KR101540518B1

KR101540518B1 - 코드화된 마이크로캡슐 및 이를 이용하여 제조된 마이크로 어레이

Info

Publication number: KR101540518B1
Application number: KR1020130128747A
Authority: KR
Inventors: 권성훈; 송영훈; 권태홍; 이대원; 김준회
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-07-31
Also published as: KR20150048541A

Abstract

포함된 타겟물질의 종류에 따라 코드화된 마이크로캡슐로서, 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core); 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가지며, 상기 쉘 표면에 도입된 그래픽 코드를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐이 제공된다.

Description

코드화된 마이크로캡슐 및 이를 이용하여 제조된 마이크로 어레이{Encoded microcapsules and microarray fabricated therefrom}

본 명세서에 개시된 기술은 코드화된 마이크로캡슐 및 이를 이용하여 제조된 마이크로 어레이에 관한 것이다.

약물 스크리닝이란 자연적으로 존재하거나 인공적으로 합성한 다양한 종류의 물질, 약물 후보군(drug candidate)들을 세포와 반응시켜 물질에 의한 세포의 변화를 관찰하여 약물이 될 수 있는 물질을 선별하는 작업을 말한다. 주로 암세포를 선택적으로 제거할 수 있는 항암제를 찾기 위해 현재 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 최근의 유전학(genomics), 단백질체학(proteomics) 및 조합화학(combinatorial chemistry)에서의 큰 발전은 다양한 종류의 약물후보군의 개수를 매우 증가시켰고, 기존 마이크로플레이트(well-plate) 상에서 행해지던 약물 스크리닝으로는 증가하는 약물 후보군 전부를 다루기 힘들다. 이런 배경에서 미세유체 기술이 한번에 사용하는 시료의 양을 매우 줄일 수 있다는 점에서 각광을 받고 있다.

마이크로캡슐 관련 기술의 경우 약물 등을 캡슐화하여 주의의 특정 환경 (온도, pH 등)에서 캡슐이 부서지거나 팽창하면서 내부 약물이 밖으로 빠져나와 외부와 반응하게 되는 약물 전달 (drug delivery) 등의 분야에서 많이 연구되고 있다. 이런 마이크로캡슐 관련 기술이 약물 스크리닝 분야에는 거의 적용이 안되고 있는데 가장 큰 이유로 마이크로캡슐에 새길 수 있는 코드의 개수가 한정되어 있기 때문에 수많은 약물 후보군들을 다 다룰 수 없기 때문이다.

현재 마이크로어레이를 이용한 약물 스크리닝의 경우 대부분 잉크젯 프린터와 같은 장비를 이용하여 어레이 칩 표면에 약물을 분사(spotting) 하는 방법을 이용하고 있으며, 칩에 분사된 약물 어레이의 좌표를 코드로 인식하여 약물과 매칭시키는 방법을 사용하고 있다. 위 기술의 경우 적은 양의 시료를 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 장비의 가격이 비싸고, 약물의 개수를 증가시키기 위해선 프린터의 토너에 약물을 매번 바꾸어 넣어야 하는 번거로움이 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 포함된 타겟물질의 종류에 따라 코드화된 마이크로캡슐로서, 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core); 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가지며, 상기 쉘 표면에 도입된 그래픽 코드를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어, 및 상기 액체 코어를 둘러싸며 광경화성 고분자를 함유한 소수성의 쉘을 구비한 더블 에멀젼을 준비하는 단계; 상기 광경화성 고분자를 경화시켜 코어-쉘 형태의 마이크로캡슐을 형성하는 단계; 및 상기 마이크로캡슐의 경화된 상기 쉘에 패턴화된 에너지를 조사하여 그래픽 코드를 형성하는 단계를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화된 마이크로캡슐들을 마이크로웰들을 구비한 기판에 도입하는 단계; 상기 마이크로웰들 내부에 배치된 상기 코드화된 마이크로캡슐들의 코드들을 판독하는 단계; 상기 마이크로웰들에 분석대상 물질을 도입하는 단계; 및 상기 마이크로웰들 내에 도입된 상기 마이크로캡슐들을 파쇄하여 상기 타겟물질과 상기 분석대상 물질과 반응시키는 단계를 포함하되, 상기 마이크로캡슐은 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core), 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가지며, 상기 쉘 표면에 도입된 그래픽 코드를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐을 이용한 분석방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화된 마이크로캡슐들을 마이크로웰들을 구비한 기판에 도입하고, 상기 마이크로웰들에 조립된 상기 마이크로캡슐들을 파쇄하여 상기 타겟물질이 포함된 상기 마이크로캡슐들 내부의 액체를 방출시켜 얻은 마이크로 어레이로서, 상기 마이크로캡슐은 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core), 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가지고, 상기 쉘 표면에 도입된 그래픽 코드를 포함하는 마이크로 어레이가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 코드화된 마이크로캡슐의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 3은 미세유체 칩을 이용하여 마이크로캡슐을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 패턴된 마스크 및 자외선을 이용한 마이크로캡슐의 코드화 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 광개시제로 사용하는 DMPA의 자외선 조사에 따른 형광 특성을 나타낸다.
도 6은 디지털 마이크로미러 장치(Digital Micromirror Device, DMD)를 이용한 코드화 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 필름결합된 유리 마스크(Film-combined glass mask, FCG mask)를 이용한 대면적 코드화 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 두 가지 방식으로 마이크로캡슐을 양방향 코드화하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 코드의 지속성 시험 결과를 나타낸 결과이다.
도 10은 마이크로웰들을 구비한 기판에 코드화된 마이크로캡슐을 조립하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 11은 마이크로웰의 제조방법으로 각각 (a) PDMS를 이용한 제조방법과 (b) PUA를 이용한 제조방법을 나타낸다.
도 12는 마이크로캡슐 크기에 따라 마이크로웰의 깊이가 적합하게 조절된 마이크로웰의 예들을 나타낸다.
도 13은 다양한 모양의 마이크로웰들을 나타낸 도면이다.
도 14는 마이크로웰에 조립된 마이크로캡슐의 내부 액체를 릴리즈하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 15는 항암제에 의한 세포 사멸 테스트 결과를 나타낸 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들에 대해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 구현예들은 당업자에게 개시된 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 구현예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 코드화된 마이크로캡슐의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)는 코어-쉘 형태의 마이크로캡슐의 구조이고, (b)는 코드화된 마이크로캡슐의 구조를 나타낸다.

