KR102562697B1 - 기능성 마이크로어레이 칩 - Google Patents

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KR102562697B1
KR102562697B1 KR1020200161603A KR20200161603A KR102562697B1 KR 102562697 B1 KR102562697 B1 KR 102562697B1 KR 1020200161603 A KR1020200161603 A KR 1020200161603A KR 20200161603 A KR20200161603 A KR 20200161603A KR 102562697 B1 KR102562697 B1 KR 102562697B1
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최윤호
송윤성
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한국과학기술원
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Abstract

본 명세서에서는 베이스 기판, 베이스 기판 상에 배치된 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 및 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위를 포함하는 공중합체층, 및 공중합체층 상에 배치된 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 포함하고, 발수층은, 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 복수 개의 관통 홀을 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩이 제공된다.

Description

기능성 마이크로어레이 칩 {FUNCTIONAL MICROARRAY CHIP}
본 발명은 기능성 마이크로어레이 칩에 관한 것이다.
체외 진단기기는 질병의 진단과 예후, 건강 상태 판정, 질병 치료 효과 판정 및 예방 등의 목적으로 인체로부터 채취된 생물학적 시료를 이용한 검사에 사용되는 기기를 의미하며, 면역화학적 방법 및 유전자 증폭과 같은 분자 진단 방법등이 사용될 수 있다.
종래에는 특정 단백질의 유무를 항원-항체 반응을 통해 측정하는 것을 기초로하는 면역화학적 진단 기술이 많이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 면역 화학적 진단 방법은 표적 단백질이 감지 한계 이상의 농도로 존재하여야 표적단백질에 대한 측정이 가능하다는 한계를 가지고 있어, 진단의 정확성이 떨어진다.
이에, 낮은 농도를 가지는 소량의 시료로도 표적 단백질과 같은 분자를 증폭하여 정확하게 검출할 수 있는 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)이 이용될 수 있으나, 이 또한, 원 시료 내의 특정 유전자의 상대적 양을 결정하는 것이 불가능하다는 한계점을 가지고 있다.
한편, 전술한 한계점을 해결하기 위한 핵심기술로서 디지털화된 신호를 통한 유전자 분석이 가능한 디지털 분자진단 즉, 디지털 유전자 분석이 각광을 받고 있다. 보다 구체적으로, 디지털 유전자 분석은 시료를 수천 내지 수만개의 개별 액적 또는 반응계로 구획하여, 각 구획에 대한 PCR을 진행하여, 구획 내 존재하는 유전자의 개수를 조절함으로써, 각 구획의 디지털화된 신호를 통하여 유전자 분석이 가능한 기술이다.
종래의 PCR 분석은 PCR 증폭 사이클의 수가 개시 카피 수에 비례하게 되나, 디지털 유전자 분석은 구획에 따른 분률을 측정하기 때문에 절대적인 정량 측정이 가능하여, 표본 핵산을 정량하기 위해 불확실한 지수 데이터에 의존하지 않고, 1 copy의 차이를 구별할 수 있으며, 0.1 % 미만의 빈도에서 발생하는 대립 유전자의 동정이 가능하다.
또한, 디지털 유전자 분석은 표준물질이나 복잡한 칼리브레이션(calibration)에 의존할 필요가 없으며, 높은 재현성 및 정밀도를 가짐에 따라, 현장 진단에 적합할 수 있다.
그러나, 이러한 디지털 유전자 분석은 유전자 추출 과정에서 전기를 사용하는 대형 장피를 필요로 하며, 훈련된 인력과 오랜 시간이 요구되는 한계점을 가진다. 예를 들어, 표적 분자를 시료로부터 검출하기 위하여, 세포에서 핵산을 추출, 농축 및 정제 등의 복잡한 전처리 기술이 필수적으로 선행되어야 하며, 이러한 검출 과정에서 페놀, 클로로포름, 구아니디늄 티오시아네이트 등과 같은 독성 화학 물질의 용매를 이용하여 세포의 핵산을 용해시킴에 따라, 실험자의 안전을 위한 숙련된 기술이 요구된다. 이에, 소형화 및 단순한 과정이 요구되는 현장 진단의 적용에 있어서는 어려울 수 있다.
결국, 전술한 한계점을 극복할 수 있는 간편하면서도 소형화된 디지털 유전자 분석에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
대한민국 등록특허공보 10-0473709 호(2005년 03월 10일)
한편, 종래의 핵산 추출에서 원심 분리기를 이용하는 스핀 컬럼(spin column) 방식의 전처리 키트가 많이 이용되고 있으나, 키트를 이용하더라도 다양한 시약 및 소모품이 요구되며, 원심 분리 및 기타 장비등을 이용해야 한다. 따라서, 스핀 컬럼 방식은 장소 및 전문성이 요구되는 한계가 있다.
이에, 상기의 문제점들을 보완하기위해 Lab-on-a-chip 상에서 전처리 및 진단을 한 번에 구현하고자 하는 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 그러나, PCR을 위해서 제작한 칩에 맞춘 열순환 장비를 추가로 제작해야 한다는 점과 상용화된 분자진단 장비들과 호환성 및 범용성이 떨어지는 한계가 있다.
