KR20100137739A - 박테리아의 직접패터닝을 위한 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법 - Google Patents

박테리아의 직접패터닝을 위한 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법에 관한 것이다. 본 발명의 나노기공성 고분자 팁을 이용한 딥-펜 나노리소그래피 방법을 사용하여 박테리아의 직접패터닝할 수 있는 방법을 제공함으로써 박테리아 분자를 상기 나노기공성 고분자 팁에 흡수 또는 흡착시킨 후 원자현미경 시스템을 이용하여 대상물체의 표면에 물리적으로 접촉시킴으로써 박테리아를 전사시켜 박테리아를 원하는 위치에 빠른 속도로 패턴화시킬 수 있는 효과가 있다.
나노기공성 고분자 팁, 박테리아, 딥-펜 나노리소그래피, 직접패터닝, 플라즈마 처리, 용액중합

Description

박테리아의 직접패터닝을 위한 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법{NANO POROUS POLYMER TIP FOR DIRECT BACTERIA PATTERNING, PREPARATION METHOD THEREOF AND DIRECT BACTERIA PATTERNING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법에 관한 것이다.
본 발명은 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 박테리아와 같은 거대 생체물질을 나노기공으로 흡수시킨 후 물리적 접촉으로 대상물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시킴으로써, 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 생체물질의 전사가 전사용 팁과 대상물질 표면과의 거리에만 의존하므로 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질 의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법에 관한 것이다.
21 세기 포스트 게놈 (Post-Genome)시대에 양산되는 많은 정보를 효율적으로 처리하고자 나노기술과 바이오 기술을 융합한 나노 바이오 기술이 태동하였다. 그중 바이오칩은 DNA 또는 단백질과 같은 생체 물질을 고체 기질 위에 고밀도로 집적화시킨 것으로서, 생물학적 정보를 얻거나 분석하고자하는 대상물질과 반응시킨 후 동시에 초고속으로 이를 분석하는 장치이다. 현재, 바이오칩은 집적 물질에 따라, DNA칩과 단백질 칩 및 랩 온 어 칩 (Lab on a chip) 등으로 나뉜다. 이와 같은 바이오칩은 고체 표면에서 생체물질의 고정화와 표적물질의 측정을 가능하게 하는데 그 기술적 핵심이 있으며, 고체 표면상에 고정화되는 생체물질의 밀도, 균일성 및 생체 활성도 등에 따라 DNA, RNA, 항원, 바이러스 및 기타 단백질 분자들의 검출한계와 비특이적 결합여부가 결정된다.
종래의 생체물질의 어레이를 위한 기술로는 마이크로어레이, 포토리소그래피 (Photolithography), 잉크젯 프린팅 (Inkjet printing) 또는 소프트 리소그래피 (Soft lithography) 등의 기술이 사용되고 있으나, 생체물질의 고정화 기술과 단위면적에 집적화시킬 수 있는 양이 제한될 뿐만 아니라, 고정화시에 부착된 생체물질의 방향성 제어가 어렵고, 생체적 활성도가 저하된다는 등의 단점이 존재한다.
최근에 나노수준에서 생체물질을 복합적으로 고정화하는 방법으로서, 딥-펜 나노리소그래피(Dip-pen nanolithography; DPN) 방식이 미국 노스웨스턴 대학의 Chad A Mirkin 교수에 의해 개발되었다(Chad A. Mirkin et al. Science 283, 661
(1999)). DPN 방식이란 주사탐침현미경 (SPM) 팁을‘펜’으로 하고, 고체기판을‘종이’로 하여, 고체 상태의 기판에 화학적 친화력을 가진 분자나 생체물질을‘잉크’로서 SPM 팁과 기판 사이에 형성되는 물 메니스커스 (water meniscus)를 통한 확산 현상에 의해서 기판에 코팅하는 기술이다. 이러한 DPN 방식은 잉크로 사용하는 물질의 제약이 거의 없을 뿐만 아니라, 기능성 유기분자나 생체물질을 그 구조의 손상없이 직접적으로 패터닝할 수 있는 매우 큰 장점을 지니고 있다. DPN 방식에 있어서, 패터닝되는 물질의 크기는 팁의 고체 기판 표면에 대한 접촉 시간과 물 메니스커스의 크기에 영향을 주는 상대습도에 전적으로 의존하게 된다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고, DPN 방식을 이용한 생체물질의 패터닝에는 아직까지 하기와 같은 한계점들이 존재한다.
