KR20170100314A - Apparatus for 3-dimension patterning of particles in a hydrogel and method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a device for aligning and separating particles, designed to align particles after separating at least two types of particles mixed in a fluid. To this end, the device comprises: a fluid accommodation channel for accommodating the fluid containing the two types of particles; a first stationary wave application unit applying a first stationary wave to the fluid accommodation channel; and a second stationary wave application unit applying a second stationary wave to the fluid accommodation channel. The second stationary wave has frequency which is multiple of the first stationary wave. Further, the device can additionally include a unit for altering a phase of the first stationary wave.

Description

하이드로젤 내의 입자를 3차원 패터닝하는 장치 및 방법{APPARATUS FOR 3-DIMENSION PATTERNING OF PARTICLES IN A HYDROGEL AND METHOD THEREOF} [0001] APPARATUS FOR 3-DIMENSION PATTERNING PARTICLES IN A HYDROGEL AND METHOD THEREOF [0002]

본 발명은 하이드로젤 내에 입자를 패터닝하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하이드로젤이 젤화되기 전 유동성이 있는 상태에서 하이드로젤 내에 섞여 있는 세포 등의 미세한 입자를 3차원적으로 원하는 간격으로 정렬할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and a method for patterning particles in a hydrogel, and more particularly, to a method and apparatus for patterning fine particles such as cells mixed in a hydrogel in a state of fluidity before gelation of the hydrogel is three- The present invention relates to an apparatus and a method for aligning an object.

하이드로젤은 수용성 고분자 재료로 이루어진 다공성 물질(porous material)을 일컫는다. 다공성 물질은 내부에 기공 구조를 가지는 물질로서, 기공 비율(porosity), 기공 크기, 분포, 형상 등의 요인에 따라 기계적 강도(mechanical strength), 물질 전달성(permeability), 전기 전도성(electroconductivity) 등의 성질들이 변화하는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 필터, 전극, 기체 센서, 기체 분리(gas seperator), 생체조직을 이식하는 경우의 스캐폴드(scaffolds), 습윤 드레싱(wet dressing), 그리고 마스크팩의 재료 등으로 다양하게 응용되고 있다. A hydrogel refers to a porous material made of a water-soluble polymer material. The porous material is a material having a pore structure therein. The porous material may have mechanical strength, permeability, electroconductivity, and the like depending on factors such as porosity, pore size, distribution, Properties have characteristics that change. These characteristics are applied to various applications such as filters, electrodes, gas sensors, gas seperators, scaffolds for wet tissue implantation, wet dressings, and mask pack materials have.

하이드로젤은 젤화되기 전에는 유동성을 가지게 되는데, 응용적 관점에서 하이드로젤 내에 섞여 있는 미세 입자들을 3차원적으로 정렬시킬 필요가 있다. 예를 들어 세포의 경우, 실제 세포 외 조직(Extracelluar Matrix; ECM) 내에서 3차원적인 접합(Adherence)을 하게 되는데, 조직 내의 세포의 배치 상태가 기능에 큰 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 이와 같은 이유로 세포가 정렬된 상태에서 보여주는 다양한 현상들을 확인하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 세포 배양에 가장 적합한 것으로 알려진 하이드로젤 내에서 3차원적인 세포결합이라는 환경을 모사하는데 있어, 한계가 있었다. Hydrogels have fluidity before they are gelated. From an application point of view, it is necessary to align the fine particles mixed in the hydrogel three-dimensionally. For example, in the case of cells, they are subjected to three-dimensional adherence in the extracellular matrix (ECM), and the arrangement of cells in the tissue is known to have a great influence on the function. For this reason, studies are underway to identify various phenomena that cells show in an aligned state. However, there are limitations in simulating the environment of three-dimensional cell binding in a hydrogel, which is best known for cell culture.

근래들어 3차원적인 환경에서의 세포 정렬에 대한 연구가 진행되어 오고 있는데, 3차원적인 세포 정렬 방식으로는 유전전기영동(Dielectric Phoresis, DEP) 과 리쏘그래피(Lithography)를 이용한 방식, 그리고 자기력을 이용한 방식들이 연구되어오고 있다. 우선 유전전기영동(DEP)와 리쏘그래피를 이용한 방식은 유전전기영동으로 하이드로젤 내부에서 세포를 정렬한 다음 리쏘그래피 방식을 이용하여 하이드로젤을 경화시켜 세포의 위치를 고정하는 방식이다. 그렇지만, 위 방식은 세포의 생존률(cell viability)이 5% 정도 감소하는 문제를 가지고 있다. 또한 리쏘그래피 방식을 사용하기 때문에, 빛에 의하여 고분자합성이 되는 하이드로젤에서만 사용할 수 있는 제약이 따른다. Recently, cell sorting in a three-dimensional environment has been studied. Three-dimensional cell sorting methods include dielectric electrophoresis (DEP) and lithography, Methods have been studied. First, the method using dielectrophoresis (DEP) and lithography is a method of aligning the cells inside the hydrogel by dielectrophoresis and then fixing the position of the cells by curing the hydrogel using the lithography method. However, this approach has the problem of reducing cell viability by 5%. In addition, since the lithography method is used, there is a restriction that can be used only in hydrogels which are synthesized by light.