한편, 본 발명의 발명자들은, 상기와 같은 핵산 추출의 한계를 극복하기 위해, 보다 간편하여 누구나 다룰 수 있으며, 신속하게 핵산을 검출할 수 있는 방법의 필요성에 대하여 인지할 수 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 여러 장비가 요구되는 PCR 전처리 과정을 특별한 장비 및 시약이 없어도 수행할 수 있으며, 종래의 PCR 장치 및 디지털 유전자 분석 장치에 호환이 가능하며, 하나의 기판상에서 전체 유전체(genome)의 발현 양상을 탐색할 수 있는 다기능성 마이크로어레이(microarray)를 개발하였다.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은 화학 기상 증착법(chemical vapor depositon, CVD) 중 광개시 화학 기상 증착 공법(photo-initiated chemical vapor deposition, piCVD)을 통하여, 핵산 추출을 위한 고분자 중합체가 기판 상에 증착이 가능하다는 것을 주목하였다.
이에, 본 발명의 발명자들은 양이온성 고분자 및 친수성 고분자로 이루어진 공중합체를 기판 상에 증착(deposition)할 경우, 독성 용매를 사용하거나 원심 분리와 같은 전처리 과정 없이도, 전술한 공중합체에 의하여 기판 상에 세포 내의 핵산이 추출 및 포획되어, 간편히 PCR에 대한 전처리 과정이 수행될 수 있다는 것을 발견하기에 이르렀다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래의 PCR을 통한 진단 방법보다, 간편하고 빠르게 유전자를 통한 진단이 가능한 다기능성 마이크로어레이 칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 기판, 베이스 기판 상에 배치된 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 및 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위를 포함하는 공중합체층, 및 공중합체층 상에 배치된 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 포함하고, 발수층은, 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 복수 개의 관통 홀을 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩을 제공한다.
본 발명의 특징에 따르면, 복수 개의 관통 홀은, 각각의 관통 홀들과 100 내지 400 μm의 간격으로 이격되어 있으며, 복수 개의 관통 홀 각각은, 50 내지 200 μm의 직경을 갖을 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 공중합체층의 두께는, 1 내지 1000nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위는, 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)(poly(2-dimethylaminomethylstyrene), pDMAMS), 폴리-2-디메틸아미노에틸 메타크릴레이트(poly[2-dimethylaminoethyl methacrylate], pDMAEMA), 폴리-1-비닐피롤리돈(poly(1-vinylpyrrolidinone, p1-VP), 폴리 다이에틸아미노에틸 아크릴레이트(poly(dimethylaminoethyl acrylate), pDEAEA), 폴리 다이메틸아미노에틸 아크릴레이트(poly(2-dimethylamino ethylacrylate), pDMAEA) 및 폴리 다이에틸아미노에틸 메타크릴레이트(poly(diethylaminoethyl methacrylate) pDEAMA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 바람직하게는 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위는,
측쇄 말단에 양전하의 아민기가 공중합체층 외측을 향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위는, 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트(Poly(hydroxyethyl methacrylate, pHEMA), 폴리-N-아이소프로필아크릴아미드(Poly(N-isopropyl acrylamide), pNIPAAm), 폴리 글리세롤 메타크릴레이트(Poly(glycerol methacrylate), pGMA), 폴리 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(Poly(diethylglycol methacrylate), pDEGMA) 및 폴리 메틸에틸 아크릴아미드(Poly(methylethyl acrylamide), PMEAAm) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 바람직하게는 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위는, 측쇄 말단에 하이드록시기가 공중합체층 외측을 향하여 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 알킬실란 화합물은, 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane, OTS), 3-아미노프로필 트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES), 및 메타크릴옥시프로필트리메티톡시실란(methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS) 중 적어도 하나를 포함하 수 있으나, 바람직하게는 옥타데실트리클로로실란일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 베이스 기판은, 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에스테르(polyester), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 실리콘, 유리, 세라믹 및 테플론 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 공중합체층의 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 대 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위의 몰비는, 1: 0.5 내지 1:1.5일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 공중합체층은, 광개시 화학 기상 증착법(photo-initiated Chemical Vapor Deposition, piCVD)에 의하여 배치 즉, 증착될 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 기판 상에 아민기를 포함하는 단량체 및 친수성 작용기를 포함하는 단량체를 포함하는 공중합체층을 형성하는 단계, 및 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 마이크로 웰이 형성되도록 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 형성하는 단계를 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 특징에 따르면, 공중합체층을 형성하는 단계는, 아민기를 포함하는 단량체, 친수성 작용기를 포함하는 단량체 및 개시제를 주입하는 단계, 아민기를 포함하는 단량체, 친수성 작용기를 포함하는 단량체 및 개시제를 기화시키는 단계, 및 아민기를 포함하는 단량체 및 친수성 작용기를 포함하는 단량체가 라디칼 중합되어 베이스 기반 상에 증착되도록 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 주입하는 단계에서의 아민기를 포함하는 단량체 대 친수성 작용기를 포함하는 단량체의 몰비는, 1: 0.5 내지 1:1.5일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 가열하는 단계는, 필라멘트 및 자외선에 의하여 수행되고, 필라멘트의 온도는 120 내지 150 ℃이고, 자외선의 세기는, 300 내지 500 μW/cm2 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 베이스 기판의 온도는, 25 내지 40℃일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것에 불과하므로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명은, 특정 고분자를 기판 상에 균일하게 증착시켜 핵산을 추출하기 위한 마이크로어레이 칩으로서, 시료에 대한 핵산을 추출 및 정제하는 과정이 종래의 방법에 비하여 보다 안전할 수 있다.