첫째, 기존의 DPN 기술은 팁과 기판 사이에 존재하는 물 메니스커스를 통해서는, 고분자량을 갖는 단백질(예를 들어, IgG)의 확산이 용이하지 않으며, 패터닝에 장시간이 소요되고(물질 확산속도가 매우 느려서, 100 nm 이하의 크기 하나를 패터닝하는 데에 3초에서 수분의 시간이 소요된다), 재현성이 크지 않다는 문제점이 있다.
둘째, 기존의 실리콘 팁 또는 실리콘 질화물 팁은 소수성을 띄기 때문에 단백질 등과 같은 친수성 물질을 코팅할 경우 실리콘 팁 표면에 코팅되는 시료의 양이 매우 적으며, 패터닝 작업시 종종 재코팅 작업을 요한다는 문제점이 있다.
셋째, 시료가 공기 중에 노출되어 있으므로, 건조로 인하여 생체 활성을 유지하기가 어렵고(예를 들어, 상대습도 60% 이하에서는 물질 패터닝이 어려우므로 별도의 습도조절용 글로브 박스를 필요로 한다), 첨가제를 첨가한 경우라도 확산에 대한 제어가 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 본 발명자들은 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 코팅된 나노기공성 하이드로겔 고분자를 포함하는 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용한 생체물질의 패터닝 방법을 개발하여, 생체물질을 나노기공성 하이드로겔 고분자 팁의 나노기공으로 흡수시킨 후 원자력 현미경의 탐침을 대체하여 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시킴으로써, 별도의 습도 조절 없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 생체물질의 전사가 전사용 팁과 대상 물질 표면과의 거리에만 의존하므로 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 생체물질의 패터닝 방법에 대해 특허출원하여 등록받은 바 있다(한국등록특허 제0718918호).
본 발명자들은 생체물질의 패터닝 방법에 대해 추가적인 연구를 거듭하였고, 거대 크기의 박테리아 분자를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박테리아의 직접패터닝 방법을 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 박테리아와 같은 큰 생체물질을 딥-펜 나노리소그래피 방법을 이용하여 패터닝하는 방법에 사용될 수 있는 나노기공성 고분자 팁을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 박테리아와 같은 큰 생체물질을 딥-펜 나노리소그래피 방법을 이용하여 패터닝하는 방법에 사용될 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 나노기공성 고분자 팁을 이용한 딥-펜 나노리소그래피 방법을 사용하여 박테리아를 직접패터닝할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 중합된 나노기공성 고분자층을 포함하는, 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 소수성 팁의 재질은 이산화규소 또는 실리콘 질화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 나노기공성 고분자층은 폴리옥사졸린 고분자로 이루어지며, 상기 나노기공의 평균 직경은 30 내지 2000 nm인 것이 박테 리아를 직접패터닝하는데 있어 바람직하다.
또한, 본 발명은 소수성 팁 표면에 -OH기를 부착시키는 단계; 상기 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계; 상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 용액 개환 중합반응을 수행함으로써 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 고분자층을 형성하는 단계; 및 상기 소수성 팁을 세척하고 건조하는 단계를 포함하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 중합 반응 개시기는 자기 조립(self assembly) 방식에 의해서 소수성 팁의 표면에 고정이 가능한 물질인 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 중합 반응 개시기로 -Br기, -I기 또는 -Cl기를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 용액 개환 중합반응은 유기용매에 상기 단량체를 첨가한 용액에 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환시킨 소수성 팁을 담근 후 80~90 ℃의 온도로 가온하여 중합시켜 수행될 수 있다.
또한 본 발명은 박테리아가 패터닝될 기판의 표면에 상기 박테리아와 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착하는 단계; 상기 나노기공성 고분자 팁을 상기 박테리아를 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계 및 상기 나노기공성 고분자 팁을 상기 기판 상에서 이동시키며 상기 박테리아를 전사하는 단계를 포함하는 박테리아의 직접패터닝 방법을 제공한다.
