔에이의 변성온도, 프라이머의 결합온도, 디엔에이의 합성온도로 구성되며 일반적으로 30회전 하게 된다. 이와 같은 종래 중합효소 연쇄반응 기계는 4단계의 온도를 단계별로 제공하게 되며, 1단계는 10분 동안 99℃의 온도로, 2단계는 1분동안 93℃ 내지 97℃의 온도로, 3단계는 1분동안 40℃ 내지 60℃ 온도로 진행되며, 4단계는 1분동안 70℃ 내지 75℃의 온도로 진행 하게 된다. 그리고, 다시 2단계로 돌아가서 4단계까지 반복하게 되며, 보통 30회 정도 반복한 후에 마지막 단계로 10분동안 70℃ 내지 75℃의 온도로 진행된다.

상기에서 기술된 중합효소 연쇄반응 기계의 구성을 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 중합효소 연쇄반응을 이루기 위한 재료가 들어간 튜브(1)는 상측에 소정 갯수의 장착홈(3)이 형성된 샘플플레이트(Sample plate)(5)에 장착되며, 상기 샘플플레이트(5)와 접하여 하측에는 열원플레이트(7)가 설치된다. 상기 열원플레이트(7)는 제어부(9)와 연결되어 있으며, 상기 제어부(9)의 신호에 의하여 각 단계별로 다른 온도와 작동 시간을 제공하게 된다. 상기와 같은 종래 중합효소 연쇄반응 기계는 상기 열원플레이트(7)에 열선이 들어가게 되며, 작동시 상기 샘플플레이트(5)를 단순 가열하게 된다.

이러한 PCR 장치에 사용되던 샘플플레이트(5)는 표준사진공정과 식각공정이 손쉽게 적용될 수 있는 재료인 실리콘과 유리를 이용해서 만들어졌다. 그러나, 실리콘은 PCR 반응을 저해해서 증폭 효율을 낮추고, 높은 열전도도로 인해서 에너지 손실이 높았다. 또한 미세유체 흐름을 이용한 PCR 칩의 경우에는 세 개의 다른 온도구간을 유지하기 위한 절연층이 필요하므로 칩 설계가 복잡해지는 단점이 있었다. 실리콘의 대체물질로 유리가 각광받았으나, 그 가공 단가가 비싸서 일회용으 로 제작될 수 없다는 한계가 있었다.

1990년대 이후로 PDMS 등의 고분자 수지는 실리콘이나 유리의 단점을 보완하기 위하여 PCR을 비롯한 미세 유체 채널 칩의 샘플플레이트를 성형하는 데에 폭넓게 사용되었다. 고분자는 높은 한계 인장률을 가져 높은 변형에도 견딜 수 있는 높은 기계적 성질을 가지고 있으며, 소재 자체와 소재에 대한 가공비가 저렴하여 비용을 절약할 수 있다. 실리콘 기판은 주로 웨이퍼 형태를 가지며 크기가 증가하면 제조 단가가 급격히 증가하나, 고분자 소재 기판은 낮은 가격으로도 크기의 제한 없이 이용이 가능했다. 또한, 실리콘의 표면은 가공으로 인하여 구현할 수 있는 디멘전의 제약이 있었으나, 고분자는 주조, 몰딩, 화학 기상 증착, 엠보싱, 스프레이, 스크린 프린팅, 후막 공정, 스테레오 리소그라피 등 다양한 공정을 이용하여 디멘전의 제약 없는 소자를 구성할 수 있었다. 뿐만 아니라 고분자는 화학적, 구조적, 생체학적으로 다른 소재 시스템에서 갖지 않는 독특한 기능성 즉, 우수한 광학적 특성, 탄성력, 생체적합성 등의 성질로 인하여 PCR을 수행하기 위한 마이크로 칩을 제조하는 데 주로 사용되어왔다.