나아가, 핵산 추출 과정의 단계가 종래의 추출 방법에 비하여 축소됨으로서, 비전문가 손쉽게 핵산을 추출할 수 있으며, 사람 개개인 별 핸들링에 의한 실험적 오차를 줄일 수 있는 효과가 있다.
더 나아가, 원심 분리 및 볼텍싱 등과 같은 실험 과정이 요구되지 않음에 따라, 어느곳에서나 핵산 추출이 가능하여 실시간 현장진단 및 환경 모니터링 등과 같은 다양한 분야에서 보다 빠르게 진단될 수 있다.
관련하여, 일반 전처리 키트에 비해 공정 과정이 대폭 감소하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 유전자 분석을 위한 다기능성 마이크로어레이 칩을 이용하면 보다 간편하고 용이하게 PCR을 통한 진단을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법에 대한 순서도 및 예시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 XPS 스펙트럼 결과이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 물 접촉각 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 구회화에 대한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 병원체 포획 및 용해에 대한 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 디지털 PCR 분석 결과이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우, '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서의 해석의 명확함을 위해, 이하에서는 본 명세서에서 사용되는 용어들을 정의하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 핵산 "은 유기 염기(사이토신, 티미딘 및 우라실과 같은 치환된 피리미딘이거나, 아덴 및 구아닌과 같은 치환된 퓨린)에 연결된 당으로 이루어지는 적어도 하나의 뉴클레오티드를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 핵산은 리보핵산(RNA), 디옥시리보핵산(DNA), 메틸포스포네이트 핵산, S-올리고, c-DNA, miRNA 및 압타머(aptamer) 등을 포함할 수 있으며, 천연적으로 발생하거나 인공적으로 합성된 것 모두를 포함할 수 있다. 그러나, 바람직하게는 RNA 및 DNA일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 양이온성 폴리머 "는 수용액 상의 적정 pH에서 양성자화 성질을 가지는 폴리머 및 고체상에서 양성자 성질을 가지는 폴리머를 말한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR) "은 가열 및 냉각이 교대로 이루어지는 사이클 프로세스에 의하여 하나의 최초 주형으로부터 다량의 동일한 DNA 스트랜드가 형성되는 반응을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 증폭 (amplification) "은 주형(template)으로서 핵산 분자 중 적어도 하나를 이용하여 핵산 분자에 대한 복수의 복제물 또는 핵산 분자에 상보적인 복수의 복제물을 형성하는 것을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 고정 (immobilization) "은 임의의 물질 또는 생활성제가 튜브의 벽면에 공유적 또는 비공유적으로 직접 또는 간접 방식에 의하여 부착되는 것을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 기재 또는 기판 "은 표면 위에 특정 물질이 부착(고정), 코팅(도포) 및 증착 가능한 표면을 제공할 수 있는 구조 또는 구조물을 의미할 수 있으며, 바람직하게는 시료를 수용할 수 있는 튜브 형태의 구조물을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 마이크로어레이 "는 기질 상에서 분석하고자 하는 DNA 및 단백질 등과 같은 생분자(biomolecules)를 측정할 수 있도록 형성된 마이크로 크기의 시료 수용부가 일정하게 배열된 형태를 의미할 수 있으며, 이러한 형태를 갖는 칩의 경우, 소량의 시료만으로도 시료 내의 유전자 발현 양상, 유전자 결합, 단백질 분포 및 반응 양상 등을 분석할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 " 상에 " 및 " 위에 "라는 표현은, 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른층(중간층) 및 다른 구성요소가 개재되거나 존재할 수 있다.
기능성 마이크로어레이 칩
이하에서는, 도 1a 및 1b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대하여 설명한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 단면도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 핵산을 포함하는 시료 내의 핵산을 측정하기 위한 구조물로서, 베이스 기판(110), 베이스 기판 상에 형성된 공중합체층(130) 및 공중합체층 상에 형성된 발수층(150)을 포함한다.
이때, 발수층(150)은 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 복수 개의 관통 홀을 포함함고 있으며, 관통 홀 각각의 직경(W1)은 50 내지 200 μm일 수 있으며, 관통 홀 각각의 간격(W2)은 100 내지 400 μm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 사용자의 편의에 따라, 다양한 크기 및 간격으로 형성될 수 있다.