코드화된 마이크로캡슐(100)은 포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화되며 전체적으로 코어-쉘 형태를 가진다. 즉 코드화된 마이크로캡슐(100)은 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(liquid core, 110)와 액체 코어(110)를 둘러싼 소수성의 쉘(shell, 120)을 가진다. 또한 쉘(120) 표면에는 그래픽 코드(graphical code, 130)가 도입된다.

코드화된 마이크로캡슐(100)의 액체 코어(110)는 추후 분석대상 물질과 반응을 하는 타겟물질을 함유하는데 상기 타겟물질은 화학적 물질 또는 생물학적 물질을 포함한다. 일례로 상기 화학적 물질은 약물이고, 상기 생물학적 물질은 세포, 분자, 단백질, 박테리아, DNA 및 RNA로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

코어-쉘 구조의 코드화된 마이크로캡슐(100)은 더블 에멀젼을 거쳐 만들어질 수 있다. 더블 에멀젼(doule emulsion)은 에멀젼 액적 내부에 작은 액적을 포함하는 구조를 가지며, 예를 들어 물 액적 내부에 오일 액적이 있는 경우(o/w/o)와 오일 액적 내부에 물 액적이 있는 경우(w/o/w)가 있을 수 있다. 상기 더블 에멀젼은 일반적인 유화장치를 이용하여 두 번의 에멀전화 단계를 거쳐 제조되거나 미세유체 칩을 이용하여 제조될 수 있다. 상기 더블 에멀젼의 내부 액적이 액체 코어(110)가 되고 외부 액적이 쉘(120)로 형성된다.

액체 코어(110)는 상기 타겟물질을 용해하거나 분산시킬 수 있는 친수성의 어떠한 매질로 이루어져도 상관없지만, 생체적합한 물질일 수 있으며, 물 또는 알코올류가 될 수 있다. 바람직한 액체 코어(110)의 형태는 물 액적이다.

액체 코어(110)의 직경은 특별히 제한되지 않지만, 약 50 내지 500㎛m 정도일 수 있다.

쉘(120)은 액체 코어(100)를 둘러싸면서, 액체 코어(110)의 모양을 유지한다. 쉘(120)은 광경화성 고분자의 경화로 만들어질 수 있다. 상기 광경화성 고분자의 종류로 실리콘함유 고분자나 아크릴레이트계 고분자를 포함할 수 있으며, 이들 고분자는 소수성의 강화를 위해 고분자 사슬 내 수소원자가 불소기로 치환되거나 불소함유 고분자와 공중합된 것일 수 있다. 예를 들어 상기 광경화성 고분자는 액체 테프론 물질일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 광경화성 고분자는 퍼플루오로폴리에테르-우레탄 디메타크릴레이트(perfluoropolyether-urethane dimethacrylate)일 수 있다. 쉘(120)은 더블 에멀젼 상태에서 외부 액적에 함유된 광경화성 고분자가 경화되어 이루어지며, 상기 외부 액적에는 광개시제가 더 포함되어 외부의 에너지원, 예를 들어 자외선에 의해 상기 광경화성 고분자의 경화 반응을 통해 쉘(120)을 구성한다. 쉘(120)의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 약 5 내지 50㎛ 정도일 수 있다.

그래픽 코드(130)는 문자 또는 도형으로 이루어질 수 있다. 종래 마이크로캡슐에 코드를 새기는 방법으로는 형광염료(fluorescent dye)나 양자점(quantum dot)과 같은 형광재료 여러 종류를 캡슐을 이루는 물질 또는 캡슐 내부에 담고자 하는 물질과 섞어서 각각의 물질의 형광 세기의 비율을 코드로 사용하는 스펙트럼 코딩(spectral coding) 방법이 주로 행해졌다. 이때 형광 세기의 비율을 코드로 사용하는 스펙트럼 코딩 방식은 표현할 수 있는 코드의 개수가 매우 한정적이어서 약물 스크리닝 등에 필요한 다양한 약물 후보군을 이용하기에는 큰 한계가 있다. 또한, 캡슐 내부에 타겟물질과 함께 형광 물질을 섞어주는 경우, 사용하고자 하는 캡슐 내부 물질의 상태에 영향을 미칠 수 있다.

그래픽 코드(130)는 형광 물질을 함유할 수 있다. 상기 형광 물질은 발색단을 구비한 광개시제로부터 유래된 것일 수 있다. 예를 들어, 그래픽 코드(130)를 쉘(120)에 새기기 위해 패턴화된 에너지원을 조사하면 조사된 영역에 함유된 광개시제의 형광 세기가 증가하게 된다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법이 제공된다. 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.

