KR101819969B1

KR101819969B1 - 압저항 센서의 신뢰성이 향상된 pdms 폴리머 외팔보 구조체

Info

Publication number: KR101819969B1
Application number: KR1020160046480A
Authority: KR
Inventors: 이동원; 김동수
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2018-01-19
Also published as: KR20170119029A

Abstract

본 발명은 심근세포의 수축력을 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 센서가 집적화된 PDMS 폴리머 캔틸레버 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 심근세포의 수축력 측정은 압저항 센서에 의한 가변저항을 이용한 휘트스톤 브릿지를 통하여 전압 출력 측정 및 레이저 변위계를 이용한 캔틸레버의 변위 측정 방법을 이용한다. PDMS 폴리머 캔틸레버 구조체는 일단에 형성된 캔틸레버 상면에 캔틸레버의 길이 방향으로 심근세포가 수용되어 배양 가능한 다수의 마이크로 그루브 패턴이 형성되고 하부에는 금속 압저항 센서 및 레이저 변위계 반사판이 형성된다. 형성된 마이크로 그루브 패턴을 갖는 캔틸레버는 하부에 금속 전극이 형성된 유리재질의 몸체부와 산소 플라즈마 처리를 통한 화학적 접합이 되어, 센서가 집적화된 PDMS 폴리머 캔틸레버 구조체를 형성한다. 본 기술개발에서 제안된 공정은 기존의 PDMS 캔틸레버가 갖는 다양한 문제를 해결하는 것이 가능하므로 캔틸레버 이외의 넓은 분야에서 응용 가능할 것으로 기대된다.

Description

압저항 센서의 신뢰성이 향상된 PDMS 폴리머 외팔보 구조체 {PDMS POLYMER CANTILEVER STRUCTURE FOR IMPROVING RELIAVILITY OF PIEZORESISTIVE SENSOR}

본 발명은 심근세포의 수축력을 실시간으로 정밀하게 측정하기 위해 집적화된 압저항 센서의 신뢰성 향상 및 마이크로 그루브 패턴의 형성을 통해 개선된 방법을 적용한 PDMS 폴리머 외팔보 구조체의 제조에 관한 것이다.

기존에 심근세포에 의해 발생하는 수축력을 측정하기 위해 두 개의 마이크로 피펫을 사용하는 방법, 마이크로 기둥 어레이를 사용하는 방법, 외팔보(Cantilever)를 사용하여 측정하는 방법 등이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법들은 현미경을 사용하여 센서로 사용된 구조물들의 변위를 측정하여 심근세포의 수축력을 측정하는 방법이기 때문에 측정 분해능이 낮고 실시간으로 수축력을 분석할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

일반적으로 외팔보(캔틸레버: Cantilever)는 나노미터에서 마이크로미터의 치수를 가지며 극도로 미세한 힘, 변형, 질량을 측정할 수 있는 도구로서, 유연하게 휘어지는 성질을 바탕으로 원자현미경의 탐침으로 사용되고 있다. 나노 외팔보 기술은 다양한 센서 응용부문에서 다기능, 고감도, 실시간 측정이 가능한 기술로서 계속해서 주목받고 있는데, 예를 들면 외팔보에 항체를 코팅해 두었는데 처음과는 달리 질량변화가 일어나 외팔보의 휘어짐이 생겼다면 휘어짐 정도를 측정하여 이를 통해 항체와 반응하는 항원의 존재 여부 또는 상호작용하는 힘을 알아낼 수 있는 도구로 활용되고 있다. 그 밖에 플라스틱 폭탄을 감지하는 가스 센서, DNA, 단백질, 미생물을 측정하는 리퀴드 센서 등 많은 응용분야가 있다. 그런데 이러한 외팔보는 제조비용이 비싸며, 또한 제조 공정이 복잡하다는 한계를 동시에 가지고 있다.

본 발명은 심근세포의 수축력을 실시간으로 정밀하게 측정하기 위하여 압저항 센서 및 마이크로 그루브 패턴이 집적화된 PDMS 외팔보 제조에 관한 것으로, 기존의 CCD카메라가 설치된 현미경을 사용하여 세포의 수축력을 분석하는 방법의 단점인 측정 분해능을 개선하기 위하여 광학적인 측정보다 분해능이 우수한 금속 압저항 센서를 두 층의 PDMS에 샌드위치 구조로 집적화함으로써 측정 분해능을 향상 시킨 장비이다.