기능성 마이크로어레이 칩(100)은 발수층(150)이 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 복수 개의 관통 홀을 포함함으로써, 마이크로 웰(micro-well) 즉, 시료 수용부(170)를 포함할 수 있으며, 이러한 시료 수용부(170)의 용량은, 측정하고자 하는 시료에 따라 발수층(150)의 두께를 다르게 설정하여, 0.1 내지 50,000㎕ 사이에서 다양하게 설정될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
공중합체층(130)의 두께(H1)는 1 내지 1000nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 측정하고자 하는 시료에 따라 다양하게 형성될 수 있으며, 예를 들어, DNA 분석 및 측정을 하기 위한 공중합체층(130)의 두께(H1)는 바람직하게 100nm일 수 있다.
베이스 기판(110)은 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에스테르(polyester), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 실리콘, 유리, 세라믹 및 테플론 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는, 유리일 수 있다.
이때, 플라스틱에 의한 습기 흡수가 문제가 되지 않을 경우, 바람직하게 구성되는 플라스틱류는 ABS, 아세탈(acetal), 아크릴섬유(acrylic), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 알킬비닐 알코올(alkylvinylalcohol), 폴리아릴에테르에톤(polyaryletherketone), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르케톤(polyetherketone), 멜라민 포름알데히드(melamine formaldehyde), 페놀 포름알데히드(phenolic formaldehyde), 폴리아미드(polyamide, 예를 들면: 나일론6, 나일론 66, 나일론 12), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리디시클로펜타디엔(polydicyclopentadiene), 폴리에테르-이미드(polyether-imide), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리이미드(polyimide), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리프탈아미드(polyphthalamide), 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate), 폴리우레탄(polyurethan), 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 및 비닐 포말(vinyl formal)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 습기 흡수가 문제가 될 경우, 바람직하게 구성되는 플라스틱류는 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리부타디엔(polybutadiene), 폴리부틸렌(polybutylene), 에폭시(epoxy), 테플론(Teflon), PAN(peroxyacetylnitrate), PET(polyethylene terephthalate), PTFE(polytetrafluoroethylene), 클로로-플루오로에틸렌(chloro-fluoroethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 액정 중합체(liquid crystal polymer), 폴리에스테르(polyester), LDPE(low-density polyethylene), HDPE(high density polyethylene), 폴리메틸펜틴(polymethylpentene), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리올페핀(polyolefin), PVC(polyvinyl chloride) 및 염소화 PVC를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 도 1b를 참조하면, 공중합체층(130)은 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 및 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위를 포함할 수 있다.
이때, 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위는 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)(poly(2-dimethylaminomethylstyrene), pDMAMS), 폴리-2-디메틸아미노에틸 메타크릴레이트(poly[2-dimethylaminoethyl methacrylate], pDMAEMA), 폴리-1-비닐피롤리돈(poly(1-vinylpyrrolidinone, p1-VP), 폴리 다이에틸아미노에틸 아크릴레이트(poly(dimethylaminoethyl acrylate), pDEAEA), 폴리 다이메틸아미노에틸 아크릴레이트(poly(2-dimethylamino ethylacrylate), pDMAEA) 및 폴리 다이에틸아미노에틸 메타크릴레이트(poly(diethylaminoethyl methacrylate) pDEAMA) 중 적어도 하나를 포함함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 아민기를 포함하는 다양한 화합물을 모두 포함할 수 있다.
예를 들어, 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위는, 바람직하게, 하기의 구조식 1의 화합물인 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)일 수 있으며, 공중합체를 이룬 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)의 측쇄 말단의 양전하의 아민기(-NH2)는 공중합체층 외측을 향하여 배치될 수 있다
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위의 아민기가 양전하(+)를 가짐에 따라, 유전자 즉, 음전하(-)의 핵산을 포집할 수 있다.
친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위는 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트(Poly(hydroxyethyl methacrylate, pHEMA), 폴리-N-아이소프로필아크릴아미드(Poly(N-isopropyl acrylamide), pNIPAAm), 폴리 글리세롤 메타크릴레이트(Poly(glycerol methacrylate), pGMA), 폴리 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(Poly(diethylglycol methacrylate), pDEGMA) 및 폴리 메틸에틸 아크릴아미드(Poly(methylethyl acrylamide), PMEAAm) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 친수성 작용기를 포함하는 모든 화합물을 모두 포함할 수 있다.
예를 들어, 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위는, 바람직하게, 하기의 구조식 2 의 화합물인 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트일 수 있으며, 공중합체를 이룬 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트의 측쇄 말단의 하이드록시기(-OH)는 공중합체층 외측을 향하여 배치될 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위의 하이드록시기가 반응성을 가짐에 따라, 공중합체층(130) 상에 배치되는 발수층(150)과 화학결합을 할 수 있으며, 전술한 화학결합을 통하여, 발수층(150)이 안정적으로 고정 및 도포될 수 있다.
즉, 공중합체층(130)은 전술한 아민기를 포함하는 단량체 및 친수성 작용기를 포함하는 단량체가 광개시 화학 기상 증착법(photo-initiated Chemical Vapor Deposition, piCVD)을 통하여, 라디칼 중합반응(free radical polymerization)이 이루어져 형성된 층이다.
나아가, 공중합체층의 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 대 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위의 몰비는, 1: 0.5 내지 1:1.5일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 발수층(150)은 공중합체층 상에 배치되고, 알킬실란 화합물을 포함할 수 있다.