그러나, 종래 고분자로 만들어진 상기 샘플플레이트를 열원플레이트에 의해 하부에서만 단순 직접 가열하게 되면, 상기 튜브(1) 안에 담겨진 용액에 제공되는 온도가 불균일하게 되어, 단일 샘플플레이트(5)에 장착된 튜브(1)에 들어간 용액도 서로 다른 온도로 가열되는 것에 의하여 정밀한 측정값을 얻기가 어렵게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신속하면서도 정확한 온도 조절이 가능한 발열구조체를 만들 수 있는 조성물, 상기 조성물로 만들어진 발열구조체 및 상기 발열구조체를 이용한 생물학적 또는 화학적 반응 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물을 제공한다.

본 발명의 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물에 사용되는 자성 입자는 Fe₃O_{4 ,}Fe₂O₃, 알루미늄(Al), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석, 아연, 카드뮴, 마그네슘, 구리, 바륨, 리튬 및 이트륨의 산화물로 이루어진 군에서 하나 또는 복수개의 조합으로 선택될 수 있으며, 이중 바람직하게는 Fe₃O₄ 또는 Fe₂O_3, 더욱 바람직하게는 Fe₃O₄가 선택될 수 있다.

본 발명의 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물에 사용되는 실리콘계 고분자 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타아크릴레이 트(PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리사이클릭 올레핀(polycyclic olefine), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 하나 또는 복수개의 조합으로 선택될 수 있다. 이중 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 선택될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS)이 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물에는 상기 자성 입자가 전체 혼합조성물 대비 1 ~ 50 질량 %의 농도로 혼합될 수 있으며, 이중 바람직하게는 5 ~ 15 질량% 가 선택될 수 있다.

본 발명은 이와 같은 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물을 성형하고 경화하여 만들어진 발열 구조체를 제공한다. 상기 발열 구조체의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 챔버형 칩, 미세 유체 채널 칩, 어레이형 칩 및 상기 미세 유체 채널 칩을 이용한 어레이형 칩의 형상으로 만들어질 수 있다. 또한, 상기 발열 구조체는 상기 챔버형 칩, 연속 흐름식 채널 칩 및 어레이형 칩을 이용한 LOC(Lab-on-a chip)에 사용될 수 있다. 상기 발열구조체는 마이크로 히터, 히팅 블록 및 항온조로 이용될 수 있다. 종래 PCR 장치 및 DNA 추출장치에서 사용되는 멀티 웰 플레이트 형상의 히팅 블록 및 히팅 커버도 이에 포함된다.

본 발명은 상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 상기 발열구조체가 외부에 자기장을 인가할 경우 자체적으로 발열한다는 특성을 이용하여, 상기 발열 구조체를 사용하는 생물학적 또는 화학적 반응 방법을 제공한다. 상기 생물학적 또는 화학적 반응은 특별히 제한되지는 않으며, 효소반응, PCR(유전자 증폭반응), LCR(리가제 연쇄반응), 혼성화 반응, DNA 칩 PCR, in situ PCR 및 세포 배양이 포함된다.

상기 생물학적 또는 화학적 반응 방법은 i) 2.5 내지 3.0kA/m의 교류자장을 인가하여 상기 혼합조성물을 약 93℃ 내지 97℃로 승온시킨 후 1.0 내지 2.0kA/m의 교류자장을 더 인가하여 93℃ 내지 97℃ 를 유지하는 DNA의 변성 단계; ii)교류자장을 인가하지 않음으로서 상기 혼합조성물을 40℃ 내지 60℃로 내려준 후 0.5 내지 1.5kA/m의 교류자장을 인가하여 40℃ 내지 60℃ 온도를 유지하는 어닐링 단계; 및 iii)2.5 내지 3.0kA/m 의 교류자장을 인가하여 70℃ 내지 75℃로 승온시킨 후 1.2kA/m의 교류자장을 인가하여 70℃ 내지 75℃를 유지시키는 유전자 증폭 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR(유전자 증폭반응) 방법이 포함된다.

