KR102507834B1 - Surface modified noncontaminating cell test microfluidic chip and microfluidic device containing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 장기적 항박테리아성과 항오염성 및 세포흡착성 필름을 갖는 미세유체소자에 관한 것으로, 소형화된 미세유체칩에서도 국소부위별로 다르면서도 세포 또는 미생물 배양과 약효 모니터링에 필수적인 조건을 충족하는 기능성 고분자 복합소재를 구현한 것이고, 상기 소재로 제조한 미세유체소자는 세포배양 및 약물 효과 모니터링을 효과적으로 수행할 수 있다.The present invention relates to a microfluidic device having a long-term antibacterial, antifouling, and cell-adhesive film. Even in a miniaturized microfluidic chip, a functional polymer composite material that satisfies essential conditions for culturing cells or microorganisms and monitoring drug efficacy while being different for each local area. is implemented, and the microfluidic device made of the material can effectively perform cell culture and drug effect monitoring.
Description
본 발명은 표면 개질된 비오염성 세포 검정 미세유체칩 및 이를 포함하는 미세유체소자에 관한 것이다.The present invention relates to a surface-modified non-staining cell assay microfluidic chip and a microfluidic device including the same.
의학적 진단칩, 센서 칩은 일반적으로 액상 생체시료를 진단시약이 고정된 미세유체칩에 도입하여 확인하는 방식으로 이루어진다. 오늘날 진단칩은 임신진단키트처럼 단순히 O, X 방식으로 운용되는 것에서 벗어나 약물 스크리닝, 세포배양 칩의 제조로 의학적 진단칩으로서 그 기능이 확대하면서 미세유체칩 안에서 미생물을 배양하며 장시간 모니터링 해야 할 필요성이 생겨났다. 그러나, 약물 효과를 테스트하는 기존의 방식 중 동물 임상시험 전단계로 체외임상 즉, 세포 수준에서의 독성실험을 하는 in vitro 실험에서는 생체적 환경과는 다르게 약물을 미리 배양해 놓은 세포층에 도포하여 직접적으로 세포와 접촉하게 하여 테스트함에 따라 고농도 및 물리적 접촉이 야기되는 효과를 구분할 수 없었다. 또한, 기존의 미세유체시스템 개발 기술은 물리적, 기하학적으로 복잡한 구조 구현에 초점이 맞춰져 있으나 생물을 다루는 의공학에서는 소재의 화학적, 생화학적 기능을 조절하는 것이 중요하다. 이에 미세유체소자에 사용 가능한 약물전달시스템의 개발 및 이를 장시간 오염없이 유지할 수 있는 기능성 소재의 개발이 필요하다.Medical diagnostic chips and sensor chips are generally made by introducing a liquid biological sample into a microfluidic chip on which diagnostic reagents are fixed and confirmed. Today, the diagnostic chip has expanded its function as a medical diagnostic chip to drug screening and cell culture chip manufacturing, moving away from being operated in a simple O, X method like a pregnancy test kit. came into being However, among the existing methods of testing drug effects, in vitro clinical trials, that is, toxicity tests at the cell level, prior to animal clinical trials, are applied directly to the cell layer in which the drug has been cultured in advance, unlike the biological environment. As it was tested in contact with cells, it was not possible to distinguish the effects caused by high concentrations and physical contact. In addition, existing microfluidic system development technologies are focused on implementing physically and geometrically complex structures, but in biomedical engineering, it is important to control the chemical and biochemical functions of materials. Therefore, it is necessary to develop a drug delivery system that can be used in microfluidic devices and a functional material capable of maintaining it without contamination for a long time.
본 발명은 표면 개질된 미세유체칩을 포함하는 미세유체소자의 오염을 방지하고 세포배양시 세포흡착을 유도하여 세포배양이 우수한 미세유체소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a microfluidic device with excellent cell culture by preventing contamination of a microfluidic device including a surface-modified microfluidic chip and inducing cell adsorption during cell culture.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 표면을 개질한 미세유체칩은 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 비접착부(non-adhesive); 및 친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착부(cell-adhesive)를 포함한다. In order to achieve the above object, a surface-modified microfluidic chip according to one aspect of the present invention includes a non-adhesive portion formed by alternately repeating the lamination of a hydrophilic single polymer and the lamination of polyacrylamide; and a cell-adhesive formed by alternately repeating the lamination of the hydrophilic homopolymer and the lamination of the supramolecular structure compound.
또한, 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(polyallylamine hydrochloride)로 사전 처리된 미세유체칩일 수 있다. In addition, it may be a microfluidic chip pre-treated with polyallylamine hydrochloride.
또한, 은 나노입자(silver nanoparticle)로 사후 처리된 미세유체칩일 수 있다. In addition, it may be a microfluidic chip post-processed with silver nanoparticles.
또한, 약물 도입부, 약물입자 고정부, 약물효능 모니터부 및 세포배양부가 연결된 채널을 포함하는 미세유체칩일 수 있다. In addition, it may be a microfluidic chip including a channel connected to a drug introducing unit, a drug particle fixing unit, a drug efficacy monitoring unit, and a cell culture unit.
또한, 폴리-L-리신(poly-L-Lysine) 및 탄닌산(tannic acid)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 사후 처리된 미세유체칩일 수 있다. In addition, it may be a microfluidic chip post-processed with at least one selected from the group consisting of poly-L-lysine and tannic acid.
또한, 적층은 2 내지 100회 교대로 반복하여 형성된 미세유체칩일 수 있다.In addition, the stacking may be a microfluidic chip formed by alternately repeating 2 to 100 times.
또한, 친수성 단일 중합체는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산 및 폴리비닐 알코올로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 미세유체칩일 수 있다. In addition, the hydrophilic homopolymer may be at least one microfluidic chip selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyacrylic acid, and polyvinyl alcohol.
또한, 초분자 구조 화합물은 크라운 에테르(crown ether), 사이클로덱스트린(cyclodextrin), 로텍산(rotaxan), 제올라이트(zeolite), 포르피린(porphyrin), 쿠커비투릴(cucurbituril)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 미세유체칩일 수 있다. In addition, the supramolecular structure compound may be at least one microfluidic chip selected from the group consisting of crown ether, cyclodextrin, rotaxan, zeolite, porphyrin, and cucurbituril there is.
또한, 미세유체칩은 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 및 사이클로-올레핀 공중합체(cyclo-olefin copolymer)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 미세유체칩일 수 있다. In addition, the microfluidic chip may be one or more microfluidic chips selected from the group consisting of polydimethyl siloxane, polymethyl methacrylate, and cyclo-olefin copolymer.