알킬실란 화합물은 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane, OTS), 3-아미노프로필 트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES), 및 메타크릴옥시프로필트리메티톡시실란(methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 알킬실란을 포함하는 다양한 화합물을 모두 포함할 수 있다.
예를 들어, 알킬실란 화합물은, 바람직하게, 하기의 구조식 3의 화합물인 옥타데실트리클로로실란일 수 있다. 이러한, 발수층(150)은 알킬실란 즉 클로라이드 기(chloride group, -Cl)를 포함함으로써, 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위의 하이드록시기(-OH)와 솔-젤 반응으로, Si-O 화합결합을 발현시키고, 이들을 고분자화하여, 소수성을 갖는 자기조립단분자막(self-assembled monolayer, SAM)을 형성할 수 있다.
이에, 발수층(150)은 알킬실란 화합물을 포함함으로써, 기재 표면의 발수성, 윤활 및 내 마모성을 증가시킬 수 있으며, 공중합체층(130)에 안정적으로 고정되어 도포될 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 이러한 발수층(150)을 포함함에 따라, 물과 같은 친수성의 시료가 발수층에서는 접촉면이 최소화됨에 따라, 시료가 안정적으로 시료 수용부(170)에만 주입될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 베이스 기판 상에 배치된 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위를 포함함으로써, 세포를 포획하여, 세포 내의 핵산을 추출할 수 있으며, 나아가, 세포의 포획 뿐만 아니라 음전하의 핵산을 공중합체 상에 포획할 수 있다. 이에, 종래의 PCR 방법에서의 핵산 추출 전과정이 생략될 수 있으며, 이에 따라 보다 빠르게 핵산을 추출 및 검출할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위를 포함함에 따라, 시료내의 표적 DNA(핵산)을 포획할 수 있는 공중합체층을 안정적으로 베이스 기판 및 발수층과 부착시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(100)은 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 포함함에 따라, 시료가 시료 수용부에 안정적으로 주입되고, 기재의 오염 및 손상으로부터의 방어력 즉, 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 발수층은 복수 개의 관통 홀을 포함함으로써, 사용자의 목적에 따라, 마이크로어레이 칩의 마이크로웰 즉, 시료 수용부를 다양한 크기로 자유롭게 형성될 수 있다.
기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법
이하에서는, 도 2a 및 2b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법에 대한 순서도 및 예시도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법에 대한 순서도가 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법은 베이스 기판 상에 아민기를 포함하는 단량체 및 친수성 작용기를 포함하는 단량체를 포함하는 공중합체층을 형성하는 단계(S210) 및 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 마이크로 웰이 형성되도록 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 형성하는 단계(S220)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 공중합체층을 형성하는 단계(S210)는 아민기를 포함하는 단량체, 친수성 작용기를 포함하는 단량체 및 개시제를 주입하는 단계, 아민기를 포함하는 단량체, 친수성 작용기를 포함하는 단량체 및 개시제를 기화시키는 단계, 및 아민기를 포함하는 단량체 및 친수성 작용기를 포함하는 단량체거 라디칼 중합되어 베이스 기반 상에 증착되도록 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 아민기를 포함하는 단량체는, 디메틸아미노메틸 스티렌(dimethylaminomethylstyrene), DMAMS), 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트(dimethylaminoethyl methacrylate, DMAEMA), 비닐피롤리돈(vinylpyrrolidinone, VP), 다이에틸아미노에틸 아크릴레이트(dimethylaminoethyl acrylate), DEAEA), 다이메틸아미노에틸 아크릴레이트(dimethylamino ethylacrylate), DMAEA) 및 다이에틸아미노에틸 메타크릴레이트(diethylaminoethyl methacrylate, DEAMA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 디메틸아미노메틸 스티렌일 수 있다.
또한, 친수성 작용기를 포함하는 단량체는, 하이드로시에틸 메타크릴레이트(hydroxyethyl methacrylate, HEMA), 아이소프로필아크릴아미드(isopropyl acrylamide, IPAAm), 글리세롤 메타크릴레이트(glycerol methacrylate), GMA), 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(diethylglycol methacrylate), DEGMA) 및 메틸에틸 아크릴아미드(methylethyl acrylamide), MEAAm) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 하이드로시에틸 메타크릴레이트일 수 있다.
나아가, 발수층을 형성하는 단계(S220)은 알킬실란 화합물을 희석하는 단계, 희석된 알킬실란 화합물을 공중합체층 상에 도포하는 단계, 및 도포된 알킬실란 화합물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 알킬실란 화합물은, 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane, OTS), 3-아미노프로필 트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES), 및 메타크릴옥시프로필트리메티톡시실란(methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 옥타데실트리클로로실란일 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법의 순서에 대한 이해의 편의를 위하여, 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법의 순서에 대한 예시도가 도시된다.
먼저, 공중합체층을 형성하는 단계(S210)는 기상 증착 방법 즉, 광개시 화학 기상 증착법(photo-initiated Chemical Vapor Deposition, piCVD)을 통하여 수행될 수 있다.
