KR101665941B1 - 패트리접시의 표면처리방법 및 이 방법으로 제조된 패트리접시 - Google Patents

패트리접시의 표면처리방법 및 이 방법으로 제조된 패트리접시 Download PDF

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Abstract

본 발명은 페트리접시의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 특히 세포배양을 위한 폴리스티렌 재질의 페트리접시의 표면처리에 관한 것이다. 본 발명은 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법에 있어서, 폴리스티렌 패트리접시(100) 준비단계(s100); 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시(100)의 표면(110)을 활성화시키는 표면처리단계(s300); 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)를 포함하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법을 제공한다.

Description

패트리접시의 표면처리방법 및 이 방법으로 제조된 패트리접시{Surface treatment method of petri dish and a petri dish thereof}
본 발명은 페트리접시의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 특히 세포배양을 위한 폴리스티렌 재질의 페트리접시의 표면처리에 관한 것이다. 본 발명은 비정질 다이아몬드상 탄소 코팅 (Diamond like carbon, DLC) 을 표면에 증착하여 베리어층으로서 환경오염물질 배출 억제와 표면 산소농도를 줄이면서 기존의 세포배양성을 배가시키는 표면처리법을 제공한다.
폴리스틸렌(Polystyrene) 소재의 페트리접시는 세포 배양, 균주 배양, 조직 배양 등의 생물학 및 의학 분야 및 생활물품 및 바이오 분야에 널리 활용되고 있다. 의료소모품으로서 페트리 접시는 세포/조직의 배양성 향상을 목적으로 폴리스틸렌 표면에 코로나, 대기압방전, 진공방전, 이온주입을 이용한 활성 산소를 노출시켜 표층에 산소 활성층을 형성하는 기술이 적용되고 있다. 도 1은 종래의 폴리스틸렌 표면의 산소 활성화 표면처리 방법을 도시한다.
유리(Glass) 소재의 페트리 접시는 폴리스틸렌 페트리 접시의 사용처에 적용되고 있으며, 세포 및 조직, 균주의 배양시 독성에 민감한 분야에 사용되고 있다. 최근 배양액에 의한 유리표면의 변화를 일으켜 반응성 활성산소(Reactive oxygen species, ROS)가 일부 배출되는 것을 확인하고 유리 표면에 나노다이아몬드상 코팅을 실시하는 것이 보고되었다.
KR 0778206 '세포 트래핑용 페트리 접시'는 다수의 흡입홀을 갖는 세포 트래핑부를 포함하는 페트리 접시에 관한 것이다. 세포-포함된 액체가 페트리 접시에 놓이며, 세포-포함된 액체가 페트리 접시의 아래쪽에서 세포보다 작은 크기의 흡입홀로부터 흡입되어 세포가 흡입홀에 트래핑된다. 페트리 접시는 흡입홀을 통해 흡입되고 세포를 포함하지 않는 흡입된 액체가 액체 보유부에 보유되게 하는 수용력이 있는 공간을 갖고, 상기 공간의 흡입된 액체와 기체 사이의 경계면이 페트리 접시의 세포-포함된 액체의 표면 수준보다 낮게 위치되도록 배열된 액체 보유부를 포함한다. KR 0778206은 흡입홀을 통해 흡입되고 세포를 포함하지 않는 흡입된 액체가 액체 보유부에 보유되게 하는 수용력이 있는 공간을 갖고, 상기 공간의 흡입된 액체와 기체 사이의 경계면이 페트리 접시의 세포-포함된 액체의 표면 수준보다 낮게 위치되도록 하기 위한 물리적 구성만을 제공한다.
이에 대하여, 본 발명은 폴리스틸렌 페트리 접시의 표면처리 방법으로서, 비정질 다이아몬드상 탄소 코팅 (Diamond like carbon, DLC) 을 표면에 증착하여 베리어층으로서 환경오염물질 배출 억제와 표면 산소농도를 줄이면서 기존의 세포배양성을 배가시키는 표면처리법을 제공한다. 폴리스틸렌 표면층의 개질 방식으로는 비활성 플라즈마을 이용하여 표면의 거칠기를 조정하고, 비정질의 다이아몬드상 탄소층을 형성한다. 이 후 기능성에 따라서, 반응성 플라즈마 처리 및 아민계 코팅을 실시함으로서 세포 배양성 또는 세포부착성을 제어한다
KR 0778206 세포 트래핑용 페트리 접시 (후지쯔 가부시끼가이샤 (JP))
본 발명은 가격이 저렴한 폴리스틸렌 페트리 접시의 기능성 향상과 고분자 소재의 특성인 환경오염물질, ROS 등의 배출이 억제된 세포/조직 배양용 페트리 접시를 제공하고자 한다.
세포/조직 배양은 배양액이 담겨있는 페트리 접시에 세포를 주입하여 배양하게 되는데, 이 배양액에 의해 페트리 접시 표면이 연화되거나 부풀어지는 현상이 나타난다. 이러한 배양액에 의한 표면의 변질은 페트리 접시의 환경호르몬이나, 반응성 활성산소(ROS)의 배출에 기여할 수 있으므로, 이러한 배출물의 억제를 위한 표면 배리어층을 형성하는 것이다. 상기의 베리어층의 형성은 비정질의 다이아몬드상 탄소계 박막의 코팅 진공장치를 통해 반응성 플라즈마에 의해 플라즈마 화학기상증착법에 의해 실시한다.
종래의 폴리스틸렌계 페트리접시는 대기압 또는 진공장치에서 산소 플라즈마에 노출함으로서 표면층에 산소결합층을 형성하는 방법으로 실시되고 있다. 본 발명은 단순히 표면에 활성산소층을 형성하는 것이 아니라 표면에 비정질의 다이아몬드상 탄소 박막을 증착함으로서 가스투과에 대한 베리어층을 형성하고자 한다. 이를 위하여 비활성 가스를 이용한 표면 거칠기 조정과 플라즈마 화학기상증착법에 탄소박막의 증착 그리고 탄소박막층 위에 기능성을 부여할 수 있는 활성산소 플라즈마 처리 및 아민계 질소활성 처리 등이 실시될 수 있다.
