KR20130126332A

KR20130126332A - 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법 및 이를 이용한 생체 분자 나노패터닝 방법

Info

Publication number: KR20130126332A
Application number: KR1020120050376A
Authority: KR
Inventors: 이해원; 윤성훈
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-20
Also published as: KR101596991B1

Abstract

본 발명은 a) 다중 미세 탐침 구조를 갖는 실리콘 또는 고분자 주형을 형성하는 단계; b) 상기 실리콘 또는 고분자 주형을 UV/O₃ 또는 피라냐 용액으로 처리하여 표면을 친수화하는 단계 및 c) 상기 표면 처리된 실리콘 또는 고분자 주형에 용융된 수화젤을 부어 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 형성하는 단계를 포함하는 나노 크기의 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법 및 이를 이용한 생체 분자 나노패터닝 방법에 관한 것이다.

Description

다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법 및 이를 이용한 생체 분자 나노패터닝 방법 {Fabrication method of hydrogel having multi probe submicrostructures and biomolecular nano-patterning method using hydrogel multi probes}

본 발명은 미세하고 균일한 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 제조하는 방법 및 이를 이용하여 고체 기질에 대면적으로 생체 분자를 나노패터닝하는 방법에 관한 것이다.

나노바이오센서는 기존의 바이오센서가 갖는 극미량 검출의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 기대되고 있으며, 최근 다양한 나노 기술을 응용한 나노바이오센서가 개발되고 있다. 생체분자간의 반응을 분자 수준에서 검출할 수 있는 고감도 나노바이오센서 개발을 위해서는 효과적인 생체분자 나노패터닝 기술이 요구된다.

나노바이오센서에 응용되는 생체분자 패터닝이란 고체표면의 특정영역에 나노 크기로 생체분자를 고정화시키는 것을 말한다. 생체분자 패터닝을 하기 위해서는 먼저 생체분자가 선택적으로 고정화될 수 있는 특정 영역을 만들어야 하며, 생체분자는 직접 특정 영역의 고체표면과 상호작용에 의해 물리적으로 흡착되거나 고체표면의 작용기와 생체 분자 사이의 공유결합을 이용하여 보다 안정되게 고정화시킬 수도 있다.

결국 생체분자는 선택적으로 특정영역에 결합하므로, 생체분자 나노패터닝에서 고정화되는 생체분자의 패턴 크기는 생체분자가 결합할 수 있는 특정 영역의 크기에 따라 결정된다고 할 수 있다.

나노크기의 패턴을 만들기 위해, 극자외선 리소그래피나 전자빔 리소그래피를 패터닝에 이용하려는 시도가 있었으며, SPL(Scanning Probe Lithography)를 이용하여 직접 고체 표면 위에 원하는 작용기를 갖는 분자로 나노패터닝을 만들 수도 있다. 이 방법은 고체표면 위에 고정화시키기고자 하는 분자를 잉크처럼 사용하여 직접 패턴을 만드는 방식으로 딥펜(dip-pen) 나노리소그래피(DPN)를 포함한다. (Prospective of Industrial Chemistry, Vol. 9, No.2, 2006)

질병의 예측과 진단, 신약 개발, 뇌 연구 및 게놈연구 분야와 바이오 컴퓨터와 같은 차세대 전자소자 개발 등을 목적으로 하는 생체분자 칩의 처리될 수 있는 정보량은 고체 기질에 고정화되는 생체분자의 집접도에 비례하기 때문에 고분해능의 나노 구조를 형성하는 생체 분자 나노패터닝은 매우 중요하다.

한편 수화젤의 한 종류인 아가로즈젤은 원재료로부터 용융과 냉각을 통해 다공성 3차원 그물망 분자 구조를 형성하기가 매우 쉽고, 친수성 물질로서 생체분자와의 친화력이 높다. 이러한 특성으로 인하여 생체분자의 전기영동을 통한 분리 및 세포배양을 위한 기질로서 널리 쓰이고 있다.

