KR20070072269A - Three-dimensional nanostructures with active enzymes by surface templated layer-by-layer assembly and method for building the same - Google Patents

Three-dimensional nanostructures with active enzymes by surface templated layer-by-layer assembly and method for building the same Download PDF

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KR20070072269A
KR20070072269A KR1020050136331A KR20050136331A KR20070072269A KR 20070072269 A KR20070072269 A KR 20070072269A KR 1020050136331 A KR1020050136331 A KR 1020050136331A KR 20050136331 A KR20050136331 A KR 20050136331A KR 20070072269 A KR20070072269 A KR 20070072269A
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Abstract

A three-dimensional micro/nano-structure is provided to be able to increase the sensitivity of a biochip without non-specific absorption by having an active enzyme, thereby increasing the reliability of a bio-sensor. The three-dimensional nano-structure includes a functional enzyme which is controllably prepared by layer-by-layer assembling of surface templates patterned by using the micro-contact printing manner. The method comprises the steps of: (a) printing an SAM strip as a resistant coating agent on a substrate having a cold surface; (b) filling an un-stamped area with an SAM which is made of biotin-terminated thiol; (c) assembling avidin on the biotinylated SAM area; and (d) binding a biotin-HRP to the avidin, wherein the steps (c) and (d) are repeated.

Description

표면이 템플릿된 층간 조립에 의하여 활성 효소를 가진 3차원 나노구조 및 이의 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL NANOSTRUCTURES WITH ACTIVE ENZYMES BY SURFACE TEMPLATED LAYER-BY-LAYER ASSEMBLY AND METHOD FOR BUILDING THE SAME}THREE-DIMENSIONAL NANOSTRUCTURES WITH ACTIVE ENZYMES BY SURFACE TEMPLATED LAYER-BY-LAYER ASSEMBLY AND METHOD FOR BUILDING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따라 활성 효소를 가진 3차원 구조를 형성하는 공정을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a process for forming a three-dimensional structure with an active enzyme according to the present invention.

도 2는 조립 사이클 수에 따른 아비딘/바이오틴-HRP 막의 두께를 도시한다.2 shows the thickness of avidin / biotin-HRP membrane according to the number of assembly cycles.

도 3은 조립 사이클 수에 따른 아비딘/바이오틴-HRP 3차원 구조의 원자힘현미경 이미지를 도시한다. 3 shows an atomic force microscope image of avidin / biotin-HRP three-dimensional structure according to the number of assembly cycles.

도 4는 1, 5 및 9개의 이중층 샘플에 대한 571nm에서 다른 시간 간격 동안의 흡수도 변화를 도시하는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing absorbance changes over different time intervals at 571 nm for 1, 5 and 9 bilayer samples.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>     <Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10: 기판 20: PDMS 스탬프10: substrate 20: PDMS stamp

30: EG6OH 스트립 30: EG 6 OH strip

본 발명은 바이오칩을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면이 템플릿된 층간 조립에 의하여 활성 효소를 가진 3차원 나노구조를 형성하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a biochip, and more particularly, to a method for forming a three-dimensional nanostructure with an active enzyme by interlayer assembly with a surface template.

최근 인간 유전체의 구조가 거의 대부분 밝혀지면서 인체를 구성하는 기능연구에 대한 관심이 급증하고 있다. 이와 같이, 유전자의 기능을 규명하는 총체적인 연구 분야를 기능 제노믹스(Functional Genomics)라 정의하며, 이는 유전자를 실험재료로 사용하여 연구하는 제노믹스(genomics), 세포 내의 총체적인 단백질군을 대상으로 연구하여 유전자의 기능을 규명하는 프로테오믹스(proteomics), 그리고 이 두 분야를 공통적으로 원하는 바이오인포매틱스(bioinformatics)로 구분되어 진다. 최근까지만 하더라도 유전자나 세포의 기능연구에 대한 분자생물학적인 접근은 대부분 단일 유전자나 그 유전자가 발현하는 mRNA의 발현 조절을 중심으로 이루어졌으나, 요즘에는 단백질체를 중심으로 바뀌고 있는 추세이다.Recently, as the structure of the human genome is almost revealed, interest in functional research constituting the human body is rapidly increasing. As such, the overall field of research that defines the function of genes is defined as functional genomics, which is a study of the entire group of proteins in genomics and cells that use genes as experimental materials. It is divided into proteomics that identify functions, and bioinformatics that wants both fields in common. Until recently, most of the molecular biology approaches to study the function of genes or cells have been focused on the regulation of expression of a single gene or mRNA expressed by the gene, but nowadays, it is changing to a protein body.