이하 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자성 입자가 외부 자기장 인가시 스스로 발열하는 성질을 이용한 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물, 상기 혼합조성물로 만들어진 발열구조체 및 상기 발열 구조체를 이용한 생물학적 또는 화학적 반응 방법에 관한 것이다.

자성 입자는 입자 자체가 자기장을 가지고 있지는 않지만 자기장에 노출되었을 때는 자기쌍극자를 형성하는 물질을 의미한다. 자성 입자의 물리화학적 성질은 그 크기, 자화 정도, 표면 형상 등으로 특징지어진다.

본 발명의 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물에 사용되는 자성 입자는 산화철(Fe₃O₄ 또는 Fe₂O₃) 및 알루미늄(Al), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 바륨(Ba), 리튬(Li) 및 이트륨의 산화물로 이루어진 군에서 하나 또는 복수개의 조합으로 선택될 수 있으며, 이중 바람직하게는 Fe₃O₄ 또는 Fe₂O₃ 가 선택될 수 있다. 더욱 바람직하게는 Fe₃O₄가 선택될 수 있다. 자적철석(Fe₂O₃) 또는 자철광(Fe₂O₃)등의 산화철 입자들은 마이크로미터 크기일 때에는 강자성을 띠지만, 미터 크기의 작은 입자들은 초상자성을 띤다. 이러한 입자들은 합성이 쉽고, 크기를 쉽게 조절할 수 있으나, 바람직하게는 입자는 평균 입자 직경이 100nm 이하, 바람직하게는 50nm 이하, 특히 바람직하게는 30nm 이하이다. 바람직하게는 평균 입자 직경은 1　내지　40nm, 더욱 바람직하게는 3　내지 30nm, 특히 바람직하게는 5　내지　25nm 범위이다.

본 발명의 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물에 사용되는 실리콘계 고분자 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타아크릴레이 트(PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리사이클릭 올레핀(polycyclic olefine), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 하나 또는 복수개의 조합으로 선택될 수 있다. 이중 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 선택될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리디메틸실록산(PDMS)이 선택될 수 있다. 이들 실리콘계 고분자 수지는 하나 또는 복수개의 조합으로 사용될 수 있으며, 또한, 각 물질의 특징을 살려서 단일 물질이 아닌 두 개 이상의 물질을 결합한 하이브리드 칩의 사용이 가능하다. 폴리디메틸실록산(PDMS)은 230 nm 파장까지의 광학적 투명성, 생체적합성, 탄성력, 무독성, 가스투과성/용액비투과성 등의 성질로 인하여 상기의 혼합조성물을 형성하는 데 사용될 수 있으며, 표면의 소수성으로 인하여 이를 친수성으로 변환시키고자 플라즈마 처리 기법이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지로 구성된 혼합조성물에는 상기 자성 입자가 전체 혼합조성물 대비 1 ~ 50 질량 %의 농도로 혼합될 수 있으며, 이중 바람직하게는 5 ~ 15 질량 %가 선택될 수 있다. 자성 입자의 농도가 1 % 미만이면 교류자장에 의해 자기장이 유도되어 발열하는데 시간이 많이 소요되는 문제가 있고, 50 질량 %를 초과하면 발열구조체로 성형이 잘 되지 않는다.

본 발명은 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지의 조성물과 인가된 외부 교류자장에 의해 열원을 발생시키는 것을 특징으로 하는 상기 조성물을 열경화시켜 만 든 발열구조체에 관한 것이다.

상기 발열구조체는 상기 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지의 조성물을 재료로 일반적인 성형 과정으로 원하는 형상으로 만들어질 수 있다. 즉, 수지 조성물을 가열해서 용융시키고, 용융 상태의 합성수지재료를 소정의 형상의 성형품으로 성형하든가, 또는 용융 상태의 합성수지를 압출성형해서 성형용 소재를 얻은 후 그 성형용 소재를 소정의 형상으로 성형품으로 성형하는 것이 가능하다. 또한, 스탬핑, 프레스 성형등으로 원하는 발열 구조체를 성형하는 것도 가능하다.

