KR20190078287A - 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법 - Google Patents

바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

내부에, 생분해성(biodegradable) 고분자; 및 미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하며, 표면 및 내부 중 적어도 일 부분에 복수의 기공을 포함하는 다공성인 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법이 개시된다.

Description

바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법{Hydrogel structure for a biosensor, biosensor including the same, method of preparing the hydrogel structure for the biosensor}
바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
바이오센서는 효소, 항체, 항원 등의 생화학적 수용체가 측정하고자 하는 물질과 결합하여 나타내는 상호작용으로 그 물질을 분석하는 소자이다.
식품용 바이오센서는 주로 음식물의 부패에 따른 병원균 또는 잔류농약, 기타 독성 화학물질 등을 검출하여 식품의 안정성을 확인하는데 이용된다.
이러한 식품 안정성을 확인하기 위하여 휴대성이 용이하고 빠른 시간 내에 효율적으로 식품 유해균을 확인할 수 있으며 용이하고 대중화된 신규한 구조체가 요구되고 있다.
일 측면은 휴대가 간편하고 빠른 시간 내에 효율적으로 식품 유해균의 감지가 가능한 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제공하는 것이다.
다른 측면은 상기 하이드로겔 구조체를 포함하는 바이오센서를 제공하는 것이다.
또다른 측면은 저비용으로 대량생산이 가능한 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면,
내부에,
생분해성(biodegradable) 고분자; 및
미생물 검출가능한 색변화 염료; 를 포함하며,
표면 및 내부 중 적어도 일 부분에 복수의 기공을 포함하는 다공성인 바이오센서용 하이드로겔 구조체가 제공된다.
다른 측면에 따르면,
전술한 하이드로겔 구조체를 포함하는 바이오센서가 제공된다.
다른 측면에 따르면,
생분해성(biodegradable) 고분자 용액 및 염기성 화합물 수용액을 첨가하여 이종의 제1차 상 분리가 이루어진 제1 혼합액을 제조하는 단계;
상기 제1 혼합액에 유화제 수용액을 첨가하여 이종의 제2차 상 분리가 이루어진 제2 혼합액을 제조하는 단계;
상기 제2 혼합액에서 용매를 제거하고 건조하여 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계; 및
상기 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 하이드로겔 구조체 내부에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 전술한 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법이 제공된다.
일 측면에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 내부에, 생분해성(biodegradable) 고분자; 및 미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하며, 다공성이기에 휴대가 간편하고 표면적이 넓어 빠른 시간 내에 효율적으로 식품 유해균의 감지가 가능한 구조체를 제공할 수 있다. 또한 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 저비용으로 대량생산이 가능하다.
도 1은 일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체(비드)를 이용하여 식품 부패의 감지가 가능한 메커니즘을 나타내는 모식도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 하이드로겔 구조체(비드)의 제조방법의 개략도이다.
도 3은 비교예 1에 의해 제조된 비다공성 하이드로겔 비드의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드에 대한 함수율 분석 결과이다.
도 6은 실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드를 박테리아 용액에 12시간 동안 함침시켜 이후 상기 비드의 색 변화를 나타낸 사진이다.
이하에 첨부된 도면을 참조하면서, 예시적인 일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 특허청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서, "하이드로겔 구조체"는 "고분자의 망목 구조(network structure)에 물이 유입된 구조체"를 의미하며 투과성이 높고 내부에 수용액을 포함하여 팽윤되어 있다.
식품분야에서, 농촌진흥청 농업공학연구소는 2006년 임피던스 바이오센서를 이용한 살모넬라 엔테르티스를 검출하는 기술을 개발하였다. 이 기술은 해당 물질을 3분 만에 10,000 마리/ml까지 검출할 수 있는 기술이지만 물질을 검출하고 분석하기 위해 복잡한 형태의 소자 및 분석 장비가 필요하므로 대중화되기에 힘든 문제가 있다.
이후 대안으로서, 측정할 물질을 감지했을 때 포함되어 있는 물질과의 상호작용으로 인해 변하는 색상을 감지하는 색 변환 센서가 개발되었다. 상기 색 변환 센서는 감도 특성이 낮기 때문에 감도 특성을 높이기 위하여 이후 페로센 등의 레독스 화합물을 사용하여 기체의 산화환원반응을 촉진시키는 방법 등이 개발되었다. 그러나 레독스 화합물의 경우 그 자체로 유해성이 있어 식품용 센서로 사용함에 한계가 있다.