기상 증착 공정은 고순도의 코팅층 형성, 계면 특성의 제어 용이성 등과 같은 장점을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 기상 증착 방법은 외부와 차단된 챔버 안에 기재를 넣고 증기 즉, 코팅하고자 하는 고분자의 단량체가 포함된 가스를 공급한 뒤, 에너지에 의한 라디칼 중합반응(radical polymerization)을 일으켜, 기재의 성질은 변화시키지 않고, 기재 상에 고분자를 박막으로 형성하는 방법이다. 이때, 라디칼 중합반응은 열, 플라즈마, 빛 또는 임의의 에너지를 공급하여 기체 분자를 이온화 하거나 높은 에너지 상태로 여기(Excite)시켜서, 자발적으로 화학 반응을 일으킬 수 있는 상태로 활성화시킨뒤, 단량체가 고분자로 형성하는 반응을 의미할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법에 대한 공중합체층을 형성하는 단계(S210)에서는 유리 소재의 베이스 기판(110)을 챔버 안에 넣고, 아민기를 포함하는 단량체, 친수성 작용기를 포함하는 단량체 및 개시제를 주입하고, 이들을 기회시키고, 라디칼 중합 반응이 일어나도록 가열하여, 공중합체층(130)을 베이스 기판 상에 형성할 수 있다.
이때, 공중합체층을 형성하는 단계(S210)는 다양한 형상 및 재질의 기재에 대하여 적용될 수 있으며, 비교적 저온(예를 들면, 약 200℃이하, 바람직하게는 100℃이하, 더 바람직하게는 50℃이하의 온도)에서 수행이 가능함에 따라, 공중합체층을 형성하는 단계(S210)의 베이스 기판의 온도는 25 내지 40℃일 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 베이스 기판의 재질 및 크기에 따라 다양한 온도로 설정될 수 있다.
또한. 공중합체층을 형성하는 단계(S210)는 내부압력이 100 내지 300 mbar일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 고분자를 증착하고자 하는 기재에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
나아가, 주입하는 단계에서의 아민기를 포함하는 단량체 대 친수성 작용기를 포함하는 단량체의 몰비는, 1: 0.5 내지 1:1.5일 수 있으며, 아민기를 포함하는 포함하는 단량체 대 개시제는, 1:3 내지 1:5일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
더 나아가, 주입하는 단계에서의 아민기를 포함하는 단량체의 온도는, 40 내지 50 ℃이고, 친수성 작용기를 포함하는 단량체의 온도는, 70 내지 80 ℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 단량체의 종류에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
더 나아가, 가열하는 단계는, 필라멘트 및 자외선에 의하여 가열될 수 있으며, 필라멘트의 온도는 120 내지 150 ℃이고, 자외선의 세기는 300 내지 500 μW/cm2일 수 있다. 즉, 중합 반응에 사용된 구동력이 빛 에너지이며, 이러한 필라멘트의 온도에서는 모노머에 대한 화학적 손상이 없기 때문에, 고분자 코팅 층 역시 단량체가 갖고 있는 다양한 관능성 그룹을 그대로 유지한 채, 고분자 코팅 층으로 전환시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 가열하는 단계에서는 필라멘트 및 자외선를 통하여 고온을 발생시키고, 발생된 고온으로 인하여 개시제가 분화되어 자유 라디칼을 생성하고, 이에 따라, 단량체가 활성화되어, 단량체들간의 결합 즉, 중합반응이 일어나 공중합체가 형성될 수 있다.
더 나아가, 가열하는 단계는, 5 내지 10분동안 수행됨에 따라, 특정 프로브를 도포하고 주입하는 종래의 마이크로어레이 칩의 생산 과정 보다 빠르게 마이크로어레이 칩을 생산할 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법은 기상 증착 방법을 이용하여 기재 상에 고분자를 합성하는 방법이기 때문에, 다양한 기재 즉, 기판에 다양한 작용기를 가진 단량체를 적용할 수 있다는 장점이 있으며, 여러 특성을 갖는 단량체를 원하는 비율로 공중합시킬 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법은 기상에서 진행되는 건식 공정임에 따라, 잔여물로 인한 오염이 존재하지 않으며 기판 손상이 없다는 장점이 있다. 또한, 기상 증착 방법은 기판의 화학적 특성과 관계없이 단량체의 흡착을 온도를 통해 조절하므로 다양한 기판에 표면 전처리 없이 고분자 코팅이 가능할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법은 공중합체층을 형성하는 단계(S210)를 포함함에 따라, 다양한 기재 상에 핵산을 포획할 수 있는 다양한 고분자를 증착할 수 있다.
그 다음, 발수층을 형성하는 단계(S220)는 알킬실란 화합물을 공중합체층 상에 도포하여 수행될 수 있으며, 희석된 알킬실란 화합물의 도포는 액상 형태의 알킬실란 화합물을 분무하거나 마이크로 웰의 패턴을 포함하는 스탬프(300)로 찍어내는 방식일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 방법이 사용되어 발수층을 형성할 수 있다.