한국특허공개 10-2010-0137739 미국특허 7,446,324

Prospective of Industrial Chemistry, Vol. 9, No.2, 2006

본 발명의 목적은 나노 크기의 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 이용하여 생체 분자 패턴을 균일하게 대면적으로 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 a) 다중 미세 탐침 구조를 갖는 실리콘 또는 고분자 주형을 형성하는 단계; b) 상기 실리콘 또는 고분자 주형을 UV/O₃ 또는 피라냐 용액으로 처리하여 표면을 친수화하는 단계 및 c) 상기 표면 처리된 실리콘 또는 고분자 주형에 용융된 수화젤을 부어 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 형성하는 단계를 포함하는 나노 크기의 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면 미세 탐침 구조의 크기는 300 nm ~ 1 ㎛ 범위로서, 종래 패터닝 기술에 비해 더욱 미세하고 정교한 패턴을 형성할 수 있다는 것이 특징이다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 중간 몰드로 사용 가능한 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 예로 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 사용가능한 수화젤은 아가로즈젤, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌옥사이드. 폴리아이소프로필아크릴아마이드, 폴리하이드록시에틸메타크 릴레이트 등을 들 수 있으며, 이 중에서 아가로즈젤을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 상기 미세 탐침의 형태는 필라(pillar) 형태 또는 피라미드(pyramid) 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 상기 용융 온도는 65 ~ 100 ℃ 범위가 적합하지만, 용융이 가능한 온도이면 이에 제한되지 않는다.

또한 본 발명은 a) 나노 크기의 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 생체 분자 수용액에 담지하여 수화젤에 생체 분자를 흡수시키는 단계; 및 b) 상기 생체 분자가 흡수된 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 이용하여 기판에 생체 분자를 찍는 단계;를 포함하는 생체 분자 나노패터닝 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 기판은 금속, 금속산화물, 고분자 또는 그래핀이나 그래핀옥사이드 같은 탄소 물질 표면 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 사용가능한 생체 분자는 예를 들어, 스트랩타아비딘, 이뮤노글로불린G, 포스포리피드, 디옥시리보헥산 등을 들 수 있다.

본 발명에 따른 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤과 이를 이용한 생체 분자 나노패터닝 방법은 수분 친화력이 있는 수화젤을 이용하여 생체분자의 활성을 장시간 유지 시켜 작업량을 향상시킬 수 있으며, 다중 미세 탐침 구조를 이용하여 미세 크기 점 배열 구조의 대면적 패터닝을 가능하게 한다. 또한 아가로즈 수화젤이 내부에 생체분자를 포함한 수용액을 흡수하고 있기 때문에 한번 흡수 과정 후 작업할 수 있는 횟수가 비약적으로 증가하여 패터닝 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 제조하고, 생체 분자 패턴을 제작하는 과정을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 다중 필라 구조를 갖는 아가로즈 수화젤 제작 단계와 아가로즈젤의 광학적 이미지이다.
도 3는 폴리다이메틸실록산 주형을 이용하여 다중 필라 구조 아가로즈젤을 형성할 때 폴리다이메틸실록산의 표면을 아무 처리하지 않은 경우(A)와 본 실시에서와 같이 UV/O₃ 건식 처리하여 친수화한 경우(B)의 비교 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 다중 피라미드 구조를 갖는 실리콘 주형으로부터 아가로즈젤을 제작하는 과정을 보여주는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 다중 미세 필러 구조를 갖는 아가로즈젤을 이용한 스트랩타아비딘의 패턴 제작 과정을 보여주는 모식도와 이 방법으로 형성된 패턴의 같은 지역에 대한 광학이미지(A) 및 형광이미지(C)를 보여준다.
도 6는 본 발명의 실시예 2에 따른 다중 피라미드 구조를 갖는 아가로즈젤을 이용한 스트랩타아비딘의 패턴 제작 과정을 보여주는 모식도와 이 방법으로 형성된 패턴의 형광 현미경 이미지를 보여준다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 나노 크기의 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법은 a) 다중 미세 탐침 구조를 갖는 실리콘 또는 고분자 주형을 형성하는 단계; b) 상기 실리콘 또는 고분자 주형을 UV/O₃ 또는 피라냐 용액으로 처리하여 표면을 친수화하는 단계 및 c) 상기 표면 처리된 실리콘 또는 고분자 주형에 용융된 수화젤을 부어 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 형성하는 단계를 포함하는 것이 특징이다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 미세 탐침의 형태는 필라(pillar) 형태 또는 피라미드(pyramid) 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 의하면 미세 탐침 구조의 크기는 300 nm ~ 1 ㎛ 범위로서, 종래 기술에 비해 더욱 미세한 패턴을 형성할 수 있다는 것이 특징이다. 또한 미세 탐침 구조를 피라미드형으로 제작할 경우, 1 ㎛ 보다 작은 패턴도 가능하다.