일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 내부에, 생분해성(biodegradable) 고분자; 및 미생물 검출가능한 색변화 염료; 를 포함할 수 있으며, 표면 및 내부 중 적어도 일 부분에 복수의 기공을 포함하는 다공성일 수 있다. 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 환경에 무해하고 생체친화적이며 생분해성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 다공성 구조체이기에 비다공성 구조체와 비교하여 휴대가 간편할 뿐만 아니라 표면적이 넓어 빠른 시간 내에 효율적으로 식품 유해균을 감지할 수 있다.
상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 그 표면에 수막층(water layer)를 더 포함할 수 있다. 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 친수성인 수막층과 같은 그 표면에 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella) 등과 같은 식품 유해균이 부착될 수 있다. 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체 내부의 미생물 검출가능한 색변화 염료는 수용액에 용해될 때 양이온과 음이온 부분으로 나누어지고 상기 표면에 부착된 식품 유해균의 세포막으로 상기 염료의 양이온이 확산되며 상기 식품 유해균의 세포막 내부의 음전하를 나타내는 물질과 결합하여 식품 유해균을 염색하게 된다.
상기 생분해성 고분자는 폴리에스테르계 고분자, 이의 무수물, 및 이의 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "~계 고분자"라는 용어는 "~ 고분자", 및 "~ 고분자의 유도체"를 포함하는 개념으로 사용된다.
상기 폴리에스테르계 고분자는, 예를 들어 폴리(β-히드록시부티레이트), 폴리(히드록시발레레이트), 폴리(락트산), 또는 폴리(글리콜산) 등을 들 수 있다. 상기 생분해성 고분자는 상기 예시된 고분자의 무수물 또는/및 이의 공중합체를 포함할 수도 있다. 상기 생분해성 고분자는 하이드로겔 구조체로 가공이 가능하며 빠른 시간 내에 유리가 가능하고 생체 내에서 유리된 분해산물은 독성이 낮아 적절하다.
예를 들어, 상기 생분해성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 고분자를 포함할 수 있다:
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
R1, R2, R3, R4는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합일 수 있으며;
m, n은 각각 5 내지 100,000의 정수일 수 있다.
상기 화학식 1에서 사용된 치환(기)의 정의에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
상기 화학식 1에서 사용되는 알킬기가 갖는 “치환”은 할로겐 원자, 할로겐 원자로 치환된 C1 내지 C10의 알킬기(예: CCF3, CHCF2, CH2F, CCl3 등), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1 내지 C10의 알킬기, C2 내지 C10의 알케닐기, C2 내지 C10의 알키닐기, C1 내지 C10의 알콕시기, C1 내지 C20의 헤테로알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C6 내지 C20의 아릴알킬기, C6 내지 C20의 헤테로아릴기, 또는 C6 내지 C20의 헤테로아릴알킬기로 치환된 것을 의미한다.
상기 화학식 1에서 사용되는 C1 내지 C10의 알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, ter-부틸, neo-부틸, iso-아밀, 또는 헥실 등을 들 수 있고, 상기 알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 "치환"에서 정의한 바와 같은 치환기로 치환가능하다.
상기 "치환"에서 사용되는 C2-C10의 알케닐기의 구체적인 예로는 비닐렌, 알릴렌 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C2-C10의 알키닐기의 구체적인 예로는 아세틸렌 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C1 내지 C10의 알콕시기의 구체적인 예로는 메톡시, 에톡시, 프로폭시 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C1 내지 C20의 헤테로알킬기 또는 아릴알킬기는 알킬기를 구성하는 탄소원자 중 하나 이상이 N, O, S, 또는 P와 같은 헤테로원자 또는 페닐 등과 같은 아릴기로 대체된 것을 의미한다.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 아릴기는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있고 하나 이상의 고리를 포함하는 방향족 시스템인 것을 의미하며, 예를 들어 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등을 들 수 있다. 또한 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 “치환”에서 정의한 바와 같은 치환기로 치환가능하다.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 탄소인 유기 화합물인 것을 의미하며, 예를 들어 피리딜 등을 들 수 있다.
상기 "치환"에서 사용되는 C6 내지 C20의 헤테로아릴알킬기는 알킬기를 구성하는 탄소원자 중 하나 이상이 상술한 헤테로아릴기로 대체된 것을 의미한다.