본 발명은 박테리아와 같은 박테리아와 같은 큰 생체물질을 딥-펜 나노리소그래피 방법을 이용하여 패터닝하는 방법에 사용될 수 있는 나노기공성 고분자 팁을 제공하며, 박테리아의 직접패터닝 방법에 이용할 수 있도록 나노기공성 고분자 팁을 다양한 크기로 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하며, 상기 나노기공성 고분자 팁을 이용한 딥-펜 나노리소그래피 방법을 사용하여 박테리아를 직접패터닝할 수 있는 방법을 제공함으로써, 박테리아 분자를 상기 나노기공성 고분자 팁에 흡수 또는 흡착시킨 후 원자현미경 시스템을 이용하여 대상물체의 표면에 물리적으로 접촉시킴으로써 박테리아를 전사시켜 박테리아를 원하는 위치에 빠른 속도로 패턴화시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 박테리아와 같은 거대 크기의 생체물질을 나노기공으로 흡수 또는 흡착시킨 후 물리적 접촉으로 대상 물질의 표면에 상기 생체물질을 전사시키는 방식에 의해서, 종래의 물 메니스커스를 통한 확산 방식에 비해서 별도의 습도 조절없이 낮은 상대습도에서도 용이하게 생체물질을 전사시킬 수 있으며, 생체물질의 전사 속도 및 저장량을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 더불어 전사되는 생체물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 나노기공성 고분자 팁, 그 제조방법 및 이를 이용 한 박테리아의 직접패터닝 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 ‘박테리아’는 박테리아에 한정되지 않고 10 내지 10,000 nm 크기의 작은 생체물질부터 거대 생체물질을 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 중합된 나노기공성 고분자층을 포함하는 나노기공성 고분자 팁을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 소수성 팁으로는 이산화규소 또는 실리콘 질화물 등과 같은 재질의 소수성 팁이 사용될 수 있다.
종래에, 소수성 이산화규소 팁 또는 실리콘 질화물 팁은 소수성을 띄기 때문에 단백질 등과 같은 친수성 물질을 코팅할 경우 팁 표면에 코팅되는 시료의 양이 매우 적으며, 패터닝 작업시 종종 재코팅 작업을 요한다는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 소수성 팁의 표면에 친수성 고분자의 네트워크 형태를 갖는 나노기공성 고분자를 중합하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다.
바람직하게는, 상기 나노기공성 고분자층은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 폴리옥사졸린으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 나노기공성 고분자층은 표면에 미세한 나노사이즈의 기공들이 형성된 나노기공 구조를 갖는데, 바람직하게는 상기 나노기공의 평균 직경은 30 내지 2000 nm 인 것이 바람직하다. 상기 나노기공의 평균 직경이 30 nm 미만인 경우에는 300 ~1500 nm 정도의 거대 크기의 박테리아 등의 생체물질이 용이하게 흡수 또는 흡착될 수 없다는 문제점이 있으며, 2000 nm를 초과하는 경우에는 흡수되었던 거대 크기의 박테리아 등의 생체물질이 쉽게 빠져나오는 등의 문제점이 있어서 바람직하 지 않다.
또한, 상기 나노기공성 고분자의 코팅 두께는 50nm 내지 5,000nm인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이와 같이 거대 크기의 박테리아 등의 생체물질을 흡수, 흡착, 또는 저장하기 위해 나노기공성 구조의 고분자 팁을 제공하여, 생체물질의 저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법은, 소수성 팁 표면에 -OH기를 부착시키는 단계; 상기 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계; 상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 용액 개환 중합반응을 수행함으로써 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 고분자층을 형성하는 단계; 및 상기 소수성 팁을 세척하고 건조하는 단계를 포함한다.
하기에서 본 발명에 따른 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.
우선, 소수성 팁 표면에 -OH기를 부착시킨다.
상기 소수성 팁으로는 상술한 바와 같이 이산화규소 또는 실리콘 질화물 등과 같은 재질의 소수성 팁이 사용될 수 있다.