유체 내의 입자를 정렬하기 위한 가장 강력한 방법들 중의 하나로 정상표면탄성파(Stainding Surface Acoustic Wave;SSAW)를 이용하는 방식이 알려져 있다. As one of the most powerful methods for aligning particles in a fluid, a method using a surface acoustic wave (SSAW) is known.

정상 상태의 표면탄성파를 이용할 경우 미소 입자나 세포를 유체 내의 원하는 위치에 고정시킬 수 있고, 표면탄성파의 위상 변위를 통하여 원하는 위치로 입자를 이동시킬 수도 있다. 이러한 장치를 통하여 서로 다른 입자나 세포를 3차원적인 구조로 정렬하거나 층구조로 쌓아 생체 조직을 모사할 수 있으며, 세포 정렬에 따른 성장 및 분화 촉진도 가능하다. When a surface acoustic wave in a steady state is used, fine particles or cells can be fixed at desired positions in a fluid, and particles can be moved to desired positions through phase displacement of a surface acoustic wave. Through these devices, different particles or cells can be arranged in a three-dimensional structure or stacked in a layer structure to simulate living tissue, and promotion of growth and differentiation by cell sorting is possible.

도 1은 종래 기술에 따른 표면탄성파를 이용한 입자 정렬 장치를 도시하고 있다. 기판(1) 상의 두 지점에는 표면탄성파를 방생시키는 IDT(Interdigital Transducer) 전극(3)이 부착되고, 두 개의 IDT 전극(3)의 사이에는 미세 입자가 섞여 있는 액적(9)이 놓여진다. 두 개의 IDT 전극(3)에서는 동일한 주파수의 표면탄성파가 발생하고, 위 동일 주파수의 표면탄성파가 중첩되어 정상파(Stainding Wave)가 발생하게 된다. 그리고 정상파는 유체 내부로 에너지로 전달하게 되고, 액적(9) 내의 미세 입자(302)는 도 2에 도시된 것과 같이 정상파의 마디에 해당하는 위치로 정렬되게 된다. 이러한 구성에서 표면탄성파의 위상을 변화시키거나, 주파수를 변화시킴으로써 마이크로 입자가 정렬되는 위치를 조절할 수 있게된다. FIG. 1 shows a conventional particle aligning apparatus using a surface acoustic wave. An IDT (Interdigital Transducer) electrode 3 for attaching a surface acoustic wave is attached to two points on the substrate 1, and a droplet 9 in which fine particles are mixed is placed between the two IDT electrodes 3. Surface acoustic waves of the same frequency are generated in the two IDT electrodes 3 and surface acoustic waves of the same frequency are superimposed to generate a standing wave. Then, the standing wave is transmitted as energy to the inside of the fluid, and the fine particles 302 in the droplet 9 are aligned to positions corresponding to the nodes of the standing waves as shown in FIG. In such a configuration, it is possible to adjust the position where the microparticles are aligned by changing the phase of the surface acoustic wave or changing the frequency.

그렇지만 위 종래기술은 물과 같은 액체 내에서만 구현되고 있을 뿐, 하이드로젤 내부에서 세포와 같은 미세 입자 정렬에 이용된 바 없으며, 정상파에 의하여 2차원적인 평면 내에서의 정렬만 고려되고 있을 뿐, 3차원적 정렬(평면 방향으로의 정렬과 더불어 높이 방향으로도 일정 간격으로 정렬)에 이용하는 것과 관련한 기술적 인식은 전혀 보여주지 못하고 있다. However, the above-mentioned prior art is implemented only in a liquid such as water, and is not used for fine particle sorting such as a cell in a hydrogel. Only alignment in a two-dimensional plane is considered by standing wave, There is no technical perception of the use of dimensional alignment (alignment in the plane direction as well as height in the height direction).

미국 등록특허 공보 제8,998,483호(2015.04.07.)U.S. Patent Publication No. 8,998,483 (Apr. 미국 등록특허 공보 제7,601,267호(2009.10.13.)U.S. Patent Publication No. 7,601,267 (Oct. 13, 2009)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하이드로젤 내부에서 단백질 또는 세포 등과 같은 미세 입자를 3차원적으로 정렬하면서도 종래의 기술에 비하여 세포의 생존 확률을 획기적으로 높일 수 있는 하이드로젤 패터닝 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a hydrogel capable of remarkably increasing cell survival probability And to provide a patterning apparatus and method.