폴리스틸렌은 고분자중합체로서 절연성의 특성이 있다. 따라서 플라즈마를 유도하기 위해서는 양전압과 음전압의 교류(sine내지 cosine 파)형 전원장치나 양전압과 음전압이 펄스형으로 인가되는 형태의 직(펄스파, 톱니파 등)류 전원장치를 이용해야 하며, 페트리접시의 바닥면과 측면을 같이 표면처리해야 함으로서 플라즈마 처리시에 증착 및 활성처리가 가능한 기구를 이용하여야 한다. 폴리스틸렌 표면층의 개질 방식으로는 비활성 플라즈마을 이용하여 표면의 거칠기를 조정하고, 비정질의 다이아몬드상 탄소층을 형성한다. 이 후 기능성에 따라서, 반응성 플라즈마 처리 및 아민계 코팅을 실시함으로서 세포 배양성 또는 세포부착성을 제어한다.
상기의 구성에 따라 본 발명은 폴리스티렌 패트리접시(100) 준비단계(s100); 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시(100)의 표면을 활성화 시키는 표면처리 단계(s200); 활성화된 표면이 산화되는 표면산화단계(s300); 활성화된 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)를 포함하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 단순히 표면에 활성산소층을 형성하는 것이 아니라 표면에 비정질의 다이아몬드상 탄소 박막을 증착함으로서 가스투과에 대한 베리어층을 형성시킨 폴리스티렌 패트리접시를 제공한다.
이에 따라, 본 발명은 가격이 저렴한 폴리스틸렌 페트리 접시의 기능성 향상과 고분자 소재의 문제점인 환경오염물질, ROS 등의 배출이 억제된 세포/조직 배양용 페트리 접시를 제공한다.
도 1은 종래의 폴리스틸렌 표면의 산소 활성화 표면처리방법을 도시한 설명도이다.
도 2은 본 발명의 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법의 순서를 도시한 설명도이다.
도 3은 DLC가 증착된 상태의 패트리 접시의 표면을 도시한다.
도 4는 XPS를 통한 표면 결합구조 분석이다.
도 5는 기능성 박막 코팅 후의 XPS 분석 그래프이다.
도 6 의 산소/탄소의 비율을 나타낸 그래프
도 7는 본 발명의 패트리접시의 표면에 세포가 배양되는 상태를 도시하는 설명도이다.
도 8는 DLC-EDA 이중층 구조를 적용한 경우 패트리접시의 표면에 세포가 배양되는 상태를 도시하는 설명도이다.
이하, 첨부된 도면을 기초로 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 플라즈마를 이용한 탄화수소박막 증착 및 활성화 처리 방법을 도시한 설명도이다.
본 발명은 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법에 있어서,
폴리스티렌 패트리접시(100) 준비단계(s100); 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시(100)의 표면을 활성화 시키는 표면처리 단계(s200); 활성화된 표면이 산화되는 표면산화단계(s300); 활성화된 패트리접시 표면(110)에 탄소계 베리어층(diamond like carbon)인 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)를 포함하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법을 제공한다.
상기 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시의 표면(110)을 활성화시키는 표면처리단계(s300)에서, 상기 비활성 가스는 아르곤(Ar), 수소(H2) 또는 아르곤과 수소의 혼합물인 것이 바람직하다. 상기 비활성기체가 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 혼합물일 경우, 상기 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 혼합 분자비는 0.1-10인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 70-90 sccm : 130-170 sccm이다. 상기 70-90 sccm : 130-170 sccm의 비율은 분사시 아르곤과 수소의 분사흐름에 따른 비이며, 아르곤 및 수소 외에 다른 불활성 기체의 적용 역시 가능하다.
상기 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시의 표면을 활성화시키는 표면처리단계(s300)는 1-100 mTorr의 압력하에서 5-15분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기의 압력과 처리시간은 아르곤과 수소의 분사흐름에 따른 비율에 따라 조절될 수 있다.
상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(s300)을 형성시키는 단계(s400)에서 상기 탄소계 배양층(s300)은 베리어층이자 비정질 다이아몬드상 탄소층(DLC)으로 형성된 탄소계 배양층은 에틸렌디아민(EDC)층 또는 다이아몬드상 탄소(DLC)과 에틸렌디아민(EDC)의 혼합층 중 선택되는 하나인 것이 바람직하다. 상기 패트리접시 활성화 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)는, 반응가스, 탄소계 및 아민계 전구체(precursor)와 아르곤(Ar)을 부가하여 1-100 mTorr의 압력 하에서 10-30분 동안 수행될 수 있다. 이때, 상기 아르곤(Ar)과 반응물질들의 분자비는 0.1-10이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30-70 sccm : 30-120 sccm이다.