다른 구현 예에서, 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 비접착부; 및 친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착부; 로 표면을 개질한 미세유체칩을 포함하는 미세유체소자를 제공한다.In another embodiment, a non-adhesive portion formed by alternately repeating the lamination of a hydrophilic homopolymer and the lamination of polyacrylamide; and cell adhesion portions formed by alternately repeating the lamination of the hydrophilic homopolymer and the lamination of the supramolecular structure compound. Provided is a microfluidic device including a microfluidic chip whose surface is modified with
또한, 미세유체칩의 하면에 유리, 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 및 사이클로-올레핀 공중합체(cyclo-olefin copolymer)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 하판을 포함하는 미세유체소자일 수 있다. In addition, the lower surface of the microfluidic chip includes at least one lower plate selected from the group consisting of glass, polydimethyl siloxane, polymethyl methacrylate, and cyclo-olefin copolymer. It may be a microfluidic device.
또 다른 구현 예에서, 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 비접착부를 적층하는 단계; 및 친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착부를 적층하는 단계; 로 표면을 개질한 미세유체칩의 제조방법을 제공한다.In another embodiment, stacking the non-adhesive portion formed by alternately repeating the stacking of the hydrophilic homopolymer and the stacking of polyacrylamide; and stacking the cell adhesive portion formed by alternately repeating the stacking of the hydrophilic homopolymer and the stacking of the supramolecular structure compound; It provides a method for manufacturing a microfluidic chip whose surface is modified by
이상과 같이, 본 발명에 따른 표면 개질된 미세유체칩을 포함하는 미세유체소자는 장기적 항박테리아성과 비오염성 및 세포흡착성으로 코팅되어 약물도입부와 세포배양부가 잘 분리됨에 따라 기타 미생물의 오염없이 세포배양과 약물방출이 이루어질 수 있어 독성 테스트 및 약물방출 효과를 실시간으로 효과적으로 모니터링할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 비오염성 코팅소재는 국소부위별로 다르면서도 세포 또는 미생물 배양과 약효 모니터링에 필수적인 조건을 충족하는 기능성 고분자 복합소재를 구현하여 제약, 의공학 산업에 적용 가능하며, 미세유체소자는 약물전달시스템과 의학적 진단칩으로 사용되거나, 기타 미생물 오염을 방지해야하는 다양한 분야에 응용이 가능하다.As described above, the microfluidic device including the surface-modified microfluidic chip according to the present invention is coated with long-term antibacterial, non-fouling, and cell adsorption properties, so that the drug introduction part and the cell culture part are well separated, thereby culturing cells without contamination of other microorganisms. And drug release can be achieved, so toxicity test and drug release effect can be effectively monitored in real time. In addition, the non-staining coating material according to the present invention can be applied to the pharmaceutical and medical engineering industries by implementing a functional polymer composite material that meets the essential conditions for cell or microbial culture and drug efficacy monitoring, while being different for each local area. It can be used as a delivery system and medical diagnostic chip, or it can be applied to various fields where microbial contamination must be prevented.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 미세유체소자의 조립구성도 및 (b) 미세유체칩의 파트별 구성도를 나타낸 것이다. 상판(top plate)은 미세유체칩을 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 약물 탑재 젤 입자 사진 및 (b) 미세유체소자에서의 약물 방출 거동 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩의 표면 개질에 사용된 고분자화합물 구조를 나타낸 것이다. (a): Non-adhesive 코팅막에 사용된 고분자화합물, (b): Cell adhesive 코팅막에 사용된 고분자 화합물.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체소자의 contact angle 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체소자의 cell adhesive 표면 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체소자에서의 세포배양 결과를 나타낸 이미지이다. (a): 일반 PDMS 미세유체칩, (b) 비오염성 필름(PAA/PAAm)이 선택적으로 코팅된 미세유체칩, (c) 비오염성 필름(PAA/PAAm)과 세포흡착성 필름(PAA/Cat-CyD)이 부위별로 선택적으로 코팅된 미세유체칩.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체소자의 약물입자 고정부 안에 도입된 약물함유 sodium alginate (SA) 겔 입자의 형상을 나타낸 이미지이다. (a): 일반 PDMS 유체칩, (b): 비오염성 표면처리 된 PDMS 유체칩.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자의 도입유무에 따른 비오염성 코팅된 미세유체소자의 장시간 세포배양 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 코팅막으로 처리된 미세유체소자에서 젤 입자에서의 항암 약물 방출에 따른 결과를 나타낸 이미지이다.Figure 1 shows (a) an assembly configuration diagram of a microfluidic device and (b) a configuration diagram for each part of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention. The top plate represents a microfluidic chip.
2 shows (a) a photograph of drug-loaded gel particles and (b) a result of drug release behavior in a microfluidic device according to an embodiment of the present invention.
3 shows a structure of a polymer compound used for surface modification of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention. (a): High molecular compound used for non-adhesive coating, (b): High molecular compound used for cell adhesive coating.
4 shows the result of measuring the contact angle of a microfluidic device according to an embodiment of the present invention.
5 shows a cell adhesive surface image of a microfluidic device according to an embodiment of the present invention.
6 is an image showing the results of cell culture in a microfluidic device according to an embodiment of the present invention. (a): general PDMS microfluidic chip, (b) microfluidic chip selectively coated with non-staining film (PAA/PAAm), (c) non-staining film (PAA/PAAm) and cell-adhesive film (PAA/Cat- CyD) microfluidic chip selectively coated for each site.
7 is an image showing the shape of drug-containing sodium alginate (SA) gel particles introduced into the drug particle fixing part of the microfluidic device according to an embodiment of the present invention. (a): Normal PDMS fluid chip, (b): PDMS fluid chip with non-contamination surface treatment.
8 is an image showing the result of long-term cell culture of a non-staining coated microfluidic device according to the presence or absence of silver nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
9 is an image showing the results of anticancer drug release from gel particles in a microfluidic device treated with a functional coating film according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명에서 인용되는 모든 문헌은 본 발명의 일부로 포함된 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. All documents cited herein are incorporated as part of this invention.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 달리 언급하지 않는 한, 하기 용어의 의미는 하기와 같다:As used in this specification and appended claims, unless otherwise indicated, the following terms have the following meanings:
본 명세서에서 사용된 용어 "poly(dimethylsiloxane)"은 이하 "PDMS"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.The term "poly(dimethylsiloxane)" used herein should be understood as the same as "PDMS" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "Sodium alginate"는 이하 "SA"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the term "sodium alginate" should be understood as the same as "SA" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "polyallylamine hydrochloride"는 이하 "PAH"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the term "polyallylamine hydrochloride" should be understood as the same as "PAH" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "polyacrylic acid"는 이하 "PAA"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.The term "polyacrylic acid" used herein should be understood as the same as "PAA" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "polyacrylamide"는 이하 "PAAm"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the term "polyacrylamide" should be understood as the same as "PAAm" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "사이클로덱스트린" 또는 "cyclodextrin"은 이하 "CyD"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.The term "cyclodextrin" or "cyclodextrin" as used herein is to be understood as synonymous with "CyD" hereinafter.