상기 단백질체 연구에 필수적으로 이용될 수 있는 핵심기술이 단백질칩(protein chip)이다(Gavin MacBeath and Stuart L. Schreiber, Science, 289:1760~1763, 2000). 단백질칩은 수십 내지 수천 개의 단백질을 작은 기판상에 고정해 동시다발적으로 단백질의 결합을 분석하는 자동화기기 시스템이다. 이는 수십 내지 수천 개의 유전자를 기판상에 고정화시켜 동시다발적으로 유전자의 변화를 유전자간의 상보적 결합을 통하여 정량분석함으로써 유전자 발현이나 돌연변이를 검색하는 마이크로 어레이 DNA칩(microarray DNA chip)과 비슷하다(Yasuda, H., Lamage, C. E., J. A ppl. Polym. Sci.17: 201, 1973; Muguruma, H., Karube, I., Trends Anal. Chem.18: 62, 1999; Nalanishi, K., Muguruma, H., Karube, I., Anal. Chem.68: 1695, 1996; Miyachi, H., Hiratsuka, A., Ikebukuro, K., Yano, K., Muguruma, H., Karube, I., Biotechnol. Bioengin.69: 323, 2000) . 그러나 단백질칩은 상기 DNA칩으로는 알아내지 못하는 다음과 같은 부분을 분석할 수 있다.A core technology that can be used essentially for the protein body research is a protein chip (Gavin MacBeath and Stuart L. Schreiber, Science, 289: 1760 ~ 1763, 2000). A protein chip is an automated device system that analyzes protein binding simultaneously by immobilizing dozens or thousands of proteins on a small substrate. This is similar to a microarray DNA chip that detects gene expression or mutations by immobilizing dozens or thousands of genes on a substrate and simultaneously quantitating changes in genes through complementary binding between genes. Yasuda, H., Lamage, CE, J. A ppl.Polym.Sci. 17: 201, 1973; Muguruma, H., Karube, I., Trends Anal.Chem. 18: 62, 1999; Nalanishi, K., Muguruma, H., Karube, I., Anal.Chem. 68: 1695, 1996; Miyachi, H., Hiratsuka, A., Ikebukuro, K., Yano, K., Muguruma, H., Karube, I., Biotechnol. Bioengin. 69: 323, 2000). However, the protein chip can analyze the following parts not found by the DNA chip.

첫째, 단백질-단백질간의 상호작용에 관한 정보를 얻을 수 있다. 세포 내 신호전달이나 조절은 단백질-단백질간의 상호작용의 형태로 나타나는데, 이를 단백질칩을 통하여서 분석할 수 있다.First, information on protein-protein interactions can be obtained. Intracellular signaling or regulation occurs in the form of protein-protein interactions that can be analyzed using protein chips.

둘째, 인간을 포함한 고등생물체로부터 효모에 이르기까지 단백질은 유전자와는 관계없이 번역 후 변형(post-translational modification)이 일어나는데, 인산화(phosphorylation), 산화(oxidation) 등과 같은 이차적인 수식에 관한 정보를 얻을 수 있다.Second, from higher organisms, including humans, to yeast, proteins undergo post-translational modifications regardless of genes, which provide information about secondary modifications such as phosphorylation and oxidation. Can be.

셋째, mRNA 생성 후 발생하는 문제점을 검출할 수 있다. 많은 질병이 전사(transcription) 후 조절이나 단백질의 생성, 그리고 단백질의 위치(localization)와 같은 문제점으로부터 야기되는데, mRNA를 검출하는 DNA칩으로는 이런 정보를 얻기가 힘들다.Third, problems occurring after mRNA generation can be detected. Many diseases result from problems such as post-transcriptional regulation, protein production, and protein localization, which are difficult to obtain from DNA chips that detect mRNA.

넷째, mRNA가 단백질로 발현시 둘 사이의 정량적인 상관관계가 그리 높지 않을 수 있기 때문에, 경우에 따라 단백질에 관한 정확한 정보를 제공할 수 없다는 DNA칩의 한계를 단백질칩을 통하여 극복할 수 있다.Fourth, since mRNA may not be expressed quantitatively between proteins, protein chips can overcome the limitations of DNA chips, which in some cases cannot provide accurate information about proteins.

다섯째, DNA칩으로 규명되는 유전자의 염기서열의 차이가 직접적인 질병을 의미하거나, 표현형의 차이를 나타내지 않는다. 더욱이 비슷한 특성을 가진 아미노 산으로의 돌연변이는 대개 단백질의 고유특성을 유지하기 때문에, 질병이나 표현형의 차이를 유발하지 않는다. 그러나 단백질칩을 이용하면 직접적인 질병 및 표현형의 차이를 나타내는 단백질을 규명할 수 있다.Fifth, the difference in the nucleotide sequence of the gene identified by the DNA chip means a direct disease or does not show a difference in phenotype. Moreover, mutations to amino acids with similar properties usually do not cause disease or phenotypic differences because they retain the protein's intrinsic properties. However, protein chips can be used to identify proteins that show direct differences in disease and phenotype.

단백질칩을 이용하면 단백질-단백질간의 상호관계에 관한 데이터 생성이 가능하며, 신약 개발시 시간 및 비용의 절감효과를 가져올 수 있는데, 한 예로 현재의 유전자를 이용한 치료약 개발보다 걸리는 시간을 비약적으로 단축시킬 수 있다. 또한, 단백질칩은 산업적 수요뿐 아니라, 질환 진단, 환경 모니터링, 유해성 검진 등 잠재수요도 대단히 크다.The use of protein chips enables the generation of data on protein-protein interactions, which can save time and money when developing new drugs. For example, it can dramatically reduce the time it takes to develop therapeutic drugs using current genes. Can be. In addition, the protein chip is not only industrial demand, but also potential demand, such as disease diagnosis, environmental monitoring and hazard screening.

