KR20180056101A - 건식 비색 센서 및 이를 포함한 항원 검출용 구조체 - Google Patents

건식 비색 센서 및 이를 포함한 항원 검출용 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일시예인 건식 비색 센서는 기판 상기 기판 상에 형성된 브러쉬 고분자 층; 및 상기 브러쉬 고분자 층의 내에 산재된 플라즈몬 나노입자를 포함하며, 상기 나노입자의 표면에는 특정 항원의 항체가 결합된 건식 비색 센서이다. 이를 통하여, 치조골 주위에 염증 (풍치 등) 정도와 임플란트 시술 후의 초기 골재생 여부를 비파괴적이면서 별도의 장비 없이 현장에서 색변화를 통해 즉각적으로 확인함으로써, 의료 비용감소뿐 아니라 파괴적인 방법을 시술하면서 생기는 다양한 의료 사고를 예방할 수 있다. 또한, 진단시 환자의 고통을 감소시키며 진단 시간을 단축시킬 수 있다.

Description

건식 비색 센서 및 이를 포함한 항원 검출용 구조체{SOLID PHASE COLORIMETRIC SENSOR AND STRUCTURE FOR DETECTING ANTIGEN INCLUDING THE SAME}
본 발명은 비파괴적 방법으로서 항원을 검출할 수 있는 건식 비색 센서 및 이를 포함한 항원 검출용 구조체에 관한 것이다.
치주질환은 흔히 풍치라고도 하는데, 병의 정도에 따라 치은염(gingivitis)과 치주염(periodontitis)으로 나뉜다. 비교적 가볍고 회복이 빠른 형태의 치주질환으로 잇몸 즉, 연조직에만 국한된 형태를 치은염이라고 하고, 이러한 염증이 잇몸과 잇몸뼈 주변까지 진행된 경우를 치주염이라고 한다.
치은(잇몸)과 치아 사이에는 V자 모양의 틈이 있는데, 이 홈(sulcus)의 잇몸 선 아래 부분을 박테리아가 공격하여 치주인대와 인접조직을 손상시키는 것이 치주질환이다. 염증이 진행되어 더 많은 조직이 손상되면서 홈이 치주낭(periodontal pocket)으로 발전하게 되며, 치주염이 심할수록 치주낭의 깊이가 깊어지게 된다. 치주낭이 깊어지면서 치주인대에 염증이 생기게 되고, 골소실이 일어나게 되는 것이 치주질환이다.
또한, 치아의 결손이 있는 부위나 치아를 뽑은 자리의 턱뼈에 골 이식, 골 신장술 등의 부가적인 수술을 통하여, 충분히 감쌀 수 있도록 부피를 늘린 턱뼈에 생체에 적합한 임플란트 본체를 심어서 자연치의 기능을 회복시켜주는 치과 치료가 존재한다. 정상적인 기능이 유지되고 있는 턱뼈와 식립된 임플란트 본체 표면과의 형태적, 생리적, 직접적 결합인 골유착(osseointegration)이 이루어진 후 임플란트 주위 턱뼈의 골 개조의 과정을 거치게 된다. 여기서, 치료 후 이식된 치조골의 재생여부를 판단하는 단계는 필요한 과정이다.
액상센서는 고상센서에 비해 부피가 크다 보니 변화의 강도를 측정하기 더 쉽고 색 변화 확인도 용이하며, 고상센서보다 나노입자의 유동성이 크기 때문에 나노입자가 용액 내에서 응집되기도 더 쉬운 장점이 있지만, 이러한 액상센서는 취급이 어려운 단점이 있다. 예를 들어, 보관 및 이동의 불편함이 있다. 특히, 치과센서의 경우, 타액이나 잇몸 구의 액을 채취하여 이용해야 하기 때문에 액상센서의 경우 불편하고, 채취하는 과정에서 체액을 손실하여 정확한 측정이 어렵게 된다.
더불어, 현재, 임상적으로 치조골 주의의 염증 정도를 진단하는 방법은 풍치진단막대 (periodontal probe)를 이용하여 치주낭(periodontal pocket)의 깊이를 측정하는 방식이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 환자에게 엄청난 고통을 수반하는 측정방법이다.
또한, 이식된 치조골의 성공적인 재생여부를 판단하는 방법으로 절개를 통한 육안 확인이 주로 이용되고 있다. 더불어, 비파괴적 방법으로는 X-ray 이미징 기법이 사용되기도 하는데 X-ray 이미징 기법은 재생된 치조골과 골이식재의 잔족을 구분할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 풍치진단과 치조골 재생여부 판단을 비파괴적인 방법으로 확인할 수 있는 고감도의 바이오센서에 대한 연구가 필요한 시점이다.