본 명세서에서 사용된 용어 "베타사이클로덱스트린" 또는 "β-cyclodextrin"은 이하 "β-CyD"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.The term "betacyclodextrin" or "β-cyclodextrin" as used herein should be understood as synonymous with "β-CyD" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "Cationic cyclodextrin oligomer"는 이하 "Cat-CyD"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the term "Cationic cyclodextrin oligomer" should be understood as the same as "Cat-CyD" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "poly-L-Lysine"은 이하 "PLL"과 동일한 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the term "poly-L-Lysine" should be understood as synonymous with "PLL" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "tannic acid"는 이하 "TA"와 동일한 것으로 이해되어야 한다.As used herein, the term "tannic acid" should be understood as the same as "TA" below.
본 명세서에서 사용된 용어 "Non-adhesive 코팅"은 친수성 및 항오염성(미생물 부착방지)을 갖는 코팅을 의미한다.As used herein, the term "non-adhesive coating" means a coating having hydrophilicity and antifouling properties (prevention of microbial adhesion).
본 명세서에서 사용된 용어 "cell-adhesive 코팅"은 세포접착성이 있는 코팅을 의미한다.As used herein, the term "cell-adhesive coating" means a coating having cell-adhesive properties.
본 발명의 표면을 개질한 미세유체칩은 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 비접착부; 및 친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착부를 포함한다. The surface-modified microfluidic chip of the present invention includes a non-adhesive portion formed by alternately repeating the lamination of a hydrophilic single polymer and the lamination of polyacrylamide; and a cell adhesion portion formed by alternately repeating the lamination of the hydrophilic homopolymer and the lamination of the supramolecular structure compound.
본 발명에 포함된 구성의 일부는, 대한민국 등록특허 제1928048호의 내용을 포함하고 있고, 상기 등록특허에 기재된 내용의 일부는 본 발명에 구체적으로 기재되어 있지 않더라도, 본 발명의 일부로 포함될 수 있다. Some of the configurations included in the present invention include the contents of Korean Registered Patent No. 1928048, and some of the contents described in the registered patent may be included as part of the present invention even if not specifically described in the present invention.
본 발명의 미세유체칩은 후술하는 고분자 다층막과의 접착성 향상을 위하여 플라즈마 처리 및/또는 프라이머 처리와 같은 공지의 방법으로 그 표면이 사전처리된 것일 수 있다. 다만, 미세유체칩의 재료가 소수성인 경우 세포배양액과 같은 수용액의 도입이 용이하도록 친수성으로의 표면개질이 필요하다. 바람직하게는, 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(polyallylamine hydrochloride)로 고분자 다층막을 형성하기 전 단계에 사전 처리하여 친수성으로의 표면개질을 유도할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The surface of the microfluidic chip of the present invention may be pre-treated by a known method such as plasma treatment and/or primer treatment in order to improve adhesion to a polymer multilayer film described later. However, when the material of the microfluidic chip is hydrophobic, it is necessary to modify the surface to be hydrophilic so that an aqueous solution such as a cell culture medium can be easily introduced. Preferably, surface modification to be hydrophilic may be induced by pre-treatment with polyallylamine hydrochloride prior to forming the polymer multilayer film, but is not limited thereto.
본 발명의 미세유체칩은 약물 도입부, 약물입자 고정부, 약물효능 모니터부 및 세포배양부가 연결된 채널을 포함할 수 있다. The microfluidic chip of the present invention may include a channel connected to a drug introduction unit, a drug particle fixing unit, a drug efficacy monitoring unit, and a cell culture unit.
상기 세포배양부는 세포접착부와 실질적으로 동일한 부위일 수 있고, 세포의 접착은 본 발명이 속하는 분야에서 사용하는 모든 세포 접착 효율을 향상시키는 물질을 사용할 수 있고, 바람직하게는 세포의 전하 성질에 따라 양전하 물질을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리-L-리신(poly-L-Lysine) 및 탄닌산(tannic acid)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상으로 사후 처리한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The cell culture part may be substantially the same as the cell adhesion part, and cell adhesion may use any material that improves cell adhesion efficiency used in the field to which the present invention belongs, and preferably has a positive charge depending on the charge property of the cell A material may be used, more preferably one post-processed with one or more selected from the group consisting of poly-L-lysine and tannic acid, but is not limited thereto.
본 발명의 미세유체칩은 세포의 검정을 위해 제조된 것이므로, 전 과정이 무균상태에서 이루어져야 다양한 오염요인을 배제할 수 있다. 비오염성 효과를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 비접착부를 사용하였으나, 추가적인 오염방지를 위하여 본 발명이 속하는 분야에서 사용하는 모든 오염방지 물질을 포함할 수 있고, 바람직하게는 은 나노입자(silver nanoparticle)로 사후 처리할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Since the microfluidic chip of the present invention is manufactured for cell assay, various contaminants can be excluded only when the entire process is performed in an aseptic state. In order to achieve the non-fouling effect, the present invention used a non-adhesive portion formed by alternately repeating the lamination of hydrophilic homopolymer and the lamination of polyacrylamide, but all of the non-adhesive parts used in the field to which the present invention belongs to additional contamination prevention An antifouling material may be included, and post-treatment may be preferably performed with silver nanoparticles, but is not limited thereto.
상기 은 나노입자는 미세유체칩의 모든 부위에 사용할 수 있고, 바람직하게는 세포배양부에 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The silver nanoparticles can be used in all parts of the microfluidic chip, preferably in the cell culture part, but are not limited thereto.
본 발명에서 적층은 미세유체칩의 친수성 및 항오염성(미생물 부착방지)를 나타내는 적층횟수를 포함하는 것이고, 바람직하게는 2 내지 100회, 2 내지 50회, 2 내지 10회, 2 내지 5회 교대로 반복하여 형성되는 것이며, 더욱 바람직하게는 3 내지 4회 교대로 반복하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the lamination includes the number of laminations showing hydrophilicity and antifouling properties (prevention of microbial adhesion) of the microfluidic chip, preferably 2 to 100 times, 2 to 50 times, 2 to 10 times, and 2 to 5 times. It is formed by repeating, more preferably by alternating 3 to 4 times, but is not limited thereto.
본 발명에서 친수성 고분자는 고분자 사슬의 주쇄 또는 측쇄에 극성 또는 하전된 관능기를 가짐으로써 물 등의 극성 용매에 용해되는 고분자를 말한다. 친수성 고분자는 결정성이거나 또는 비정질의 고분자일 수 있다. 한편 단일 중합체(homo-polymer)라 함은 하나의 단량체를 중합하여 얻어지는 고분자를 말한다. In the present invention, the hydrophilic polymer refers to a polymer having a polar or charged functional group on the main chain or side chain of the polymer chain and thus soluble in a polar solvent such as water. The hydrophilic polymer may be a crystalline or amorphous polymer. Meanwhile, a homo-polymer refers to a polymer obtained by polymerizing one monomer.
본 발명에서 친수성 단일 중합체는 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol, PEG), 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA) 및 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 PAA이나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the hydrophilic homopolymer may be at least one selected from the group consisting of polyethyleneoxide (PEO), polyethyleneglycol (PEG), polyacrylic acid (PAA), and polyvinyl alcohol (PVA), , preferably PAA, but is not limited thereto.
