KR20200067263A - 마이크로 패턴화된 전도성 하이드로젤 및 이의 제조방법 - Google Patents

마이크로 패턴화된 전도성 하이드로젤 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공한다. 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법은 펨토초 레이저를 이용하여 하이드로젤 상에 직접 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예는 짧은 주파수의 레이저를 이용함으로써 미세한 패턴 형성이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 패턴화된 전도성 하이드로젤 및 이의 제조방법{Micropatterned conductive hydrogel and method for producing the same}
본 발명은 하이드로젤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 하이드로젤에 관한 것이다.
인체의 손상된 조직을 재건하기 위한 이식방법에는 이종이식, 동종이식, 자가이식이 있다. 이종이식은 면역 부적합성 및 레트로바이러스를 포함하는 인수공통 병원체 전달의 문제를 갖는다. 또한, 동종이식은 제공자의 면역 거부 및 이용불가능성의 문제를 가지며, 자가이식은 필요한 양만큼의 적절한 조직을 얻기 어려우며 환자에 대한 외상의 증가의 문제를 가진다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 인공 대체물이나 세포를 배양하여 조직화시킨 것을 그대로 이식하려고 하는 기술이 주목되고 있다. 2004년 순수한 세포 자체를 이용하여 제작한 세포시트(cell sheet)를 이용한 망막 재생에 관한 연구가 New England journal of Medicine에 발표된 뒤 조직공학 분야에서 세포만을 이용한 3차원 인공조직에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
생체 시료를 이용한 세포막 전달 및 조직 공학은 근육 질환 치료를위한 재생 약제로 널리 사용되고 있다. 이러한 방법에서 생체 재료를 사용하는 조직 공학은 근육 질환에 대한 응용 가능성이 가장 크다. 생체 물질을 근육 질환에 적용하기 위해서는 골격근 조직의 특성을 고려해야 한다. 따라서, 전기 전도도, 전기 활성도, 섬유의 평행 정렬 및 부드럽고 낮은 탄성 계수가 우수한 세포를 배양하기 위한 배양 매트릭스에 대한 기술개발이 요구되고 있다.
대한민국공개특허 제10-1755041호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 세포의 평형 정렬이 가능한 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법은 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하는 단계, 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재에 펨토초 레이저를 조사하여 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재 상에 패턴구조를 형성하는 단계 및 상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원하여 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 패턴구조는 조직구조 모방 패턴을 포함할 수 있다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계는 10 μJ 내지 100 μJ 의 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계는 10Hz 이상의 주파수를 갖는 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계는 0.075mm/s 내지 1mm/s의 스캔속도로 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계는 상기 하이드로젤 기재 상에 패턴거리 20㎛ 내지 80㎛의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계는 환원용액을 이용하여 상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 환원용액은 멜라토닌, 아미노산, 폴리페놀 또는 아스코르브 산을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법은 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하는 단계, 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원하여 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계 및 상기 전도성 하이드로젤 기재에 펨토초 레이저를 조사하여 패턴구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또다른 실시예는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제공한다.
이때, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 종래 롱펄스 레이저와 본 발명의 실시예에 따른 펨토초 레이저를 비교한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 스캔속도에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 레이저 주파수에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 레이저 에너지에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 패턴거리에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 패턴거리에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법에 따라 제조한 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 3일 후 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 7일 후 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 후 세포 형태를 분석한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 후 세포 방향을 분석한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 후 유전자 발현 양상을 분석한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법은 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하는 단계(S100), 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재에 펨토초 레이저를 조사하여 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재 상에 패턴구조를 형성하는 단계(S200) 및 상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원하여 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 패턴구조는 조직구조 모방 패턴을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 조직구조 모방 패턴은 생물 신체 조직의 구조를 모방한 패턴일 수 있다. 예를 들어, 상기 조직구조 모방 패턴은 방향성을 가지는 조직의 세포시트를 제조하기 위해서 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 방향성을 가지는 조직은 근육조직 또는 신경조직을 포함할 수 있다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계(S200)는 10 μJ 내지 100 μJ 의 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 10 μJ 미만의 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 이용할 경우, 낮은 에너지로 인해 하이드로젤 기재에 패턴 형성이 어려울 수 있다.