본 발명에서는 상기 소수성 팁에 -OH기를 부착시키기 위해 플라즈마 처리방법을 사용할 수 있다. 본 발명의 일실시형태에 있어서, 상기 소수성 팁 표면을 플라즈마 처리에 의해 -OH기를 부착시키는 단계는 소수성 팁 표면을 아르곤 기류하에서 30 내지 60초 동안 상압 산소플라즈마 처리하여 수행될 수 있다.
상술한 소수성 팁에 -OH기의 부착시키는 단계는 후술할 중합 반응 개시기의 부착을 위한 선행단계로서, 이후단계에서 중합 반응 개시기와의 치환 반응을 통해서 제거된다.
소수성 팁에 -OH기의 부착하기 위한 방법으로 황산 및 과산화수소의 혼합용액을 이용한 방법을 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 플라즈마 처리방법에 의해 소수성 팁에 -OH기의 부착시킴으로써 보다 간단한 공정을 통해 소수성 팁에 -OH기의 부착시켜 소수성 팁 표면에 균일한 나노기공성 구조의 고분자층을 형성할 수 있게 한다.
다음으로, 상기 소수성 팁에 부착된 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계를 수행한다.
-OH기와 중합 반응 개시기와의 치환 반응은, 중합 반응 개시기를 포함하는 물질의 용액 중에 상기 표면에 -OH기가 부착된 소수성 팁을 침지시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 중합 반응 개시기는 자기 조립(self assembly) 방식에 의해서 소수성 팁의 표면에 고정이 가능한 물질로서, 바람직하게는, 할로겐족 원소를 포함하는 반 응기이며, 이에 제한되는 것은 아니지만, -Br기, -I기 또는 -Cl기를 예로 들 수 있다. 여기에서, "자기 조립"이란 소수성 팁 표면의 -OH기와 중합 반응 개시기의 한쪽 말단에 있는 실란기가 만나면 자발적인 반응에 의해서 실란기가 표면에 부착되어 안정화된다는 것을 의미한다. 상기 중합 반응 개시기를 포함하는 물질의 용액은, 브로모프로필트리클로로실란, 클로로프로필트리클로로실란 또는 요오도프로필트리클로로실란 등과 같은 화합물을, 톨루엔, 아세토니트릴 또는 메틸렌클로라이드 등과 같은 용매에 용해시킴으로써 제조될 수 있고, 상기 용액의 농도는 0.5mM~1.5mM인 것이 바람직하다.
이어서, 제조된 용액에 표면에 -OH기를 갖는 소수성 팁을 침지시킴으로써 중합 반응 개시기로의 치환 반응이 수행되며, 침지온도 및 시간은 10℃~50℃ 온도의 용액 중에 5분~30분 동안 침지시키는 것일 수 있다. 상기 침지 반응 이후에, 소수성 팁을 무수 톨루엔 등의 용매를 사용하여 수차례 세척하고, 질소 환류 하에서 상기 용매를 제거함으로써 표면이 중합 반응 개시기로 치환된 소수성 팁을 제조할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 중합 반응 개시기로 치환된 소수성 팁을 제조한 후, 상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 용액 개환 중합반응을 수행함으로써 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 고분자층을 형성하는 단계를 수행한다.
상기와 같이 중합 반응 개시기가 부착된 소수성 팁의 제조 이후에는, 제조된 소수성 팁 표면의 중합 반응 개시기 말단에서 용액중합에 의해서 나노기공성 고분 자층을 형성할 수 있도록 단량체를 중합시키는 반응을 수행하게 된다.
도 2를 참조하면, 단량체로서 2-메틸-2-옥사졸린 단량체를 사용하여 소수성 팁의 표면에서 중합체를 형성하는 개략적인 반응 공정을 도시하였다. 이러한 단량체의 중합 반응은 용액 개환 중합반응에 의해서 수행될 수 있다.
본 발명에서는 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체를 사용하여 소수성 팁의 표면에 고분자층을 형성하기 위해서 용액 개환 중합반응을 사용한다.