본 발명은 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치로서, 입자가 포함된 하이드로젤을 수용하기 위한 하이드로젤 수용 수단; 및 상기 하이드로젤 수용 수단에 수용된 하이드로젤에 수평 방향 정상파를 부가하기 위한 정상파 부가 수단을 포함하되, 상기 하이드로젤 내부에서 입자는 수평 방향 정상파의 마디에 해당하는 위치에 정렬됨과 동시에, 상기 수평 방향 정상파에 의하여 상기 하이드로젤 내에 생성되는 수직 방향 정상파의 마디에 해당하는 위치에 정렬되는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 입자는 세포나 단백질일 수 있으며, 입자의 형상은 특별히 한정되지 아니하고, 어떠한 형태의 입자에라도 본 발명은 적용될 수 있다. An apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel, comprising: a hydrogel receiving means for receiving a hydrogel containing particles; And a standing wave adding means for adding a horizontal standing wave to the hydrogel accommodated in the hydrogel receiving means, wherein particles in the hydrogel are arranged at positions corresponding to the nodes of the standing wave in the horizontal direction, And is aligned at a position corresponding to a node of a vertical standing wave generated in the hydrogel. Here, the particles may be cells or proteins, and the shape of the particles is not particularly limited, and the present invention can be applied to any type of particles.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 정상파 부가 수단은 표면탄성파 발생 수단 또는 초음파 변환기(Ultrasound Transducer)일 수 있는데, 바람직하게는 상기 정상파 부가 수단은 기판 및 상기 기판에 형성된 한 쌍의 IDT 전극을 포함하는 표면탄성파 발생수단인 것을 특징으로 한다. In one embodiment of the present invention, the standing wave adding means may be a surface acoustic wave generating means or an ultrasonic transducer. Preferably, the standing wave adding means includes a substrate and a pair of IDT electrodes formed on the substrate And the surface acoustic wave generating means is a surface acoustic wave generating means.

더 나아가, 상기 하이드로젤 수용 수단은 상기 한 쌍의 IDT 전극의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는데, 상기 하이드로젤 수용 수단과 상기 기판 사이에는 커플링 액체가 개재될 수 있다. .Further, the hydrogel receiving means is disposed between the pair of IDT electrodes, and a coupling liquid may be interposed between the hydrogel receiving means and the substrate. .

그리고 상기 하이드로젤 수용 수단은 하이드로젤이 위치하는 공간인 챔버의 측면을 감싸는 블록과, 상기 챔버의 상면을 덮는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 하이드로젤 내의 입자의 수직 방향 정렬 간격은,

Figure pat00001
The hydrogel receiving means includes a block that encloses the side surface of the chamber, which is a space where the hydrogel is located, and a lid that covers the upper surface of the chamber. And the vertical alignment interval of the particles in the hydrogel,
Figure pat00001

에 의하여 결정될 수 있다(여기서, Vliquid는 하이드로젤 내부에서 파동의 전파 속도, VSAW는 기판에서의 표면탄성파의 전파 속도, λSAW는 표면탄성파의 파장임). (Where V liquid is the propagation velocity of the wave inside the hydrogel, V SAW is the propagation velocity of the surface acoustic wave on the substrate, and? SAW is the wavelength of the surface acoustic wave).

더 나아가, 본 발명은 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 방법을 제공하는데, 하이드로젤 내부에서 수평 및 수직 방향으로의 입자 정렬 간격을 결정하는 단계; 상기 수평 방향 정렬 간격으로부터 IDT 전극의 간격을 결정하는 단계; 상기 수직 방향 정렬 간격으로부터 하이드로젤 및 기판의 재질을 결정하는 단계; 상기 하이드로젤 수용 수단에 하이드로젤을 배치하는 단계; 및 상기 IDT 전극에 교류 전원을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Further, the present invention provides a method for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel, comprising: determining a particle alignment interval in the horizontal and vertical directions within the hydrogel; Determining an interval of the IDT electrodes from the horizontal alignment interval; Determining a material of the hydrogel and the substrate from the vertical alignment spacing; Disposing a hydrogel in the hydrogel receiving means; And applying AC power to the IDT electrode.

하이드로젤 내에서 단백질 또는 세포 등과 같은 입자를 3차원적으로 정렬할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 필요에 따라서 수평 방향 정렬 간격 뿐만 아니라, 수직 방향 정렬 간격도 조절할 수 있다. It is possible not only to align the particles such as proteins or cells in the hydrogel three-dimensionally but also to adjust the vertical alignment interval as well as the horizontal alignment interval according to need.