도 2를 참조하면, 단계 S1에서, 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어, 및 상기 액체 코어를 둘러싸며 광경화성 고분자를 함유한 소수성의 쉘을 구비한 더블 에멀젼을 준비한다. 상기 마이크로캡슐의 껍질(쉘) 부분에 해당되는 물질은 액체 테플론 계열의 화합물과 같이 소수성을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 한편 캡슐 내부 물질의 경우 친수성을 갖는 다양한 물질로 제작이 가능하다.

단계 S2에서, 상기 광경화성 고분자를 경화시켜 코어-쉘 형태의 마이크로캡슐을 형성한다. 상기 광경화성 고분자의 경화는 자외선에 의해 수행될 수 있다. 그리하여 고체화된 껍질(shell)이 내부 액체를 캡슐화하게 된다.

단계 S3에서, 상기 마이크로캡슐의 경화된 상기 쉘에 패턴화된 에너지를 조사하여 그래픽 코드를 형성한다.

상기 소수성의 쉘은 상기 패턴화된 에너지원의 조사에 따라 형광 특성이 강화되는 광개시제를 함유할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 광개시제는 자외선을 받으면 광분해 되어 일부 광분해 산물은 라디칼 반응을 통해 광경화성 고분자를 경화시키고, 일부의 광분해 산물은 형광 특성을 띄게 된다. 자외선을 많이 조사할수록 광분해되는 정도가 커져 형광 특성을 가지는 광분해 산물의 양이 많아져 형광 세기가 증가하게 된다. 상기 광개시제는 광경화 및 코딩을 위한 것으로서, 예를 들어 전체 쉘 중량 대비 1~5중량%의 광개시제를 광경화성 고분자와 함께 섞어줌으로서, 자외선에 의해 캡슐이 고체화되고 코드 또한 가질 수 있게 된다.

상기 광개시제로 사용되는 물질의 예는 자외선과 같은 외부 에너지원에 의해 분해될 수 있는 모이어티(moiety)를 구비하는 동시에 분해 후 형광을 발할 수 있는 발색단을 구비할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 상기 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논일 수 있다.

상기 더블 에멀젼을 준비하는 단계는 소수성 표면을 갖는 채널 영역과 친수성 표면을 갖는 채널 영역을 구비한 미세유체 칩을 이용하여 수행될 수 있다. 미세유체 칩은 예를 들어, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)으로 만들 수 있다. 구체적으로, 실리콘 웨이퍼에 포토리소그래피(photolithography)기술을 이용하여 포토레지스트(photoresist)로 미세유체칩 패턴을 만든 후 그 위에 액체 PDMS를 붓고 가열하게 되면 PDMS가 경화되고 이후 웨이퍼에서 경화된 PDMS를 떼어낸다. 두 개의 PDMS 미세유체칩을 산소 플라즈마 처리(Oxygen plasma treatment)한 후 얼라인하여 붙이게 되면 미세유체칩이 완성될 수 있다.

상기 그래픽 코드의 형성을 위해 사용하는 상기 패턴화된 에너지로서 자외선, 가시광선, 적외선 및 전자빔 등이 제한 없이 포함할 수 있다. 또한 상기 그래픽 코드의 형성은 리소그래피 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴화된 에너지의 조사는 자외선을 이용하여 물리적 마스크 또는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)에 의해 수행될 수 있다.

도 3은 미세유체 칩을 이용하여 마이크로캡슐을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 내부액적 형성용 유체 채널(310), 외부액적 형성용 유체 채널(320) 및 최외곽 유체 채널(330)을 구비한 미세유체 칩(300)이 제공된다.

물/오일/물 형태로 이루어진 더블 에멀젼(double emulsion)의 마이크로캡슐을 만들기 위해서 미세유체 칩(300)의 최외곽 유체 채널(330)에 친수성(hydrophilic)코팅을 할 수 있다. 일례로 친수성 코팅물질은 실란 커플링제(silane coupling agent)인 2-[메톡시(폴리에틸렌옥시)프로필]트리메톡시실란(2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl]trimethoxysilane)을 톨루엔(toluene)과 부피 비로 1:9 비율로 섞어서 만들고 이 물질을 최외곽 유체 채널(330)에 흘려줌으로써 코팅물질이 미세유체 칩(300)의 채널(330)에 달라붙게 되고 채널(330)의 표면이 친수성을 가지게 된다.

최외곽 유체 채널(330)에 친수성(hydrophilic) 코팅을 하고 물(water)을 흘려보내면서 내부액적 형성용 유체 채널(310)의 중심 유체(core flow)를 흘려보낸다. 그리하면 중심 유체가 외부액적 형성용 유체 채널(320)의 유체인 액체 테플론 (예를 들어 PFPE계 광경화성 고분자)에 의해 잘리면서 내부액적을 형성하게 된다. 상기 외부액적 형성용 유체 내에는 액체 테플론을 경화하는 데 필요한 광개시제가 더 포함된다. 중심 유체는 타겟물질을 함유한 물(water)일 수 있다. 이 내부액적은 다시 최외곽 유체 채널(330)의 물에 의해 잘리게 되어 내부액적이 외부액적에 포함된 더블 에멀젼(double emulsion) 형태의 액적을 형성하게 된다. 더블 에멀젼 형태의 액적의 크기는 미세유체 칩 채널들(310, 320, 330)의 크기를 변화시킴으로써 조절이 가능하다. 이후 외부 광원(340)으로부터 자외선 조사에 의해 액체 테플론 물질이 광경화되어 중합된 테플론 마이크로쉘을 이룸으로써, 내부에 액체 코어(liquid core)를 포함하는 고체화된 마이크로캡슐(350)이 만들어 지게 된다. 이렇게 형성된 마이크로캡슐(350)은 내부에 약물과 같은 타겟물질이 함유되며 이러한 약물이 캡슐(350) 외부로 빠져나가지 않고 30일 이상 안정적으로 캡슐(350) 내부에 보관될 수 있다.