도 2에서는 단량체로서 2-메틸-2-옥사졸린을 사용하여 소수성 팁의 표면에 폴리(2-메틸-2-옥사졸린) 중합체를 형성하는 것을 예로 들었으나, 단량체의 종류는 제조하고자 하는 나노기공성 고분자층에 따라서, 글리시딜 메타아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타아크릴레이트 또는 그 공중합체 및 이들의 혼합물 등과 같은 다양한 단량체들이 선택될 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 있어서, 상기 용액 개환 중합반응은 유기용매에 상기 단량체를 첨가한 용액에 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환시킨 소수성 팁을 담근 후 80~90 ℃의 온도로 가온하여 중합시켜 수행될 수 있다.
상기 용액 개환 중합반응시 중합 반응시간을 30분 내지 4시간 범위에서 조절함으로써 고분자 팁 말단의 반경을 50 내지 5000 nm 범위로 조절할 수 있다. 이와 같이 용액 개환 중합반응 조건 중 중합 반응시간을 조절하여 제조되는 고분자 팁의 크기를 조절할 수 있고, 따라서 다양한 고분자 팁을 이용하여 기판에 박테리아 직접패터닝시 기판에 대하여 다양한 크기의 박테리아 패턴을 형성할 수 있다.
마지막으로, 상기 용액 개환 중합반응이 종료된 후, 상기 고분자층이 형성된 소수성 팁을 수차례 세척하고 건조하는 단계를 수행한다.
상기 세척 과정에 사용가능한 용매로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 아세토니트릴, 에탄올, 메탄올 또는 그 혼합물 등과 같은 다양한 용매들을 예로 들 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 나노기공성 고분자 팁을 제조하는 경우 균일한 크기의 나노기공성 구조를 형성시킬 수 있으며, 용액중합 반응시간을 달리하여 다양한 크기의 나노기공성 고분자 팁을 제공함으로써 딥-펜 직접패터닝 방식을 사용하여 다양한 크기로 박테리아를 패터닝할 수 있다.
또한 본 발명은 박테리아가 패터닝될 기판의 표면에 상기 박테리아와 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착하는 단계; 상기 나노기공성 고분자 팁을 상기 박테리아를 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계 및 상기 나노기공성 고분자 팁을 상기 기판 상에서 이동시키며 상기 박테리아를 전사하는 단계를 포함하는 박테리아의 직접패터닝 방법을 제공한다.
우선적으로, 박테리아가 패터닝될 기판의 표면에 상기 박테리아와 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착할 수 있도록 박테리아가 패터닝될 기판의 표면에 대한 전처리 단계를 필요로 한다. 이는 패터닝될 박테리아와 기판과의 특이적 반응을 통한 화학 결합을 유도하기 위한 것으로서, 패터닝될 기판의 표면에 카르복실기, 아민기 또는 알데히드기 등과 같은 다양한 반응기를 부착시키는 반응일 수 있다.
또한, 패터닝 기판 표면의 재질로는 이에 제한되는 것은 아니지만, 금, 백금, 실리콘 또는 유리 등과 같은 다양한 재질이 선택될 수 있다.
따라서, 예를 들어 도금 기판의 표면에 카르복실기를 부착하고자 하는 경우에는 16-머캅토헥사데칸산(16-Mercaptohexadecanoic acid; MHA)으로 도금 기판의 표면을 개질하는 반응을 수행할 수 있다.
한편, 도금 기판의 제조는 실리콘 등의 재질로 이루어진 기판 상에 먼저 도금을 용이하게 하기 위한 제1 금속 박막을 3nm~7nm의 두께로, 티타늄 등의 금속을 사용하여 스퍼터링 등의 방식으로 증착하고, 다음으로 형성된 제1 금속 박막층 상에 금 박막을 60nm~80nm의 두께로 스퍼터링 방식 (또는 열증착 방식)으로 증착함으로써 수행될 수 있다.
이어서, 도금 기판을 16-머캅토헥사데칸산을 에탄올 용매에 용해시킨 용액에 침지시키고 상온에서 방치한 다음, 세척 및 건조 과정을 거침으로써 카르복실기가 부착된 도금 기판을 제조할 수 있게 된다. 상기 반응은 16-머캅토헥사데칸산의 -SH기와 귀금속과의 특이반응을 통하여 이루어지게 된다.