단백질칩에 있어서, 그 핵심기술은 단백질을 칩의 표면에 결합시키는 단백질 고정화 기술이다. 단백질 고정화 기술은 특성에 따라 다음과 같이 세 가지로 나눠진다. 첫 번째는 카르복시메틸-덱스트란(CM(carboxymethyl-dextran)을 이용하여 특정 단백질을 센서칩의 표면에 고정하는 방법으로, 가장 널리 이용되고 있는 방법이다. 그 중 아민(amine)결합이 가장 보편적으로 이용되며, 산성을 띠는 단백질이나 DNA 등을 결합시키기 위한 티올(thiol)결합이나, 아비딘-바이오틴(avidin-biotin) 결합이 이용되기도 한다. 두 번째는 다수의 동일 특성을 띠는 단백질군을 결합할 수 있도록 센서칩의 표면을 처리하는 방법이다. 세 번째는 불특정 다수의 단백질을 결합시키는 방법으로, 폴리라이신(polylysine)이나 calix crown(칼릭스 크라운)을 예로 들 수 있다.For protein chips, the core technology is protein immobilization technology that binds proteins to the surface of the chip. Protein immobilization techniques are divided into three categories according to their characteristics. The first method is to fix a specific protein on the surface of the sensor chip using carboxymethyl-dextran (CM), the most widely used method of which amine (amine) bond is the most common Thiol bonds or avidin-biotin bonds are also used to bind acidic proteins, DNA, etc. The second is to bind a group of proteins with a number of identical properties. The third method is to treat the surface of the sensor chip, so that the third method is to bind a large number of unspecified proteins, such as polylysine or calix crown.

그러나 상기 센서칩의 핵심기술인 단백질을 기판에 고정화시키는데 있어, 비특정 표면 고정화(nonspecific surface immobilization), 고체 표면에의 고정화에 따른 단백질의 생물학적 활성의 상실, 상대적으로 낮은 활성물질의 표면 농도, 표면이탈에 따른 분석신호의 소멸 등의 기술적 어려움이 있는바, 그 해결이 시급한 실정이다.However, in immobilizing the protein, which is the core technology of the sensor chip on the substrate, nonspecific surface immobilization, loss of biological activity of the protein due to immobilization on a solid surface, relatively low surface concentration of the active substance, surface deviation There is a technical difficulty, such as the disappearance of the analysis signal due to this, the solution is urgent situation.

단백질을 기판에 고정화시키는데 있어서 가장 필요한 기술은 나노미터 크기의 소자를 만들기 위한 신뢰성 있는 패터닝기술이다. 또한, 단백질 고정 기술과 관련하여 마이크로 크기 내지 나노 크기에서 기능성 바이오 분자를 표면에 정확하게 부착시키는 것은 어래이형 고효율 스크리닝 기술, 새로운 바이오센서, 바이오전자분야, 피부 공학 및 셀바이오 분야의 기초 연구 등에 있어서 매우 중요하다. The most necessary technique for immobilizing proteins on a substrate is reliable patterning techniques for making nanometer-sized devices. In addition, the precise attachment of functional biomolecules to surfaces from micro- to nano-scales in relation to protein immobilization technology is of great importance for array-type high-efficiency screening technologies, new biosensors, bioelectronics, basic research in skin engineering and cell biotechnology. Do.

이와 같은 단백질 고정 기술에는 잉크젯 프린팅, 마이크로 유체, 마이크로-콘택트 프린팅(μCP), 전자빔 리소그래피 및 주사탐침형 기술 등이 있다. Such protein fixation techniques include inkjet printing, microfluidic, micro-contact printing (μCP), electron beam lithography and scanning probe technology.

광학적인 방식을 이용한 방법으로서, 현재까지 사용되어 왔고 가까운 미래까지 주요 기술로 사용될 노광공정(photolithography)은 해상도 면에 있어서 100nm 정도의 한계를 가지고 있다. 이는 100nm이하의 크기에서 일어나는 빛의 간섭문제 때문인데 90년대 중반부터 이러한 노광공정을 대체하기 위해 많은 노력이 있었다. 경제적인 문제만 없다면 100nm이하의 해상도를 갖는 광학 리소그래피 방법은 벌써 개발되어 있는 상황이며, 예를 들어 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography), 엑스선 리소그래피(X-ray lithography), 주사 탐침 리소그래피(scanning probe lithography) 등이 그러한 방법의 예이다. 그러나 광학적인 방법에 의한 패턴 방식은 비싼 광원을 사용해야하고 장비도 많이 사용되어야 한다는 단점이 있다. 또한, 이 방식에서 사용되는 빛 차단 물질은 비 환경 친화적이라 다른 기술의 도입이 필요하다. As an optical method, photolithography, which has been used to date and will be used as a major technology until the near future, has a limitation of about 100 nm in terms of resolution. This is due to the interference problem of light in the size of less than 100nm, and since the mid 90s, much efforts have been made to replace the exposure process. Unless there is an economic problem, optical lithography methods with resolutions of 100 nm or less have already been developed. For example, electron-beam lithography, X-ray lithography, scanning probe lithography. ) Is an example of such a method. However, the optical pattern method has the disadvantage of using expensive light sources and using a lot of equipment. In addition, the light blocking material used in this manner is non-environmentally friendly and requires the introduction of other technologies.