상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)에서 상기 탄소계 배양층(200)의 두께는 30-100nm인 것이 바람직하다.
필요에 따라, 상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)이후에 반응성 기체를 이용하여 배양층(200)의 표면을 플라즈마 처리하는 단계가 수행될 수 있다.
또한, 필요에 따라 상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)는 상기 패트리접시 표면(110)에 비정질 다이아몬드상 탄소층(DLC)을 형성시키고, 상기 형성된 비정질 다이아몬드상 탄소층 위에 에틸렌디아민(EDC)층을 형성시켜 상기 배양층(200)이 비정질다이아몬드상 탄소층(220)과 에틸렌디아민층(210)으로 구성되는 2중층 구조를 적용할 수도 있다.
도 2은 본 발명의 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법의 순서를 도시한 설명도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리스티렌의 단위체에 플라스마 처리를 하여 반응사이트를 형성시키고, DLC를 증착시킨 후, 필요에 따라 EDA나 반응성플라즈마 처리를 하여 본 발명의 패트리 접시의 표면처리를 수행한다. 도 3은 DLC가 증착된 상태의 패트리 접시의 표면을 도시한다.
폴리스티렌 단위체에 플라스마 처리에 있어서, 아르곤과 수소 플라즈마에 의한 표면활성화는 SEM과 AFM 이미지로 비활성 가스 플라즈마에 노출되었을 때 표면의 거칠기가 매우 미려해졌음을 확인할 수 있었다. 이는 플라즈마에 의한 폴리스틸렌이 에칭된 것으로, 에칭이 되면서 표면은 매우 활성화 되는 것으로 사료된다. 이러한 표면 활성화는 대기 중에 노출되었을 때 대기중의 산소가 반응하는 것으로서 표면 활성화를 알 수 있었다. 이에 대해서 ATR-FTIR 분석을 실시하여 표면구조 변화를 관찰하였으나 FTIR 분석에서는 플라즈마에 의한 표면활성화 여부는 알 수 없었다. 그래서 표면결합구조의 변화를 확인하고자 XPS 표면분석 기법을 이용하여 분석한 결과 표면은 도 4 에서처럼 기존 C-C, C-C-H 의 결합구조에서 새로이 C-O, C=O 결합이 생성되는 것을 확인하여 표면은 산소에 의한 산화반응이 일어나는 것을 알 수 있다.
도 5는 기능성 박막 코팅 후의 XPS 분석 그래프이다. 도 5는 기능성 박막인 탄화수소계, 아민계, 그리고 복합한 코팅막에서 탄소결합구조가 크게 변화하지 않음을 보여주고 있다. 이중 탄화수소 박막의 경우 미세하게 C-H 결합의 분율이 높았다. 표면의 물질구성 성분에 대한 조사에서 아르곤 수소 플라즈마 표면처리 전후의 성분변화는 탄소가 약 83 at.%로 감소하고 산소가 16 at.%로 검출되어 표면의 산화가 일어났음을 알 수 있었다. 아민과 탄화수소박막을 증착하려 분석해보면 산소의 함량이 미세하게나마 감소하는 경향을 보였다. 이에 대해서 도 6 의 산소/탄소의 비율을 보면 확연하게 표면성분의 변화를 알 수 있다. 도 6에 나타난 바와 같이, DLC가 증착된 경우, 상기 비정질다이아몬드상 탄소층의 표면에 대한 산소(O)/탄소(C)의 원자비는 0.100-0.175인 것이 바람직하며, 상기 에틸렌디아민(EDC)층의 표면에 대한 산소(O)/탄소(C)의 원자비는 0.15-0.20인 것이 바람직하다. 또한, 상기 비정질 다이아몬드상 탄소(DLC)층(220)과, 상기 비정질 다이아몬드상 탄소층(220)위에 형성된 에틸렌디아민(EDC)층으로 구성되는 배양층(200)의 표면에 대한 산소(O)/탄소(C)의 원자비는 0.10-0.15인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 패트리접시의 표면에 세포가 배양되는 상태를 도시하는 설명도이며, 도 8은은 DLC-EDA 이중층 구조를 적용한 경우 패트리접시의 표면에 세포가 배양되는 상태를 도시하는 설명도이다. 일정시간 세포 배양 후 남은 단백질의 양을 측정하여 세포배양성을 판단한 결과 시험결과는 세포배양성이 시판중인 세포배양 접시와 동등 수준의 배양성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
결과적으로 고분자 소재인 폴리스틸렌에 대한 표면처리 기법으로 기존 활성 산소 및 산소 플라즈마 노출에 의한 표면처리방법에서는 대기 및 공정에서 유입되는 산소에 의해 표면의 산화 반응이 일어나 C-O, C=O의 결합구조가 나타나고 성분으로는 약 15-30 at.%의 비율로 산소가 존재하게 된다. 본 기초연구를 통해서 폴리스틸렌의 표면처리법으로 표면활성화와 베리어층으로서의 탄화수소박막의 형성 그리고 기능성 박막인 아민코팅을 실시할 경우 표면의 산소농도가 15 at.% 이하로 형성되는 것을 알 수 있고 산소/탄소 비율도 낮아지는 결과를 도출하였다. 플라즈마에 의한 플라즈마 중합에 의한 표면은 표면의 베리어층을 형성하여 표면으로부터 활성산소, 오염물질 등의 유출을 막을 수 있는 것으로 사료된다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100. 페트리접시
200. 배양층
210. EDA
220. DLC
300. 세포