이때, 100 μJ 초과의 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 이용할 경우, 높은 에너지로 인해 하이드로젤 기재에 결함이 발생할 수 있다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계(S200)는 10Hz 이상의 주파수를 갖는 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 10Hz 미만의 주파수를 갖는 펨토초 레이저를 이용할 경우, 레이저 조사시 중첩비율이 낮아짐에 따라 하이드로젤 기재에 패턴 형성이 어려울 수 있다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계(S200)는 0.075mm/s 내지 1mm/s의 스캔속도로 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 0.075mm/s 미만의 스캔속도로 펨토초 레이저를 조사하는 경우, 패턴 형성 도중 하이드로젤이 건조되어 하이드로젤 기재에 결함이 발생할 수 있다.
이때, 1mm/s 초과의 스캔속도로 펨토초 레이저를 조사하는 경우, 빠른 스캔 속도로 인해 연속적인 패턴의 형성이 어려울 수 있다.
이때, 상기 패턴구조를 형성하는 단계(S200)는 상기 하이드로젤 기재 상에 패턴거리 20㎛ 내지 80㎛의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패턴거리를 20㎛ 미만으로 형성할 경우, 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 세포 분화시 다핵 융합 형성이 어려울 수 있다.
이때, 상기 패턴거리를 80㎛ 초과로 형성할 경우, 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 세포 분화시 세포의 정렬이 어려울 수 있다.
이때, 상기 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계(S300)는 환원용액을 이용하여 상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계(S300)에서 그래핀산화물이 환원됨에 따라 하이드로젤 기재의 전도성이 더욱 향상될 수 있다. 그래핀산화물(Graphene Oxide, GO)는 sp2 결합 네트워크의 p-궤도의 ππ상호 작용으로 인해 높은 기계적 강도와 우수한 전기 전도성을 나타낸다. GO의 산소 작용기는 수소 결합 및 전하 상호 작용을 통해 단백질과 같은 다양한 화합물과의 활성 상호 작용을 촉진한다. 또한, 그래핀산화물(GO)을 환원하여 환원된 그래핀산화물(rduced Graphene Oxide, rGO)를 형성할 경우, sp2 결합 네트워크의 p-궤도의 ππ상호 작용이 향상되어 더욱 우수한 전기 전도도를 가지게 된다. 따라서 환원된 그래핀산화물을 세포 배양 기재에 적용할 경우 세포간 전기 신호 교환이 원활해지고, 이를 통해 우수한 세포를 배양할 수 있게 된다.
이때, 상기 환원용액은 멜라토닌, 아미노산, 폴리페놀 또는 아스코르브 산을 포함하는 것을 특징으로 한다.
종래 롱 펄스 레이저를 하이드로젤 패터닝에 이용할 경우, 높은 에너지의 레이저를 이용함에 따라 레이저 주위로 크게 홈이 형성됨과 동시에 잔해가 발생하고 기재 표면에 손상이 생길 수 있다. 또한, 충격파에 의해 마이크로 균열이 할 수 있다. 나아가, 레이저에 의해 기재가 녹는 부위(melt zone)이 형성되기도 하며 잔열이 패턴 형성부분 주변의 기재로 전달되기도 한다.
반면, 본 발명의 실시예와 같은 짧은 펄스의 레이저를 이용할 경우, 이와 같은 문제점 없이 레이저가 닿는 부근만 플라즈마 플럼이 형성되어 하이드로젤 기재 상에 정교한 패턴을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 이용할 경우 짧은 펄스를 가지는 펨토초 레이저를 이용함에 따라 하이드로젤 상에 미세한 패턴의 형성이 가능하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 하이드로젤 기재의 손상이 적은 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공할 수 있다.
실시예 1
본 발명의 실시예에 따라 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제조하였다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 3mg/mL 그래핀산화물(GO, Graphene Oxide) 및 8%(v/v) PAAm(polyacrylamide)을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하였다.
다음, 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재 상에 펨토초 레이저를 조사하여 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재 상에 패턴구조를 형성하였다.
다음, 상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 2 mg/mL 아스코르브 산 용액에 의해 환원시켜 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하였다. 도 2를 참조하면 이때 상기 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재에 마이크로패턴이 형성되어있는 것을 알 수 있다.