종래에도 수화젤을 이용하여 패턴을 형성하려는 시도가 있었으나, 이는 최소 수십 마이크론 이상의 패턴으로서, 그 이하의 크기로 미세 패턴을 형성할 경우 패턴이 선명하게 형성되지 않는 한계가 있었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 고분자 또는 실리콘 주형과 수화젤의 표면에너지를 조절함으로써 다수의 극미세 패턴을 균일하고 선명하게 형성할 수 있었다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 중간 몰드로써 사용가능한 고분자는 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. PDMS를 주로 사용하는 이유는 강도가 높고 많은 종류의 잉크와 화학적으로 반응하지 않으며 접착력이 크지 않다. 또한 유기물임에도 UV/O₃ 처리나 플라즈마 처리를 통해 표면을 개질할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 사용가능한 수화젤은 아가로즈젤, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌옥사이드. 폴리아이소프로필아크릴아마이드, 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 이 중에서 아가로즈젤을 사용하는 것이 바람직하다. 가교점이 화학 결합으로 되어 있는 화학적 하이드로젤 등은 겔화(gelation) 후 다시 모양을 형성시킬 수 없고, 물성(강도), 기공 크기 등의 성질을 조절하기 어려운 반면, 아가로즈젤은 100 ℃로 가열하면 용융되어 원하는 구조로 다시 형성시킬 수 있고, 성질을 조절하기 위해서 물과 아가로즈 원재료의 비율 조절하면 되므로 가공이 용이하다는 장점이 있다.

또한 상기 용융 온도는 사용된 수화젤의 종류에 따라 달라지며, 통상 65 ~ 100 ℃ 범위이지만, 아가로즈젤을 사용할 경우에는 85 ~ 100 ℃ 정도이다.

또한 본 발명에 따른 생체 분자 나노패터닝 방법은 a) 나노 크기의 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 생체 분자 수용액에 담지하여 수화젤에 생체 분자를 흡수시키는 단계; b) 상기 생체 분자가 흡수된 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 이용하여 기판에 생체 분자를 찍는 단계를 포함한다.

본 발명이 일실시예 의하면, 사용가능한 기판은 금속, 금속산화물, 고분자 또는 그래핀이나 그래핀옥사이드 같은 탄소 물질 표면 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 사용가능한 생체 분자는 예를 들어, 스트랩타아비딘과 같은 대부분의 단백질, 항원-항체(이뮤노글로불린G), 포스포리피드, DNA (헥산) 등을 들 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 다중 미세 필라 구조를 갖는 수화젤을 제조하고, 생체 분자 패턴을 제작하는 과정을 보여주는 모식도이다. a) 단계에서 실리콘 주형(10)을 마스터 탬플릿으로 사용하고, 이에 중간 중합체 탬플릿으로서 폴리다이메틸실록산(20)을 실리콘 주형(10)에 부은 후, 경화시켜 미세 필라 홀 구조가 형성된 고분자 주형(20)을 제조한다.

다음으로 (b) 단계에서 필라 구조를 갖는 고분자 주형(20)을 UV/O₃로 처리하여 표면을 친수화한 후, 용융된 수화젤(30)을 미세 필라 홀 구조를 갖는 고분자 주형(20)에 채운다. 그 후 냉각하여 분리하면 다중 미세 필라 구조를 갖는 수화젤(30)이 완성된다.

그 다음 다중 미세 필라 구조를 갖는 수화젤(30)을 생체분자(40) 수용액에 담지하여 생체분자 잉크를 수화젤(30)에 흡수시킨 후 이를 기판(100)에 찍으면 패턴된 생체 분자(40)를 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 폴리다이메틸실록산(20) 주형과 아가로즈젤을 이용하여 다중 미세 필라 구조를 갖는 수화젤(30)을 제조하는 과정을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이, 다중 필라 구조를 갖는 폴리다이메틸실록산 주형에 용융된 아가로즈젤을 부은 후 냉각하여 분리하면 다중 필라 구조를 갖는 아가로즈 수화젤이 형성되며, 우측에는 그 광학현미경 이미지가 선명하게 나타나있다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 다중 미세 필라 구조를 갖는 아가로즈젤의 제조

먼저 실리콘 구조물을 주형으로 하여 다중 미세 필라 홀 구조를 갖는 폴리다이메틸실록산 본뜬 구조체를 제작하였다. 상기 제작된 폴리다이메틸실록산 구조체를 다중 미세 필라 구조를 갖는 아가로즈젤을 제작하기 위한 주형으로 사용하여 용융된 아가로즈젤을 붓고 냉각을 통해 굳힌 후 주형으로부터 물리적으로 분리하여 다중 미세 필라 구조를 갖는 아가로즈젤을 제작하였다.

도 2에는 본 실시예에 따라 다중 미세 필라 구조를 갖는 아가로즈 수화젤을 제작 하는 과정과 아가로즈젤의 광학적 이미지가 나타나있다. 다중 미세 필라 구조를 갖는 폴리다이메틸실록산(20) 주형에 용융된 아가로즈젤(30)을 부어 냉각시켜 분리하여 다중 미세 필라 구조를 갖는 아가로즈젤(30)을 형성했으며, 도 2의 우측에 그 광학적 이미지가 선명하게 나타나있다.