상기 발열 구조체의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 챔버형 칩, 미세 유체 채널 칩, 어레이형 칩 및 상기 미세 유체 채널 칩을 이용한 어레이형 칩의 형상으로 만들어질 수 있다. 또한, 상기 발열 구조체는 상기 챔버형 칩, 연속 흐름식 채널 칩 및 어레이형 칩을 이용한 LOC(Lab-on-a chip)에 사용될 수 있다.

이와 같은 발열구조체는 마이크로 히터, 히팅 블록 및 항온조, 세포배양기로 이용될 수 있다. 종래 PCR 장치 및 DNA 추출장치에서 사용되는 멀티 웰 플레이트 형상의 히팅 블록 및 히팅 커버도 이에 포함된다.

상기 챔버형 칩 형태는 자성 입자와 실리콘계 고분자 수지의 농도가 하나로 고정된 것으로, 상기의 챔버형 칩은 PCR에서 PCR 용액이 정지된 상태로 있고 PCR 반응기의 온도가 세가지 다른 온도로 반복되는 전통적인 PCR 기기와 같은 방식으로 작동한다.

상기 미세 유체 채널 칩은 서로 다른 세 가지 온도와 세 가지 다른 자성 입자의 농도로 구성된 것으로 시간-공간 전환 개념을 구현할 수 있다. 즉 유속을 조절하여 반응물이 특정 부피의 채널 안에 체류하는 시간을 조절할 수 있다. 이런 형태의 칩에서는 PCR 반응 용액이 정지된 챔버에 담겨 있는 것이 아니라 세 가지 다른 온도 구역을 지속적, 그리고 반복적으로 지나는 미세 채널을 통과하면서 증폭을 수행한다.

상기 어레이형 칩은 바이오에세이를 위해 수백 수천 종의 다양한 분자 프루브를 기판 위에 고정화함으로써 2차원 또는 3차원 구조의 어레이를 형성하는 것을 가능하게 한다. 이를 통해 각각의 어레이로부터 재현성 있는 대량의 정보를 분석가능하도록 한다.

본 발명은 또한, 상기 발열구조체의 자체 발열특성을 이용한 생물학적 또는 화학적 반응 방법을 제공한다. 다양한 효소반응, PCR(유전자 증폭반응), LCR(리가제 연쇄반응), 혼성화 반응, DNA 칩 PCR, in situ PCR 및 세포 배양 등 반응과정에서 열을 흡수하는 다양한 생화학 반응이 존재하며, 본 발명의 발열 구조체는 이러한 생물학적 또는 화학적 반응에 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 발열 구조체는 RCA(rolling circle amplification), LRCA(linear rolling circle amplification), ERCA(exponential rolling circle amplification), 3SR(self-sustained sequence replication), NASBA(nucleic acid sequence based amplification) 및 SDA(strain displacement amplification)등을 하는데 이용될 수 있다. 또한, 상기의 미세 유체 채널을 이용한 어레이형 칩을 통해 DNA의 응용을 목적으로 한 PCR, DNA hybridization, 전기영동 뿐만 아니라, 기본적인 원리를 통해 단백질에의 응용도 가능하다. 단백질에의 응용은 단백질 발현 정보에 있어서의 바인딩 특성 및 대용량 항체 스크리닝 또는 항원-항체 반응, 효소 타깃 및 단백질-저분자 반응 등을 포함한다. 뿐만 아니라 본 발명은 DNA 및 단백질 뿐만 아니라 세포 연구도 가능하다. 세포의 어레이의 응용분야는 세포간의 상호작용, 세포를 인위적으로 감염시켜 세포 기능 및 신진대사를 조사, 독성 물질의 감지 및 대용량 스크리닝에 대해 응용이 가능하다.