이때, 레이저 주파수, 레이저 에너지 및 스캔속도를 달리하여 전도성 하이드로젤을 제조하였으며, 이에 대한 결과를 도 3 내지 도 5 및 표 1 내지 표 3에 나타내었다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 스캔속도에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진이다. 이때, 각 사진 (a) 내지 (f)에 대한 조건 및 측정결과는 표 1에 나타내었다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 스캔속도에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타내었다.
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
레이저 주파수 (Hz) 10
레이저 에너지 (μJ) 97.14 15.5
스캔속도 (mm/s) 1 0.5 0.25 0.15 0.1 0.075
패턴 깊이 (㎛) 27.08±3.46 23.82±2.62 37.23±1.47 15.12±1.47 13.81±1.21 14.47±0.21
패턴 폭 (㎛) 64.67±5.62 71.85±2.81 72.53±5.45 29.61±0.91 34.12±2.81 38.52±3.12
도 3 및 표 1을 참조하면, 동일 주파수 및 동일 레이저 에너지 조건에서 스캔속도가 증가함에 따라 패턴의 연속성이 증가함을 알 수 있다. 또한, 레이저 조사시의 중첩 비율은 스캔 속도 및 한 지점(spot)의 크기에 따라 다른 것을 알 수 있다. 한편, 선의 깊이 및 폭은 레이저 에너지 또는 중첩 비율이 증가함에 따라 비례하여 증가함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 레이저 주파수에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진이다. 이때, 각 사진 (a) 내지 (c)에 대한 조건 및 측정결과는 표 2에 나타내었다.
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 레이저 주파수에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타내었다.
(a) (b) (c)
레이저 주파수 (Hz) 15 20 50
레이저 에너지 (μJ) 12.5
스캔속도 (mm/s) 0.05
패턴 깊이 (㎛) 5.80±57 6.64±0.69 9.58±2.04
패턴 폭 (㎛) 18.81±1.29 23.03±2.25 18.23±1.52
도 4 및 표 2를 참조하면, 동일 레이저 에너지 및 동일 스캔속도 조건에서 주파수와 중첩 비율이 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 따라 주파수가 증가함에 따라 패턴 깊이가 증가하는 양상을 보이며, 패턴 폭에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 레이저 에너지에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진이다. 이때, 각 사진 (a) 내지 (c)에 대한 조건 및 측정결과는 표 3에 나타내었다.
표 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 레이저 에너지에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타내었다.
(a) (b) (c)
레이저 주파수 (Hz) 1000
레이저 에너지 (μJ) 11.5 12.5 13.5
스캔속도 (mm/s) 7.0
패턴 깊이 (㎛) 5.32±0.69 7.48±1.74 10.84±2.57
패턴 폭 (㎛) 19.19±1.78 19.38±0.8 23.79±3.8
도 5 및 표 3을 참조하면, 동일 레이저 주파수 및 동일 스캔속도 조건에서 레이저 에너지가 증가함에 따라 패턴 깊이 및 패턴 폭이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 패턴 깊이 및 폭은 레이저의 주파수, 에너지 또는 스캔속도를 조절하여 원하는 값을 얻을 수 있다.
실시예 2
본 발명의 실시예에 따라 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제조하였다.