상기 화학식 1에서, R1은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기일 수 있고, 예를 들어 치환 또는 비치환된 C1 내지 C5의 알킬기일 수 있고, 예를 들어 치환 또는 비치환된 C1 내지 C3의 알킬기일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 고분자는 생체 내에서 대사경로(Kreb's cycle)에 들어가 빠른 시간 내에 효소의 작용을 받아 탄산 가스와 물로 배설될 수 있어 낮은 독성을 나타낼 수 있다.
상기 기공은 1 ㎛ 내지 50 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 상기 기공은, 예를 들어 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 10 ㎛ 내지 50 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 10 ㎛ 내지 45 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 10 ㎛ 내지 40 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 10 ㎛ 내지 35 ㎛의 직경을 가질 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체는 85% 이상의 기공률을 가질 수 있다. 상기 하이드로겔 구조체는, 예를 들어 86% 이상의 기공률을 가질 수 있고, 예를 들어 87% 이상의 기공률을 가질 수 있고, 예를 들어 88% 이상의 기공률을 가질 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체는 상기 범위 내의 마이크로 크기의 기공직경 또는/및 높은 기공률을 가진다면, 비다공성 비드와 비교하여 넓은 표면적을 가질 수 있다. 이로써, 식품 부패시 발생하는 유해균에 대한 노출면적이 넓어 보다 효율적인 검출이 가능하다.
상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead), 섬유, 부직포, 필름, 또는 이들 조합 형태인 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead) 또는 섬유일 수 있다. 상기 비드의 형태는 구형, 타원형, 또는 막대형 등일 수 있고, 예를 들어 구형일 수 있다.
상기 비드 또는 섬유는 200 ㎛ 내지 3 mm의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 2 mm의 직경, 예를 들어 200 ㎛ 내지 1 mm의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 900 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 800 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 700 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 600 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 500 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 예를 들어 200 ㎛ 내지 400 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 상기 비드 또는 섬유 형태의 하이드로겔 구조체는 필름 형태에 비해 표면적이 넓어 식품 유해균의 감지능력이 개선될 수 있다.
상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) 또는 레자주린(7-Hydroxy-3 H -phenoxazin-3-one 10-oxide)으로부터 선택된 염료일 수 있다. 예를 들어, 상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide)일 수 있다. 그러나 상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 이에 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 사용 가능한 모든 미생물 검출가능한 색변화 염료의 사용이 가능하다.
상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 그 표면에 유해균이 부착될 때 내부의 미생물 검출가능한 색변화 염료의 확산에 의해 상기 유해균의 세포막이 염색되어 색이 변화될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체(비드)를 이용하여 식품 부패의 감지가 가능한 메커니즘을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 바이오센서용 하이드로겔 구조체(비드) 내에 생분해성 고분자(1) 및 미생물 검출가능한 색변화 염료(2)를 포함하고, 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체 내부 또는/및 표면에 복수의 기공(3)을 포함하고 있다. 이 때 박테리아는 상기 하이드로겔 구조체 표면(또는 표면의 수막층(미도시))에 부착되게 되며, 상기 하이드로겔 구조체 내부의 미생물 검출가능한 색변화 염료의 확산에 의해 상기 박테리아의 세포막이 염색되어 색 변화된 박테리아로 변하게 되고 상기 하이드로겔 구조체(비드)의 색이 변하게 된다. 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체(비드)는 다공성 구조체로서 박테리아에 노출 가능한 표면적이 증가하여 식품 부패시 보다 용이하게 박테리아를 감지할 수 있다.
상기 유해균은 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella), 황색포도상 구균(Staphylococcus aureus), 장염 비브리오균(Vibrio parahaemolyticus), 바실러스 세레우스균(Bacillus cereus), 또는 이들 조합으로부터 선택될 수 있다. 상기 유해균은, 예를 들어 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella), 또는 이들 조합으로부터 선택될 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체의 함수율은 10% 내지 900%일 수 있다. 상기 함수율은 지시염료의 해리와 확산에 있어 중요한 역할을 한다. 상기 함수율은 하이드로겔 구조체를 평형상태에서(증류수에서) 소정 시간 동안 팽윤시켜 팽윤된 하이드로겔 구조체의 질량과 건조된 하이드로겔 구조체의 질량의 차이를 건조된 하이드로겔 구조체의 질량으로 나누어 100을 곱하여 구할 수 있다. 상기 하이드로겔 구조체의 함수율은, 예를 들어 20% 내지 900%일 수 있고, 예를 들어 50% 내지 900%일 수 있고, 예를 들어 80% 내지 900%일 수 있고, 예를 들어 100% 내지 900%일 수 있고, 예를 들어 200% 내지 900%일 수 있고, 예를 들어 300% 내지 900%일 수 있고, 예를 들어 350% 내지 900%일 수 있다.