특히 발명자들은, 기존 외팔보 제조 공정을 개선하기 위해, 포토레지스트를 몰드 및 희생층으로 사용하고, 금속 배선이 형성된 glass plate와 PDMS에 산소 플라즈마 처리 후 화학적으로 접합하고, 기존의 금속 박막이 가지는 단선 등의 문제를 해결하고자 하였다. 기존에 PDMS 위에 형성된 금속 박막의 경우(도 1 참조) 표면에서의 주름 그리고 외력에 의한 단선 등이 문제가 될 수 있었다. PDMS의 경우 거의 고무와 비슷한 성질을 가지고 있어서 외력에 의해 쉽게 형상이 변형되며, 금속의 경우 과도한 인장 또는 압축에 의한 변형이 야기될 가능성이 있다.

기존의 측정 방식은 CCD 카메라를 이용해 찍은 동영상을 사진으로 변환하여 사진을 분석하기 때문에 데이터 분석에 많은 시간을 소요 하지만, 본 발명은 집적화된 압저항 센서의 전기적인 신호를 사용함으로써 빠르게 수축력을 분석할 수 있으므로 측정 시간을 단축할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 심장을 생체 모사하여 마이크로 그루브 패턴을 외팔보 상부 표면에 형상화함으로써 좀 더 정확하게 심근세포의 수축력을 측정할 수 있는 장점이 있다는 것을 확인하여 발명자들은 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적인 과제를 해결 하는 것을 목적으로 하며, 구체적으로는 종래기술의 문제점인 측정 분해능이 낮고 실시간으로 수축력을 분석할 수 없다는 단점을 극복할 수 있는, 심근세포의 수축력을 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 몸체부; 및 외팔보(Cantilever);를 구비하되, 상기 몸체부는, 전극연결부를 구비한 폴리머 상부층과, 전극 패드를 구비한 유리 하부층을 포함하고, 상기 외팔보는 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판, 및 세포가 수용되는 곳인 미세 그루브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체를 제공한다.

바람직하게는, 상기 세포는 심근세포(Cardiomyocyte)이다.

바람직하게는, 상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane)이다.

바람직하게는, 상기 미세 그루브 패턴은, 심근세포를 캔틸레버의 길이방향으로 정렬할 수 있도록 하며, 수축력을 집중 시킬 수 있는 패턴이다.

상기 폴리머 외팔보 구조체에, 외팔보가 스스로의 중력에 의해 처지는 현상을 방지하고, 세포를 안정적으로 배양할 수 있는 유리 재질의 외팔보 지지대를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 폴리머 외팔보 구조체에, 배양액 액체 내에서 측정이 가능하도록 만드는, 전극패드 보호구조체를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 (1) 실리콘 웨이퍼 표면에 감광제를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여, 미세 그루브 패턴을 형성하는 단계; (2) 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판을 내부에 구비하도록 폴리머 상부층을 형성하는 단계; (3) 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판, 및 세포가 수용되는 곳인 미세 그루브 패턴을 구비하는 외팔보를, 금속 에칭하고 폴리머 코팅하며 구획화하여 구체화하는 단계;를 포함하는, 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 폴리머 상부층 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 폴리머이다.

또한 본 발명은, 전극연결부 및 전극 패드를 금속 에칭하여 구체화하는 단계;를 포함하는, 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 유리 하부층 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은, (1) 폴리머 상부층과 유리 하부층을 접착하는 단계; (2) 폴리머 외팔보 구조체를 분리하는 단계;를 포함하는 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 약물의 심근세포에 대한 독성을 폴리머 외팔보 구조체를 이용하여 측정하는 방법에 있어서, (1) 피진단 약물을 폴리머 외팔보 구조체 상의 외팔보 상부에 위치한 심근세포에 투여하는 단계; (2) 폴리머 외팔보 구조체로부터 변위에 따른 가변저항값과 레이저 변위계 반사판 이동값을 획득하는 단계; (3) 상기 획득한 변위에 따른 가변저항값과 레이저 변위계 반사판 이동값을 기준표와 비교하여, 피진단 약물의 독성을 판단하는 단계;를 포함하는, 약물의 심근세포에 대한 독성을 측정하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른, 심근세포의 수축력을 실시간으로 정밀하게 측정하기 위하여 압저항 센서 및 마이크로 그루브 패턴이 집적화된 PDMS 외팔보 구조체는, 고분해능의 하프 브리지 금속 압저항 센서를 PDMS 캔틸레버에 샌드위치 구조로 집적화함으로서, 실시간으로 심근세포의 수축력을 정확하게 분석할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 전극 패드를 표면에 형성한 유리 하부층을 제작함으로써, 폴리머 상부층에 형성된 전극연결부가 외력에 의해 단선 되거나 변형되는 것을 을 방지하여 센서 저항값의 신뢰성을 향상할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 압저항 센서가 집적화된 PDMS 캔틸레버를 사용함으로써, 심근세포의 수축력 측정 시스템(또는 심장 약물 독성 평가 시스템)을 간소화 할 수 있다.