이중 PCR 반응이 대표적이며, 본원 발명의 조성물로 만들어진 발열 구조체에 i) 3kA/m의 교류자장을 6 초 동안 인가하여 상기 혼합조성물을 약 95℃로 승온시킨 후 1.7kA/m의 교류자장을 더 인가하여 95℃를 10 초간 유지하는 DNA의 변성 단계; ii) 30초간 교류자장을 인가하지 않음으로서 상기 혼합조성물을 55℃로 내려준 후 0.9kA/m의 교류자장을 10 초간 인가하여 55℃를 유지하는 어닐링 단계; 및 iii)3kA/m의 교류자장을 4초간 인가하여 72℃로 승온시킨 후 1.2 kA/m의 교류자장을 10 초간 인가하여 72℃를 유지시키면서 PCR 반응을 진행할 수 있었다.

본 발명은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 실리콘계 고분자 수지와 자성 입자(magnetic particle)로 구성된 혼합조성물을 이용해 다양한 크기와 패턴을 가진 소자를 제작할 수 있었고, 자성 입자가 교류자장에 의해 자체 열원을 발생시켜서 발열구조체로 PCR을 비롯한 생화학적 실험에 응용이 가능하다.

본 발명은 기존의 열전도 방식처럼 온도 컨트롤이 용이하면서, 빠른 시간 내에 온도를 상승시킬 수 있는 비접촉식 온도 상승 장치의 개발을 위해, 열소자에 배선을 직접 연결하여 온도를 조절하는 것이 아니라, 교류자장을 목적 주변 물질에 인가함으로서 비접촉식 방식으로 열을 발생시켜서, 빠른 속도로 승온 속도의 조절이 가능하고 에너지 소모를 조절할 수 있다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 자성 입자와 실리콘계 고분자(PDMS) 수지 혼합조성물 및 챔버형 발열 구조체의 제작

<실시예 1-1> 자성 입자와 실리콘계 고분자(PDMS) 수지 혼합조성물의 제조

본 실시예 1-1 에서는 자성 입자와 실리콘계 고분자를 수지로 구성된 혼합조성물을 제조하였다.

초상자성 입자 Fe₃O₄ 3.5g(Nanostructured & Amorphous Materials, Inc., USA)을 액상 폴리디메틸실록산(PDMS)과 경화제 혼합물(Sylgard184 silicone elastomer kit, Dow Corning Corporation, USA) 31.5 g(28.7g: 2.8g, 10: 1 중량비)에 혼합하여 총 35g을 만든다. 만들어진 혼합물을 잘 혼합시킨다.

만들어진 자성 입자-PDMS 혼합 조성물 내에 생성된 기포들을 제거 하기 위해서 상기의 혼합조성물을 진공 상태(-1 기압)에서 탈기체시켜 액상 혼합물 내에 생성된 기포들을 제거하였다.

상기 방법으로 만들어진 자성 입자-PDMS 혼합조성물을 4인치 지름의 평평한 실리콘 웨이퍼가 담긴 용기 안에 부어 약 3 mm 두께의 자성 입자-PDMS 조성물을 만든 후 80℃ 오븐에서 2시간 동안 가열하여 열경화시켜서 고체상을 형성하였다.

이와 같이 제작된 자성 입자-PDMS 혼합조성물의 단면을 비디오 현미경 (ICS305B, SOMETECH, Korea)과 주사전자현미경(SUPRA 55VP, Cal-zeiss, Germany)으로 관찰하여 이를 각각 도 2a 및 도 2b 에 나타내었다. 도 2a 및 2b에서 보는 바와 같이 자성 입자가 PDMS 내에 고른 분포로 존재함을 확인할 수 있었다.