종래기술로서, 2002년 11월 26일 특허 허여된 미국특허 US 6,485,984, 칼릭스크라운 유도체, 이의 제조 방법, 이를 이용하여 준비된 칼릭스크라운 유도체의 자기 조립 단분자막 및 칼릭스크라운 유도체의 자기 조립 단분자막을 이용하여 단백질 단분자막을 고정하는 방법(Calixcrown derivatives, a process for the preparation thereof, a self-assembled monolayer of the calixcrown derivatives prepared by using the same and a process for immobilizing a protein monolayer by using the self-assembled monolayer of the calixcrown derivatives)에서는 자기 조립 단분자막을 이용하여 기판 위에 단백질을 고정시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 종래 기술에서는 선택적으로 원하는 위치에 단백질을 고정시키지 못하였으며, 공정이 복잡하고 패턴 형성이 명확하지 못하였다.As a prior art, US Patent No. 6,485,984, issued on Nov. 26, 2002, Calixcrown derivative, a preparation method thereof, and a self-assembled monomolecular film of a Calixcrown derivative prepared using the same and a self-assembled monomolecular film of Calixcrown derivative (Calixcrown derivatives, a process for the preparation particular, a self-assembled monolayer of the calixcrown derivatives prepared by using the same and a process for immobilizing a protein monolayer by using the self-assembled monolayer of the calixcrown derivatives) disclose a method of immobilizing proteins on a substrate using a self-assembled monolayer. However, the prior art did not selectively fix the protein in the desired position, the process was complicated and the pattern formation was not clear.

또한, 종래 기술로서 감광성인 폴리에틸렌글리콜을 모세관력 리소그래피를 이용하여 패터닝한 후 PDMS 도장을 덮고 자외선을 조사하여 경화시킨 후 플루오로카본 (flourocarbon) 플라즈마로 에칭한 다음, 단백질을 선택적인 위치에 고정화하는 기술이 개시되었다(Microstructures of poly ethylene glycol by molding and dewetting, K.Y. Suh, R. Langer, Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 8, 1668, 2003). 그러나 상기 기술은 자외선을 조사하여야 하기 때문에 복잡하고 패터닝 속도가 느리기 때문에 저렴하게 바이오 센서의 기판을 제공하는 것이 곤란하였다.In addition, conventionally, photosensitive polyethylene glycol is patterned by capillary force lithography, then covered with PDMS coating, cured by irradiation with ultraviolet rays, and then etched with fluorocarbon plasma, and then the protein is immobilized at a selective position. Technology has been disclosed (Microstructures of polyethylene glycol by molding and dewetting, KY Suh, R. Langer, Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 8, 1668, 2003). However, since the above technique is required to irradiate ultraviolet rays, it is difficult to provide a substrate of a biosensor at low cost because it is complicated and the patterning speed is low.

미국특허출원 USSN 20030062334호(2003년 4월 3일 출원, Method for forming a micro-pattern on a substrate by using capillary force)에서는 모세관력 리소 그래피를 이용하여 다양한 방식으로 고분자 패턴을 만드는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 종래 기술에서는 모두 액상으로 이루어져 있기 때문에 얇은 고분자 막을 패턴하는 것이 곤란하며, 모세관력 리소그래피 공정 후 잔존물이 발생하기 때문에, 상기 종래 기술을 생체 물질 패턴 형성에 사용하는 것이 곤란하다. U.S. Patent Application No. 20030062334, filed on April 3, 2003, Method for forming a micro-pattern on a substrate by using capillary force, discloses a method of making polymer patterns in various ways using capillary lithography. . However, in the prior art, it is difficult to pattern a thin polymer film because all of them are made of liquid phase, and since the residue is generated after the capillary lithography process, it is difficult to use the prior art for forming a biomaterial pattern.

이제까지의 종래 기술에 의해 형성된 바이오칩은 하나의 바이오 분자층만을 가지고 있기 때문에 고민감 센서와 같은 응용 분야에는 사용될 수 없다는 문제점을 가진다. 또한, 종래의 바이오칩에서는 여전히 비특정 흡착이 발생하기 때문에 바이오 센서의 신뢰성이 낮다는 문제점을 가진다. 또한, 이제까지 바이오 분자를 가진 층간 조립(Layer-By-Layer assembly) 분야에 대한 광범위한 연구에도 불구하고, 아직까지 활성 효소를 가진 다층 3D 마이크로/나노 구조가 구현되지 못했다. Biochips formed by the prior art have a problem that can not be used in applications such as high-sensitivity sensor because it has only one biomolecule layer. In addition, since non-specific adsorption still occurs in the conventional biochip, the biosensor has a problem of low reliability. In addition, despite extensive research in the field of layer-by-layer assembly with biomolecules, multilayer 3D micro / nano structures with active enzymes have not yet been realized.

따라서, 본 발명은 상기 종래 기술이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 바이오칩의 감도를 높이고 비특정 흡착이 발생하지 않도록 활성 효소를 가진 다층 3D 마이크로/나노 구조를 구현하여 바이오 센서의 신뢰성을 높이는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, by implementing a multi-layer 3D micro / nano structure with an active enzyme to increase the sensitivity of the biochip and prevent the non-specific adsorption occurs, the reliability of the biosensor It aims at raising.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마이크로-콘택트 프린팅(micro-contact printing) 방식을 이용하여 패터닝된 표면 템플릿상의 층간 조립층간 조립(Layer-By-Layer assembly)에 의해 제어가능하도록 제조된, 기능성 효소를 가진 3차원(3D) 나노구조에 의해 달성된다. The present invention for achieving this object is manufactured to be controllable by layer-by-layer assembly on a surface template patterned using a micro-contact printing method. Achieved by three-dimensional (3D) nanostructures with enzymes.