또한 기존의 주로 사용된 측정 방식은 CCD 카메라를 이용해 찍은 동영상 파일을 사진 파일로 변환하여 사진을 분석하기 때문에 데이터 분석에 많은 시간을 소요되는 것에 비해, 본 발명은 집적화된 금속 압저항 센서의 전기적인 신호를 사용함으로써 빠르게 수축력을 분석할 수 있으므로 측정 시간을 단축할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 심장을 생체 모사하여 마이크로 그루브 패턴을 캔틸레버 상부 표면에 형성함으로서 심근세포를 그루브 방향으로 정렬시킬 수 있으므로 일정 방향으로 심근세포의 수축력을 집중시켜 측정을 용이하게 할 수 있다.

또한 본 발명은 심근세포의 수축력 평가 및 세포의 거동을 평가하는데 응용 될 수 있다.

또한 본 발명의 제작 방법을 응용하여 멀티채널의 외팔보 제작이 가능하고, 고속 다중 약물 분석 시스템으로 응용 될 수 있다.

도 1은 금속 압저항 변위 센서가 집적화된 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체의 구성도이다.
도 2는 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체 중 외팔보 표면에 형성된 미세 그루브 패턴의 형상 사진이다. a)는 미세 그루브 패턴의 위치를 나타내는 사진이며, b)는 미세 그루브 패턴의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 3은 a)는 폴리머인 PDMS를 이용한 외팔보 지지대(supporter)와 PDMS 몸체의 광학 사진이다. b)는 유리(glass)를 이용한 외팔보(cantilever) 지지대(supporter)와 몸체의 광학 사진이다. c)는 단일 외팔보 제작 방법을 응용한 멀티 채널의 외팔보 구조체의 구조도와 확대도이다. 멀티 채널 외팔보는 폴리머 웰(well)을 구비한 폴리머 상부층과, 중간의 센서가 집적화된 외팔보(cantilever) 부분, 전극 패드를 구비한 유리 하부층으로 구성된다.
도 4는 미세 그루브 패턴에 따라 정렬된 세포의 광학 현미경 사진이다. a)는 미세 그루브 패턴이 없을 때의 사진이며, b)는 그루브 패턴이 있을 때의 사진이다.
도 5는 미세 그루브 패턴에 따라 정렬된 심근세포의 형광 현미경 사진이다. 액틴(actin)을 염색한 사진과 핵(nuclei)을 염색한 사진 모두 그루브 패턴에 따라 세포가 성장한 것을 보이며, 액틴을 염색한 사진이 더 뚜렷하게 그루브 패턴에 따라 성장한 것을 보인다.
도 6은 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체를 제조하는 순서도이다. a)는 폴리머 상부층을 제조하는 순서도이고, b)는 유리 하부층을 제조하는 순서도이며, c)는 폴리머 상부층과 유리 하부층을 합하여 폴리머 외팔보 구조체를 제조하는 순서도이다.
도 7은 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체 제조 공정을 순차적으로 보인 모식도이다.
도 8은 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체를 이용하여 세포에 미치는 피진단 약물의 독성을 파악하는 과정의 순서도이다.
도 9는 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체의 유리 하부층(유리 몸체 기판)에 형성된 전극의 보호 및 도선 연결을 보이는 개념도이다.
도 10은 폴리머(PDMS) 외팔보 구조체의 유리 하부층(유리 몸체 기판)에 형성된 전극의 보호 및 도선 연결을 보이는 실제 기판 상 소자의 광학 사진이다.
도 11은 외팔보(cantilever)의 처짐을 개선하고 배양을 용이하게 하기 위해 추가되는, 외팔보 지지대의 및 전극패드 보호 구조체의 개념도이다.
도 12는 집적화된 압저항 센서를 이용하여 배양된 심근세포의 beating에 따른 압저항 센서의 저항 측정값의 변화 모습을 나타낸 그래프이다. a)는 세포 배양 후 7일차이고, b)는 세포 배양후 8일차, c)는 세포 배양 후 9일차 이다. 세포 배양 후 시간 경과에 따라서 심근세포의 수축력이 증가함을 압저항 센서의 저항 변화의 증가로 확인할 수 있다.
도 13은 심근세포의 배양 일수에 따라, 압저항 센서의 저항 측정값 및 레이저 변위계의 이동값이 변화하는 양상을 나타낸 그래프이다. 심근세포의 배양 일수에 따라서 4일차부터 9일차 까지 심근세포의 수축력은 증가 하였으며, 이후 감소함을 확인할 수 있다. 심근세포 수축력의 증가/감소는 PDMS 외팔보에 집적화된 압저항 센서와 레이저 변위계의 이동값을 통하여 검증할 수 있다. - 막대 그래프는 압저항 센서의 저항 변화량, 꺾은선 그래프는 레이저 변위계 이동값을 나타낸다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 몸체부; 및 외팔보(Cantilever);를 구비하되, 상기 몸체부는, 전극연결부를 구비한 폴리머 상부층과, 전극 패드를 구비한 유리 하부층을 포함하고, 상기 외팔보는 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판, 및 세포가 수용되는 곳인 미세 그루브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체를 제공한다.