본 발명에서 초분자 구조의 화합물은 기존의 유기 저분자 기반의 초분자 형성에 비해 본 발명의 고분자 형태의 초분자 화합물은 쉽게 코팅막으로 제조할 수 있어 고체 표면에서 다양한 분자의 손님(guest)분자와의 결합을 활용할 수 있는 새로운 기능성 재료가 될 수 있다. 손님분자와 결합하는 분자는 공동을 가진 화합물로 이들의 결합 현상은 초분자 화학으로 연구되어 왔다. 초분자는 수소결합, 정전기적 상호작용 또는 반데르발스 인력과 같은 비공유 결합을 통해 분자나 이온이 모여 형성된 분자복합체를 의미한다. 초분자의 구조를 형성하는 대표적인 비공유 결합들은 공유결합에 비해 매우 약하기 때문에 초분자 물질은 주변의 환경에 따라 구조가 쉽게 변할 수 있어 이러한 특징을 이용하면 물질의 모양을 임의적으로 조절할 수 있다. 초분자 구조를 형성하는 대표적인 원리는 분자인식(molecular recognitioIn the present invention, the supramolecular compound can be easily prepared as a coating film compared to the conventional organic low molecular based supramolecular formation, and the combination of various molecules with guest molecules on the solid surface can be utilized. It can be a new functional material that can be. Molecules that bind to guest molecules are compounds with cavities, and their binding phenomena have been studied in supramolecular chemistry. Supramolecules refer to molecular complexes formed by gathering molecules or ions through non-covalent bonds such as hydrogen bonds, electrostatic interactions, or van der Waals forces. Representative non-covalent bonds that form the structure of supramolecules are very weak compared to covalent bonds, so the structure of supramolecular materials can easily change depending on the surrounding environment. Using these characteristics, the shape of the material can be arbitrarily controlled. A representative principle of forming a supramolecular structure is molecular recognition.
n)과 자기조립(self-assembly)이다. 분자인식은 항원-항체 반응처럼 분자가 구조적으로 들어맞아 나타나는 결과로 자물쇠와 열쇠의 관계로 볼 수 있다. 반면 자기조립은 자발적인 상호작용으로 분자들이 조립되는 현상으로서, 이렇게 형성되는 초분자체는 분자의 특성에 기인한다. 생태계의 초분자가 분자인식에 더 기반한다고 보면, 합성을 기반으로 하는 초분자 화학은 자기조립으로 조절되는 경우가 더 다양하다고 볼 수 있다. 초분자체의 범위가 상당히 넓을 수 있기 때문에 우선 가장 간단하고 작은 단위부터 살펴보자면, 단위체기반의 분자들을 언급할 수 있다.n) and self-assembly. Molecular recognition can be seen as a lock and key relationship as a result of molecules structurally matching, such as an antigen-antibody reaction. On the other hand, self-assembly is a phenomenon in which molecules are assembled through spontaneous interactions, and the supramolecular sieve formed in this way is due to the characteristics of the molecules. If the supramolecules in the ecosystem are more based on molecular recognition, it can be seen that the synthesis-based supramolecular chemistry is more diverse in cases where it is controlled by self-assembly. Since the range of supramolecular sieves can be quite broad, starting with the simplest and smallest units, we can refer to monomer-based molecules.
초분자 구조 화합물은 크라운 에테르(crwon ether), 사이클로덱스트린(cyclodextrin, CyD), 로텍산(rotaxan), 제올라이트(zeolite), 포르피린(porphyrin), 쿠커비투릴(cucurbituril)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 알파, 베타 또는 감마 CyD일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 발명자가 선행연구(S. Y. Yang et al. , Bull. Korean Chem. Soc. 2013, Vol. 34, No. 7. 2016-2022)에서 개발한 양이온성 사이클로덱스트린 올리고머(cationic cyclodextrin oligomer, Cat-CyD)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The supramolecular structure compound may be one or more selected from the group consisting of crown ether, cyclodextrin (CyD), rotaxan, zeolite, porphyrin, and cucurbituril, preferably Preferably, it may be alpha, beta, or gamma CyD, and more preferably, it is developed by the inventor in prior research (S. Y. Yang et al., Bull. Korean Chem. Soc. 2013, Vol. 34, No. 7. 2016-2022) It may be a cationic cyclodextrin oligomer (Cat-CyD), but is not limited thereto.
본 발명에서 미세유체칩은 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 및 사이클로-올레핀 공중합체(cyclo-olefin copolymer) 등 광학적 투명도가 높은 고분자들로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the microfluidic chip is made of a material selected from the group consisting of polymers with high optical transparency, such as polydimethyl siloxane, polymethyl methacrylate, and cyclo-olefin copolymer. It can be used, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 제1 적층부; 및 친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 제2 적층부; 로 표면을 개질한 미세유체칩을 포함하는 미세유체소자를 제공한다.In addition, the present invention provides a first laminate formed by alternately repeating the lamination of hydrophilic homopolymer and the lamination of polyacrylamide; and a second layered portion formed by alternately repeating the layering of the hydrophilic homopolymer and the layering of the supramolecular structure compound. Provided is a microfluidic device including a microfluidic chip whose surface is modified with
본 발명에서 미세유체칩의 하면(하판)은 유리, 폴리디메틸 실록산(polydimethyl siloxane), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 및 사이클로-올레핀 공중합체(cyclo-olefin copolymer) 등 광학적 투명도가 높은 고분자들 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the present invention, the lower surface (lower plate) of the microfluidic chip is made of polymers with high optical transparency such as glass, polydimethyl siloxane, polymethyl methacrylate, and cyclo-olefin copolymer. It may be one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
또 다른 구현 예에서, 친수성 단일 중합체의 적층과 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 적층을 교대로 반복하여 형성된 제1 적층부를 적층하는 단계; 및 제1 코팅부의 표면에, 친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 제2 적층부를 적층하는 단계; 로 표면을 개질한 기판의 제조방법을 제공한다.In another embodiment, laminating a first laminate formed by alternately repeating a hydrophilic homopolymer laminate and a polyacrylamide laminate; and laminating a second layered portion formed by alternately repeating the layering of the hydrophilic homopolymer and the layering of the supramolecular structure compound on the surface of the first coating layer. Provided is a method for manufacturing a substrate having a modified surface thereof.