본 발명의 일실시예는, 치조골 주의의 염증 정도를 측정하거나, 치아에 인공뼈 이식후 초기 치조골 재생여부를 검증할 수 있는 건식 비색 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일시예인 건식 비색 센서는 기판; 상기 기판 상에 형성된 브러쉬 고분자 층; 및 상기 브러쉬 고분자 층의 내에 산재된 플라즈몬 나노입자를 포함하며, 상기 나노입자의 표면에는 특정 항원의 항체가 결합된 센서이다.
일실시예로서, 상기 센서는, 추가로 상기 브러쉬 고분자 층 상에 형성된 액체 흡수층을 포함한다.
일실시예로서, 상기 액체 흡수층은, 우레탄 폼을 포함한다.
일실시예로서, 상기 기판은 투명 기판이다.
일실시예로서, 상기 기판은 유연(flexible) 기판이다.
일실시예로서, 상기 기판의 두께는, 0.5 nm 이하이다.
일실시예로서, 상기 브러쉬 고분자 층은, 스캐폴드(scaffold) 형태이다.
일실시예로서, 상기 고분자는, POEGMA(Poly(oligo(ethylene glycol)methacrylate))를 포함한다.
일실시예로서, 상기 고분자는, 나뭇가지 형태로서, 상기 브러쉬 층의 축을 이루며, 상기 나노입자는 상기 나뭇가지 형태의 고분자 사이에 산재된다.
일실시예로서, 상기 나노입자의 크기는 10-30nm이다.
일실시예로서, 상기 나노입자는, 금, 백금, 은, 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이다.
일실시예로서, 상기 항원은, TNF-α, IL-Iβ, Osteopontin, 및 alkaline phosphatase 중 하나이다.
일실시예로서, 상기 센서는, 나노입자의 커플링을 활용한 LSPR(localized surface plasmon resonance) 센서이다.
본 발명의 다른 일실시예로서, 항원 검출용 구조체로서, 상기 구조체는, 손잡이부; 지지부; 및 감지부를 포함하며, 상기 감지부는 상기 건식 비색 센서 중 어느 하나를 구비하는 항원 검출용 구조체이다.
일실시예로서, 상기 감지부는, 이의 끝단이 뾰족한 형상으로 치주낭으로 삽입 가능하도록 구성되며, 치조골의 염증 또는 재생여부 진단을 위한 항원 검출용 구조체이다.
본 발명을 통하여, 치조골 주위에 염증 (풍치 등) 정도와 임플란트 시술 후의 초기 골재생 여부를 비파괴적이면서 별도의 장비 없이 현장에서 색변화를 통해 즉각적으로 확인함으로써, 의료 비용감소뿐 아니라 파괴적인 방법을 시술하면서 생기는 다양한 의료 사고를 예방할 수 있다. 또한, 진단시 환자의 고통을 감소시키며 진단 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 모식도이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 기판 및 기판 상에 형성된, 브러쉬 고분자층을 포함하며, 플라즈몬 나노입자가 고분자 물질 사이에 산재된 건식(고체) 비색 센서에 관한 것이다. 건식 센서는 형태를 고정화하고 부피를 최소화하여, 사용자가 용이하게 이용가능하다. 또한, 측정하고자 하는 대상체의 존재 유무 뿐만 아니라, 정도도 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는, 나노입자의 커플링을 활용한 LSPR(localized surface plasmon resonance)을 이용한다. 플라즈모닉 입자들의 색변화를 유도하기 위해 나노입자의 커플링을 유도하였다. 그래서, 종래에는 이러한 변화를 위하여, 플라즈모닉 입자들을 통상 액상에 분포시켰다. 이에 반하여, 본 발명은 건식으로 구성하면서 입자간 거리 변화를 유도하기 위해, 고분자물질을 이용한다. 즉, 특정 항원의 항체가 결합된 플라즈몬 나노입자를 고분자 물질의 나뭇가지 형태의 가지내에 산재시키고, 고분자 물질의 가지의 유연성에 기초하여, 플라즈몬 나노입자 사이의 거리 변화를 야기하도록 한다. 그래서, 특정 항원과 결합하게 되면, 플라즈몬 나노입자들끼지 응집하려 하여 입자간 거리가 변화게되어 초기 색과 다른 색을 발현할 수 있다.
이하, 구체적으로, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예는 기판; 상기 기판 상에 형성된 브러쉬 고분자 층; 및 상기 브러쉬 고분자 층의 내에 산재된 플라즈몬 나노입자를 포함하며, 상기 나노입자의 표면에는 특정 항원의 항체가 결합된 건식 비색 센서에 관한 것이다. 이러한 실시예에 대한 모식도를 도 1에 나타내었다.