폴리머 상부층은, PDMS 폴리머를 이중 코팅하는 샌드위치 구조이므로 배양액 내에서 사용할 수 있다.

외팔보의 상부 표면에는 길이방향의 마이크로 그루브가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 세포는 심근세포(Cardiomyocyte)일 수 있다.

상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane)일 수 있다.

상기 미세 그루브 패턴은, 심근세포를 캔틸레버의 길이방향으로 정렬할 수 있도록 하며, 수축력을 집중시키는 것이 가능하기 위해 캔틸레버의 길이 방향으로 제조하는 것이 바람직하다. 이렇게 제조하는 것은 심장을 생체 모사한 패턴이다.

상기 폴리머 외팔보 구조체에, 외팔보가 스스로의 중력에 의해 처지는 현상을 방지하고, 세포를 안정적으로 배양할 수 있는 유리 재질의 외팔보 지지대를 더 포함하는 것이 바람직하다. 안정적으로 심근세포 배양을 할 수 있다.

또한 본 발명은 (1) 실리콘 웨이퍼 표면에 감광제를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여, 미세 그루브 패턴을 형성하는 단계(S100); (2) 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판을 내부에 구비하도록 폴리머 상부층을 형성하는 단계(S200); (3) 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판, 및 세포가 수용되는 곳인 미세 그루브 패턴을 구비하는 외팔보를, 금속 에칭(S300)하고 폴리머 코팅(S400)하며 구획화(S500)하여 구체화하는 단계;를 포함하는, 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 폴리머 상부층 제조방법을 제공한다.

상기 감광제는 AZ계열의 AZ5214 감광제이고, 상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 폴리머인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 전극연결부 및 전극 패드를 금속 에칭하여 구체화하는 단계(S600);를 포함하는, 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 유리 하부층 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은, (1) 폴리머 상부층과 유리 하부층을 접착하는 단계(S700); (2) 폴리머 외팔보 구조체를 분리하는 단계(S800);를 포함하는 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 약물의 심근세포에 대한 독성을 폴리머 외팔보 구조체를 이용하여 측정하는 방법에 있어서, (1) 피진단 약물을 폴리머 외팔보 구조체 상의 외팔보 상부에 위치한 심근세포에 투여하는 단계(S1000); (2) 폴리머 외팔보 구조체로부터 변위에 따른 가변저항 값과 레이저 변위계 반사판 이동값을 획득하는 단계(S1100); (3) 상기 획득한 변위에 따른 가변저항값과 레이저 변위계 반사판 이동값을 기준표와 비교하여, 피진단 약물의 독성을 판단하는 단계(S1300);를 포함하는, 약물의 심근세포에 대한 독성을 측정하는 방법을 제공한다.

상기 폴리머 외팔보 구조체(1000)는, MEMS 공정 및 PDMS casting을 이용하여 제작되는 것이 바람직하다. 폴리머 상부층(110)을 만드는 공정과 유리 하부층(120)을 만드는 공정으로 나누어 진행된 후 일체화되어 몸체부(100)를 형성한다. 외팔보(Cantilever)를 제외한 나머지 폴리머 상부층(110)은 유리 하부층(120)과 산소 플라즈마 처리를 통한 화학적 접합이 이루어지기 때문에 외력에 의해 변형될 가능성이 거의 없고 유리 하부층(120) 표면에 추가적으로 형성된 금속 박막이 폴리머 위에 형성된 금속 박막의 변형을 보완하는 효과를 가지게 된다. 또한 용액 내에서 센서의 신호를 측정하기 위해 추가적인 폴리머 웰(well) 형태의 전극패드 보호 구조체를 제작하고, 이 역시 산소 플라즈마 처리 후 화학적 접합을 통해 쉽게 유리 하부층(120)과 접합하는 것이 가능하다.