단백질과 관련된 비특정 상호작용이 레지스트 백그라운드 상에 비특정 흡착을 야기할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 명확하게 형성되는 다층 구조를 얻기 위해, 비특정 흡착을 최소화하였다. 여기서, 우리는 저항성 코팅으로서, 비특정 바이오분자 흡착을 감소시키는 것으로 알려져 있는 헥사(에틸렌 글리콜)기로 말단화된 자기조립단분자막(self-assembled monolayer:SAM)를 이용한다. 본 발명에서 모델 효소로서 효소당 평균 2.3 바이오틴이 표지된 양고추냉이 페록시다아제(바이오틴-HRP)를 선택하고 생체적합한 링커로서 아비딘을 선택하였는데, 각각의 아비딘은 각각의 단백질 측면 상에 2개씩, 4개의 바이오틴 결합 사이트를 가지고 있기 때문이다. 이는 또한 아비딘 및 바이오틴 사이에 상당히 강한 바이오특정 결합이 이루어지는 장점을 이용한다(해리 상수, K d ~ 10-15 M).Nonspecific interactions with proteins can cause nonspecific adsorption on the resist background. Therefore, in the present invention, in order to obtain a clearly formed multilayer structure, non-specific adsorption was minimized. Here, we use a self-assembled monolayer (SAM) terminated with hexa (ethylene glycol) groups known to reduce non-specific biomolecule adsorption as a resistive coating. In the present invention, an average 2.3 biotin-labeled horseradish peroxidase (Biotin-HRP) was selected as a model enzyme, and avidin was selected as a biocompatible linker, with each avidin being two on each protein side. This is because it has four biotin binding sites. It also takes advantage of the significant strong biospecific binding between avidin and biotin (dissociation constant, K d ˜10 −15 M).

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 설명한다.  Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따라 활성 효소를 가진 3차원 구조를 형성하는 공정을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 본 실시예에서는 기판을 패터닝하기 위해 마이크로-콘택트 프린팅(μCP) 기술이 이용된다. 또한, 본 실시예에서 평탄한 금 표면을 가진 기판(10) 상에 저항성 코팅제로서 EG6OH(11-mercaptoundecylhexa-(ethylene glycol) alcohol) 로된 미크론 사이즈의 SAM 스트립(30)을 프린팅한다(도 1c 및 1d). 다음에 바이오틴으로 말단화된 티올(thiol)로된 SAM으로 스탬핑되지 않은 영역(40)이 채워진다(도 1e). 1 is a cross-sectional view schematically showing a process for forming a three-dimensional structure with an active enzyme according to the present invention. In this embodiment, micro-contact printing (μCP) technology is used to pattern the substrate. In addition, in this embodiment, a micron size SAM strip 30 of EG 6 OH (11-mercaptoundecylhexa- (ethylene glycol) alcohol) is printed on the substrate 10 having a flat gold surface (FIG. 1C). And 1d). The unstamped region 40 is then filled with a SAM of biotin terminated thiol (FIG. 1E).

다음에 바이오티닐화된 SAM 영역 상에 아비딘이 바이오틴 결합 사이트중 두 개를 이용하여 조립된다(도 1f). 그리고 바이오틴-HRP를 결합시키기 위한 추가의 두개의 바이오틴 결합사이트는 남겨둔다. Avidin is then assembled on the biotinylated SAM region using two of the biotin binding sites (FIG. 1F). And leaves two additional biotin binding sites for binding biotin-HRP.

그 후에 바이오틴-HRP가 상기 두개의 바이오틴 결합사이트에 결합한다(도 1g). 이러한 결합에 의해 가장 바깥 쪽에 바이오틴으로 말단화된 층이 형성되며, 여기에 제 2 아비딘층이 결합될 수 있다. Biotin-HRP then binds to the two biotin binding sites (FIG. 1G). This binding forms the outermost layer of biotin at the outermost side, where the second avidin layer can be bound.

본 실시예에서 PDMS 스탬프는 2μm갭으로 분리되는 2μm 스트립을 가진다. PDMS 스탬프는 에탄올중 2mM의 (EG)6OH 용액으로 적신다(inked). 다음에 상기 스탬프는 질소로 송풍 건조되고 금도금 된 기판과 컨포멀 콘택을 하게 되고, 이러한 접촉 상태를 약 20-30초 동안 유지한다. 프린팅 후에, 금 기판은 약 1시간 동안 바이오틴-이황화물 용액으로 인큐베이팅되어 바이오틴이 말단화된 SAM으로 스탬핑되지 않은 영역을 채운다. 기판은 에탄올, 메탄올 및 밀리큐 워터로 세정되어 결합되지 않은 바이오틴-이황화물을 제거하고, 아비딘/바이오틴-HRP층간 조립을 템플릿한다.In this embodiment the PDMS stamp has 2 μm strips separated by 2 μm gaps. The PDMS stamp is soaked with 2 mM (EG) 6 OH solution in ethanol. The stamp is then blown dry with nitrogen and conformal contact with the gold plated substrate, maintaining this contact for about 20-30 seconds. After printing, the gold substrate is incubated with the biotin-disulfide solution for about 1 hour to fill the areas that are not stamped with the biotin terminated SAM. The substrate is cleaned with ethanol, methanol and milliQ water to remove unbound biotin-disulfide and template avidin / biotin-HRP interlayer assembly.