소수성 표면을 갖는 폴리다이메틸실록산은 친수성의 아가로즈젤과의 젖음성이 매우 낮으며 이로 인해 용융된 아가로즈젤이 미세구조로 침투하는 것을 방해하여 불균일한 다중 미세 필라 구조를 갖게 하기 때문에 폴리다이메틸실록산 본뜬 구조의 표면을 UV/O₃ 건식 처리하여 친수화하였다.

도 3에는 폴리다이메틸실록산 본뜬 구조를 이용하여 필라 배열 구조 아가로즈젤을 본뜰 때 폴리다이메틸실록산의 표면을 아무 처리하지 않은 경우(A)와 본 실시에서와 같이 UV/O₃ 처리하여 친수화한 경우(B)의 비교 사진이 나타나있다. 이를 통해 본 실시예에 따라 UV/O₃ 처리한 경우 균일하고 선명하게 미세 패턴이 형성되었음을 확인할 수 있다.

실시예 2: 다중 피라미드형 탐침 구조를 갖는 아가로즈젤의 제조

다중 피라미드형 탐침을 갖는 실리콘 주형을 피라냐 처리하여 친수성화한 후, 아가로즈젤을 부어 다중 피라미드형 탐침 구조를 갖는 아가로즈젤을 제작했다. 본 실시예에 따른 다중 피라미드형 탐침 구조를 갖는 수화젤을 형성하는 과정 및 이에 따라 얻어진 아가로즈젤의 탐침 구조를 보여주는 광학 현미경 이미지와 전자현미경 이미지는 도 3과 도 4에 나타나있다.

실시예 3: 생체 분자 패턴의 형성

본 실시예에서는 다중 미세 탐침 구조 아가로즈젤을 이용한 형광물질이 부착된 스트랩타아비딘의 패턴 형성하였다.

도 5과 6을 참조하면, 생체 분자인 스트랩타아비딘(40) 수용액에 실시예 1 또는 실시예 2에서 제조된 다중 필라형 또는 다중 피라미드형 미세 탐침 구조를 갖는 아가로즈젤(30)을 담지하여 생체 분자를 아가로즈젤에 흡수시키고, 이를 기판(100)에 찍는 방식으로 패터닝을 했다. 패터닝 상태를 확인하기 위해, 스트랩타 아비딘에 형광 물질을 부착하여 패터닝하였으며 이를 광학 이미지와 형광 이미지로 확인하였다. 도 6에는 실시예 1의 필라 구조를 갖는 아가로즈젤을 이용하여 형성된 패턴의 같은 지역에 대한 광학이미지(A)와 형광이미지(C)를 보여준다. 도 6은 실시예 2의 피라미드형 탐침 구조를 갖는 아가로즈젤을 이용하여 형성된 패턴의 형광이미지가 나타나있다.

Claims

a) 다중 미세 탐침 구조를 갖는 실리콘 또는 고분자 주형을 형성하는 단계;
b) 상기 실리콘 또는 고분자 주형을 UV/O₃ 또는 피라냐 용액으로 처리하여 표면을 친수화하는 단계 및
c) 상기 표면 처리된 실리콘 또는 고분자 주형에 용융된 수화젤을 부어 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 형성하는 단계를 포함하는 나노 크기의 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)인 것을 특징으로 하는 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 수화젤은 아가로즈젤, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌옥사이드. 폴리아이소프로필아크릴아마이드, 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 미세 탐침의 형태는 필라(pillar) 형태 또는 피라미드(pyramid) 형태인 것을 특징으로 하는 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 미세 탐침 구조의 크기는 300 nm ~ 1 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 용융 온도는 65 ~ 100 ℃ 인 것을 특징으로 하는 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
a) 나노 크기의 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 생체 분자 수용액에 담지하여 수화젤에 생체 분자를 흡수시키는 단계; 및
b) 상기 생체 분자가 흡수된 다중 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤을 이용하여 기판에 생체 분자를 찍는 단계;를 포함하는 생체 분자 나노패터닝 방법.
제7항에 있어서,
상기 수화젤은 아가로즈젤, 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌옥사이드. 폴리아이소프로필아크릴아마이드, 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 생체 분자 나노패터닝 방법.
제7항에 있어서,
상기 미세 탐침의 형태는 필라(pillar) 형태 또는 피라미드(pyramid) 형태인 것을 특징으로 하는 미세 탐침 구조를 갖는 수화젤의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 기판은 금속, 금속산화물, 고분자, 그래핀, 그래핀옥사이드 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 생체 분자 나노패터닝 방법.
제7항에 있어서,
상기 생체 분자는 스트랩타아비딘, 이뮤노글로불린G, 포스포리피드, 디옥시리보헥산 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 생체 분자 나노패터닝 방법.