본 발명의 일실시예는 기판(substrate)을 포함한다. 상기 기판은 상기 센서의 지지체로서, 기판의 종류는 어떠한 것이라도, 지지체로서 역할을 할 수 있다면, 다양한 종류의 기판이 적용될 수 있다. 다만, 일실시예로서, 투명한 기판을 이용할 수 있다. 이러한 투명한 기판을 이용하게 되면, 기판 자체의 색상이 존재하지 않기 때문에, 브러쉬 층에서 발현되는 색상변화를 다른 간섭없이 획득할 수 있어서, 본 발명이 의도하고자 하는 색상의 변화를 명확하게 확인할 수 있다. 더불어, 상기 기판은 유연(flexible)기판인 것이 바람직하다. 고체 기판 특성상 유연하지 않은 기판일 수 도 있으나, 상기 기판이 유연성을 확보한다면, 추후 설명할 항원 검출용 구조체에 적용할 시, 검출하고자 하는 항원이 존재하는 곳에 정확하게 상기 센서를 투입하여, 검출대상 항원과 접촉시킬 수 있다. 추가로, 상기 기판의 두께는 0.5 nm 이하인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판 상에 브러쉬 고분자 층이 형성된다. 상기 브러쉬 고분자 층은 스캐폴드(scaffold) 형태인 것이 바람직하다. 또한, 상기 브러쉬 고분자 층은 하기 설명될 플라즈몬 나노입자를 포함한다.
여기서, 상기 고분자 물질은 나뭇가지 형태로서, 상기 브러쉬층의 축을 이루며, 상기 나노입자는 상기 나뭇가지 형태의 고분자물질 사이에 산재될 수 있다. 상기 고분자 물질은 브러쉬 고분자 층에서의 고분자 물질의 특성 및 역할을 나타낼 수 있는 것이라면, 다양한 적용이 가능하나, POEGMA(Poly(oligo(ethylene glycol)methacrylate))을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, POEGAMA(poly(oligo-(ethylene glycol)methacrylate))은 나뭇가지 형태를 취하고 있는데, 이러한 가지 부분에는 ethylene glycol이 풍부하게 자리잡고 있으며, 이를 통하여, 특별한 화학적 변경 없이도, 나노입자와 용이하게 연결된다.
여기서, 상기 플라즈몬 나노입자는 특정 항원의 항체가 결합된 나노입자인 것이 바람직하다. 본 발명에서 검출하고자 하는 항원이 존재하는 경우, 그러한 특정 항원의 항체를 나노입자에 결합하고, 센서로서 적용하면, 용이하게 상기 항원을 검출해낼 수 있다.
또한, 나노입자는 금속 나노입자인 것이 바람직하며, 금, 백금, 은, 및 구리 중 어느 하나 나노입자인 것이 보다 바람직하다. 상술한 금속 중 하나의 금속 나노입자만이 사용될 수 있으나, 의도하는 목적에 따라서, 여러 종의 금속 나노입자를 포함할 수도 있다. 이때, 상기 나노입자가 금 나노입자인 경우, 크기는 다양하게 적용가능하다. 바람직하게는 본 발명은 브러쉬 층에 산재될 수 있는 10-30 nm 직경 크기의 플라즈몬 나노입자가 바람직할 수 있다.
본 발명의 일실시예는, 치조골 주위의 염증정도를 측정하거나 치아에 인공뼈 이식 후 초기 치조골 재생여부를 검증하기 위한 색상의 변화를 도출할 수 있다. 이 때, 상기 항원은 치과적 증상과 관련된 항원이면, 다양한 항원을 포함할 수 있다. 이러한 항원은, 예시로서, TNF-α, IL-Iβ, Osteopontin, 및 alkaline phosphatase 중 하나일 수 있다. 상기 TNF-α및 IL-Iβ은 치조골 주위의 염증(풍치 등)을 검출하기 위한 항원에 해당될 수 있으며, 상기 Osteopontin 및 alkaline phosphatase(ALP)은 치아에 인공뼈 이식 후 초기 단계에서, 치조골 재생에 의해 생성되는 바이오 마커류에 해당될 수 있다.
상기 센서는, 추가로 상기 브러쉬 고분자 층 상에 형성된 액체 흡수층을 포함할 수 있다. 상기 액체 흡수층은 폼 (form) 형태인 것이 바람직하다. 우레탄 폼인 것이 보다 바람직하다. 이러한 액체 흡수층은 항원 검출시, 항원을 포함하고 있는 액상 물질이 존재한다면, 상기 액체 흡수층이 액상 물질을 흡수하여, 항원이 항체가 결합된 나노입자와 접촉될 수 있는 확률을 높여준다. 예를 들어, 치주낭에 센서를 위치시키면, 침과 같은 항원을 가진 액상이 폼으로 흡수되면, 센서 전체적으로 잘 분산되도록 하는 기능을 한다.