기판은 약 0.5시간 동안 0.1mg/ml 아비딘 용액에서 인큐베이팅되고, PBS로 세정되고 다음에 약 0.5시간 동안 0.2mg/ml 바이오틴-HRP 용액에 적신다. 이것이 첫번째 단백질 이중층이며, 이를 줄여 (아비딘/바이오틴-HRP)1이라고 한다. 추가의 이중층을 형성하기 위해 앞서의 단계를 반복한다. The substrate is incubated in 0.1 mg / ml avidin solution for about 0.5 hours, washed with PBS and then soaked in 0.2 mg / ml Biotin-HRP solution for about 0.5 hours. This is the first protein bilayer, abbreviated as (avidin / biotin-HRP) 1 . Repeat the above steps to form additional bilayers.

이와 같이, 아비딘 및 바이오틴-HRP에 의한 선택적인 LBL 조립을 반복하여 3차원 효소 구조를 성장시킨다. 효소는 생체적합한 단백질(아비딘)층 상부에 조립 되기 때문에, 고정화된 효소는 촉매 기능을 유지하여야 한다. 3D 효소 나노구조(다층 활성 효소를 포함)는 일반적으로 단지 하나의 층의 효소만을 포함하는 기존의 고정화된 효소 어래이 보다 전체 촉매 활성도가 높다. As such, selective LBL assembly by avidin and biotin-HRP is repeated to grow a three-dimensional enzyme structure. Since the enzyme is assembled on top of the biocompatible protein (avidin) layer, the immobilized enzyme must maintain catalytic function. 3D enzyme nanostructures (including multilayer active enzymes) generally have higher overall catalytic activity than conventional immobilized enzyme arrays that contain only one layer of enzyme.

<실시예><Example>

본 발명에 따라 제조된 3차원 구조의 성능을 확인하기 위하여, 다음과 같이 실시하였다. 금으로 코팅된 실리콘 표면(~10nm 크롬 접착층을 가진 ~200nm 두께의 금)에 다층 아비딘/바이오틴-HRP 막을 조립하고, 원편광분석기(ellipsometry)를 이용하여 조립 사이클 수에 따라 두께 변화를 측정했다. 금 표면은 약 1.5시간 동안 바이오틴-이황화물 용액(에탄올중 1mM)에서 인큐베이팅함으로써 바이오틴이 말단화된 티올로 이루어진 SAM으로 코팅되고, 이를 조립에 이용하기 전에 에탄올, 메탄올 및 밀리큐 워터로 철저하게 세정했다. 제 1아비딘층은 약 30분 동안 아비딘 용액(PBS중 0.1 mg/mL, 10 mM phosphate, 150 mM NaCl, 2 mM NaN3, pH 7.4)으로 상기 표면을 인큐베이팅함으로써 조립된다. PBS로 세정한 후에, 상기 표면은 30분 동안 바이오틴-HRP(PBS중 0.2mg/mL)로 인큐베이팅되고, PBS로 세정된다. In order to confirm the performance of the three-dimensional structure manufactured according to the present invention, it was carried out as follows. Multilayer avidin / biotin-HRP membranes were assembled on a gold coated silicon surface (˜200 nm thick gold with ˜10 nm chromium adhesion layer) and the thickness change was measured according to the number of assembly cycles using ellipsometry. The gold surface is coated with SAM of biotin terminated thiols by incubating in a biotin-disulfide solution (1 mM in ethanol) for about 1.5 hours and thoroughly cleaned with ethanol, methanol and milliQ water before use in assembly did. The first avidin layer is assembled by incubating the surface with avidin solution (0.1 mg / mL in PBS, 10 mM phosphate, 150 mM NaCl, 2 mM NaN 3 , pH 7.4) for about 30 minutes. After washing with PBS, the surface is incubated with Biotin-HRP (0.2 mg / mL in PBS) for 30 minutes and washed with PBS.

도 2는 조립 사이클 수에 따른 아비딘/바이오틴-HRP 막의 두께를 도시한다. 도 1에 따르면 조립 사이클 수가 증가함에 따라 단백질 막 두께가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 첫번째 이중층 다음에 효소 막이 정확하게 층간 조립되었음을 나타낸다. 각각의 아비딘/바이오틴-HRP 이중층의 평균 두께는 ~1.44nm인데, 이는 촘촘하게 밀집한 HRP 및 아비딘 층(약 8-10nm)의 결합 두께보다 상당히 얇다. 2 shows the thickness of avidin / biotin-HRP membrane according to the number of assembly cycles. It can be seen from FIG. 1 that the protein membrane thickness increases with increasing number of assembly cycles, indicating that the enzyme membrane is correctly interlaminar assembled after the first bilayer. The average thickness of each avidin / biotin-HRP bilayer is ˜1.44 nm, which is considerably thinner than the bond thickness of the tightly packed HRP and avidin layers (about 8-10 nm).