Claims (17)

  1. 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법에 있어서,
    i) 폴리스티렌 패트리접시(100) 준비단계(s100);
    ii) 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시(100)의 표면을 활성화 시키는 표면처리 단계(s200);
    iii) 활성화된 표면이 산화되는 표면산화단계(s300);
    vi) 활성화된 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400);
    를 포함하고,
    상기 패트리접시 활성화 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)는, 반응가스, 탄소계 및 아민계 전구체(precursor)와 아르곤(Ar)을 부가하여 1-100 mTorr의 압력 하에서 10-30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시의 표면(110)을 활성화시키는 표면처리단계(s200)에서, 상기 비활성 가스는 아르곤(Ar), 수소(H2) 또는 아르곤과 수소의 혼합물인 것을 특징으로 하는 를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 비활성가스가 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 혼합물일 경우, 상기 아르곤(Ar)과 수소(H2)의 분사흐름은 70-90 sccm : 130-170 sccm인 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 비활성가스 플라즈마를 이용하여 패트리접시의 표면을 활성화시키는 표면처리단계(s300)는 1-100 mTorr의 압력하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 아르곤(Ar)과 반응물질들의 분사흐름은 30-70 sccm : 30-120 sccm인 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)에서 상기 탄소계 배양층(200)은 다이아몬드상 탄소(DLC)과 에틸렌디아민(EDC)의 혼합층인 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)에서 상기 탄소계 배양층(200)의 두께는 30-100nm인 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 패트리접시 표면(110)에 탄소계 배양층(200)을 형성시키는 단계(s400)이후에 반응성 기체를 이용하여 배양층(200)의 표면을 플라즈마 처리하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법.
  10. 삭제
  11. 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)에 있어서,
    제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 폴리스티렌 패트리접시(petri dish)의 표면처리방법에 의하여 제조되며,
    거칠기 개질된 표면(110)과, 상기 표면(110)위에 형성된 탄소계 배양층(200)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리스티렌 패트리접시(petri dish).
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