이전의 기술에서는 폴리머의 상부에 형성된 금속 박막의 경우 주름지는 현상이 발생할 수 있고, 폴리머 구조체가 외부의 응력에 쉽게 변형되어 표면에 형성된 금속박막에 손상을 주는 문제점이 있었다. 이로 인해 센서의 신뢰성에 한계가 있었기 때문에, 본 발명에서는 이러한 문제점의 해결을 위해 얇은 유리층을 이용한 것이다(도 1 참조).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

(도 1)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리머 외팔보 구조체(1000)는, 몸체부(100), 외팔보(200)를 포함하며, (도 11)에서 보이는 바와 같이 외팔보 지지대(300), 전극패드 보호 구조체(400)를 추가로 포함할 수 있다.

몸체부(100)는, 폴리머로 이루어진 폴리머 상부층(110)과 유리로 이루어진 유리 하부층(120)을 포함한다. 유리 하부층(120)에는 전극연결부(122)와 전극패드(124)가 위치한다.

외팔보(200)는, 미세 그루브 패턴(210), 금속 압저항 센서(220), 레이저 변위계 반사판(230)을 포함한다.

외팔보(200)의 상면에 위치하는 미세 그루브 패턴(210)의 모습은 (도 2)의 오른쪽 확대 사진과 같아서, 마이크로미터 단위의 그루브를 형성한다.

(도 3)의 a)는 폴리머인 PDMS를 이용한 외팔보 지지대(supporter)와 PDMS 몸체의 광학 사진이고, (도 3)의 b)는 유리(glass)를 이용한 외팔보(cantilever) 지지대(supporter)와 몸체의 광학 사진이다. b)가 a)보다 제작이 간단하고, 일정한 높이를 유지할 수 있으므로, 심근세포의 배양을 더욱 안정적으로 할 수 있다. (도 3)의 c)는 단일 외팔보 제작 방법을 응용한 멀티 채널의 외팔보 구조체의 구조도와 확대도 이다. 상부에 폴리머 웰(well)과 압저항 센서가 집적화된 PDMS 외팔보 부분, 전극이 형성된 유리 재질의 하부층으로 구성된다. 폴리머 웰(well)을 구비하고 있어서 배양 및 측정이 용이하다.

미세 그루브 패턴(210) 위에 올려져 배양된 심근세포는, 정렬되지 않은 (도 4)의 왼쪽 사진 모습과 달리, (도 4)의 오른쪽 사진과 같이 그루브 패턴을 따라서 정렬하면서 성장하게 되어, 수축이 일어날 때 수축력이 집중되게 되어 반응을 쉽게 검출할 수 있게 한다.

(도 5)는 미세 그루브 패턴(210)에서 성장한 심근세포를 찍은 형광 현미경 사진으로, 패턴을 따라 성장하며 정렬된 것을 액틴(actin) 염색으로도 핵(nuclei) 염색으로도 확인할 수 있다.

몸체부(100) 유리 하부층(120)의 전극 패드(124)와 전극연결부(122)는 서로 연결되고, 유리층으로 보호되어 내구성을 가지면서, 동시에 외부의 응력에 쉽게 변형되어 손상을 받는 것도 최소화된다.

외팔보(200)에서 몸체부(100)와 접하는 부위에 금속 압저항 센서(220)가 위치하며, 레이저 변위계 반사판(230)은 반대쪽 끝 부분에 위치하여, 센서의 감도를 최대화한다. 일반적인 외팔보(cantilever)에서 스트레인이 가장 크게 작용하는 부분은 고정단이기 때문에 압저항 센서를 고정단에 배치 하였으며, 레이저 변위계 반사판의 경우 변위가 가장 크게 발생하는 자유단 끝 부분에 집적화해 큰 변위를 측정할 수 있도록 배치 하였다.

이하에서는, 본 발명에 따른 심근세포의 수축력을 측정하는 상기 폴리머 외팔보 구조체(1000)의 제조방법에 관하여 (도 6)과 (도 7)을 참조하여 설명한다.

1) 폴리머 상부층 제조과정 1단계 미세 그루브 패턴 형성 (S100)

실리콘 웨이퍼(도 7의 1. 참조) 표면에 AZ계열의 AZ5214 감광제(제조사: AZ electronic materials)를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여 미세 그루브 패턴(210)을 형성(도 7의 2. 참조)한다.