이때, 실시예 1과 같은 방법으로 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제조하였으며, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤은 10㎛의 패턴 깊이, 20㎛의 패턴 폭을 가지고 각각 20㎛, 50㎛ 또는 80㎛의 패턴 거리(pattern distance)를 가지는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤이 제조되었다. 이에 대한 분석 결과는 도 6 내지 도 7에 나타내었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 패턴거리에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 도 6의 (a)는 10㎛의 패턴 깊이, 20㎛의 패턴 폭을 가지는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤의 패턴 거리(pattern distance)를 정의한 모식도이다. 이때, 도 6의 (b)는 3D 레이저 현미경에 의한 마이크로패턴 이미지를 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법의 패턴거리에 따른 마이크로패턴 생성 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 7의 (a)는 패턴거리 20㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 3D 레이저 현미경 사진이고, (b)는 패턴거리 50㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 3D 레이저 현미경 사진이고, (c)는 패턴거리 80㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 3D 레이저 현미경 사진이고, (d)는 패턴거리 20㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 깊이 분석 사진이고, (e)는 패턴거리 50㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 깊이 분석 사진이고, (f)는 패턴거리 80㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 깊이 분석 사진이고, (g)는 패턴거리 20㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 깊이 분석 그래프이고, (h)는 패턴거리 50㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 깊이 분석 그래프이고, (i)는 패턴거리 80㎛의 마이크로패턴을 가지는 전도성 하이드로젤의 깊이 분석 그래프이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 이용하여 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제조할 경우, 하이드로젤 상에 좁은 패턴거리를 가지는 마이크로패턴을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법에 따라 제조한 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 사진이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 이용하여 도 8에 나타난 바와 같이 임의의 복잡한 패턴을 형성할 수 있음을 알 수 있다. 종래 마스크 몰드 패터닝을 이용할 경우 세밀한 패턴의 구현이 어려우나, 본 발명의 실시예에 따르면, 하이드로젤 상에 레이저를 이용하여 직접 패터닝함으로써 섬세하고 복잡한 패턴의 구현이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 임의의 다양한 패턴형성이 가능한 전도성 하이드로젤 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법을 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법은 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하는 단계, 그래핀산화물을 포함하는 상기 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원하여 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계 및 상기 전도성 하이드로젤 기재에 펨토초 레이저를 조사하여 패턴구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법과 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물의 환원시기만을 달리할 뿐, 나머지 기술내용은 동일한 것을 특징으로 한다. 따라서 중복되는 내용에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 설명한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤은 환원된 그래핀 옥사이드(reduced Graphene Oxide, rGO)를 포함할 수 있다.
그래핀산화물(Graphene Oxide, GO)는 sp2 결합 네트워크의 p-궤도의 ππ상호 작용으로 인해 높은 기계적 강도와 우수한 전기 전도성을 나타낸다. GO의 산소 작용기는 수소 결합 및 전하 상호 작용을 통해 단백질과 같은 다양한 화합물과의 활성 상호 작용을 촉진한다. 한편, 그래핀산화물(GO)을 환원하여 환원된 그래핀산화물(rduced Graphene Oxide, rGO)는 sp2 결합 네트워크의 p-궤도의 ππ상호 작용이 향상되어 그래핀산화물보다 더욱 우수한 전기 전도도를 가지게 된다. 따라서 본 발명의 또다른 실시예에 따라 환원된 그래핀산화물을 세포 배양 기재에 적용할 경우 세포간 전기 신호 교환이 원활해지고, 이를 통해 우수한 세포를 배양할 수 있게 된다.
이때, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤은 펨토초 레이저에 의해 마이크로패턴이 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 마이크로패턴은 조직구조 모방 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 조직구조 모방 패턴은 생물 신체 조직의 구조를 모방한 패턴일 수 있다. 예를 들어, 상기 조직구조 모방 패턴은 방향성을 가지는 조직의 세포시트를 제조하기 위해서 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 방향성을 가지는 조직은 근육조직 또는 신경조직을 포함할 수 있다.
이때, 상기 마이크로패턴 전도성 하이드로젤은 패턴거리가 20㎛ 내지 80㎛인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패턴거리가 20㎛ 미만인 경우, 세포 분화시 다핵 융합 형성이 어려울 수 있다.
이때, 상기 패턴거리가 80㎛ 초과인 경우, 세포 분화시 세포의 정렬이 어려울 수 있다.
비교예 1
본 발명의 실시예와 비교하기 위한 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제조하였다.
이때, 실시예 2과 같은 방법으로 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 제조하였으며, 단지 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 2 mg/mL 아스코르브 산 용액에 의해 환원시키는 단계를 생략하였다.
실험예 1
상기 비교예 1 및 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 세포배양을 수행하였다.
먼저, 패턴거리가 각각 0, 20㎛, 50㎛, 80㎛인 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 준비하였다.
다음, C2C12 근원세포(myoblast)를 5x104 cells/cm2의 밀도로 무균 하이드로 겔에 뿌렸다.
다음, 상기 C2C12 세포를 성장 배지 (10% (v/v) FBS, 1% (v/v) DMEM 중 항생제 용액)에서 90% 컨플루 언스까지 배양 하였다.
그 다음, 분화 배지 (2% (v/v) 말 혈청, 1% (v/v) DMEM 중의 항생제 용액)에서 배양하여 근원 분화를 유도하였다.
그 다음, 미오겐(Myogen)의 분화를 분화 3일차 및 분화 7일차 시점에 미오신 H 사슬(myosin heavy chain)을 이용한 면역 형광법(immunofluorescence)을 통해 평가하였으며, 이에 대한 결과를 도 9 내지 도 13에 나타내었다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 3일 후 사진이다.