이때, 희석된 알킬실란 화합물의 농도는 알킬실란 화합물 및 용매 즉, 헥산, 펜탄, 옥탄과 같은 유기 용매와의 혼합 용액에 대하여 3 내지 10 부피(질량) %일 수 있으나, 바람직하게는 5%일 수 있다. 그러나 알킬실란 화합물의 농도는 전술한 농도에 제한되는 것은 아니며, 기재 및 공중합체의 두께에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
나아가, 발수층을 형성하는 단계(S220)는 알킬실란 화합물을 공중합체층 상에 도포한 다음, 60 내지 80℃에서 5 내지 15분간 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법은 발수층을 형성하는 단계(S220)를 포함함에 따라, 시료가 반응하는 액체 수용부 이외에 영역에 대해서는 소수성을 부가하여, 시료가 안정적으로 액체 수용부 내에만 분주될 수 있으며, 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 다시 도 2b를 참조하면, 전술한 과정에 의하여 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로 칩(100)은 직사각형 모양의 시료 수용부(170) 및 미반응부(190)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 이때, 미반응부(190)는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로 칩(100)이 식별될 수 있는 바코드 및 식별번호가 각인될 수 있는 영역을 의미할 수 있으며, 이는 사용자의 편의에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로 칩(100)의 구성에서 불포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로 칩(100)은 일정 크기를 갖는 다양한 모양의 기판에 시료 수용부(170)만 형성되어 제공될 수 있다.
기능성 마이크로어레이 칩에 대한 검증
이하에서는, 도 3 내지 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 검증에 대하여 설명한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 XPS 스펙트럼 결과이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 실시예 1, 2 및 3는 HEMA의 비율에 따라, O1s의 피크(peak)가 변화하며, 실시예 1, 2 및 3 모두 대조군 1 및 2에서 나타난 O1s 및 N1s 피크가 나타났다. 즉, 기판의 표면에 DMAMS와 HEMA로 이루어진 공중합체가 형성되었다는 것을 의미할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 물 접촉각 측정 결과이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 실시예 1, 2 및 3은 모두 발수층 즉, 옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane, OTS)이 형성된 후, 물 접촉각이 크게 증가하는 것으로 나타나며, 이는 OTS가 공중합체층과 안정적으로 반응이 일어나 발수층을 형성한 것을 의미할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에 대한 실시예 1, 2 및 3은 모두 70℃의 수중에서 1시간동안 노출된 후에도 물 접촉각이
높게 유지되는 것으로 나타나며, 이는 OTS와 공중합체층과의 결합이 물 또는 열 환경에서도 안정성을 가짐을 의미할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩에의 발수층이 공중합체층과 안정적으로 결합하여, 형성될 수 있으며, 나아가 수분 및 열 안정성을 가지는 것을 의미할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 구회화에 대한 결과이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩 상에 흑색 잉크를 포함하는 물을 도포하였을 경우, 실시예 1, 2 및 3은 모두 발수층의 소수성으로 인해 시료 수용부에만 흑색 잉크를 포함하는 물이 고이는 것으로 나타나며,
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩 상에 형광 표지된 DNA를 도포하였을 경우, 실시예 1, 2 및 3은 모두 시료 수용부에만 형광 표지된 DNA가 포집되어, 시료 수용부 모양에 따라 형광이 발현되는 것으로 나타난다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩은 발수층으로 인하여, 시료 수용부 이외의 영역에 대해서는 소수성이 부여되어 시료를 안정적으로 시료 수용부에 분주 및 안착시킬 수 있으며, 시료 수용부와 이외의 영역이 완벽하게 구획된 것을 의미할 수 있다. 나아가, 시료 수용부는 양전하의 아민기를 포함하는 공중합체층이 노출되어 있음에 따라, DNA를 포집하여 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 병원체 포획 및 용해에 대한 결과이다.
먼저, 도 6의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩 상에 E.coli O157:H7를 도포한 뒤 세포막을 염색하였을 경우, 시료 수용부 영역에서만 E.coli O157:H7가 검출되는 것으로 나타나며, 이는 시료 수용부의 공중합체층에 의해, E.coli O157:H7가 포획될 수 있음을 의미할 수 있다.
그 다음, 도 6의 (b)를 참조하면, 일반적인 유리 기재(bare glass) 상의 E.coli O157:H7는 세포막의 변형 및 손상없이 그대로 유지되는 것으로 나타나나, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩(coated glass) 상에 E.coli O157:H7는 세포막이 용해되어 손상되고, 변형이 일어난 것으로 나타난다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩은 공중합체층을 포함함에 따라, 핵산을 포함하는 다양한 세포를 용해 및 파괴하여, 이의 내부에 존재하는 단백질 및 핵산과 같은 표적 물질을 용출시킬 수 있으며, 나아가, 이들을 포획할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩의 디지털 PCR 분석 결과이다.