자세하게는, 실리콘 웨이퍼 표면에 AZ 5214를 웨이퍼의 1/3 정도 로딩(loading)한 후 5,000rpm으로 40초간 스핀 코팅하여 약 1μm 두께로 AZ 5214를 코팅한다. 코팅된 AZ 5214를 105℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 1분 정도 굽는다. 이렇게 구워진 웨이퍼와 포토레지스트를 마스크를 이용하여 UV 노광 처리한다. 이때 노광시간은 7초 정도인 것이 바람직하다. 다음으로 상기 기판을 AZ 5214용 디벨로퍼인 AZ 300 MIF(제조사: AZ electronic materials)가 들어 있는 비커에 넣고 약20초 동안 디벨로프 공정을 거친 뒤, UV가 조사된 부분의 포토레지스트층을 선택적으로 제거시킨다. 마지막으로, 상기 기판을 꺼내어 순수한 물(D.I water)로 세척하여 미세 그루브 패턴(210) 형성을 완료한다.

2) 폴리머 상부층 제조과정 2단계 폴리머 상부층 형성 (S200)

실리콘 웨이퍼 표면에 미세 그루브 패턴(210)이 형성된 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS: polydimethylsiloxane) 폴리머를 1200rpm에서 40초간 스핀코팅하여 PDMS 레이어를 형성한다.(도 7의 3. 참조).

3) 폴리머 상부층 제조과정 3단계 외팔보 구체화 (S300, S400, S500)

전극연결부(122)와 레이저 변위계 반사판(230)을 내부에 형성하기 위해 메탈(metal)을 에칭을 하는 공정으로는 공정의 단순화를 위해 금속 식각(etching) 공정을 사용한다(S300, 도 7의 4. 참조).

좀더 구체적으로, 실리콘 웨이퍼는 전자 빔 증발기(electron beam evaporator)에 의해 증착 처리되어 100nm의 금속 박막을 형성한다. 금속 박막 위에 얇은 코팅제인 AZ5214 레지스트를 이용하여, 금속으로 된 전극연결부(122) 및 레이저 변위계 반사판(230) 형성을 위한 패턴을 만든다. 공정 조건은 4,000 rpm에서 코팅하고, 95 ℃에서 1분간 베이크를 수행하는 것으로 한다. 이렇게 코팅된 웨이퍼는 UV노광기에 의해 7초 정도 노광된 후 현상액(AZ300MIF)에 의해 현상 처리된다. 그리고나서 이렇게 현상된 실리콘 웨이퍼를 금속 식각액이 담긴 비커에 넣고 약 20초간 금속 식각을 진행한다. 이후, 아세톤 등을 이용하여 전극연결부(122)와 레이저 변위계 반사판(230), 금속 압저항 센서(220) 형성에 사용된 AZ5214를 제거하여 금속 패턴 형성을 완료한다.

전극연결부(122)와 레이저 변위계 반사판(230), 금속 압저항 센서(220)이 메탈(metal) 에칭으로 형성된 위에 폴리다이메틸실록세인(PDMS: polydimethylsiloxane) 폴리머를 4000rpm에서 40초간 스핀코팅하여 다시 PDMS 레이어를 형성하여 코팅한다(S400, 도 7의 5. 참조).

외팔보의 구성요소인 금속 압저항 센서(220), 레이저 변위계 반사판(230) 및 미세 그루브 패턴(210)은 상기 과정에서 형성되었고, 구성요소를 모두 포함하는 외팔보의 범위를 구획화(define)한다(S500, 도 7의 6. 참조).

PDMS는 감광성 재료가 아니기 때문에 외팔보의 범위를 정의하기 위하여 laser cutting 방법을 이용한다. laser cutting을 통해 외팔보(cantilever)를 정의하고 구체화한다.

4) 유리 하부층 제조과정 1단계 금속 에칭 (S600)

유리 웨이퍼(도 7의 Glass Part 1. 참조)에 전극연결부(122)와 전극 패드(124)를 형성하기 위한 공정으로 메탈(metal)을 에칭하는 공정으로는 공정의 단순화를 위해 식각이 아닌 Lift-Off 공정을 사용한다(도 7의 Glass Part 2. 참조).