도 4는 패턴된 마스크 및 자외선을 이용한 마이크로캡슐의 코드화 과정을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 고체화된 마이크로캡슐(400)을 투명한 기판(410) 위에 단일층으로 뿌린 후(200) 마스크(420)을 통해 패턴된 자외선을 조사하게 되면 마스크 패턴과 동일한 모양의 코드(405)가 마이크로캡슐의 껍질 부분에 새겨지게 된다. 렌즈의 집광을 이용하여 국소적으로 코드(405)를 새길 수도 있으며 마스크(420)를 이용, 평행광을 조사하여 대면적으로 코드(405)를 새길 수 있다. 일례로 광경화를 위해 액체 테플론 폴리머와 함께 섞어주는 광개시제(photoinitiator)인 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, DMPA)를 사용하여 코드화한다. 이는 DMPA의 자외선 조사에 따라 증가하는 형광 특성을 이용한 것으로, 폴리머와 함께 섞어주는 광개시제의 농도 및 자외선 세기에 따라 코드의 형광 세기도 바뀌게 되며, 마스크 패턴을 바꿔 줌으로써 다양한 모양의 코드를 새길 수 있다.

도 5는 광개시제로 사용하는 DMPA의 자외선 조사에 따른 형광 특성을 나타낸다. 도 5의 왼쪽 그림의 경우 고체상태의 광개시제에 직접 자외선을 조사했을 때의 형광 이미지를 보여주고 있다. 자외선을 조사하지 않았을 때엔 거의 형광 특성을 가지고 있지 않았고, 자외선을 조사하는 시간이 길어질 수록 고체 광개시제에서 나타나는 형광의 세기가 증가하는 것을 알 수 있다. 도 5의 오른쪽 그래프는 자외선을 조사한 고체 광개시제의 발광 스펙트럼 (Emission spectrum)을 분석한 그림이다. 약 550um 파장대 부근에서 최대 형광 세기를 가지는 것을 알 수 있으며, 이는 칼럼 크로마토그래피를 이용하여 추출한 물질의 형광 스펙트럼에서의 최대 형광 세기 파장대와 비슷한 결과이다.

도 6은 디지털 마이크로미러 장치(Digital Micromirror Device, DMD)를 이용한 코드화 과정을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 디지털 마이크로미러 장치(Digital Micromirror Device, DMD)는 마이크로 크기의 미러어레이를 전기적으로 구동하여 미러의 각도를 조절할 수 있는 장치이다. DMD에 있는 각각의 미러 하나하나를 조절 할 수 있어 원하는 모양의 패턴의 빛만 원하는 위치에 반사시킬 수 있는 장치이다. 이를 이용해 다양한 모양 및 문자 코드를 손쉽게 새길 수 있다. DMD 및 대물렌즈(objective lens)를 이용하여 자외선 광원(UV source)에서 나온 자외선을 집약시켜 원하는 위치에 국소적으로 패턴을 새길 수 있고, 자동화된 무빙 스테이지(moving stage)를 움직임으로써 넓은 면적의 코드화도 가능하다. 도 6의 오른쪽 아래 삽입사진은 실제 코드화된 마이크로캡슐을 광학현미경을 이용해 찍은 형광사진이다. 광학 현미경 사진으로부터 최종 코드화된 마이크로캡슐의 코드 어레이(code array)를 확인할 수 있다.

도 7은 필름결합된 유리 마스크(Film-combined glass mask, FCG mask)를 이용한 대면적 코드화 과정을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, FCG 마스크를 이용하여 대면적으로 코드화하는 과정을 볼 수 있다. FCG 마스크는 패턴된 필름과 투명한 글래스가 결합된 형태로 마스크의 크기는 다양하게 조절 가능하고 마이크로캡슐을 FCG 마스크 위에 뿌린 후 아래에서 자외선을 조사하게 되면 마스크의 투명하게 패턴된 부분을 통해 자외선이 조사되고 마스크와 동일한 패턴의 코드를 마이크로캡슐에 새길 수 있게 된다. 마스크의 크기를 키울수록 한번에 코드를 새길 수 있는 마이크로캡슐의 개수도 증가하게 되며 이를 통해 대면적 코드화가 가능하게 된다.

한편, 마이크로캡슐을 뿌린 후 한쪽 방향에서만 자외선을 조사하여 코드를 새기는 경우, 마스크와 가까운 쪽의 캡슐 껍질 부분에는 코드가 잘 새겨지지만 반대편 껍질 부분의 경우 코드가 제대로 새겨지지 않는다. 이는 반대편 껍질에 코드를 새기기 위해서는 마이크로캡슐을 통과하여 자외선 빛이 전달되어야 하는데 반대편에 도달하기 전에 빛이 퍼지기 때문이다. 이런 문제를 해결하기 위해 두 가지 방법이 있다. 도 8은 두 가지 방식으로 마이크로캡슐을 양방향 코드화하는 방법을 나타낸 도면이다.