도 1은 종래 기술에 따른 표면탄성파 장치를 이용한 입자 정렬 장치의 사시도이다.
도 2는 정상파인 표면탄성파에 의하여 입자가 정렬되는 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로젤 내에 입자를 패터닝하는 장치의 측면도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로젤 내에 입자를 패터닝하는 장치의 평면도이다.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하이드로젤 내에 입자를 패터닝하는 장치의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 IDT 전극의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 하이드로젤 내에 입자가 3차원으로 패터닝된 상태를 도시한 것이다.
도 8은 IDT 전극에 의하여 수평 방향 정상파와 수직 방향 정상파가 형성된 상태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 하이드로젤 입자를 패터닝하는 방법을 도시한 흐름도이다. 1 is a perspective view of a particle aligning apparatus using a surface acoustic wave device according to the prior art.
Fig. 2 shows a state in which particles are aligned by surface acoustic waves having normal fines.
3 is a side view of an apparatus for patterning particles in a hydrogel according to an embodiment of the present invention.
4 is a plan view of an apparatus for patterning particles in a hydrogel according to an embodiment of the present invention.
5 is a side view of an apparatus for patterning particles in a hydrogel according to another embodiment of the present invention.
6 illustrates a structure of an IDT electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a state in which particles are three-dimensionally patterned in the hydrogel.
8 shows a state in which a standing wave in the horizontal direction and a standing wave in the vertical direction are formed by the IDT electrode.
9 is a flowchart illustrating a method of patterning a hydrogel particle according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이드로젤 내에서 입자를 3차원적으로 정렬하는 입자 패터닝 장치(100)의 측면도이고, 도 4는 위 실시예에 따른 입자 패터닝 장치(100)의 평면도이다. 여기서 하이드르젤 내에서 입자를 3차원적으로 정렬한다는 의미는 도 7에 도시된 것과 같이, 입자가 평면적으로 일렬로 정렬된 것을 떠나서, 높이(수직) 방향으로도 일정 간격을 두고 입자들이 정렬되는 것을 의미한다. FIG. 3 is a side view of a particle patterning apparatus 100 for three-dimensionally aligning particles in a hydrogel according to a first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a plan view of a particle patterning apparatus 100 according to the above- to be. Here, the meaning of three-dimensionally aligning the particles in the hydrazine gel means that the particles are aligned at regular intervals in the height (vertical) direction, apart from the arrangement of the particles in a line in a plane .

하이드로젤 내의 입자 패터닝 장치(100)는 기판(110), 상기 기판상에 형성된 하이드로젤(200) 수용 수단(120), 그리고 상기 하이드로젤 수용 수단(120)을 사이에 두고 대칭적으로 상기 기판(110)에 형성된 IDT 전극(130L, 130R)을 포함한다. The particle patterning apparatus 100 in the hydrogel includes a substrate 110, a hydrogel 200 receiving means 120 formed on the substrate, and a substrate holder 120 symmetrically disposed on the substrate And IDT electrodes 130L and 130R formed on the substrate 110. FIG.

기판(110)은 주로 리튬 니오베이트(LiNbO3), 석영(Quartz) 또는 리튬 탄탈라이트(LiTaO3) 등으로 만들어질 수 있는데, 표면탄성파를 발생시킬 수 있는 재료라면 그 재료는 특별히 한정되지 아니한다. The substrate 110 can be mainly made of lithium niobate (LiNbO 3 ), quartz (Quartz), or lithium tantalite (LiTaO 3 ), but the material is not particularly limited as long as it can generate surface acoustic waves.

기판(110) 상에는 하이드로젤을 수용할 수 있는 하이드로젤 수용 수단(120)이 형성된다. 도 3을 참조하여 하이드로젤 수용 수단(120)의 구조를 살펴보면, 기판(110) 상에 제1 블록(123)이 형성되고 상기 제1 블록(123)의 상단에는 제1 커버(124)가 형성된다. 그리고 제1 커버(124)의 상단에는 다시 제2 블록(125)이 형성되고, 제2 블록(125)의 상단에는 다시 제2 커버(121)가 형성된다. On the substrate 110, a hydrogel receiving means 120 capable of receiving a hydrogel is formed. 3, a structure of the hydrogel receiving means 120 includes a first block 123 formed on a substrate 110 and a first cover 124 formed on an upper end of the first block 123 do. A second block 125 is formed on the upper end of the first cover 124 and a second cover 121 is formed on the upper end of the second block 125.

여기서 제1 블록(123) 및 제2 블록(125)은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 만들어질 수 있으나, 액체나 하이드로젤과 같은 물질을 수용할 수 있는 공간을 만드는 벽구조물 역할을 할 수 있는 재료라면 무엇이든 사용 가능하다. 그리고 제1 커버(122)나 제2 커버(121)로는 바람직하게는 글래스 기판이 사용될 수 있으나, 이 역시 액체나 하이드로젤 같은 물질과 외부를 차단할 수 있는 구조물 역할을 할 수 있는 재료라면 무엇이든 사용 가능하다. Here, the first block 123 and the second block 125 may be made of PDMS (polydimethylsiloxane), but any material that can serve as a wall structure for forming a space capable of accommodating a substance such as liquid or hydrogel It is available. As the first cover 122 and the second cover 121, a glass substrate may be preferably used. However, it is also possible to use any material such as a liquid or a hydrogel and a material that can serve as a structure capable of blocking the outside. It is possible.