좀더 구체적으로, 유리 웨이퍼 위에, 얇은 코팅제인 AZ5214 레지스트를 이용하여, 금속으로 된 전극연결부(122)와 전극 패드(124) 형성을 위한 패턴을 만든다. 공정 조건은 4,000 rpm에서 코팅하고, 105 ℃에서 1분간 베이크를 수행하는 것으로 한다. 이렇게 코팅된 웨이퍼는 UV노광기에 의해 3초 정도 노광된 후 PEB를 수행한다. PEB 완료 후 웨이퍼는 UV노광기에 의해 18초 정도 노광된 후 현상액(AZ300MIF)에 의해 현상 처리된다. 그리고나서 이렇게 현상된 실리콘 웨이퍼는 전자 빔 증발기(electron beam evaporator)에 의해 증착 처리되어 100nm의 금속 박막이 형성된다. 이후, 아세톤 등을 이용하여 희생층으로 사용된 AZ5214를 제거하여 금속 패턴 형성을 완료한다.

유리 하부층(120)의 개략도는 (도 9)와 같은 모습이 되며, 구체적인 사진은 (도 10)과 같은 모습이다.

5) 폴리머 외팔보 구조체 제조과정 1단계 폴리머 상부층과 유리 하부층의 접착 (S700)

앞선 과정을 통해 만들어진 폴리머 상부층(110)과 유리 하부층(120)을 산소 플라즈마 처리해 화학적 접합으로 일체화시킨다(도 7 참조).

6) 폴리머 외팔보 구조체 제조과정 2단계 폴리머 외팔보 구조체 분리 (S800)

아세톤 또는 포토레지스트 제거액을 이용하여 미세그루부 몰드 및 희생층으로 사용된 AZ 5214 층을 제거함으로써 쉽게 폴리머 외팔보 구조체(1000)을 기판으로부터 분리하여 완성한다(도 7 참조).

완성된 폴리머 외팔보 구조체(1000)에 더해서, (도 11)과 같은 모습으로 외팔보 지지대(300 )와 전극패드 보호 구조체(400)를 추가할 수 있다.

외팔보 지지대(300)는, 외팔보가 스스로 중력에 의해 처지는 현상을 방지하며, 안정적으로 세포를 배양할 수 있도록 한다. 또한 전극패드 보호 구조체(400)는, 폴리머 외팔보 구조체(1000)가 배양액 같은 액체 내에서도 측정이 가능하도록 하는 역할을 한다.

(도 3)의 a)는 외팔보 지지대의 재료를 폴리머 PDMS로 제조한 것이고, (도 3)의 b)는 외팔보 지지대의 재료를 유리로 제조한 것이다.

한편, 이러한 폴리머 외팔보 구조체(1000)에 의해, 본 발명에 따라 심장 독성 피진단 약물에 의한 심근세포의 변화를 측정하는 과정을 설명하면 다음과 같다. (도 8)을 참조하여 설명한다.

1) 측정과정 1단계 피진단 약물 투여 (S900, S1000)

폴리머 외팔보 구조체(1000)의 외팔보(200) 상부에 형성된 미세 그루브 패턴(210)에 심근세포(cardiomyocyte)를 올려서 배양한다(S900).

성장한 심근세포는 (도 4)의 오른쪽 사진에서 보이는 것처럼 외팔보에 미세 그루브 패턴(210)이 있는 상태에서는, 패턴을 따라 질서 있게 성장하는 모습을 보인다. 이에 비해 (도 4)의 왼쪽 사진에서 보이는 것처럼 외팔보에 미세 그루브 패턴(210)이 없는 경우는, 무질서한 성장 모습을 보인다.

외팔보(200)의 미세 그루브 패턴(210)에 피진단 약물을 투여하면, 배양되고 성장한 심근세포에 피진단 약물이 작용하여, 두 가지의 다른 방식인 세포의 수축으로 인한 전기저항 변위 값 변화와, 레이저 변위계 측정을 통한 반사판 이동값 변경을 일으킨다.

3) 측정과정 2단계 전기저항 변위 값과 레이저 변위계 반사판 이동값 획득 (S1100)

피진단 약물 투여(S1000)로 인해 발생한, 세포의 수축으로 전기저항 변위 값 및 반사판 이동값 변화는, 외팔보(200)의 금속압저항센서(220) 및 레이저 변위계 반사판(230)으로 측정되어 일정한 계측값 형태로 획득된다.

4) 측정과정 3단계 피진단 약물의 독성 판단 (S1200, S1300)

계측값 형태로 획득된 단일 폴리머 외팔보 구조체(1000)에서의 값을 모아, 다수의 폴리머 외팔보 구조체(1000)에서 획득한 값들로 누적 합산하여 평균을 계산한다(S1200).

다수 검사값에서 평균을 계산(S1000)한 값으로, 피진단 약물로 인한 심근세포의 수축 특성을 객관적으로 파악하고, 이를 기준 문헌값 또는 기준표와 비교하여 독성 여부를 판단한다(S1300).