요약하면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판 (substrate) 상에 브러쉬 고분자 층을 포함하며, 고분자(POEGMA)는 나뭇가지 형태로 구비되며, 상기 고분자 사이사이에 항체가 결합된 나노입자 (antibody functionalized AuNPs)가 위치한다. 브러쉬 고분자 층은 3차원 적층구조를 나타낸다. 또한, 검출하고자 항원(biomaker)은 플라즈몬 나노입자에 결합된 항체와 결합하게 되고, 나노입자의 LSPR 커플링(응집)이 발생하여, 선명한 광학적 변화를 보이면, 육안으로도 구별이 가능할 정도의 색 변화가 발생한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예인 항원 검출용 구조체는 손잡이부, 지지부 및 감지부를 포함한다. 상기 지지부의 양단 중 일단에는 상기 감지부가 위치하고 다른 일단에는 상기 손잡이부가 위치한다. 상기 손잡이부는 사용자가 상기 구조체를 홀딩(hodling)하기 용이하도록 어떠한 형태를 취하여도 무관하다. 상기 지지부 역시 상기 감지부를 지지할 수 있는 것이라면, 어떠한 것이라도 무관한다. 상기 감지부는 상술한 다양한 실시예를 포함하는 센서들 중 하나를 포함한다. 상기 감지부는, 상기 지지부와 연결된 측의 타측의 형상이 뾰족한 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이는 뾰족한 형상을 갖는 감지부를 갖는 항원 검출용 구조체로서, 이용시 치주낭으로 효과적으로 삽입 가능하여, 치조골의 염증 또는 재생여부를 효과적으로 실시할 수 있다.
이러한 구조체에 대한 일실시예를 도 2에 모식도로 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 손잡이부 (handling part)는 지지부 (도면에 미도시)의 일단에 위치하고, 감지부 (detecting part)는 다른 일단에 위치한다. 여기서, 상기 감지부는 상기 지지부에 연결된 반대방향으로, 뾰족한 형태를 취하는 것이 바람직하다. 이는 치주낭과 같은 검출대상 항원이 존재하는 곳에 구조체를 투입하고, 항원을 쉽게 검출하기 위함이다.
또한, 상기 감지부는 기판 (substrate), 기판 상에 위치한 나뭇가지 형태의 고분자물질 (POEGMA), 특정 항원에 대한 항체가 결합된 금 나노입자 (AuNPs) 및 액체 흡수층 (PU Form)을 포함할 수 있다.
이러한 구조체의 감지부를 치아와 골이식점 사이의 치주낭에 삽입하면, 치조골 주위 염증진단 바이오마커(TNF-α, IL-Iβ)와 초기 골재생 바이오마커(Osteopontin, alkaline phosphatase) 등 치과증상과 관련된 모든 항원 검출 시금 나노입자의 응집으로 인해 센서의 색 변화가 발생한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 브러쉬 고분자 층; 및
    상기 브러쉬 고분자 층의 내에 산재된 플라즈몬 나노입자를 포함하며, 상기 나노입자의 표면에는 특정 항원의 항체가 결합된 건식 비색 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 추가로 상기 브러쉬 고분자 층 상에 형성된 액체 흡수층을 포함하는, 건식 비색 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액체 흡수층은, 우레탄 폼을 포함하는, 건식 비색 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 투명 기판인, 건식 비색 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유연(flexible) 기판인, 건식 비색 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 두께는, 0.5 nm 이하인, 건식 비색 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 브러쉬 고분자 층은, 스캐폴드(scaffold) 형태인, 건식 비색 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는, POEGMA(Poly(oligo(ethylene glycol)methacrylate))를 포함하는, 건식 비색 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는, 나뭇가지 형태로서, 상기 브러쉬 층의 축을 이루며, 상기 나노입자는 상기 나뭇가지 형태의 고분자 사이에 산재되는, 건식 비색 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자의 크기는 10-30nm인, 건식 비색 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는, 금, 백금, 은, 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인, 건식 비색 센서,
  12. 제1항에 있어서,
    상기 항원은, TNF-α, IL-Iβ, Osteopontin, 및 alkaline phosphatase 중 하나인, 건색 비색 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 센서는, 나노입자의 커플링을 활용한 LSPR(localized surface plasmon resonance) 센서인, 건색 비색 센서.
  14. 항원 검출용 구조체로서,
    상기 구조체는, 손잡이부; 지지부; 및 감지부를 포함하며,
    상기 감지부는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 건식 비색 센서를 구비하는 항원 검출용 구조체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 감지부는, 이의 끝단이 뾰족한 형상으로 치주낭으로 삽입 가능하도록 구성되며,
    치조골의 염증 또는 재생여부 진단을 위한 항원 검출용 구조체.
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