제1 블록(123)은 기판(110)과 제1 커버(122)의 사이에 개재되어 제1 커버(124)를 지지하는 기둥 역할을 하게 되는데, 제1 블록(123)에 의하여 형성되는 내부 공간에는 바람직하게는 커플링 액체(124)가 채워질 수 있다. 커플링 액체(124)는 바람직하게는 물(증류수), 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol), 글리세롤(Glycerol) 및 수은(Mercury) 등이 사용될 수 있으나, 기판(110)을 통하여 전달되는 표면탄성파의 파동에너지를 전달할 수 있는 액체라면 무엇이든 가능하다. The first block 123 is interposed between the substrate 110 and the first cover 122 to serve as a column for supporting the first cover 124. The first block 123 has an inner space The coupling liquid 124 may be filled. The coupling liquid 124 may be water (distilled water), ethylene glycol, glycerol, mercury, or the like, but it is preferable that the coupling energy of the wave energy of the surface acoustic wave transmitted through the substrate 110 Anything that can deliver liquid is possible.

제2 블록(125)은 제1 커버(122)와 제2 커버(121)의 사이에 개재되어 제2 커버(121)을 지지하는 기둥 역할을 하는데, 제2 블록(125)은 하이드로젤(200)이 수용되는 공간을 규정하는 벽구조물 역할을 하게 된다. The second block 125 is interposed between the first cover 122 and the second cover 121 to serve as a column for supporting the second cover 121. The second block 125 is disposed between the hydrogel 200 ) Serves as a wall structure defining the space in which it is received.

하이드로젤(200)이 수용되는 공간과 기판(110)의 사이에는 커플링 액체(124)가 개재되어 있으므로, 하이드로젤(200)의 패터닝 공정 이후 하이드로젤(200) 수용 구조물을 기판(110)으로부터 쉽게 분리할 수 있게 된다. 제 3에 도시된 실시예에서는 커플링 액체를 이용함으로써 공정의 편의를 도모했지만, 도 5에 도시된 것과 같이 커플링 액체를 개재하지 않고 바로 하이드로젤(200)이 기판(110)과 맞닿은 상태에서 작동을 하더라도 하이드로젤(200)의 3차원 패터닝은 이루어질 수 있다. Since the coupling liquid 124 is interposed between the space in which the hydrogel 200 is accommodated and the substrate 110, the structure for accommodating the hydrogel 200 after the patterning process of the hydrogel 200 is separated from the substrate 110 So that it can be easily separated. In the embodiment shown in FIG. 3, the convenience of the process is improved by using the coupling liquid. However, as shown in FIG. 5, when the hydrogel 200 is in contact with the substrate 110 without interposing the coupling liquid The three-dimensional patterning of the hydrogel 200 can be performed.

위 하이드로젤 수용 수단(120)을 사이에 두고, 하이드로젤 수용 수단의 양측에는 정상파 발생 수단이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 정상파 발생 수단으로서 IDT 전극(130L, 130R)을 채용하였으나, 정상파를 발생시켜 압력장을 형성할 수 있는 자극 수단, 예를 들면 압전 소자를 이용한 초음파 변환기(Ultrasound 를 채용할 수도 있다. Standing wave generating means may be formed on both sides of the hydrogel receiving means with the upper hydrogel receiving means 120 therebetween. In the embodiment of the present invention, the IDT electrodes 130L and 130R are used as the standing wave generating means, but it is also possible to use a stimulating means capable of generating a standing wave by generating standing waves, for example, an ultrasonic transducer using a piezoelectric element It is possible.

IDT 전극은 압전 물질을 기판(110)에 부착하여 형성되는데, IDT 전극(130R, 130L)에 교류 전원이 가해지면 IDT 전극은 기판(110)에 표면탄성파를 발생시키게 된다. 하이드로젤 수용 수단(120)을 사이에 두고 양측에 각각 배치된 한 쌍의 IDT 전극(130R, 130L)은 동일한 주파수의 표면탄성파를 발생시키게 되는데, 이렇게 동일한 주파수의 표면탄성파는 서로 중첩되어 정상파(Standing Wave)를 형성하게 된다.The IDT electrode is formed by attaching a piezoelectric material to the substrate 110. When an AC power source is applied to the IDT electrodes 130R and 130L, the IDT electrode generates surface acoustic waves on the substrate 110. [ The pair of IDT electrodes 130R and 130L disposed on both sides of the hydrogel receiving means 120 generate surface acoustic waves of the same frequency. Surface acoustic waves of the same frequency are superimposed on each other, Wave.

정상파는 임의의 방향으로 진행하는 파동인 진행파(Progressive Wave)와 대비되는 개념으로 진동의 마디(node)가 일정 위치에 고정되는 파동을 의미하는데, 진폭과 진동이 같은 파동이 서로 반대 방향으로 이동할 때 파동의 합성에 의하여 발생한다. A standing wave is a concept that contrasts with a progressive wave, which travels in an arbitrary direction. It refers to a wave whose node of vibration is fixed at a certain position. When waves of the same amplitude and vibration move in opposite directions It is caused by the synthesis of waves.