상기 하이드로겔 구조체는 식품 보관용 포장재 또는 식품 보관 용기 표면에 패치 형태 또는 투과성이 높은 포장재 또는 식품 보관 용기라면 그 내부에 포함될 수 있다. 따라서 상기 하이드로겔 구조체는 소형화 및 휴대성이 확보될 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 바이오센서는 전술한 하이드로겔 구조체를 포함할 수 있다.
또다른 일 구현예에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은, 생분해성(biodegradable) 고분자 용액 및 염기성 화합물 수용액을 첨가하여 이종의 제1차 상 분리가 이루어진 제1 혼합액을 제조하는 단계; 상기 제1 혼합액에 유화제 수용액을 첨가하여 이종의 제2차 상 분리가 이루어진 제2 혼합액을 제조하는 단계; 상기 제2 혼합액에서 용매를 제거하고 건조하여 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계; 및 상기 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 하이드로겔 구조체 내부에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 전술한 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 하이드로겔 구조체(비드)의 제조방법의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 일 구현예에 따른 하이드로겔 구조체(비드)는 다음과 같은 순서로 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조할 수 있다.
우선, 생분해성(biodegradable) 고분자 용액 및 염기성 화합물 수용액을 첨가하여 이종의 제1차 상 분리가 이루어진 제1 혼합액을 제조한다.
상기 염기성 화합물 수용액은 NH4HCO3을 포함할 수 있다. 상기 염기성 화합물 수용액의 농도는 1 중량% 내지 20 중량%을 포함할 수 있다. 상기 염기성 화합물 수용액이 상기 범위 내의 농도를 가진다면, 약 300% 이상의 높은 함수율을 가질 수 있다.
상기 제1 혼합액에서 이종의 제1차 상 분리는 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이에 계면 형성으로 상 분리되는 것일 수 있다. 상기 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이의 부피비는 생분해성 고분자 용액의 농도, 염기성 화합물 수용액의 농도, 또는/및 제1 혼합액 제조를 위한 호모게나이저와 같은 균질기의 교반속도 등을 조절하여 적절한 범위 내에서 얻을 수 있다.
다음으로, 상기 제1 혼합액에 유화제 수용액을 첨가하여 이종의 제2차 상 분리가 이루어진 제2 혼합액을 제조한다.
상기 유화제는 예를 들어, 폴리비닐알코올(PVA)를 사용할 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고, 당해 기술분야에서 사용 가능한 모든 유화제의 사용이 가능하다. 상기 제2 혼합액에서 이종의 제2차 상 분리는 수상, 오일상, 및 수상의 세 종의 상 분리되는 것일 수 있다.
다음으로, 상기 제2 혼합액에서 용매를 제거하고 건조하여 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득한다. 상기 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계는 제2 혼합액에서 용매 제거 공정과 동시에 염기성 화합물 수용액에서 가수분해에 의한 가스 발생이 이루어진 공정을 포함할 수 있다. 이로 인해, 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득할 수 있다.
상기 제2 혼합액에서 건조는 동결건조일 수 있다. 상기 동결건조는 예를 들어, -60℃ 내지 60℃ 온도 범위 내에서 30분 내지 24 시간 동안 수행할 수 있다.
상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법은 저비용으로 대량생산이 가능하다.
이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: 다공성 하이드로겔 비드의 제조
5 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액 및 7 mL의 메틸렌클로라이드(CH2Cl2)에 240 mg의 폴리(락타이드-코-글리코라이드) (PLGA) 생분해성 고분자(Sigma Aldrich 제조, Mw: 30,000 ~ 60,000)를 분산시킨 생분해성 고분자 용액을 준비하였다. 상기 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액과 생분해성 고분자 용액을 호모게나이저(T25D, IKA 제조)를 이용하여 12,000 rpm 속도로 교반하여 수상(water phase)과 오일상(oil phase)이 각각 6:21 부피비인 이종의 제1차 상 분리가 이루어진 제1 혼합액을 제조하였다.
상기 제1 혼합액에 0.1 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 유화제 수용액 150 mL을 첨가 및 교반하여 수상(water phase), 오일상(oil phase), 수상(water phase)의 이종의 제2차 상 분리가 이루어진 제2 혼합액을 제조하였다.