일 구현예에 따르면, 상기 패턴화된 에너지의 조사는 상기 마이크로캡슐을 사이에 두고 2개의 상기 마스크를 이용하여 양방향 코드화하는 방식으로 수행될 수 있다(도 8의 (a)). 이는 위 아래 양쪽에 마스크를 올려 놓고 위 아래면 모두에 자외선을 조사하는 방법이다. 이는 자외선 빛을 위 아래 양쪽에서 조사하는 방법 또는 자외선 빛은 한쪽에서 나오되, 캡슐이 뿌려진 기판을 뒤집어 양쪽 모두 한번씩 자외선을 조사하는 방법이 있다.

다른 구현예에 따르면, 상기 패턴화된 에너지의 조사는 상기 마이크로캡슐을 사이에 두고 상기 마스크와 별도의 평평한 기판을 배치하고 상기 마스크와 상기 기판을 압착한 후 양방향 코드화하는 방식으로 수행될 수 있다(도 8의 (b)). 이는 마스크와 평평한 기판 사이에 마이크로캡슐을 두고, 위 아래로 압력을 가하여 마이크로캡슐을 눌러 납작하게 만들어 한쪽 껍질을 통해 조사된 자외선 빛이 퍼지기 전에 반대편 껍질에까지 도달하도록 하는 방법이다.

이와 같이 양방향 코드화를 하게 되면 마이크로캡슐의 코드를 관찰하고자 할 때 마이크로캡슐이 원하지 않는 방향으로 회전하여도 코드를 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어 마이크로캡슐의 한쪽 방향에만 코드를 새기게 되면, 마이크로캡슐이 180도 회전하여 코드를 새긴 부분의 반대 면이 현미경 쪽에 위치하게 되면 코드를 관찰하기 어렵다. 이때 마이크로캡슐에 양방향 모두 코드를 새기게 되면 마이크로 캡슐 위 아래 모든 면에서 코드를 가지고 있기 때문에 회전방향에 관계없이 코드를 관찰할 수 있게 된다.

코드화된 마이크로캡슐의 라이브러리화를 위해서는 마이크로캡슐에 코드를 새긴 후 코드가 장기간 지속되어야 한다. 도 9는 코드의 지속성 시험 결과를 나타낸 결과이다. 도 9를 참조하면, 자외선 조사 시간을 달리하여 코드를 새긴 마이크로캡슐을 장시간 보관하여 코드가 지속되는지를 확인하였다. 그 결과 20일 넘게 지나도 코드의 형광 세기가 일정하게 유지됨을 확인하였다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상술한 코드화된 마이크로캡슐을 이용한 마이크로 어레이가 제공된다. 상기 마이크로 어레이는 포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화된 마이크로캡슐들을 마이크로웰들을 구비한 기판에 도입하고 상기 마이크로캡슐들을 파쇄하여 상기 타겟물질이 포함된 상기 마이크로캡슐들 내부의 액체를 방출시켜 얻을 수 있다. 또한 상기 마이크로캡슐은 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core), 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가진다. 또한 상기 쉘 표면에는 그래픽 코드가 도입되어 있다.

본 발명의 일구현예에 따르면, 상술한 코드화된 마이크로캡슐을 이용한 분석방법이 제공된다. 상기 분석방법은 포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화된 마이크로캡슐들을 마이크로웰들을 구비한 기판에 도입하는 단계, 상기 마이크로웰들 내부에 배치된 상기 코드화된 마이크로캡슐들의 코드들을 판독하는 단계, 상기 마이크로웰들에 분석대상 물질을 도입하는 단계, 및 상기 마이크로웰들 내에 도입된 상기 마이크로캡슐들을 파쇄하여 상기 타겟물질과 상기 분석대상 물질과 반응시키는 단계를 포함한다. 약물을 포함한 다양한 상기 타겟물질이 상기 마이크로캡슐들에 밀봉되고 상기 마이크로웰들을 구비한 상기 기판에 조립된다. 이때 상기 마이크로캡슐의 껍질(shell) 부분에 새겨진 그래픽 코드를 판독함으로써, 어떤 타겟물질이 캡슐 내부에 들어 있는지 파악할 수 있다. 그래픽 코드의 판독은 예를 들어 이미지 프로세싱을 통해 수행될 수 있다. 현미경을 통해 찍은 형광 이미지를 이미지 프로세싱 알고리즘을 통해 분석하면 자동적으로 문자 또는 도형 패턴을 인식해 그래픽 코드의 판독을 가능하게 한다. 한편, 조립을 위해 마이크로웰 위에 코드화된 마이크로캡슐을 뿌린 후 글래스와 같이 평평한 판 같은 도구로 단순하게 쓸어 내리기만 하면 마이크로캡슐이 각각의 마이크로웰에 조립된다. 마이크로웰의 디자인을 다르게 하여 독립된 하나의 반응 공간에 다양한 개수의 마이크로 캡슐을 조립할 수도 있다.

바람직하게는, 상기 마이크로캡슐들을 상기 마이크로웰들에 도입한 후 상기 마이크로캡슐들 내부의 액체와 섞이지 않는 액체의 층을 상기 마이크로웰들 위에 형성하여 각각의 상기 마이크로웰들을 서로 독립된 반응공간으로 구분되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다 마이크로캡슐 조립 후 기름과 같이 물과 섞이지 않는 액체를 마이크로웰 위에 뿌려 각각의 마이크로웰이 고립된 환경으로 만들어 주게 되면 각각의 마이크로웰이 서로간의 오염 없이 독립된 반응 공간으로써 작용하게 된다. 이후 마이크로웰과 대응하는 마이크로기둥(micropillar)등을 통해 조립된 마이크로캡슐을 깨뜨려 캡슐 내부 액체가 외부로 빠져나와 외부 물질과 반응할 수 있게 된다. 한편, 상기 마이크로캡슐들의 파쇄는 상기 마이크로웰들에 대응되는 마이크로기둥들을 구비한 별도의 기판을 상기 마이크로웰들을 구비한 상기 기판과 결합 후 압착하는 방식으로 수행될 수 있다.