도 6은 IDT 전극의 기본적인 구조를 도시하고 있는데, IDT 전극은 압전물질을 기판에 증착 등의 방법으로 형성하여 만들어진다. IDT 전극(130R,130L)은 상부 전극(131)과 하부 전극(132)가 서로 맞물린 형태로 형성되며, 전극 가지의 폭 및 간격을 조절함으로써 발생되는 표면탄성파의 파장 또는 주파수를 조절할 수 있게 된다(전극 가지 하나의 폭 및 전극 가지와 인접한 전극 가지 사이의 간격은 파장의 1/4로 결정됨(λSAW/4)). FIG. 6 shows a basic structure of an IDT electrode. The IDT electrode is formed by forming a piezoelectric material on a substrate by a method such as evaporation. The IDT electrodes 130R and 130L are formed in such a manner that the upper electrode 131 and the lower electrode 132 are engaged with each other and the wavelength or frequency of the surface acoustic wave generated by adjusting the width and the interval of the electrode branches can be adjusted The width of one electrode branch and the interval between the electrode branch and the adjacent electrode branch are determined to be 1/4 of the wavelength (? SAW / 4)).

한 쌍의 제1 IDT 전극(130R,130L)에 교류 전력을 공급하여 정상파를 발생시키는데, 설명의 편의를 위하여 IDT 전극(130R,130L) 각각에 의하여 발생하는 표면탄성파의 파장을 "λSAW"로 표기한다. For convenience of explanation, the wavelength of the surface acoustic wave generated by each of the IDT electrodes 130R and 130L is set to "? SAW " It should be noted.

전술한 바와 같이 정상파는 진동의 마디점이 움직이지 않고 일정 영역에 유지되는 파동으로서, 위 마디는 λSAW/2 간격으로 형성된다. As described above, the standing wave is a wave in which a nodal point of vibration is not moved but is maintained in a certain region, and the upper node is formed at intervals of? SAW / 2.

위 정상파는 기판(110)의 표면을 따라 형성되다가, 커플링 유체(124)와 만나면 수직 방향으로도 정상파가 전파되고, 제1 커버(122)를 통하여 하이드로젤(200)까지 정상파가 전달된다. The standing wave is formed along the surface of the substrate 110. When the coupling fluid 124 is contacted with the coupling fluid 124, a standing wave is propagated in the vertical direction, and a standing wave is transmitted to the hydrogel 200 through the first cover 122.

즉, 도 8에 도시된 것과 같이 IDT 전극에 의하여 수평방향의 정상파(410)가 형성되고, 위 정상파는 하이드로젤(200)까지 전달되는데, 하이드로젤(200) 내부에서는 수평 방향의 정상파와 함께 높이 방향으로의 정상파(420)가 형성된다. 8, the standing wave 410 in the horizontal direction is formed by the IDT electrode and the upper standing wave is transmitted to the hydrogel 200. In the hydrogel 200, A standing wave 420 is generated in the direction of the arrow.

하이드로젤 내에 정상파가 형성될 경우, 입자들은 정상파의 마디 부근에 정렬되는 특성을 가지게 되므로, 하이드로젤(200) 내의 입자들은 수평 방향으로뿐만 아니라, 높이(수직) 방향으로도 일정 간격으로 정렬되게 되므로 입자의 3차원 정렬이 구현된다. When a standing wave is formed in the hydrogel, the particles have a property of being aligned in the vicinity of the node of the standing wave, so that the particles in the hydrogel 200 are aligned not only in the horizontal direction but also in the height Three-dimensional alignment of particles is implemented.

이 때, 하이드로젤(200) 내에 가해지는 수평 방향 정상파는 IDT 전극(130R,130L)에 의하여 발생하는 정상파와 파장이 같지만, 하이드로젤(200) 내에 형성되는 수직 방향 정상파는 IDT 전극(130R, 130L) 전극에 의하여 발생하는 정상파와 다른 파장을 가지게 되고, 구체적으로 다음의 식에 의하여 도출될 수 있다.At this time, the horizontal standing wave applied to the hydrogel 200 is the same as the standing waves generated by the IDT electrodes 130R and 130L, but the vertical standing waves formed in the hydrogel 200 are the IDT electrodes 130R and 130L ) Electrode having a wavelength different from that of the standing wave generated by the electrode, and can be derived specifically by the following equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 λSAW는 IDT 전극(130R,130L) 각각에서 발생하는 표면탄성파의 파장으로서, 정상파가 형성될 경우 정상파의 마디는 표면탄성파의 반파장 길이 간격으로 형성되게 된다. 그리고 입자는 정상파의 마디 부근으로 모이게 되어 있으므로, 입자가 정렬되는 수평방향 간격(d수평)은 표면탄성파의 반파장으로 결정된다(수학식 1 참조). Here,? SAW is a wavelength of a surface acoustic wave generated from each of the IDT electrodes 130R and 130L. When a standing wave is formed, a node of a standing wave is formed at a half wavelength length interval of the surface acoustic wave. Since the particles are collected near the nodes of the standing waves, the horizontal interval (d horizontal ) in which the particles are aligned is determined by the half wavelength of the surface acoustic wave (see Equation 1).