도 3은 조립 사이클 수에 따른 아비딘/바이오틴-HRP 3차원 구조를 나타내는 원자힘현미경 이미지를 도시한다. 본 발명에 따른 3차원 구조상에 효소를 조립하고, 층간 조립(LBL assembly) 공정에 따른 효소 패턴을 관찰했다. 도 3a는 마이크로-콘택트 프린팅(μCP)으로 패턴닝된 SAM 템플릿의 이미지를 보여주는데, 이는 평탄한 얇은 금 코팅 표면상에 2μm EG6OH SAM 스트립이 바이오틴-티올 스트립으로 분리되어 있다. EG6OH 스트립은 바이오틴-티올 스트립 보다 ~2.4nm 높다. 이는 두개의 SAM 사이에 두께 차이를 가진다는 것을 의미한다. 3 shows an atomic force microscope image showing avidin / biotin-HRP three-dimensional structure according to the number of assembly cycles. An enzyme was assembled on the three-dimensional structure according to the present invention, and the enzyme pattern according to the LBL assembly process was observed. FIG. 3A shows an image of a SAM template patterned with micro-contact printing (μCP), which separates the 2 μm EG 6 OH SAM strip into a biotin-thiol strip on a flat thin gold coated surface. EG 6 OH strips are ˜2.4 nm higher than biotin-thiol strips. This means that there is a difference in thickness between the two SAMs.

아비딘/바이오틴-HRP 이중층이 템플릿상에 조립된 후에, 단백질 및 EG6OH 스트립 사이의 지형적 구조는 반전된다(도 3b). 이제 단백질 스트립이 EG6OH 스트립 보다 ~1.2nm 높은데, 이는 단백질이 바이오틴 스트립 상에 조립됐기 때문이다. After the avidin / biotin-HRP bilayer is assembled on the template, the topographic structure between the protein and the EG 6 OH strip is reversed (FIG. 3B). The protein strip is now ˜1.2 nm higher than the EG 6 OH strip because the protein is assembled on the biotin strip.

바이오분자에 대해 가장 효율적인 저항성 코팅제중 하나인 EG6OH SAM을 이용함에도 불구하고, 레지스트 스트립 상에 비특정 흡착이 일부 관찰되었다. 본 발명에서 대부분의 비특정 흡착된 단백질은 약 1.5시간 동안 계면활성제(PBS중 0.1% Tween 20)로 표면을 처리함으로써 제거하였다. 이러한 처리에 의해 두개의 스트립 사이의 높이 차가 ~3.2nm까지 증가하였다(도 3c). 각각의 조립 단계 사이에서 계면활성제로 세정을 해줌으로써, 3차원 구조의 다층 아비딘/효소는 LBL 조립에 의하 여 패턴화된 표면상에 쉽게 제조될 수 있다. Despite the use of EG 6 OH SAM, one of the most efficient resist coatings for biomolecules, some non-specific adsorption was observed on the resist strips. Most nonspecific adsorbed proteins in the present invention were removed by treating the surface with a surfactant (0.1% Tween 20 in PBS) for about 1.5 hours. This treatment increased the height difference between the two strips to ˜3.2 nm (FIG. 3C). By washing with a surfactant between each assembly step, the multilayered avidin / enzyme of the three-dimensional structure can be readily prepared on the patterned surface by LBL assembly.

도 3d는 9개의 아비딘/바이오틴-HRP 이중층의 조립 후에 패턴화된 표면의 이미지를 도시한다. 효소 스트립의 높이는 레지스트 백그라운드로부터 ~12nm 이다. 이는 전체 단백질 층 두께 ~14.4nm에 상응한다. 이는 EG6OH 상에 비특정 흡착이 거의 없음을 보여주는 것으로서, 기능성 패턴 영역 상에 3차원 효소 구조를 층간 조립으로 정확하게 형성할 수 있음을 나타낸다. 3D shows an image of the patterned surface after assembly of nine avidin / biotin-HRP bilayers. The height of the enzyme strip is ˜12 nm from the resist background. This corresponds to a total protein layer thickness of 14.4 nm. This shows little non-specific adsorption on EG 6 OH, indicating that three-dimensional enzyme structures can be accurately formed by interlayer assembly on functional pattern regions.

흡착에 대한 검정이 고정화된 효소의 활성도를 측정하기 위하여 이용되었다. 571nm에서 다른 시간 간격 동안 1, 5 및 9개의 이중층 샘플에 대한 흡수도 변화가 측정되었다(도 4). H2O2 존재하에서, HRP는 무색 기판(암플렉스 레드(Amplex red))을 571nm에서 최대 흡수도를 가진 유색 제품(레소루핀(resorufin))으로 바꾼다. 모든 3개의 샘플은 촉매적으로 활성화되어 있으며 전체 활성도는 효소층의 수에 따라 증가했다. 효소층에 따른 활성도의 증가율은 선형은 아니며, 5 이중층 및 9 이중층의 활성도는 1 이중층에 비해 약 ~25% 및 ~40% 높다. Assays for adsorption were used to determine the activity of immobilized enzymes. Absorbance changes for 1, 5 and 9 bilayer samples were measured at different time intervals at 571 nm (FIG. 4). In the presence of H 2 O 2 , HRP turns a colorless substrate (Amplex red) into a colored product (resorufin) with maximum absorbance at 571 nm. All three samples were catalytically active and the overall activity increased with the number of enzyme layers. The increase rate of activity according to the enzyme layer is not linear, and the activities of the 5 bilayers and 9 bilayers are about -25% and -40% higher than those of the 1 bilayer.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 아비딘/바이오틴-HRP 층간 조립을 유도하기 위해 마이크로-콘택트 프린팅 패턴닝된 SAM 템플릿을 이용함으로써 정확하게 다층 3차원 효소 구조를 성공적으로 제조할 수 있다. 조립된 효소는 촉매 활성도를 유지하여, 전체 활성도는 효소층 수에 따라 증가하게 된다. As described above, precisely multilayered three-dimensional enzyme structures can be successfully produced by using a micro-contact printing patterned SAM template to induce avidin / biotin-HRP interlayer assembly according to the present invention. The assembled enzyme maintains catalytic activity, so that the overall activity increases with the number of enzyme layers.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예를 설명한 것이며, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경실시 가능한 범위까지 본 발명의 범위에 있다고 할 것이다.What has been described above has described one embodiment according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and as claimed in the following claims, without departing from the gist of the present invention, the field to which the present invention pertains. It will be said that the scope of the present invention to the extent that those skilled in the art can change.