도 10은 마이크로웰들을 구비한 기판에 코드화된 마이크로캡슐을 조립하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 기판(1000) 위에 마이크로캡슐들(1016)을 수용하는 다수의 마이크로웰들(1010)이 정렬되어 있다. 마이크로웰(1010)은 각각 하나의 마이크로캡슐(1016)을 수용할 수 있는 크기를 가진다. 마이크로캡슐들의 라이브러리(1030)로부터 뿌려진 각각의 마이크로캡슐(1016)은 마이크로웰(1010)에 도입된다. 마이크로웰(1010)은 마이크로캡슐(1016)의 조립을 위한 구역(microcapsule well, 1012)과 캡슐 내부 액체가 외부로 릴리징되었을 때 반응을 관찰할 수 있는 구역(reaction well, 1014)으로 이루어져 있다. 마이크로캡슐들(1016)을 기판(1000) 위에 뿌린 후 커버글래스와 같이 평평한 판(1020)을 이용하여 마이크로캡슐(1016)을 간단히 쓸어주기(sweeping)만 하면 각각의 캡슐이 각각의 마이크로웰에 조립되게 된다.

마이크로웰들을 구비한 기판은 예를 들어 다음의 두 가지 방법으로 제작될 수 있다. 하나의 방법은 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용하는 방법으로 포토레지스트(SU-8 photoresist)로 마이크로웰 패턴이 새겨진 웨이퍼에 PDMS를 붓고 열경화 시킨 후 굳은 PDMS를 떼어내는 방법이다. 다른 방법은 폴리우레탄 아크릴레이트 (Polyurethane acrylate, PUA)를 이용하는 방법으로, 탄성을 가지는 PDMS와는 달리 PUA를 이용한 마이크로웰은 그 표면이 단단한 특성을 가지고 있다. PUA 마이크로웰 제작은 PDMS 구조물에 액체 PUA 모노머를 뿌려주고 접착보조제(adhesion primer)가 코팅된 글래스와 같이 투명한 기판을 위에 덮고 자외선을 조사하게 되면 PUA 모노머가 광경화하게 되면서 기판과 붙게 되고, 이후 PDMS 구조물을 제거함으로써 투명한 기판 위에 증착된 마이크로웰을 만들 수 있다. PUA 마이크로웰의 경우 PDMS 몰드를 한번 거치게 되므로 웨이퍼에 증착된 포토레지스트의 패턴이 PDMS 마이크로웰에서의 패턴의 역상을 가지게 된다. 도 11은 마이크로웰의 제조방법으로 각각 (a) PDMS를 이용한 제조방법과 (b) PUA를 이용한 제조방법을 나타낸다.

상기 마이크로웰은 하나의 층 또는 두개의 층으로 구성될 수 있다. 도 12는 마이크로캡슐 크기에 따라 마이크로웰의 깊이가 적합하게 조절된 마이크로웰의 예들을 나타낸다. 도 12의 (a)는 하나의 층으로 구성된 마이크로웰이고 (b)는 두개의 층으로 구성된 마이크로웰을 나타낸다. 도 12를 참조하면, 예를 들어 마이크로웰이 하나의 층으로 구성된 경우 마이크로웰 깊이(h1)가 마이크로캡슐 하나의 크기(d) 이상이면서 한개 반 크기 이하가 되도록 구성하여 조립 시 쓸어주는(sweep) 기작을 통해 여분의 마이크로캡슐이 쉽게 제거되도록 한다. 예를 들어 마이크로웰이 두개의 층으로 구성된 경우 아래층(h1)은 마이크로캡슐 하나의 크기 이상이면서 한 개 반 크기 이하가 되도록 하고 위층(h2)은 마이크로캡슐 반 개 이하의 깊이가 되도록 제작하여 여분의 마이크로캡슐이 쉽게 제거되도록 한다.

몇몇 구현예에 따르면, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 다양한 모양의 마이크로웰을 만들 수 있다. 하나의 반응공간에 하나의 마이크로캡슐을 조립하는 것뿐만 아니라, 하나의 반응 공간에 여러 개의 마이크로캡슐을 조립하여 다양한 약물의 조합에 따른 반응 또한 관찰할 수 있다. 도 13은 다양한 모양의 마이크로웰들을 나타낸 도면이다. 도 13을 참조하면, 마이크로캡슐들이 마이크로웰 어레이에 조립된 상태를 볼 수 있다. 윗쪽 그림은 마이크로웰 어레이 및 이의 확대도이고, 윗쪽 그림의 삽입도는 전체 마이크로웰 어레이를 동전의 크기와 비교한 이미지이다. 아래쪽 이미지들은 다양한 형태의 마이크로웰들을 나타낸다. 각 이미지에 있어 스케일바는 200㎛이다.