그리고 위 정상파가 하이드로젤 또는 유체에 도달하게 되면 도 8에 도시된 것과 같이 수직 방향의 정상파가 발생하게 되는데, 위 수직 방향 정상파에 의하여 입자는 수직 방향으로도 일정 간격을 두고 정렬되게 된다. 입자가 정렬되는 수직방향 간격(d수직)은 수직 방향 정상파의 반파장 길이와 같게 되는데, 이는 하이드로젤 내부에서 파동의 전파 속도(Vliquid;음속), 기판에서의 표면탄성파 전파 속도(VSAW), 그리고 표면탄성파의 파장(λSAW)에 의하여 결정된다. When the upper standing wave reaches the hydrogel or fluid, a standing wave in the vertical direction is generated as shown in FIG. 8, and the particles are aligned at regular intervals in the vertical direction by the standing wave in the vertical direction. The vertical spacing (d- vertical ) in which the particles are aligned is equal to the half-wave length of the vertical standing wave, which is the velocity of wave propagation (V liquid ; sound velocity) within the hydrogel, the surface acoustic wave propagation velocity (V SAW ) , And the wavelength ( SAW ) of the surface acoustic wave.

도 9를 참조하면, 우선 하이드로젤 내부에 정렬되어야 하는 입자들의 수평 및 수직 정렬 간격을 결정하면(S100), 수평 방향 정렬 간격으로부터 인가되어야 하는 수평 방향 정상파의 마디 간격 및 표면탄성파의 파장이 결정된다. 표면탄성파의 파장이 결정되면 도 6에 도시된 것과 같이 IDT 전극의 간격이 결정되다(S200). 그리고 수직 방향 정렬 간격은 하이드로젤 내부에서 파동의 전파 속도(Vliquid;음속), 기판에서의 표면탄성파 전파 속도(VSAW), 그리고 표면탄성파의 파장(λSAW)에 의하여 결정됨은 전술한 바와 같은데, 표면탄성파의 파장은 결정되었으므로, 파동의 전파 속도에 영향을 미치는 하이드로젤의 물성 및 기판의 물성을 결정할 수 있게 된다(S300). 위와 같은 설계 과정을 통하여 얻어지는 장치의 하이드로젤 수용 수단에 하이드로젤을 배치하고(S400), IDT 전극에 교류 전원을 인가하게 되면(S500), 하이드로젤 내부에서 입자는 수평 방향 뿐만 아니라 수직 방향으로도 원하는 간격으로 정렬될 수 있게 되는 것이다. Referring to FIG. 9, first, horizontal and vertical alignment intervals of particles to be aligned in the hydrogel are determined (S100), and the interval of the horizontal standing wave and the wavelength of the surface acoustic wave to be applied from the horizontal alignment interval are determined . When the wavelength of the surface acoustic wave is determined, the interval of the IDT electrodes is determined as shown in FIG. 6 (S200). The vertical alignment interval is determined by the wave propagation velocity (V liquid ; sound velocity) inside the hydrogel, the surface acoustic wave propagation velocity (V SAW ) on the substrate, and the wavelength of the surface acoustic wave (? SAW ) Since the wavelength of the surface acoustic wave is determined, the physical properties of the hydrogel and the physical properties of the substrate that affect the wave propagation speed can be determined (S300). When the hydrogel is disposed in the hydrogel receiving means of the device obtained through the above-described designing process (S400) and AC power is applied to the IDT electrode (S500), the particles in the hydrogel not only in the horizontal direction but also in the vertical direction So that they can be aligned at desired intervals.

참고로, 본 발명에서 사용되는 하이드로젤의 재료로는 다양한 합성 고분자 재료 및 천연 고분자 재료가 사용될 수 있는데, 대표적으로 합성 고분자 재료로는 폴리아크릴아마이드(Polyacrlyamide, PAAM), 히알루론산(Hyaluronic Acid(HA) 또는 Hyaluronic Acid Catechol(HACA)), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PED), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene oxide) 등과, 천연 고분자 재료로는 콜라겐(collagen) 및 다당류(예를 들어, 키토산(Chitosan), 알지네이트(alginate), 아가로스(agarose)) 등이 이용될 수 있다. As a reference material for the hydrogel used in the present invention, a variety of synthetic polymer materials and natural polymer materials can be used. Representative synthetic polymer materials include polyacrylamide (PAAM), hyaluronic acid (HA) ) Or Hyaluronic Acid Catechol (HACA), polyethylene glycol (PED), polyvinyl alcohol, polyethylene oxide and the like. Natural polymer materials include collagen and polysaccharides Chitosan, alginate, agarose), and the like can be used.