기판의 표면 처리 단계 이후에는, 앞서 제조된 나노기공성 고분자 팁을 기판에 전사하고자 하는 생체물질을 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계를 수행한다.
기판에의 전사 대상이 되는 생체물질로는, 예를 들어 박테리아와 같이 300 내지 1500 nm 크기의 거대 생체물질들이 사용될 수 있고, 이러한 생체물질들을 인산완충염 용액 등에 첨가함으로써 그 생체활성이 유지된 채로 본 발명에 따른 패터 닝 방법에 사용될 수 있다.
상기 나노기공성 고분자 팁을 생체물질 함유 용액 중에 침지시킴에 있어서, 침지 시간은 3~5분 정도 소요될 수 있으며, 침지 이후에는 팁을 용액에서 빼내어 5~10분 정도 방치하여 고분자 팁의 겉표면에 물리적 접촉에 의해서 젖어 있는 물이 마를 수 있는 시간을 부여하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기와 같이 생체물질을 함유하는 나노기공성 고분자 팁을 생체물질의 전사 대상이 되는 기판 상에서 이동시키며 생체물질을 기판으로 전사하게 된다. 생체물질의 전사 과정은 다양한 방식에 의해서 수행될 수 있으며, 그 일예를 들면, 생체물질이 흡수된 나노기공성 고분자 팁을 원자현미경(Atomic Force Microscope; AFM)의 탐침으로 대체하여, 원자현미경 사용방법과 동일하게 생체물질을 패터닝하고자 하는 기판의 표면에 접근시키고(접촉 모드 및 태핑 모드 양자 모두 사용가능), 접근이 이루어진 후에는 원하는 위치에 팁을 옮겨가며 생체물질을 패터닝하는 등의 방법이 가능하다.
이 경우, 상술한 바와 같이, 종래의 DPN 방식과는 상이하게, 생체물질의 전사는 전사용 팁과 전사 대상이 되는 기판 표면과의 접촉 및 팁의 크기에만 전적으로 의존하므로 (DPN 방식에서, 패터닝되는 물질의 크기는 팁의 고체 기판 표면에 대한 접촉 시간 및 물 메니스커스의 크기에 영향을 주는 상대습도 등에 의존), 그 조절에 의해서 전사되는 생체물질의 크기 및 속도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
< 실시예 >
실시예 1 - 균일한 나노기공성 고분자 팁의 제조
박테리아 패턴을 얻기 위해서는 균일한 나노기공성 고분자 팁을 얻는 것이 필수적이므로, 이를 위하여 실리콘 팁의 표면을 아르곤 기류하에서 상압 산소플라즈마 방법으로 30초-60초 동안 처리하여 -OH기를 부착하였다(RF power: 100W, Ar flow: 5cm3/min, oxygen flow: 0.01cm3/min). 이후 실리콘 팁에 부착된 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하기 위해서 톨루엔 10 ml에 브로모프로필트리클로로실란(Bromopropyltrichlorosilan; SiCl3(CH2)3Br)을 1 mM 농도로 제조한 다음, 표면에 -OH기 처리된 실리콘 팁을 상기 용액에 침지시켜 10분간 상온에서 방치하였다. 10분 경과 후, 무수 톨루엔으로 수차례 세척하고, 질소를 불어 톨루엔을 제거하였다. 이러한 실란화 반응을 통하여 표면에 중합 반응 개시기인 -Br이 부착된 소수성 실리콘 팁을 제조하였다.
이후, 2-메틸-2-옥사졸린을 반응시켜 상기 실리콘 팁 표면에 고분자층을 형성시켜주기 위해 종래의 기상중합이 아닌 용액중합으로 개환중합을 하였으며, 이때 의 조건은 용매인 아세토니트릴 5ml에 약 100 nM의 2-메틸-2-옥사졸린 단량체를 첨가한 용액에, 상기의 개시제가 부착된 팁을 담그고, 80~90℃로 가온한 후, 1시간~1시간 30분 동안 중합시킨 후, 아세토니트릴로 3회 세척하고, 질소가스로 20초 동안 서서히 건조하였다. 상기 과정을 통해 얻어진 최종 고분자 팁의 전자현미경 이미지를 도 3에 나타내었다.