이후 조립된 상기 마이크로캡슐을 파쇄시킴으로써, 내부의 액체가 릴리즈될 수 있다. 도 14는 마이크로웰에 조립된 마이크로캡슐의 내부 액체를 릴리즈하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 14의 윗쪽 그림에서, 마이크로웰 어레이(1400)는 마이크로캡슐(1410)이 조립된 마이크로웰(1430)을 구비하며, 각 마이크로웰(1430)에 분석대상 물질(1450)이 배치된다. 오일과 같이 물에 섞이지 않는(immiscible) 액체(1420)를 마이크로웰(1430) 위에 뿌려서 각각의 마이크로웰(1430)을 독립된 반응 공간으로 만들 수 있다. 이후 마이크로웰(1430)에 대응되는 마이크로기둥(micropillar, 1445)이 정렬된 기판(1440)을 마이크로기둥(1445)이 마이크로웰(1430)에 대응되도록 맞춘다. 그리고 롤러와 같은 도구(1460)를 이용하여 기판(1440)을 눌러줌으로써 물리적으로 마이크로캡슐(1410)을 깨서 내부 액체를 릴리징하여 분석대상 물질(1450)과 반응하도록 한다. 예를 들면, 세포를 이용한 약물 스크리닝의 경우 먼저 세포를 마이크로웰에 키운 후 마이크로캡슐을 조립한 다음, 캡슐 내부 액체를 릴리징 하면 약물이 세포와 반응하게 되어 세포에 대한 각각의 약물의 독성에 대해 검사할 수 있다. 효소검사(enzymatic assay)의 경우 세포 없이 기질(substrate) 및 억제제(inhibitor) 등을 마이크로캡슐 내부에 넣고 캡슐밖의 마이크로웰에는 효소(enzyme)으로 채워 캡슐 내부 액체를 릴리징하여 억제제 종류에 따른 효소의 촉매반응을 저해하는 정도를 파악할 수 있다.

마이크로기둥 어레이 제작은 PET 필름과 같이 유연한(flexible) 기판 위에 PUA 기둥을 자외선을 조사함으로써 제작 가능하다. 제작 방법은 PUA 마이크로웰과 비슷하지만 글래스와 같이 단단한 기판이 아닌 유연한 기판을 사용하여 제작하게 된다. PDMS 틀에 액체 PUA를 붓고 그 위에 플렉서블 필름을 올리고 자외선을 조사하여 광경화 시키면 PUA와 필름이 접착되고 PDMS 틀에 해당하는 마이크로기둥 패턴이 PUA 물질로 생성되게 된다.

상술한 코드화된 마이크로캡슐들 및 마이크로웰들을 구비한 기판을 이용하면 다양한 분석이 가능하다. 예를 들어, 상기 마이크로웰들을 구비한 기판을 이용하여 항암제에 의한 세포 사멸(apoptosis) 실험을 행할 수 있다. 먼저 마이크로웰에 세포를 먼저 키운 후 각각의 약물을 함유하고 있는 코드화된 마이크로캡슐을 마이크로웰에 조립한다. 각 마이크로웰에 어떠한 약물이 함유되어 있는지는 상기 마이크로캡슐의 코드를 판독하면 알 수 있다. 이후 오일로 각각의 마이크로웰을 고립시킨 후 마이크로기둥 어레이를 이용하여 캡슐 내부 액체를 릴리징하게 된다. 그 결과 액체 마이크로 어레이가 만들어진다. 다음 인큐베이터(incubator)에서 12시간~24시간 배양 후 세포의 사멸을 관찰할 수 있는 아폽토시스 키트(apoptosis kit)를 마이크로웰에 뿌려 상기 세포와 반응시킨 후, 형광 이미지 관찰을 통해 상기 세포가 특정 약물의 종류 및 농도 하에서 얼마나 죽고 사는지를 관찰하게 된다.

도 15는 항암제에 의한 세포 사멸 테스트 결과를 나타낸 도면이다. 도 15의 (a)~(d)는 각각, (a) 마이크로웰에 조립된 마이크로캡슐 및 세포, (b) 약물 반응 후 아폽토시스에 의한 세포 사멸 형광 이미지, (c) 이미지 프로세싱(image processing)에 의한 대면적 데이터 처리, 및 (d) 각각 약물의 종류 및 농도에 따른 세포의 생존도 그래프를 나타낸다. 사용한 약물은 camptothecin(CPT), toxoflavin(PKF), paclitaxel(PTX)이다. 도 15를 참조하면, 하나의 액체 마이크로어레이를 통해 다양한 약물 종류 및 농도 차이에 대한 세포 사멸정도를 파악할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 구현예들에 따르면, 다양한 종류의 약물후보군을 마이크로캡슐 내부에 넣음으로써 각각의 약물들을 물리적으로 독립시킬 수 있다. 기존의 피펫을 이용한 직렬적인 액체 핸들링 방법에 비해, 본 발명은 입자 기반의 핸들링 방법을 적용할 수 있어 병렬적이고 효과적으로 적은 양의 액체를 다를 수 있다. 또한 특별한 코딩물질의 필요 없이 간단하게 그래픽 코드를 제작할 수 있기 때문에 기존의 스펙트럼 코드 제작에서 사용하는 형광염료, 양자점 등의 물질이 필요하지 않아 제작 비용이 절감된다. 문자 또는 도형으로 코드화할 수 있기 때문에 코드의 개수를 기존의 제한된 스펙트럼 코드 방법에 비해 혁신적으로 늘릴 수 있어서 마이크로캡슐 라이브러리를 만들 수 있다. 따라서, 이에 기술 발전에 따라 급속히 증가하는 약물후보군을 효과적으로 다룰 수 있다.