이하에서, 본 발명의 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example 1. 약물 함유 1. Contains drugs 하이드로겔hydrogel 입자 제조 particle manufacturing
암 치료제인 6-mercaptopurine (이하, 6-MP로 약기함)은 체액과 같은 수용액에 녹기 힘든 난용성 약물로서, 6-MP를 효과적으로 담지 및 방출할 수 있는 하이드로겔 입자를 합성하였다. 먼저, 6-MP를 0.05% (w/v)의 농도로 2차 증류수에 넣어 70℃에서 녹여주었다. Sodium alginate (이하, SA로 약기함)를 4% (w/v) 농도로 2차 증류수에 넣어 상온에서 녹여주었다. 6-MP가 완전히 녹은 후 SA 용액과 혼합하여 40℃로 유지하며 4시간 동안 교반하였다. 2차 증류수에 실온에서 녹인 1 M calcium chloride 용액을 준비하고, 상기 6-MP와 SA의 혼합용액을 주사기에 넣어 상기 calcium chloride 용액에 drop by drop으로 떨어뜨려 약 20분 동안 300 rpm으로 교반하여 가교시켰다. 생성된 입자(6-MP를 함유한 SA beads)들을 필터로 거르고 2차 증류수로 3회 이상 세척한 후, 70℃에서 24시간 동안 건조하였다.6-mercaptopurine (hereinafter abbreviated as 6-MP), a cancer treatment, is a poorly soluble drug that is difficult to dissolve in aqueous solutions such as body fluids. Hydrogel particles capable of effectively loading and releasing 6-MP were synthesized. First, 6-MP was dissolved in distilled water at a concentration of 0.05% (w/v) at 70°C. Sodium alginate (hereinafter abbreviated as SA) was dissolved in double distilled water at a concentration of 4% (w/v) at room temperature. After 6-MP was completely dissolved, it was mixed with SA solution and stirred for 4 hours while maintaining at 40°C. Prepare a 1 M calcium chloride solution dissolved in secondary distilled water at room temperature, put the mixed solution of 6-MP and SA in a syringe, drop it drop by drop into the calcium chloride solution, and stir at 300 rpm for about 20 minutes to crosslink. made it The resulting particles (SA beads containing 6-MP) were filtered through a filter, washed three or more times with distilled water, and then dried at 70° C. for 24 hours.
실시예Example 2. 미세유체칩 및 미세유체소자 제조 2. Microfluidic chip and microfluidic device manufacturing
전구물질인 sylgard 184A와 가교제인 sylgard 184B를 무게비 9:1로 vortex mixer를 이용하여 5분 동안 균일하게 섞어 poly(dimethylsiloxane) (이하, PDMS로 약기함)을 제조하였다. 리소그래피를 이용하여 양각의 유체소자 구조가 다수로 새겨진(multiple microfluidic chips embedded) 실리콘 마스터 몰드 위에 상기 배합한 PDMS를 부은 후, 진공 오븐에서 1시간 이상 60 mmHg의 압력으로 PDMS 내에 존재하는 기포를 제거하였다. 그 후 60℃에서 3시간 동안 PDMS를 경화시켰다. 경화된 PDMS를 마스터 몰드에서 분리시키고 각각의 미세유체칩 단위로 절단하였다.Poly(dimethylsiloxane) (hereinafter abbreviated as PDMS) was prepared by uniformly mixing sylgard 184A as a precursor and sylgard 184B as a crosslinking agent at a weight ratio of 9:1 using a vortex mixer for 5 minutes. After pouring the blended PDMS onto a silicon master mold in which multiple microfluidic chips were embedded using lithography, air bubbles present in the PDMS were removed in a vacuum oven at a pressure of 60 mmHg for more than 1 hour. . Then, the PDMS was cured at 60° C. for 3 hours. The cured PDMS was separated from the master mold and cut into individual microfluidic chip units.
미세유체소자는 채널이 형성된 PDMS 미세유체칩(상판, top plate)과 유리(슬라이드 글라스) 또는 PDMS를 하판(bottom plate)으로 하여 서로 접착시켜 제조한다. 미세유체소자를 제작하기 전, PDMS 미세유체칩 및 슬라이드 글라스를 2차 증류수와 마이크로 세제가 희석된 수용액 상에서 15분 동안 sonicator를 이용하여 세척하였다. 그 후 세제를 충분히 제거하기 위해 2차 증류수로 여러 번 헹궈준 뒤, 다시 2차 증류수에 넣고 15분씩 2~3회 세척을 반복하였다. Isopropanol 및 NaOH를 2차 증류수에 희석한 용액에 기질을 넣고 15분 동안 세척한 후, 마지막으로 2차 증류수로 15분간 세척하였다.A microfluidic device is manufactured by adhering a PDMS microfluidic chip (top plate) with channels and glass (slide glass) or PDMS as a bottom plate to each other. Before fabricating the microfluidic device, the PDMS microfluidic chip and slide glass were washed using a sonicator for 15 minutes in an aqueous solution in which distilled water and micro detergent were diluted. After that, after rinsing several times with secondary distilled water to sufficiently remove the detergent, it was put into secondary distilled water again and washed 2 to 3 times for 15 minutes each. The substrate was put in a solution of isopropanol and NaOH diluted in double distilled water, washed for 15 minutes, and finally washed with double distilled water for 15 minutes.
미세유체소자의 상판과 하판을 접합하기 전, PDMS 미세유체칩의 약물도입부 위치에 SA 입자를 넣고 접착시켰다. 상판과 하판을 플라즈마 처리기로 30-90초 동안 처리한 후 결합시켰다. 접합부위를 잘 고정화하기 위해 상판과 하판을 결합한 미세유소자를 일정한 압력하에 48시간 정도 둔 후 사용하였다.Before bonding the upper and lower plates of the microfluidic device, SA particles were placed and bonded to the drug introduction part of the PDMS microfluidic chip. The upper and lower plates were treated with a plasma processor for 30-90 seconds and then bonded. In order to fix the junction well, the microfluidic device combining the upper and lower plates was used after placing it under a constant pressure for about 48 hours.
실시예Example 3. 세포흡착을 유도하는 3. Inducing cell adhesion 사이클로덱스트린cyclodextrin (( CyDCyD ) 고분자 합성) polymer synthesis
사이클로덱스트린(cyclodextrin; 이하, CyD로 약기함) 기반 고분자는 당 유사체로서의 특성과 공동(cavity)을 가져 생화학적 신호물질 또는 활성물질을 함침할 수 있는 특성이 있어 세포의 흡착이나 성장을 돕는 효과가 있다. CyD 고분자를 기능성 코팅막의 재료로 사용하기 위해서는 이온성 작용기를 갖는 oligomer 형태의 물질이 필요하기 때문에 Cationic cyclodextrin oligomer(이하, Cat-CyD로 약기함) 합성을 진행하였다. CyD은 선행연구에서 가장 높은 수득율과 이온화그룹이 잘 도입되는 성질을 나타낸 베타사이클로덱스트린(β-cyclodextrin; 이하, β-CyD로 약기함)을 사용하였다(S. Y. Yang et al. , Bull. Korean Chem. Soc. 2013, Vol. 34, No. 7. 2016-2022).Cyclodextrin (hereinafter abbreviated as CyD)-based polymer has the characteristics of a sugar analog and a cavity, so it can impregnate biochemical signal substances or active substances, so it has the effect of helping cells adsorb or grow. there is. Cationic cyclodextrin oligomer (hereinafter abbreviated as Cat-CyD) was synthesized because an oligomer type material having an ionic functional group is required to use the CyD polymer as a material for a functional coating film. For CyD, beta cyclodextrin (β-cyclodextrin; hereinafter abbreviated as β-CyD), which showed the highest yield and good introduction of ionizing groups in previous studies, was used (S. Y. Yang et al., Bull. Korean Chem. Soc. 2013, Vol. 34, No. 7. 2016-2022).