실시예 2 - 다양한 크기의 나노기공성 고분자 팁의 제조
다른 크기의 고분자 팁을 제조하기 위해 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실험을 진행하였고, 그 과정에서 2-메틸-2-옥사졸린 단량체를 첨가한 용액에, 개시제가 부착된 팁을 담그고, 80~90℃로 가온한 후, 용액 개환 중합반응시 중합반응 시간을 각각 30분, 2시간, 4시간으로 조절하였다. 얻어진 각각의 팁에 대한 전자현미경 이미지를 도 4에 나타내었다(각각 도 4의 (a), (b) 및 (c)). 그 결과 나노기공성 고분자 팁의 말단의 반경이 각각 100 nm, 300 nm, 500 nm인 다른 크기의 나노기공성 고분자 팁들을 제조하였으며, 이러한 각각의 나노기공성 고분자 팁을 이용하여 패터닝된 AAV(Adeno Associated Virus) 바이러스의 패턴 크기도 직경이 각각 80 nm, 200 nm, 400 nm인 것으로 측정되었다(도 4 참조).
실시예 3 - 박테리아의 직접패터닝
PBS(Phosphate Buffer Saline, pH 7-8) 완충염 용액에 1-2 x 107 Cells/ml 농도로 대장균 박테리아(E coli Bacteria)를 녹여 준비하였다. 박테리아의 표면전사를 용이하게 하기 위하여 점성이 있는 글리세롤을 약 5%(wt/wt)로 첨가하였다. 이 용액에 나노기공성 탐침을 담그고, 3-5분간 박테리아가 흡수 및 흡착이 잘 되도록 한 후, 다시 팁을 빼서 5분간 방치하여 사용하였다. 박테리아가 흡수된 팁을 원자현미경의 팀침으로 대체하여, 원자현미경 사용방법과 동일하게 아민으로 코팅된 기판에 접촉시키고 3-5초 동안, 팁과 기판사이의 접촉 힘을 1200nN(나노뉴턴)으로 유지하였다. 이와 같은 방법으로 원하는 위치에 팁을 옮겨가며 박테리아를 패터닝하였다. 도 1에는 상기의 과정에 대한 모식도를 도시하였다.
상기의 아민으로 코팅된 기판은 1-10 mM 농도의 N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실 트리메톡시 실란을 톨루엔을 용매로 한 5 ml 용액에, Piranha 처리된 실리콘 웨이퍼 기판을 담지시켜 약 20~30분 방치시킨 후, 용액으로부터 분리하여 톨루엔으로 3회 세척하고, 질소 가스로 10초간 서서히 건조시켰다.
패터닝된 박테리아를 확인하기 위하여 원자현미경의 팁을 측정용 실리콘 탐침으로 바꾼 후, 기존 측정방식에 의하여 측정하여 얻어진 박테리아의 이미지를 도 5에 나타내었다. 약 300x800 nm 크기를 갖는 박테리아가 패터닝된 모습을 확인하였으며, 참고적으로 대장균 박테리아 용액을 실리콘 표면에 도포하여 건조시킨 후 같은 방법으로 제조한 패턴의 원자현미경 이미지(도 6)와 비교한 결과 실제 박테리아가 패터닝된 모습과 같음을 확인하였다.
도 1은 종래의 딥-펜 나노리소그패피 방식과 달리 AFM 팁을 본 발명의 나노기공성 고분자 팁으로 제조하여 박테리아 용액에 침지하여 코팅한 후, 이를 고체 기판에 접촉하여 박테리아 분자를 직접패터닝하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 있어서, 실리콘 팁의 표면에 용액 개환 중합반응을 통하여 폴리옥사졸린 고분자층를 형성하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 나노기공성 고분자 팁의 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 용액중합 반응 시간을 달리하여 다른 크기로 제조된 나노기공성 고분자 팁의 주사전자현미경 이미지와 상기 각기 다른 크기의 나노기공성 고분자 팁들을 이용하여 AAV(Adeno Associated Virus) 바이러스 용액에 침지하여 코팅한 후, 이를 고체 기판에 접촉하여 박테리아 분자를 직접패터닝하여 형성된 박테리아 패턴의 원자현미경 이미지이다(각각 도 4의 (a), (b) 및 (c)).