이렇게 제작된 마이크로캡슐을 마이크로웰에 조립한 후 캡슐 내부 액체를 릴리징하여 액체 마이크로 어레이를 제작하게 되면 병렬적인 약물 스크리닝이 가능하게 된다. 마이크로미터 단위의 공간에서 각각의 반응이 일어나기 때문에 하나의 이미지에서 얻을 수 있는 데이터의 개수도 늘어나며, 소모되는 약물의 양도 기존의 플레이트 기반의 스크리닝 기술보다 약물의 양을 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 비용 측면에서도 경제적이다. 또한 마이크로웰의 모양을 달리 하여 독립된 반응 공간에 여러 개의 마이크로캡슐의 조립이 가능하여 다양한 약물의 조합에 따른 반응을 손쉽게 볼 수 있다는 장점을 가지고 있다.

Claims

포함된 타겟물질의 종류에 따라 코드화된 마이크로캡슐로서,
상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core);
상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell); 및
상기 소수성의 쉘 표면에 상기 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되는 모양으로 코드화된 그래픽 코드를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐.
제1 항에 있어서,
상기 타겟물질은 화학적 물질 또는 생물학적 물질을 포함하는 코드화된 마이크로캡슐.
제2 항에 있어서,
상기 화학적 물질은 약물이고, 상기 생물학적 물질은 세포, 분자, 단백질, 박테리아, DNA 및 RNA로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 코드화된 마이크로 캡슐.
제1 항에 있어서,
상기 액체 코어는 물 액적인 코드화된 마이크로캡슐.
제1 항에 있어서,
상기 쉘은 광경화성 고분자의 경화로 만들어진 마이크로캡슐.
제1 항에 있어서,
상기 그래픽 코드는 형광 물질을 함유하는 마이크로캡슐.
타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어, 및 상기 액체 코어를 둘러싸며 광경화성 고분자를 함유한 소수성의 쉘을 구비한 더블 에멀젼을 준비하는 단계;
상기 광경화성 고분자를 경화시켜 코어-쉘 형태의 마이크로캡슐을 형성하는 단계; 및
상기 마이크로캡슐의 경화된 상기 쉘에 패턴화된 에너지를 조사하여 서로 구분되는 모양으로 코드화된 그래픽 코드를 형성하는 단계를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제7 항에 있어서,
상기 소수성의 쉘은 상기 패턴화된 에너지의 조사에 따라 형광 특성이 강화되는 광개시제를 함유하는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제8 항에 있어서,
상기 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논인 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제7 항에 있어서,
상기 더블 에멀젼을 준비하는 단계는 소수성 표면을 갖는 채널 영역과 친수성 표면을 갖는 채널 영역을 구비한 미세유체 칩을 이용하여 수행되는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제7 항에 있어서,
상기 패턴화된 에너지의 조사는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 이용하여 수행되는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제7 항에 있어서,
상기 패턴화된 에너지의 조사는 마스크를 이용한 리소그래피 방식으로 수행되는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제12 항에 있어서,
상기 패턴화된 에너지의 조사는 상기 마이크로캡슐을 사이에 두고 2개의 상기 마스크를 이용하여 양방향 코드화하는 방식으로 수행되는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
제12 항에 있어서,
상기 패턴화된 에너지의 조사는 상기 마이크로캡슐을 사이에 두고 상기 마스크와 별도의 평평한 기판을 배치하고 상기 마스크와 상기 기판을 압착한 후 양방향 코드화하는 방식으로 수행되는 코드화된 마이크로캡슐의 제조방법.
포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화된 마이크로캡슐들을 마이크로웰들을 구비한 기판에 도입하는 단계;
상기 마이크로웰들 내부에 배치된 상기 코드화된 마이크로캡슐들의 코드들을 판독하는 단계;
상기 마이크로웰들에 분석대상 물질을 도입하는 단계; 및
상기 마이크로웰들 내에 도입된 상기 마이크로캡슐들을 파쇄하여 상기 타겟물질과 상기 분석대상 물질과 반응시키는 단계를 포함하되,
상기 마이크로캡슐은 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core), 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가지며, 상기 소수성의 쉘 표면에 상기 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되는 모양으로 코드화된 그래픽 코드를 포함하는 코드화된 마이크로캡슐을 이용한 분석방법.
제15 항에 있어서,
상기 마이크로캡슐들을 상기 마이크로웰들에 도입한 후 상기 마이크로캡슐들 내부의 액체와 섞이지 않는 액체의 층을 상기 마이크로웰들 위에 형성하여 각각의 상기 마이크로웰들을 서로 독립된 반응공간으로 구분되도록 하는 단계를 더 포함하는 마이크로캡슐을 이용한 분석방법.
제15 항에 있어서,
상기 마이크로캡슐들의 파쇄는 상기 마이크로웰들에 대응되는 마이크로기둥들을 구비한 별도의 기판을 상기 마이크로웰들을 구비한 상기 기판과 결합 후 압착하는 방식으로 수행되는 마이크로캡슐을 이용한 분석방법.
포함된 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되도록 코드화된 마이크로캡슐들을 마이크로웰들을 구비한 기판에 도입하고, 상기 마이크로웰들에 조립된 상기 마이크로캡슐들을 파쇄하여 상기 타겟물질이 포함된 상기 마이크로캡슐들 내부의 액체를 방출시켜 얻은 마이크로 어레이로서,
상기 마이크로캡슐은 상기 타겟물질을 포함하는 친수성의 액체 코어(core), 및 상기 액체 코어를 둘러싼 소수성의 쉘(shell)을 가지고, 상기 소수성의 쉘 표면에 상기 타겟물질의 종류에 따라 서로 구분되는 모양으로 코드화된 그래픽 코드를 포함하는 마이크로 어레이.