상기 제2 혼합액에서 CH2Cl2 용매를 증발시켜 제거하고 실온에서 동결건조하여 약 374.7 ㎛ 직경을 갖는 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하였다.
실시예 2: 다공성 하이드로겔 비드의 제조
5 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액 대신 10 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하였다.
실시예 3: 다공성 하이드로겔 비드의 제조
5 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액 대신 20 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하였다.
실시예 4: 다공성 하이드로겔 비드의 제조
5 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액 대신 2.5 중량%의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액을 사용하고, 상기 중탄산암모늄(NH4HCO3) 수용액과 생분해성 고분자 용액을 호모게나이저(T25D, IKA 제조)를 이용하여 12,000 rpm 속도 대신 6,000 rpm 속도로 교반하여 수상(water phase)과 오일상(oil phase)이 각각 6:21 부피비인 이종의 제1차 상 분리가 이루어진 제1 혼합액을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 약 229.8 ㎛ 직경을 갖는 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하였다.
비교예 1: 비다공성 하이드로겔 비드의 제조
7 mL의 메틸렌클로라이드(CH2Cl2)에 240 mg의 폴리(락타이드-코-글리코라이드) (PLGA) 생분해성 고분자(Sigma Aldrich 제조, Mw: 30,000 ~ 60,000)를 분산시킨 생분해성 고분자 용액을 준비하였다. 상기 생분해성 고분자 용액에 0.1 중량%의 폴리비닐알코올(PVA) 유화제 수용액 150 mL을 첨가 및 교반하여 수상(water phase)과 오일상(oil phase)이 각각 6 : 21 부피비인 이종의 상 분리가 이루어진 혼합액을 제조하였다.
상기 혼합액에서 CH2Cl2 용매를 증발시켜 제거하고 실온에서 건조하여 약 374.7 ㎛ 직경을 갖는 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하였다.
분석예 1: 주사전자현미경(SEM) 사진 분석
비교예 1에 의해 제조된 비다공성 하이드로겔 비드, 및 실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드에 대하여 주사전자현미경(JSM-7610F, JOEL 제조)을 이용하여 관찰하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 각각 나타내었다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드는 비교예 1에 의해 제조된 비다공성 하이드로겔 비드와 비교하여 표면에 복수 개의 기공이 발생하였음을 알 수 있다.
분석예 2: 기공 크기 및 기공률 분석
실시예 1 및 실시예 4에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드에 대하여 Mercury intrude porosimeter (MIP)（AutoPore IV 9520 ，Micromeritics 제조）를 이용하여 다공성 하이드로겔 비드의 기공직경 및 기공률을 측정하였다. 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다.
구분 기공직경(㎛) 기공률(%)
실시예 1 약 12.5 88.99
실시예 4 약 26.6 92.91
[표 1]을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 4에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드는 약 10 ㎛ 이상의 마이크로 기공직경을 갖고 있으며, 약 85% 이상의 기공률을 가지고 있음을 알 수 있다.
분석예 3: 함수율 분석
실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드에 대하여 함수율을 분석하였다. 여기에서, 함수율은 평형상태에서(증류수에서) 상기 하이드로겔 비드의 팽윤 시간을 8시간으로 고정하였고 하기 [수학식 1]을 이용하여 계산하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.
[수학식 1]
함수율(%) = [(팽윤된 비드 질량 - 건조된 비드 질량)/(건조된 비드 질량) X 100]
도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드는 각각 약 350% 내지 약 900%의 함수율을 나타내었다.
평가예 1: 유해균 감지 평가
실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드 0.1g을 박테리아 용액에 12시간 동안 함침시켜 이후 상기 비드의 색 변화를 카메라(VH-310G2, Nikon 제조)로 관찰하였다. 그 결과를 도 6에 나타내었다.
박테리아로는 식품 부패시 생성되는 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 사용되었다. 박테리아 용액은 600nm 파장에서 OD값을 1로 고정하였고, OD값이 1일 때, 대장균(Escherichia coli, E. coli) 용액의 농도는 약 0.6~2x109 (cells/mL) 이었다. 상기 박테리아 용액에 함침된 다공성 하이드로겔 비드를 인산염 버퍼 용액(phosphate buffer solution, PBS)으로 세척한 이후, 0.5 중량% 농도의 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) 용액 1mL에 함침시켰다. 이때 사용된 MTT 용액은 트리아졸 블루 테트라졸륨 브로마이드 분말을 phosphate buffer saline(PBS) 부유액에 5 mg/mL 농도로 용해한 용액이었다.