<실시예 1-2> 챔버형 발열구조체의 제작

본 실시예에서는 자성 입자-PDMS 혼합조성물을 사용하여 발열 구조체를 제작하였다. 발열 구조체는 상기 자성 입자-PDMS 혼합조성물을 몰드에 스탬핑 시켜 원하는 다양한 형태의 크기와 모양을 갖는 발열구조체를 제작할 수 있다. 본 실시예에서는 성형의 편의성을 위해 상기 자성 입자-PDMS 혼합조성물을 평판 형태로 경화시킨 후 이를 접착시키는 방법을 사용하였다.

상기 실시예 1-1의 방법으로 형성된 자성 입자(Fe₃O₄)-PDMS 혼합조성물을 평판 형태의 용기에 있는 실리콘 웨이퍼 위에 붓고 80℃ 오븐에서 2시간 동안 가열하여 열경화시켰다.

만들어진 평판 형태의 경화된 자성 입자(Fe₃O₄)-PDMS 혼합조성물을 1 cm × 1 cm 크기로 절단하여 상판을 형성하고 그 가운데에 구멍을 뚫어 반응 챔버를 형성하였다. 1. 5 cm × 1. 5 cm 크기의 하판 조각을 형성하여 플라즈마를 10초 동안 처리한 후 상ㆍ하 두 개의 조각을 접합시켜서 도 3a 에 나타낸 바와 같은 구조로 제작하였다. 실제 만들어진 구조의 크기를 동전의 크기와 비교하여 도 3b 에 나타내었다.

<실시예 3> 자성 입자-PDMS 발열구조체의 자성 입자의 농도에 따른 열 발생 정도 측정

본 실시예 3 에서는 혼합 조성물에 포함된 자성 입자의 농도를 달리하고, 인가되는 교류 자기장의 세기가 일정하게 하여 각각의 입자의 농도에 따른 발열 정도를 측정하였다.

자성 입자의 농도는 5%, 10%, 15%의 3가지로 다르게 하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 자성 입자-PDMS 혼합조성물 및 구조물을 제작하였다.

제작된 구조물에 인가되는 교류 자장 유도 장치의 주파수는 492 kHz, 교류 자기장 세기가 2.4kA/m인 상태에서 상기 실시예 2에서와 같은 방법으로 적외선 온도 센서를 사용하여 제작된 구조물에서 발생하는 발열량을 측정하였다.

도 4에서 보는 바와 같이 자성 입자의 농도가 증가함에 따라 승온 속도는 증가했고, 자성 입자의 농도가 5%의 경우에 0.64℃/s, 10%의 경우에 1.53℃/s, 15%인 경우에 승온 속도는 4.09℃/s로 가장 빠른 속도를 나타내는 것을 관찰할 수 있었다.

<실시예 4> 자성 입자-PDMS 발열구조체의 인가되는 자기장 세기에 따른 발열 정도 측정 시험

본 실시예 4에서는 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 자성 입자가 10 질량% 함유된 자성 입자-PDMS 혼합조성물 및 구조물을 제작하여, 인가되는 교류 자기장의 세기를 변화시켜가면서 교류 자기장 세기의 변화에 따른 발열 정도를 측정하였다.

주파수는 492 kHz로 일정하게 유지한 상태에서 교류 자기장의 세기를 0-3 kA/m (약 0-40 Oe)까지 변화시키면서 자기장 세기 변화에 따른 반응 챔버 안의 온도 변화를 적외선 온도 센서를 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 도 5로 나타내었다.

도 5에서 보는 바와 같이 자기장의 세기가 3 kA/m일 경우, 자기장을 인가하고 30초 경과 후 구조물의 표면 온도가 150℃ 이상을 나타내었다. 이때 승온 속도는 4.08℃/s를 나타낸다. 또, 자기장의 세기가 2.4 kA/m의 경우 1.53℃/s, 1.8 kA/m 의 경우 0.49℃/s의 승온속도를 나타내었다.