실시예Example 4. 미세유체소자 내부 4. Inside the microfluidic device 표면개질surface modification
미세유체소자는 소수성 표면을 가지고 있기 때문에 세포배양액 같은 수용액의 도입이 용이하도록 친수성으로의 표면개질이 필요하며, 또한 박테리아 등의 오염을 방지하는 것이 요구된다. 이러한 표면개질을 위해 고분자 전해질 다층막을 이용하였으며, 표면개질을 위한 고분자 전해질로는 polyallylamine hydrochloride (이하, PAH로 약기함), polyacrylic acid (이하, PAA로 약기함), polyacrylamide (이하, PAAm로 약기함), Cat-CyD, 그리고 자연계 고분자(natural polymer)인 poly-L-Lysine (이하, PLL로 약기함), tannic acid(이하, TA로 약기함)를 사용하였다. 각 고분자 전해질은 2차 증류수를 사용하여 0.01 M의 농도로 맞추고, pH는 3.0으로 유지하였다.Since the microfluidic device has a hydrophobic surface, it is necessary to modify the surface to be hydrophilic to facilitate the introduction of an aqueous solution such as a cell culture medium, and also to prevent contamination by bacteria or the like. For this surface modification, a polyelectrolyte multilayer membrane was used. The polymer electrolyte for surface modification is polyallylamine hydrochloride (hereinafter abbreviated as PAH), polyacrylic acid (hereinafter abbreviated as PAA), and polyacrylamide (hereinafter abbreviated as PAAm). ), Cat-CyD, and natural polymer poly-L-Lysine (hereinafter abbreviated as PLL) and tannic acid (hereinafter abbreviated as TA) were used. Each polymer electrolyte was adjusted to a concentration of 0.01 M using double distilled water, and the pH was maintained at 3.0.
먼저, 미리 접착된 미세유체소자에 syringe pump를 이용하여 PAH를 주입하고 15분간 채널을 채워 흡착을 유도한 후 2차 증류수를 이용하여 두 번씩 세척하여 잔류 PAH를 제거하였다. 이때 PAH는 PDMS에 잘 흡착하여 이후에 도입되는 PAA/PAAm 코팅이 잘 이루어지도록 한다. PAH와 동일한 방법으로 PAA와 PAAm을 유체 채널 내부에 교대로 주입하여 적층하였다. 여기서 PAA/PAAm 코팅은 세포 또는 타 미생물 흡착을 방지하는 비오염성 특성을 나타낸다. 코팅막의 두께는 미세유체채널의 친수성 및 항오염성(미생물 부착방지)을 나타내는 최소 두께인 PAH(3.0)/[PAA(3.0)/PAAm(3.0)]3으로 적층하였다. 여기서, PAA와 PAAm 같이 서로 다른 고분자 한 쌍이 결합 및 적층된 층을 1 bilayer라 하여 적층횟수를 나타내며, 즉, PAA와 PAAm이 1 bilayer 적층되었으면 [PAA/PAAm]1이라고 나타낸다. PAA/PAAm 코팅의 안정성을 위해 적층 후 오븐을 이용하여 80℃에서 10시간 동안 열적 가교를 시켜주었다. 또한, 세포 성장 관찰 부분인 세포배양부는 세포흡착성을 나타내는 고분자인 Cat-CyD를 PAA와 함께 적층한 [Cat-CyD/PAA]3.5 코팅막을 추가로 적층하였다. Cell-adhesive 코팅막으로 자연계 고분자인 PLL과 TA도 사용하여 좋은 결과를 얻었고 미세유체시스템을 체내 또는 인체부착형으로 사용할 경우에 적용할 수 있다.First, PAH was injected into the pre-adhered microfluidic device using a syringe pump, and adsorption was induced by filling the channel for 15 minutes, and residual PAH was removed by washing twice with distilled water. At this time, PAH is well adsorbed on PDMS so that the PAA/PAAm coating introduced later can be well formed. In the same way as for PAH, PAA and PAAm were alternately injected into the fluidic channels and stacked. Here, the PAA/PAAm coating exhibits non-staining properties that prevent adsorption of cells or other microorganisms. The thickness of the coating film was laminated to PAH(3.0)/[PAA(3.0)/PAAm(3.0)] 3 , which is the minimum thickness representing hydrophilicity and antifouling property (prevention of microbial adhesion) of the microfluidic channel. Here, a layer in which a pair of different polymers such as PAA and PAAm are bonded and laminated is referred to as 1 bilayer, and the number of stackings is indicated. For the stability of the PAA/PAAm coating, thermal crosslinking was performed at 80° C. for 10 hours using an oven after lamination. In addition, the cell culture part, which is a cell growth observation part, was additionally laminated with [Cat-CyD/PAA] 3.5 coating film in which Cat-CyD, a polymer showing cell adsorption, was laminated together with PAA. As a cell-adhesive coating film, natural polymers such as PLL and TA were used, and good results were obtained.
실시예Example 5. 은 나노입자 합성 5. Synthesis of silver nanoparticles
Layer-by-Layer (LbL) 기술을 이용하여 고분자 다층박막에 이온교환 반응 및 환원반응을 통해 은 나노입자를 합성하였다. 먼저, 고분자 다층막을 5 mM silver acetate (CH3COOAg) 수용액에 15분간 담가 다층막 내부의 -COOH 작용기와 은 양이온의 이온교환 반응을 일으킨 뒤, 2차 증류수에 2분간 두 번 세척하여 잔여물질을 제거하였다. 그 다음 환원용액인 2 Mm Borane-dimethylamine complex ((CH3)2NH·BH3; DMAB) 수용액에 5분간 담가 다층막 내부에 분산되어있던 은 양이온을 은 나노입자로 환원시켰다. 마지막으로 잔여 환원용액을 제거하기 위해 2차 증류수로 2분간 두 번 세척하였다.Silver nanoparticles were synthesized through ion exchange and reduction reactions in a polymer multilayer thin film using the Layer-by-Layer (LbL) technology. First, the polymer multilayer film is immersed in 5 mM silver acetate (CH 3 COOAg) aqueous solution for 15 minutes to cause an ion exchange reaction between the -COOH functional group and silver cations inside the multilayer film, and then washed twice for 2 minutes in double distilled water to remove residual substances. did Then, silver cations dispersed inside the multilayer film were reduced to silver nanoparticles by soaking in a reducing solution, 2 Mm Borane-dimethylamine complex ((CH 3 ) 2 NH·BH 3 ; DMAB) aqueous solution for 5 minutes. Finally, it was washed twice for 2 minutes with deionized distilled water to remove the residual reducing solution.