본 발명은 활성 효소를 가진 다층 3차원 마이크로/나노 구조를 구현하여 바이오칩의 감도를 고도로 높이고 비특정 흡착이 발생하지 않도록 하여 바이오 센서의 신뢰성을 높이는 효과를 가진다.The present invention implements a multi-layered three-dimensional micro / nano structure with an active enzyme to increase the sensitivity of the biochip and prevent non-specific adsorption from occurring, thereby increasing the reliability of the biosensor.

Claims (7)

마이크로-콘택트 프린팅(micro-contact printing) 방식을 이용하여 패터닝된 표면 템플릿 상의 층간 조립에 의해 제어가능하도록 제조된 기능성 효소를 가진 3차원(3D) 나노구조물.Three-dimensional (3D) nanostructures with functional enzymes made to be controllable by interlayer assembly on patterned surface templates using micro-contact printing. a) 금 표면을 가진 기판 상에 저항성 코팅제로서 SAM 스트립을 프린팅하는 단계;a) printing a SAM strip as a resistive coating on a substrate having a gold surface; b) 바이오틴으로 말단화된 티올(thiol)로된 SAM으로 스탬핑되지 않은 영역을 채우는 단계; b) filling an unstamped region with a SAM of thiol terminated with biotin; c) 바이오티닐화된 SAM 영역 상에 아비딘을 조립하는 단계;c) assembling avidin on the biotinylated SAM region; d) 바이오틴-HRP를 상기 아비딘과 결합시키는 단계; 및d) binding biotin-HRP with said avidin; And 상기 단계 c) 및 d)를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 나노구조를 형성하는 방법.Repeating the steps c) and d). 제 2항에 있어서, 상기 단계 b) 내지 d) 단계중 어느 한 단계를 수행한 후에 계면활성제로 표면을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 나노구조를 형성하는 방법 The method of claim 2, further comprising treating the surface with a surfactant after performing any one of steps b) to d). a) PDMS 스탬프를 에탄올중 2mM의 (EG)6OH 용액으로 적시는 단계;a) soaking the PDMS stamp with a 2 mM (EG) 6 OH solution in ethanol; b) 상기 스탬프를 금도금 된 기판과 약 20-30초 동안 접촉시키는 단계;b) contacting the stamp with a gold plated substrate for about 20-30 seconds; c) 상기 금 기판을 1시간 동안 바이오틴-이황화물 용액으로 인큐베이팅하여 바이오틴이 말단화된 SAM로 스탬핑되지 않은 영역을 채우는 단계;c) incubating the gold substrate with a biotin-disulfide solution for 1 hour to fill the areas that are not stamped with the biotin terminated SAM; d) 상기 기판을 에탄올, 메탄올 및 밀리큐 워터로 세정하여 결합되지 않은 바이오틴-이황화물을 제거하는 단계;d) cleaning the substrate with ethanol, methanol and milliQ water to remove unbound biotin-disulfide; e) 아비딘/바이오틴-HRP층간 조립을 템플릿하는 단계;e) template avidin / biotin-HRP interlayer assembly; f) 상기 기판을 약 0.5시간 동안 0.1mg/ml 아비딘 용액에서 인큐베이팅하는 단계;f) incubating the substrate in 0.1 mg / ml avidin solution for about 0.5 hours; g) 상기 기판을 약 0.5시간 동안 0.2mg/ml 바이오틴-HRP 용액에 적시는 단계; 및 g) soaking the substrate in a 0.2 mg / ml biotin-HRP solution for about 0.5 hours; And h) 추가의 이중층을 형성하기 위해 상기 단계 f) 및 g)를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 나노구조를 형성하는 방법. h) repeating steps f) and g) to form additional bilayers. 제 4항에 있어서, 상기 PDMS 스탬프는 2μm갭으로 분리되는 2μm 스트립을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 나노구조를 형성하는 방법.The method of claim 4, wherein the PDMS stamp has a 2 μm strip separated by a 2 μm gap. 제 4항에 있어서, 상기 단계 f) 후에 기판을 PBS로 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 나노구조를 형성하는 방법.5. The method of claim 4, further comprising cleaning the substrate with PBS after step f). 제 2 내지 6항중 어느 한항에 따른 방법에 의해 제조된 3차원 나노구조.Three-dimensional nanostructures prepared by the method according to any one of claims 2 to 6.
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