도 6을 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드의 색이 노란색에서 보라색으로 변화하였다. 이로부터 상기 다공성 하이드로겔 비드 표면에 식품 부패시 발생하는 박테리아로서 유해균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)이 부착되었음을 확인할 수 있다. 이는 박테리아로서 유해균인 대장균(Escherichia coli, E. coli)의 대사활동으로 인해 대장균 세포의 미토콘드리아에 있는 탈수소 효소에 의한 테트라졸륨염의 환원으로 포르마잔 결정(formazan crystal)이 생성됨에 기인하는 것으로 여겨진다. 또한 실시예 1에 의해 제조된 다공성 하이드로겔 비드는 넓은 비표면적을 갖기에 그 표면에 박테리아의 흡착율이 높았다.
1, 11: 생분해성 고분자, 2, 12: 미생물 검출가능한 색변화 염료,
3, 13: 기공, 4: 박테리아

Claims (21)

  1. 내부에,
    생분해성(biodegradable) 고분자; 및
    미생물 검출가능한 색변화 염료;를 포함하며,
    표면 및 내부 중 적어도 일 부분에 복수의 기공을 포함하는 다공성인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 그 표면에 수막층(water layer)를 더 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자는 폴리에스테르계 고분자, 이의 무수물, 및 이의 공중합체로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 생분해성 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 고분자를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체:
    [화학식 1]
    Figure pat00002

    상기 화학식 1에서,
    R1, R2, R3, R4는 서로 독립적으로 수소원자, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 이들의 조합이며;
    m, n은 각각 5 내지 100,000의 정수이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화학식 1에서, R1은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기공은 1 ㎛ 내지 50 ㎛의 직경을 갖는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔 구조체는 85% 이상의 기공률을 갖는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔 구조체는 비드(bead), 섬유, 부직포, 필름, 또는 이들 조합 형태인 것을 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비드 또는 섬유는 200 ㎛ 내지 3 mm의 직경을 갖는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 미생물 검출가능한 색변화 염료는 MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide) 또는 레자주린(7-Hydroxy-3 H -phenoxazin-3-one 10-oxide)으로부터 선택된 염료인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체는 그 표면에 유해균이 부착될 때 내부의 미생물 검출가능한 색변화 염료의 확산에 의해 상기 유해균의 세포막이 염색되어 색이 변화되는 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유해균은 대장균(Escherichia coli, E. coli), 살모넬라균(Salmonella), 황색포도상 구균(Staphylococcus aureus), 장염 비브리오균(Vibrio parahaemolyticus), 바실러스 세레우스균(Bacillus cereus), 또는 이들 조합으로부터 선택된 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔 구조체의 함수율은 10% 내지 900%인 바이오센서용 하이드로겔 구조체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 하이드로겔 구조체를 포함하는 바이오센서.
  15. 생분해성(biodegradable) 고분자 용액 및 염기성 화합물 수용액을 첨가하여 이종의 제1차 상 분리가 이루어진 제1 혼합액을 제조하는 단계;
    상기 제1 혼합액에 유화제 수용액을 첨가하여 이종의 제2차 상 분리가 이루어진 제2 혼합액을 제조하는 단계;
    상기 제2 혼합액에서 용매를 제거하고 건조하여 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계; 및
    상기 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 미생물 검출가능한 색변화 염료 용액에 함침하고 상기 하이드로겔 구조체 내부에 미생물 검출 가능한 색변화 염료를 흡착시켜 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 염기성 화합물 수용액은 NH4HCO3을 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 염기성 화합물 수용액의 농도가 1 중량% 내지 20 중량%인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 혼합액에서 이종의 제1차 상 분리는 오일상(oil phase)과 수상(water) 사이에 계면 형성으로 상 분리되는 것인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제2 혼합액에서 이종의 제2차 상 분리는 수상, 오일상, 및 수상의 세 종의 상 분리되는 것인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 다공성 바이오센서용 하이드로겔 구조체를 수득하는 단계는 제2 혼합액에서 용매 제거 공정과 동시에 염기성 화합물 수용액에서 가수분해에 의한 가스 발생이 이루어진 공정을 포함하는 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제2 혼합액에서 건조는 동결건조인 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법.
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