<실시예 5> 챔버형 칩으로 구성된 발열구조체를 이용한 유전자 증폭

<실시예 5-1 > 유전자 증폭 실험을 위한 온도 조절 시험

본 실시예 5-1에서는 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 제작된 자성 입자-PDMS 혼합조성물 및 챔버형 발열구조체를 사용하여 인가되는 교류 자기장의 세기를 변화시켜가면서 유전자 증폭(polymerase chain reaction; PCR)실험을 위한 온도 조절 시험을 하였다.

상기 실시예 1에서 제작된 혼합 조성물 및 반응 용기를 사용하였으며, PCR 에 사용되는 온도 싸이클, 즉, 95℃, 55℃, 72℃ 로 순환가능한지 여부를 확인하기 위하여 인가되는 교류 자기장의 세기를 i)1.7kA/m의 교류자장 10초, ii) 1.2kA/m의 교류자장 10초, iii)0.9kA/m의 교류자장 10초를 인가함에 따른 발열 구조체의 온도 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

3kA/m의 교류자장을 10초 동안 인가하였을 때 상기 온도가 약 95℃가 되었으며, 1.7kA/m의 교류자장을 10초간 인가하여 95℃의 온도를 유지하였다. 이후, 외부에서 교류 자기장을 인가하지 않아 상기 혼합조성물의 온도가 55℃로 내려갔으며, 내부 온도가 55℃가 되었을 때 0.9kA/m의 교류자장을 가하여 55℃를 유지하였다. 다시, 3kA/m의 교류자장을 인가하여 72℃의 온도로 승온시킨 후 1.2kA/m의 교류자장을 가하여 72℃의 온도를 유지하였다.

본 실시예를 통하여, 상기 발열 구조체는 인가되는 외부 교류 자장에 의해 자체 열을 발생할 뿐만 아니라, 인가되는 외부 교류 자장의 크기 및 인가 시간 등을 조절함으로써 목적 온도의 컨트롤이 가능함을 알 수 있다.

<실시예 5-2> 유전자 증폭(polymerase chain reaction; PCR)실험

본 발명의 발열 구조체를 적용하여 상기 실시예 5-1의 인가 교류 자장 시스템을 적용하여 유전자 증폭(polymerase chain reaction; PCR)실험을 실제로 수행하였다.

시험에 이용된 PDMS에 대한 자성 입자의 농도는 10% 이며, 교류 자장의 주파수는 492 kHz로 일정하게 유지한 상태에서, 상기 실시예에서 확인한 온도 조건을 이용하여, 교류 자기장 세기를 0.9-3kA/m 내에서 조절 하여 목적 온도를 조절하였다. 또한, 자기장의 세기를 컨트롤함으로서 목적 온도에서 일정시간 유지할 수도 있었다. 상기의 DNA 변성, 어닐링, 중합과정은 30 싸이클로 하였으며 일반적으로 사용되는 PCR 기계(MJ Research, PTC-200, USA)를 비교예로 하였다.

실험 후 미네랄 오일은 원심분리(100 xg, 1 min)로 제거하였고 결과물을 젤 전기영동법으로 확인한 것이다.

도 7에서 M은 DNA 마커를 나타내고, lane 1은 실험군으로 본 발명을 이용하여 DNA를 증폭한 것이고, lane 2는 비교예로, 일반적인 PCR 기계를 이용하여 유전 자를 증폭한 것이다. 도 7은 자성 입자-PDMS 혼합조성물로 이루어진 발열구조체에 의한 유전자(732 bp) 증폭이 비교예와 마찬가지로 매우 성공적으로 이루어짐을 확인할 수 있었다.

따라서, 본원 발명의 발열 구조체를 PCR 장치에 응용가능함을 알 수 있으며, 이때 가능한 PCR 장치의 개략도는 도 8과 같다.