실시예Example 6. 미세유체소자를 이용한 세포 6. Cells using microfluidic devices 모니터링monitoring
다양한 기능성 코팅막이 적용된 미세유체채널에 세포를 주입하여 세포 배양과 약물에 대한 세포 독성을 관찰하였다. 세포는 HEK293 세포와 HeLA 세포를 사용하였다. 먼저, 세포 주입 전, 제작한 미세유체채널을 UV-light에 30분 동안 노출시킨 뒤 70% ethanol을 이용해 시편을 소독하였다. 또한 1 ml 실린지를 이용하여 DPBS solution을 채널 내부에 여러 차례 흘려보내 세척하였고, 동일한 방법으로 세포배양액을 채널 내부에 주입하였다. 그 후 준비된 세포를 1 ml 실린지를 이용하여 채널 내부에 주입하여 37℃, CO2 5% 환경의 인큐베이터에서 배양하였으며, 세포 도입 후 4시간부터 96시간까지 약물방출에 따른 세포 변화를 관찰하였다.Cell culture and cytotoxicity to drugs were observed by injecting cells into microfluidic channels to which various functional coatings were applied. HEK293 cells and HeLA cells were used as cells. First, before cell injection, the fabricated microfluidic channel was exposed to UV-light for 30 minutes, and then the specimen was disinfected using 70% ethanol. In addition, using a 1 ml syringe, the DPBS solution was flowed into the channel several times to wash it, and the cell culture medium was injected into the channel in the same way. Thereafter, the prepared cells were injected into the channel using a 1 ml syringe and cultured in an incubator at 37° C., 5% CO 2 , and cell changes according to drug release were observed from 4 hours to 96 hours after introduction of the cells.
도 2는 본 발명에서 항암약물 등 약물을 탑재한 하이드로겔 입자의 사진(도 2a)과 탈이온수 pH인 5.5에서와 생체의 pH 환경인 혈장 pH인 7.4에서의 젤 입자로부터 약물이 방출되는 거동 결과를 나타낸다.Figure 2 is a photograph of hydrogel particles loaded with drugs such as anticancer drugs in the present invention (Fig. 2a) and the results of drug release from the gel particles at pH 5.5 of deionized water and plasma pH 7.4, the pH environment of the living body. indicates
도 3은 미세유체소자의 표면개질에 사용한 고분자화합물의 구조를 나타낸 것으로, (a)는 non-adhesive 코팅막의 PAA, PAAm 고분자이고, (b)는 cell-adhesive 코팅막의 Cat-CyD, PAH, PLL, TA 고분자를 나타낸다. 이들 중 PAA/PAAm의 다층막은 미세유체채널의 친수성 및 항오염성(미생물 부착방지)을 나타냄에 따라 이들을 이하 “Non-adhesive” 코팅이라 칭하도록 한다. Cat-CyD/PAH의 다층박막과 PLL/TA 다층박막은 세포의 표면 흡착과 배양을 촉진하여 세포접착성이 있는 것으로 보인다. 따라서, 이들 코팅막은 이하 “cell-adhesive” 코팅막으로 칭한다.Figure 3 shows the structure of the polymer compound used for surface modification of the microfluidic device, (a) is PAA, PAAm polymer of non-adhesive coating film, (b) is Cat-CyD, PAH, PLL of cell-adhesive coating film , representing the TA polymer. Among these, the multilayer film of PAA/PAAm exhibits hydrophilicity and antifouling property (prevention of microbial adhesion) of the microfluidic channel, so they are hereinafter referred to as “Non-adhesive” coatings. The Cat-CyD/PAH multilayer film and the PLL/TA multilayer film seem to have cell adhesion by promoting cell surface adsorption and culture. Accordingly, these coatings are hereinafter referred to as “cell-adhesive” coatings.
PLL/TA는 두 고분자 모두 자연계 고분자(natural polymer)로 생체친화적, 친화경적인 코팅막으로 개발하였다. [PLL(7.0)/TA(5.0)]의 코팅막의 경우, 소수성인 PDMS의 표면을 친수성으로 바꾸고 세포 성장도 잘되게 하였다.Both PLL/TA polymers are natural polymers and were developed as biocompatible and friendly coatings. In the case of the [PLL(7.0)/TA(5.0)] coating film, the hydrophobic surface of PDMS was changed to hydrophilic and cell growth was facilitated.
도 4는 PLL/TA을 코팅막으로 사용하여 미세유체칩의 표면 젖음성을 향상시킨 결과를 나타낸 것으로, (a) 코팅막의 적층수에 따른 물 접촉각 변화, (b)PLL/TA 코팅막 적용 전, 후의 PDMS의 물 접촉각 측정 사진이다. 도 4에서처럼 110° 정도의 접촉각이 PLL/TA 코팅막 후에 50° 근방으로 낮아졌고, 도 5에서처럼 코팅막에서 PC12 세포가 잘 성장하는 결과를 얻었다. PC12 세포처럼 신경세포를 미세유체소자에서 배양할 때 적용할 수 있을 것으로 보인다.4 shows the results of improving the surface wettability of a microfluidic chip by using PLL/TA as a coating film, (a) water contact angle change according to the number of layers of the coating film, (b) PDMS before and after applying the PLL/TA coating film. It is a photograph of water contact angle measurement. As shown in FIG. 4, the contact angle of about 110° was lowered to around 50° after the PLL/TA coating, and as shown in FIG. 5, PC12 cells grew well on the coating. It seems that it can be applied when culturing neurons in microfluidic devices, such as PC12 cells.
도 5는 PLL/TA을 코팅막으로 사용한 cell adhesive 표면을 나타낸 것으로, (a) TA 최외각층, (b)PLL 최외각층 코팅 필름위에서의 PC12 신경세포의 4일차까지의 배양결과를 나타낸다.Figure 5 shows the cell adhesive surface using PLL / TA as a coating film, (a) TA outermost layer, (b) shows the culture results of PC12 neurons on the PLL outermost layer coating film up to the 4th day.
도 6은 미세유체소자에서의 세포배양 결과를 나타낸 것으로, (a) 표면처리가 되어 있지 않은 기존의 일반 미세유체칩의 경우 암세포 및 정상세포(대조군)의 배양이 세포배양부에서 선택적으로 이루어지지 못하고 채널 전반부에 불규칙적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 반면, 비오염성 코팅이 된 미세유체칩 (b)와 (c)의 경우 세포성장이 세포배양부에 선택적으로 집중되어 이루어진 것을 확인할 수 있으며, 이로써 방출된 약물이 세포에 도달될 때의 효과를 오염 없이 분석할 수 있다. 특히, Non-adhesive 코팅과 cell-adhesive 코팅을 사용한 (c)의 경우는 Cat-CyD 한층만의 적층으로도 세포배양부에서 세포배양이 잘 되어 신뢰도 높은 분석결과를 얻을 수 있었다. Cat-CyD는 CyD분자에 이온화기능기를 첨가하고 고분자형태로 합성한 것으로 본 발명자가 보유한 특허 등록된 화합물이다(대한민국 등록특허 제1190267호, 제1195533호 등).Figure 6 shows the results of cell culture in a microfluidic device. (a) In the case of an existing general microfluidic chip that is not surface-treated, cancer cells and normal cells (control group) are not selectively cultured in the cell culture unit. It can be seen that it is not possible and irregularly formed in the first half of the channel. On the other hand, in the case of microfluidic chips (b) and (c) with a non-staining coating, it can be confirmed that cell growth is selectively concentrated in the cell culture part, thereby preventing contamination when the released drug reaches the cells. can be analyzed without In particular, in the case of (c) using non-adhesive coating and cell-adhesive coating, even with the stacking of only one layer of Cat-CyD, cell culture was well performed in the cell culture section, and highly reliable analysis results were obtained. Cat-CyD is a compound synthesized in the form of a polymer by adding an ionizing functional group to the CyD molecule and is a patented compound owned by the present inventors (Republic of Korea Patent Nos. 1190267 and 1195533, etc.).