도 9의 (a) 내지 (d)는 비교예 1에 의해 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 배양 및 분화한 세포의 MHC(붉은색) 면역염색 및 DAPI(푸른색) 핵 염색 이미지이다. 이때, (a)는 패턴거리 (b)는 패턴거리 20㎛, (c)는 패턴거리 50㎛, (d)는 패턴거리 80㎛을 가지는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 이용하였다.
도 9의 (e) 내지 (h)는 본 발명의 실시예 2에 의해 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 배양 및 분화한 세포의 MHC(붉은색) 면역염색 및 DAPI(푸른색) 핵 염색 이미지이다. 이때, (e)는 패턴거리 (f)는 패턴거리 20㎛, (g)는 패턴거리 50㎛, (h)는 패턴거리 80㎛을 가지는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 이용하였다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 7일 후 사진이다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 비교예 1에 의해 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 배양 및 분화한 세포의 MHC(붉은색) 면역염색 및 DAPI(푸른색) 핵 염색 이미지이다. 이때, (a)는 패턴거리 (b)는 패턴거리 20㎛, (c)는 패턴거리 50㎛, (d)는 패턴거리 80㎛을 가지는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 이용하였다.
도 10의 (e) 내지 (h)는 본 발명의 실시예 2에 의해 제조된 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 배양 및 분화한 세포의 MHC(붉은색) 면역염색 및 DAPI(푸른색) 핵 염색 이미지이다. 이때, (e)는 패턴거리 (f)는 패턴거리 20㎛, (g)는 패턴거리 50㎛, (h)는 패턴거리 80㎛을 가지는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 이용하였다.
도 9 내지 도 10을 참조하면, 마이크로패턴을 형성한 경우가 마이크로패턴을 형성하지 않은 경우 보다 더 많은 수의 다핵 근관이 관찰되었다. 그러나 패턴 거리 20㎛의 경우에는 패턴 홈의 거리가 너무 좁아 다핵 융합을 구분하기 어렵다. 한편, 그래핀 옥사이드 함유 전도성 하이드로젤보다 환원된 그래핀 옥사이드를 함유한 전도성 하이드로젤에서 더 많은 세포가 관찰되었다. 이를 통해 그래핀 옥사이드 보다는 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 전도성 하이드로젤이 근관 분화에 더욱 적합하고, 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤이 마이크로패턴이 형성되지 않은 전도성 하이드로젤보다 세포분화 및 근관 분화에 더욱 적합함을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 후 세포 형태를 분석한 그래프이다.
도 11의 (a) 내지 (c)는 근관 분화 3일 후 C2C12 세포를 분석한 결과로, (a)는 융합지수(fusion index), (b)는 MHC 종횡비(aspect ratio), (c)는 핵 환상성(nucleus circularity)을 나타내었다. 도 11의 (d) 내지 (f)는 근관 분화 7일 후 C2C12 세포를 분석한 결과로, (d)는 융합지수(fusion index), (e)는 MHC 종횡비(aspect ratio), (f)는 핵 환상성(nucleus circularity)을 나타내었다. 이때, NP는 패턴거리 0, P20은 패턴거리 20㎛, P50은 패턴거리 50㎛, P80은 패턴거리 80㎛을 의미한다. 이때, GO/PAAm은 비교예 1에 의해 제조된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤을 의미하고, r(GO/PAAm)24h는 실시예 2에 의해 제조된 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤을 의미한다.
도 11을 참조하면, 전반적으로, 환원된 그래핀 옥사이드를 함유하는 전도성 하이드로젤에서 세포를 배양 및 분화한 경우 더 우수한 형태학적 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 하이드로젤의 패턴거리가 증가함에 따라 C2C12 세포가 더욱 분화하는 것을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 후 세포 방향을 분석한 그래프이다.
도 12의 (a) 및 (b)는 근관 분화 3일 후의 분석결과를 나타낸 그래프로, (a)는 비교예 1에 의해 제조된 그래핀 옥사이드를 함유하는 하이드로젤에서 배양 및 분화한 결과이고, (b)는 실시예 2에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 함유하는 하이드로젤에서 배양 및 분화한 결과를 나타낸다.