<실시예 6> 미세 유체 채널 칩

도 9는 본 발명의 발열 구조체를 적용할 수 있는 또 다른 실시예로서, 미세 유체 채널 칩으로 구성된 발열구조체를 나타내는 모식도이다.

미세 유체 채널 칩에서는 유속을 조절하여 반응물이 특정 부피의 채널 안에 체류하는 시간을 조절한다. 이런 형태의 칩에서는 PCR 반응 용액이 정지된 챔버에 담겨 있는 것이 아니라, 세 가지 다른 온도 구역을 지속적, 그리고 반복적으로 지나는 미세채널을 통과하면서 증폭을 수행한다.

본 발명의 발열 구조체를 적용한 미세 유체 채널 칩에서는 서로 다른 세 가지 온도(가', 나', 다')가 필요한 부분에 대해 자성 입자의 농도(가, 나, 다)를 달리하여 미세 유체 채널 칩을 만들 수 있다.

<실시예 7> 어레이형 칩으로 구성된 발열구조체

도 10과 도 11은 본 발명의 발열 구조체를 적용할 수 있는 또 다른 실시예로서, 본 발명의 발열구조체가 포함된 일체형 랩온어 칩(LOC)을 나타내는 모식도이다.

도 10은 상기 발열구조체가 포함된 일체형 랩온어 칩으로서 다양한 기능과 방식을 갖는 미세 구조물과 함께 통합시킬 수 있음을 나타내는 모식도이며, 도 11은 어레이 형태의 마이크로 히터가 포함된 랩온어 칩을 나타낸 도면이다. 본 발명에서는 자성 입자의 농도와 크기를 달리하여 어레이 형태의 마이크로 히터로 이용이 가능하다.

도 1은 종래 사용되던 유전자증폭장치의 개략도이다.

도 2은 자성 입자와 폴리디메틸실록산(PDMS)의 혼합조성물의 단면을 비디오 현미경 및 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.

도 3a, b는 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 자성 입자-PDMS의 혼합조성물로 구성된 챔버형 발열구조체이다

도 4는 10%의 자성 입자와 PDMS 혼합조성물의 자기장 세기에 따른 온도 변화를 나타낸 것이다.

도 5는 자성 입자의 농도에 따른 온도 변화를 나타낸 것이다.

도 6은 실제 PCR을 수행하는데 이용된 자기장 세기 및 온도 프로파일을 나타낸다.

도 7은 자성 입자-PDMS의 혼합조성물을 열원으로 이용하여 유전자 증폭 실험(PCR)을 한 결과이다.

도 8은 자성 입자-PDMS의 혼합조성물을 열원으로 이용하여 유전자 증폭 실험(PCR)에 사용된 PCR 장치의 개략도이다.

도 9은 미세 유체 채널 칩 형태의 발열구조체를 나타내는 모식도이다.

도 10은 발열구조체가 포함된 랩온어 칩을 나타내는 모식도이다.

도 11은 어레이 형의 발열구조체가 포함된 랩온어 칩을 나타내는 모식도이다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
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6. 자성 입자와 폴리디메틸실록산(PDMS)로 구성되는 혼합조성물로 만들어지고, 외부에서 인가되는 자기장에 의해 열을 발생하는 발열 구조체로서,

   상기 자성 입자는 Fe₃O₄ 또는 Fe₂O₃ 이고, 전체 혼합 조성물에 대하여 1 ~ 50 질량 %로 포함되는 것인 발열 구조체.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 발열구조체는 챔버형 칩, 미세 유체 채널 칩, 어레이형 칩 또는 상기 미세 유체 채널 칩을 이용한 어레이형 칩 형태인 것인 발열구조체.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 발열구조체는 LOC(Lab-on-a chip)인 것인 발열구조체.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 발열구조체는 마이크로 히터, 히팅 블록, 멀티 웰 플레이트 형상의 히팅 블록 또는 항온조로 사용되는 것인 발열구조체.
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