다양한 세포 수의 E.coli, Salmonella enteritidis, Staphylococcus aureus를 등온 증폭시켜, 정량 분석을 진행한 결과, 희석 배율(dilution factor)이 증가할수록, 측정되는, 액적(droplet) 내의 DNA 카피 수가 감소하는 것으로 나타나며, 이는 병원체의 종류에 무관하게 세포 수와 정량 분석 결과 간에 유의미한 연관성 갖는 것을 의미할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩은 종래의 RT-PCR 또는 q-PCR 뿐만 아니라, ddPCR과 같은 다양한 PCR 분석기기에서도 적용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩은 10배의 희석 배율에서도 유의미한 DNA 카피 수를 보임에 따라, DNA가 저 농도로 존재하는 시료까지 높은 효율로 핵산을 추출 및 검출할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 마이크로어레이 칩는, 누구나 손쉽게 반복성 및 재현성 있는 유전자 진단을 할 수 있으며, 원심 분리 및 추가적인 장비에 구애를 받지 않음으로서 현장 진료 테스트 분야에서도 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기능성 마이크로어레이 칩
110 : 베이스 기판
130 : 공중합체층
150 : 발수층
170 : 시료 수용부
190 : 미반응부
300 : 스탬프

Claims (20)

  1. 세포 포획 및 용해, 상기 세포의 핵산 추출 및 포획을 위한 기능성 마이크로어레이 칩으로서,
    베이스 기판,
    상기 베이스 기판 상에 배치된 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 및 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위를 포함하는 공중합체층, 및
    상기 공중합체층 상에 배치된 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 포함하고,
    상기 공중합체층 내 포획된 세포의 세포막을 용해하여 핵산을 추출 및 포획하기 위해, 상기 아민기를 포함하는 제1 반복 단위가 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)을 포함하며, 상기 친수성 작용기를 포함하는 제2 반복 단위가, 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트을 포함하고,
    상기 발수층은,
    상기 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 복수 개의 관통 홀을 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 관통 홀은,
    각각의 관통 홀들과 100 내지 400 μm의 간격으로 이격된, 기능성 마이크로어레이 칩.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 관통 홀 각각은,
    50 내지 200 μm의 직경을 갖는, 기능성 마이크로어레이 칩.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 공중합체층의 두께는,
    1 내지 1000nm인, 기능성 마이크로어레이 칩.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위는,
    측쇄 말단에 양전하의 아민기가 상기 공중합체층 외측을 향하여 배치된, 기능성 마이크로어레이 칩.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위는,
    측쇄 말단에 하이드록시기가 상기 공중합체층 외측을 향하여 배치된, 기능성 마이크로어레이 칩.
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 알킬실란 화합물은,
    옥타데실트리클로로실란(octadecyltrichlorosilane, OTS), 3-아미노프로필 트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES), 및 메타크릴옥시프로필트리메티톡시실란(methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS) 중 적어도 하나를 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 알킬실란 화합물은,
    옥타데실트리클로로실란인, 기능성 마이크로어레이 칩.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스 기판은,
    폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에스테르(polyester), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 실리콘, 유리, 세라믹 및 테플론 중 적어도 하나의 소재로 이루어진, 기능성 마이크로어레이 칩.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 공중합체층의 상기 아민기를 포함하는 제 1 반복 단위 대 상기 친수성 작용기를 포함하는 제 2 반복 단위의 몰비는,
    1: 0.5 내지 1:1.5인, 기능성 마이크로어레이 칩.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 공중합체층은,
    광개시 화학 기상 증착법(photo-initiated Chemical Vapor Deposition, piCVD)에 의하여 배치된, 기능성 마이크로어레이 칩.
  16. 세포 포획 및 용해, 상기 세포의 핵산 추출 및 포획을 위한 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법에 있어서,
    베이스 기판 상에 아민기를 포함하는 단량체 및 친수성 작용기를 포함하는 단량체를 포함하는 공중합체층을 형성하는 단계, 및
    상기 공중합체층 상에 시료를 수용하기 위한 마이크로 웰이 형성되도록 알킬실란 화합물을 포함하는 발수층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 공중합체층 내 포획된 세포의 세포막을 용해하여 핵산을 추출 및 포획하기 위해, 상기 아민기를 포함하는 단량체가 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌)을 포함하며, 상기 친수성 작용기를 포함하는 단량체가, 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트을 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 공중합체층을 형성하는 단계는,
    상기 아민기를 포함하는 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌), 상기 친수성 작용기를 포함하는 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트 및 개시제를 주입하는 단계;
    상기 아민기를 포함하는 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌), 상기 친수성 작용기를 포함하는 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트 및 상기 개시제를 기화시키는 단계, 및
    상기 아민기를 포함하는 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌) 및 상기 친수성 작용기를 포함하는 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트가 라디칼 중합되어 상기 베이스 기판 상에 증착되도록 가열하는 단계를 포함하는, 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 주입하는 단계에서의 상기 아민기를 포함하는 폴리(2-디메틸아미노메틸 스티렌) 대 상기 친수성 작용기를 포함하는 폴리 하이드로시에틸 메타크릴레이트의 몰비는,
    1: 0.5 내지 1:1.5인, 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는,
    필라멘트 및 자외선에 의하여 수행되고,
    상기 필라멘트의 온도는.
    120 내지 150 ℃이고,
    상기 자외선의 세기는,
    300 내지 500 μW/cm2 인, 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 온도는,
    25 내지 40℃인, 기능성 마이크로어레이 칩의 제조 방법.
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