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 대장균 박테리아 용액에 침지하여 코팅한 후, 이를 고체 기판에 접촉하여 박테리아 분자를 직접패터닝하여 형성된 박테리아 패턴의 원자현미경 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 대장균 박테리아 패턴과 비교하기 위해 대장균 박테리아 용액을 실리콘 표면에 도포하여 건조시킨 후 제조한 패턴의 원자현미경 이미지이다.

Claims (21)

  1. 소수성 팁 및 상기 소수성 팁의 표면에 중합된 나노기공성 고분자층을 포함하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 팁의 재질은 이산화규소 또는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자층은 폴리옥사졸린으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노기공성 고분자층에서의 나노기공의 평균 직경은 30 내지 2000 nm인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노기공성 고분자층의 두께는 50 nm 내지 5,000 nm인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁.
  6. 소수성 팁 표면에 -OH기를 부착시키는 단계;
    상기 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환하는 단계;
    상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 용액 개환 중합반응을 수행함으로써 상기 소수성 팁의 표면에 나노기공성 고분자층을 형성하는 단계; 및
    상기 소수성 팁을 세척하고 건조하는 단계
    를 포함하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소수성 팁의 재질은 이산화규소 또는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 중합 반응 개시기는 자기 조립 방식에 의해서 소수성 팁의 표면에 고정이 가능한 물질인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 중합 반응 개시기는 -Br기, -I기 또는 -Cl기인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 -OH기의 중합 반응 개시기로의 치환과정은 상기 중합 반응 개시기를 포함하는 물질의 용액 중에 상기 -OH기가 부착된 소수성 팁을 10~50 ℃ 온도에서 5 내지 30분 동안 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 소수성 팁 표면에 -OH기를 부착시키는 단계는 플라즈마 처리에 의해 수 행되는 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소수성 팁 표면에 플라즈마 처리에 의해 -OH기를 부착시키는 단계는 소수성 팁 표면을 아르곤 기류하에서 30 내지 60초 동안 상압 산소플라즈마 처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 단량체는 2-메틸-2-옥사졸린, 글리시딜 메타아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타아크릴레이트 또는 그 공중합체 및 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 중합 반응 개시기의 말단에서 단량체의 용액 개환 중합반응은 유기용매에 상기 단량체를 첨가한 용액에 -OH기를 중합 반응 개시기로 치환시킨 소수성 팁 을 담근 후 80~90 ℃의 온도로 가온하여 중합시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 용액 개환 중합반응시 중합반응 시간을 30분 내지 4시간 범위에서 조절하여 고분자 팁 말단의 반경을 50 내지 5000 nm 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 박테리아를 직접패터닝 할 수 있는 나노기공성 고분자 팁의 제조방법.
  16. 박테리아가 패터닝될 기판의 표면에 상기 박테리아와 특이적 반응을 수행하는 반응기를 부착하는 단계;
    제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 따른 나노기공성 고분자 팁을 상기 박테리아를 함유하는 용액 중에 침지시키는 단계; 및
    상기 나노기공성 고분자 팁을 상기 기판 상에서 이동시키며 상기 박테리아를 전사하는 단계
    를 포함하는 박테리아의 직접패터닝 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 반응기는 카르복실기, 아민기 또는 알데히드기인 것을 특징으로 하는 박테리아의 직접패터닝 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 패터닝될 기판 표면의 재질은, 금, 백금, 실리콘 또는 유리인 것을 특징으로 하는 박테리아의 직접패터닝 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 박테리아는 300 내지 1500 nm 크기의 생체물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 박테리아의 직접패터닝 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 나노기공성 고분자 팁의 생체물질 함유 용액 중에의 침지 시간은 3~5분인 것을 특징으로 하는 박테리아의 직접패터닝 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 나노기공성 고분자 팁의 상기 기판 상에서의 이동은, 상기 나노기공성 고분자 팁을 원자현미경의 탐침으로 사용하여 상기 기판의 표면에 접근시키고, 이를 이동시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 박테리아의 직접패터닝 방법.
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