도 12의 (c) 및 (d)는 근관 분화 7일 후의 분석결과를 나타낸 그래프로, (a)는 비교예 1에 의해 제조된 그래핀 옥사이드를 함유하는 하이드로젤에서 배양 및 분화한 결과이고, (b)는 실시예 2에 의해 제조된 환원된 그래핀 옥사이드를 함유하는 하이드로젤에서 배양 및 분화한 결과를 나타낸다.
이때, NP는 패턴거리 0, P20은 패턴거리 20㎛, P50은 패턴거리 50㎛, P80은 패턴거리 80㎛을 의미한다.
도 12를 참조하면, 패턴이 형성된 하이드로젤에서 세포들이 방향성을 가지고 정렬됨을 알 수 있다. 또한, 패턴거리가 좁아질수록 세포가 더욱 일방향성을 가지고 정렬되는 것을 알 수 있다. 종합적으로, 패턴거리 0, 20㎛, 50㎛, 80㎛ 중에서 패턴거리가 50㎛일때 가장 세포 정렬 및 근원 분화가 우수한 것으로 판단되었다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤에서 C2C12 근원 분화 후 유전자 발현 양상을 분석한 그래프이다.
도 13의 (a)는 미오제닌(Myogenin) 유전자 발현을 나타낸 그래프이고, (b)는 미오D(MyoD) 유전자 발현을 나타낸 그래프이고, (c)는 MHC 유전자 발현을 나타낸 그래프이다. 이때, 3DIV는 근원 분화 3일 후 결과값을 나타내고, 7DIV는 근원분화 7일 후 결과값을 나타낸다. 이때, GO/PAAm은 비교예 1에 의해 제조된 그래핀옥사이드(GO)를 포함하는 전도성 하이드로젤을 의미하고, r(GO/PAAm)24h는 실시예 2에 의해 제조된 환원된 그래핀산화물(rGO)을 포함하는 전도성 하이드로젤을 의미한다. 이때, NP는 패턴거리 0, P50은 패턴거리 50㎛을 의미한다.
도 13을 참조하면, 하이드로젤의 전도도가 증가한 경우, 즉, 본 발명의 실시예에 따라 환원된 그래핀 옥사이드를 포함하는 하이드로젤을 이용한 경우 유전자 발현 수준이 증가함을 알 수 있다. 또한, 패턴이 존재하는 경우에 패턴이 존재하지 않는 경우보다 유전자 발현 수준이 증가한다. MyoD는 미오제네시스 (myogenesis)의 초기 인자이기 때문에 분화가 많이 일어난 후인 7일 후 시점에서는 유전자 발현이 감소한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로패턴 전도성 하이드로젤을 이용할 경우, 마이크로패턴을 통해 세포를 원하는 형태로 정렬하여 분화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방향성을 가지는 마이크로패턴이 형성된 전도성 하이드로젤을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로패턴을 통해 세포정렬이 가능한 전도성 하이드로젤을 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하는 단계;
    상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재에 펨토초 레이저를 조사하여 상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재 상에 패턴구조를 형성하는 단계; 및
    상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원하여 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴구조는 조직구조 모방 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴구조를 형성하는 단계는 10 μJ 내지 100 μJ 의 에너지를 갖는 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패턴구조를 형성하는 단계는 10Hz 이상의 주파수를 갖는 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패턴구조를 형성하는 단계는 0.075mm/s 내지 1mm/s의 스캔속도로 펨토초 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패턴구조를 형성하는 단계는 상기 하이드로젤 기재 상에 패턴거리 20㎛ 내지 80㎛의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계는 환원용액을 이용하여 상기 패턴구조가 형성된 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원시키는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 환원용액은 멜라토닌, 아미노산, 폴리페놀 또는 아스코르브 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  9. 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재를 준비하는 단계;
    상기 그래핀산화물을 포함하는 하이드로젤 기재에 포함된 그래핀산화물을 환원하여 환원된 그래핀산화물을 포함하는 전도성 하이드로젤 기재를 제조하는 단계; 및
    상기 전도성 하이드로젤 기재에 펨토초 레이저를 조사하여 상기 전도성 하이드로젤 기재 상에 패턴구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법.
  10. 제1항 또는 제9항의 마이크로패턴 전도성 하이드로젤 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 마이크로패턴 전도성 하이드로젤.
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