배양된 심근 세포의 beating에 따른, 금속 압저항 센서의 출력 저항값의 변화를 보면, (도 12)의 a)는 세포 배양 후 7일차이고, b)는 세포 배양후 8일차, c)는 세포 배양 후 9일차에 해당하는데, 세포 배양 후 시간 경과에 따라서 심근세포의 수축력이 증가하는 것을 압저항 센서의 저항 변화 증가로 확인할 수 있다. (도 13)은 심근세포의 배양 일수에 따라, 압저항 센서의 저항 측정값 및 레이저 변위계의 이동값이 변화하는 양상을 나타낸 그래프인데, 막대 그래프는 압저항 센서의 저항 변화량, 꺾은선 그래프는 레이저 변위계 이동값을 나타낸다. 폴리머 외팔보 구조체(1000)가 정상적으로 작동한다는 것이 확인 되며, 심근세포의 배양 일수에 따라서 4일차부터 9일차 까지 심근세포의 수축력은 증가 하고, 이후 감소함이 확인된다. 심근세포 수축력의 증가/감소는 PDMS 외팔보에 집적화된 압저항 센서와 레이저 변위계의 이동값을 통하여 검증된다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

100 : 몸체부
110 : 폴리머 상부층
120 : 유리 하부층
122 : 전극연결부
124 : 전극 패드
200 : 외팔보
210 : 미세 그루브 패턴
220 : 금속 압저항 센서
230 : 레이저 변위계 반사판
300 : 외팔보 지지대
400 : 전극패드 보호 구조체
1000 : 폴리머 외팔보 구조체

Claims

몸체부; 및
외팔보(Cantilever);를 구비하되,
상기 몸체부는, 전극연결부를 구비한 폴리머 상부층과, 전극 패드를 구비한 유리 하부층을 포함하고,
상기 외팔보는 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판, 및 세포가 수용되는 곳인 미세 그루브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체.
제 1항에 있어서,
상기 세포는 심근세포(Cardiomyocyte)인 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체.
제 1항에 있어서,
상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체.
제 1항에 있어서,
상기 미세 그루브 패턴은,
심근세포를 캔틸레버의 길이방향으로 정렬할 수 있도록 하며, 수축력을 집중 시킬 수 있는 패턴인 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체
제 1항의 폴리머 외팔보 구조체에,
외팔보가 스스로의 중력에 의해 처지는 현상을 방지하고, 세포를 안정적으로 배양할 수 있는
유리 재질의 외팔보 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체.
제 1항의 폴리머 외팔보 구조체에,
배양액 액체 내에서 측정이 가능하도록 만드는,
전극패드 보호구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 외팔보 구조체.
(1) 실리콘 웨이퍼 표면에 감광제를 통해 포토리소그래피 공정을 수행하여, 미세 그루브 패턴을 형성하는 단계;
(2) 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판을 내부에 구비하도록 폴리머 상부층을 형성하는 단계;
(3) 금속 압저항 센서, 레이저 변위계 반사판, 및 세포가 수용되는 곳인 미세 그루브 패턴을 구비하는 외팔보를, 금속 에칭하고 폴리머 코팅하며 구획화하여 구체화하는 단계;를 포함하는,
심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 폴리머 상부층 제조방법.
제 7항에 있어서,
상기 폴리머는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 폴리머인 것을 특징으로 하는, 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 폴리머 상부층 제조방법.
전극연결부 및 전극 패드를 금속 에칭하여 구체화하는 단계;를 포함하는,
심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체의 유리 하부층 제조방법.
(1) 폴리머 상부층과 유리 하부층을 접착하는 단계;
(2) 폴리머 외팔보 구조체를 분리하는 단계;를 포함하는 심근세포의 수축력 측정용 폴리머 외팔보 구조체 제조방법.
약물의 심근세포에 대한 독성을 폴리머 외팔보 구조체를 이용하여 측정하는 방법에 있어서,
(1) 피진단 약물을 폴리머 외팔보 구조체 상의 외팔보 상부에 위치한 심근세포에 투여하는 단계;
(2) 폴리머 외팔보 구조체로부터 전기저항 변위값과 레이저 변위계 반사판 이동값을 획득하는 단계;
(3) 상기 획득한 전기저항 변위값과 레이저 변위계 반사판 이동값을 기준표와 비교하여, 피진단 약물의 독성을 판단하는 단계;를 포함하는,
약물의 심근세포에 대한 독성을 폴리머 외팔보 구조체를 이용하여 측정하는 방법.