100: 하이드로젤 내 입자 패터닝 장치 110: 기판
120: 하이드로젤 수용 수단 121: 제1 덮개
122: 제2 덮개 123: 제1 블록
124: 커플링 액체 125: 제2 블록
130L,130R: IDT 전극 131: 상부전극
132: 하부전극 200: 하이드로젤100: Particle patterning device in hydrogel 110:
120: hydrogel receiving means 121: first cover
122: second cover 123: first block
124: coupling liquid 125: second block
130L, 130R: IDT electrode 131: upper electrode
132: lower electrode 200: hydrogel

Claims (9)

하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치로서,
입자가 포함된 하이드로젤을 수용하기 위한 하이드로젤 수용 수단; 및
상기 하이드로젤 수용 수단에 수용된 하이드로젤에 수평 방향 정상파를 부가하기 위한 정상파 부가 수단을 포함하되,
상기 하이드로젤 내부에서 입자는 수평 방향 정상파의 마디에 해당하는 위치에 정렬됨과 동시에, 상기 수평 방향 정상파에 의하여 상기 하이드로젤 내에 생성되는 수직 방향 정상파의 마디에 해당하는 위치에 정렬되는 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치
An apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel,
A hydrogel receiving means for receiving a hydrogel containing particles; And
And a standing wave adding means for adding a horizontal standing wave to the hydrogel accommodated in the hydrogel receiving means,
Wherein the particles in the hydrogel are aligned at positions corresponding to nodes of horizontal standing waves and aligned at positions corresponding to nodes of vertical standing waves generated in the hydrogel by the horizontal standing waves. Apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel
청구항 1에 있어서, 상기 정상파 부가 수단은 표면탄성파 발생 수단 또는 초음파 변환기(Ultrasound Transducer) 인 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
The apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel according to claim 1, wherein the stationary wave applying means is a surface acoustic wave generating means or an ultrasonic transducer.
청구항 2에 있어서, 상기 정상파 부가 수단은 기판 및 상기 기판에 형성된 한 쌍의 IDT 전극을 포함하는 표면탄성파 발생수단인 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
The apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel according to claim 2, wherein the standing wave adding means is a surface acoustic wave generating means including a substrate and a pair of IDT electrodes formed on the substrate.
청구항 3에 있어서, 상기 하이드로젤 수용 수단은 상기 한 쌍의 IDT 전극의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
4. The apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel according to claim 3, wherein the hydrogel receiving means is provided between the pair of IDT electrodes.
청구항 3에 있어서, 상기 하이드로젤 수용 수단과 상기 기판 사이에는 커플링 액체가 개재된 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
The apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel according to claim 3, wherein a coupling liquid is interposed between the hydrogel receiving means and the substrate.
청구항 3에 있어서, 상기 하이드로젤 수용 수단은 하이드로젤이 위치하는 공간인 챔버의 측면을 감싸는 블록과, 상기 챔버의 상면을 덮는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
[4] The hydrogel as claimed in claim 3, wherein the hydrogel receiving means comprises a block that encloses a side surface of the chamber, which is a space where the hydrogel is located, and a cover that covers an upper surface of the chamber, Apparatus for patterning.
청구항 3에 있어서, 하이드로젤 내의 입자의 수직 방향 정렬 간격은,
Figure pat00004
에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
(여기서, Vliquid는 하이드로젤 내부에서 파동의 전파 속도, VSAW는 기판에서의 표면탄성파의 전파 속도, λSAW는 표면탄성파의 파장임)
The method according to claim 3, wherein the vertical alignment interval of the particles in the hydrogel
Figure pat00004
Wherein the particle size of the particles in the hydrogel is determined by the particle size distribution.
(Where V liquid is the propagation velocity of the wave inside the hydrogel, V SAW is the propagation velocity of the surface acoustic wave on the substrate, and? SAW is the wavelength of the surface acoustic wave)
청구항 1에 있어서, 상기 입자는 단백질 또는 세포인 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치.
The apparatus for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel according to claim 1, wherein the particles are proteins or cells.
청구항 3에 따른 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 장치를 이용하여 패터닝하는 방법에 관한 것으로서,
하이드로젤 내부에서 수평 및 수직 방향으로의 입자 정렬 간격을 결정하는 단계;
상기 수평 방향 정렬 간격으로부터 IDT 전극의 간격을 결정하는 단계;
상기 수직 방향 정렬 간격으로부터 하이드로젤 및 기판의 재질을 결정하는 단계;
상기 하이드로젤 수용 수단에 하이드로젤을 배치하는 단계; 및
상기 IDT 전극에 교류 전원을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이드로젤 내의 입자를 3차원적으로 패터닝하기 위한 방법.

















A method for patterning using a device for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel according to claim 3,
Determining a particle alignment interval in the horizontal and vertical directions within the hydrogel;
Determining an interval of the IDT electrodes from the horizontal alignment interval;
Determining a material of the hydrogel and the substrate from the vertical alignment spacing;
Disposing a hydrogel in the hydrogel receiving means; And
And applying AC power to the IDT electrode. A method for three-dimensionally patterning particles in a hydrogel.

















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