도 7은 미세유체소자의 약물입자 고정부 안에 도입된 약물을 포함한 SA 겔 입자의 현미경 이미지로, 이를 참조하여 설명하면, (a) 일반 미세유체소자의 경우 표면처리가 되어있지 않아 미세유체소자 표면에 흡착한 세포와 약물입자가 직접 접촉되는 반면, (b) 비오염성 표면처리가 된 본 발명의 미세유체소자의 경우 비오염성 코팅으로 인해 약물입자 주변에 직접적인 접촉을 하는 세포가 전혀 발견되지 않는 것을 확인할 수 있다.7 is a microscopic image of SA gel particles including drugs introduced into a drug particle fixing part of a microfluidic device. Referring to this, (a) in the case of a general microfluidic device, the surface of the microfluidic device is not treated. While cells adsorbed to the drug particles are in direct contact, (b) in the case of the microfluidic device of the present invention with a non-fouling surface treatment, no cells in direct contact around the drug particles are found due to the non-fouling coating. You can check.
도 8은 본 발명에서 사용한 코팅막의 PAA 등 카르복실기를 가진 고분자를 이용하여 비오염성 코팅된 미세유체소자에 은 나노입자의 도입 유무에 따른 장시간세포배양시 세포지속성을 시험한 결과를 나타낸다. 은 나노입자가 도입되지 않은 (a)에 비해 은 나노입자가 코팅막에 도입된 (b)가 은 나노입자의 항균력에 의해 장시간 세포배양시 오염없이 세포배양이 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있다.8 shows the results of testing the cell persistence during long-term cell culture according to the presence or absence of silver nanoparticles introduced into the non-fouling coated microfluidic device using a polymer having a carboxyl group such as PAA of the coating film used in the present invention. Compared to (a) without silver nanoparticles, it can be seen that (b) with silver nanoparticles introduced into the coating film is well cultured without contamination during long-term cell culture due to the antimicrobial activity of silver nanoparticles.
최종적으로 미세유체칩에서 약물담지 입자를 넣고 세포도 배양하면서 약물의 효과를 관찰한 결과를 도 9에 정리하였다. 도 9는 항암약물을 탑재한 수화젤 입자에서 약물이 방출됨에 따라 배양중인 세포에서 일어나는 변화를 모니터링한 결과로 항암약물 방출 72시간 경과후 암세포인 HeLa 세포는 모두 사멸하였지만 정상세포인 HEK293세포는 문제없이 배양되고 있음을 확인하였다. 이와 같이 수 일 동안 세포가 오염없이 잘 배양되어 약효를 실시간 모니터링할 수 있었고 같은 조건에서 정상세포 대 암세포에 대한 효능 비교가 용이하였다.Finally, the results of observing the effect of the drug while culturing the cells by inserting the drug-carrying particles in the microfluidic chip are summarized in FIG. 9 . 9 is a result of monitoring changes occurring in cultured cells as the drug is released from hydrogel particles loaded with anticancer drugs. After 72 hours of anticancer drug release, all HeLa cells, which are cancer cells, are killed, but HEK293 cells, which are normal cells, have problems. It was confirmed that it was cultured without. In this way, the cells were well cultured without contamination for several days, and the efficacy of the drug could be monitored in real time, and it was easy to compare the efficacy against normal cells versus cancer cells under the same conditions.
종합해 볼 때, 본 발명에 따른 소형화된 미세유체칩에서도 국소부위별로 다르면서도 세포 또는 미생물 배양과 약효 모니터링에 필수적인 조건을 충족하는 기능성 고분자 복합소재를 구현한 것이고, 미세유체소자는 약물도입부와 암세포 배양부가 잘 분리되어 미생물의 오염 없이 세포배양과 약물방출이 이루어질 수 있어 약물의 암세포에 대한 효과를 실시간으로 효과적으로 모니터링 할 수 있다.Taken together, the miniaturized microfluidic chip according to the present invention is a functional polymer composite material that is different for each local area and meets the essential conditions for culturing cells or microorganisms and monitoring drug efficacy, and the microfluidic device is a drug introduction part and cancer cell Since the culture part is well separated, cell culture and drug release can be performed without microbial contamination, so that the effect of the drug on cancer cells can be effectively monitored in real time.
이상, 본 발명을 예시적으로 설명하였으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been described as an example, and those skilled in the art will be able to make various modifications without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in this specification are intended to explain, not limit, the present invention, and the spirit and scope of the present invention are not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all techniques within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
(1) : 도입부 (2) : 약물입자 고정부
(3) : 약물효능 모니터부 (4) : 세포배양부(1): introduction part (2): drug particle fixing part
(3): Drug efficacy monitoring unit (4): Cell culture unit
Claims (12)
친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착부(cell-adhesive); 로 표면을 개질한 미세유체칩a non-adhesive portion formed by alternately repeating the lamination of a hydrophilic homopolymer and the lamination of polyacrylamide; and
a cell-adhesive formed by alternately repeating the lamination of hydrophilic homopolymers and the lamination of supramolecular structure compounds; Microfluidic chip surface modified with
친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착층부; 로 표면을 개질한 미세유체칩을 포함하는 미세유체소자a non-adhesive portion formed by alternately repeating the lamination of hydrophilic homopolymer and the lamination of polyacrylamide; and
Cell adhesion layer formed by alternately repeating the stacking of the hydrophilic homopolymer and the stacking of the supramolecular structure compound; Microfluidic device including a microfluidic chip whose surface is modified with
친수성 단일 중합체의 적층과 초분자 구조 화합물의 적층을 교대로 반복하여 형성된 세포접착부를 적층하는 단계; 로 표면을 개질한 미세유체칩의 제조방법laminating a non-adhesive portion formed by alternately repeating lamination of hydrophilic homopolymer and lamination of polyacrylamide; and
stacking the cell adhesive portion formed by alternately repeating the stacking of the hydrophilic homopolymer and the stacking of the supramolecular structure compound; Manufacturing method of microfluidic chip whose surface is modified by
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