KR20210069370A

KR20210069370A - 바이오 센서 및 이를 이용한 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법

Info

Publication number: KR20210069370A
Application number: KR1020190159106A
Authority: KR
Inventors: 이경균; 배남호; 이태재; 최봉길; 윤조희; 박홍준
Original assignee: 한국과학기술원; 강원대학교산학협력단
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-11
Also published as: KR102282271B1

Abstract

본 발명은, 분석 시료 내의 표적 균을 포집하기 위한 제1 파이버 및 제1 파이버 상에 배치된 pH 민감성 물질 (pH sensitive material) 로 구성된 제1 케이블, 및 제2 파이버 및 제2 파이버 상에 배치된 전도성 물질로 구성된 제2 케이블을 포함하는 바이오 센서 및 이를 포함하는 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공용 키트, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법을 제공한다.

Description

바이오 센서 및 이를 이용한 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법 {BIOSENSOR AND METHOD FOR PROVIDING INFORMATION OF DIAGNOSIS OF PERIODONTAL DISEASE USING OF THIS}

본 발명은 바이오 센서 및 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분석 시료에 대한 전위차를 기초로 pH를 측정하고, 표적 균에 대한 포집이 가능한 바이오 센서 및 이를 이용한 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법에 관한 것이다.

인간의 구강 내에는 수십억에 달하는 세균이 콜로니를 형성하면서 서식하여 플라그 (plaque) 를 이루고 있는데, 이때 플라그 내의 세균은 음식물로 섭취된 영양분을 이용하면서 살아간다.

한편, 치아 표면에 생성되는 플라그는 칫솔질에 의하여 제거될 수 있지만, 치아 사이 또는 치아와 잇몸 사이에 발생한 플라그는 칫솔질에 의하여 쉽게 제거될 수 없으며, 장기적으로 이는 치석으로 변화되어 구강 내 세균의 증식을 더욱 가속화 시키는 원인이 되고 있다.

이때, 증식된 세균으로부터 방출된 독성 물질은 치주 조직을 손상시켜 염증을 유발하고, 염증이 치조골로 전이될 경우에는 급성 또는 만성적 치주 질환 (periodontal disease) 을 유발시키게 된다.

치주 질환은 박테리아와 연관된 치은 조직의 염증성 질환으로, 치은 조직의 염증 생성과 같이 비교적 유순한 치은염 (gingivitis) 과, 치은 구조를 파괴하는 심각한 형태의 치주염 (periodontitis) 으로 분류될 수 있다.

이때, 치은염은 치조골의 파괴없이 치은 출혈과 같이 치은 부위에만 염증이 존재하는 가벼운 치주 질환으로서, 염증 처치에 의해 잇몸 조직이 정상적인 상태로 다시 환원될 수 있다. 즉, 치주 질환의 초기단계인 치은염은 연한 잇몸 조직에만 침범한 경증 단계로, 간단한 치과 치료로 환자의 신속한 회복이 가능하다.

그러나, 치주 질환의 후기 단계에 해당하는 치주염은, 복합 세균의 감염으로 치주 조직의 파괴와 골흡수로 치아를 지지하는 잇몸 및 뼈의 손상을 유도함에 따라, 치아의 손실이 발생할 수 있다.

보다 구체적으로, 치주 질환의 초기 단계인 치은염이 적절하게 치료되지 않으면, 치아 및 치주의 표면이 손상되어 손상 부위를 통해 세균이 치은 내로 직접 침투할 수 있다. 나아가, 세균으로부터 분비되는 효소, 내독소, 면역반응 유발물질 등의 물질들이 상피를 통과해서 치주 결합조직에 도달하여 염증을 발생시키고 조직의 괴사시킬 수 있다.

따라서, 치주 질환의 회복 가능성은, 치은염으로부터 치주염으로 진행되기 전 단계와 같은 치료 시기와 연관이 깊을 수 있음에 따라, 치주 질환에 대한 조기 진단이 매우 중요할 수 있다.

발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

한편, 치주 질환의 조기 진단을 위한 방법으로, 치주 질환을 일으키는 원인 균을 타겟으로 하는 다양한 키트들이 개발되었다.

보다 구체적으로, 세균으로부터 유래된 병독성 생성물의 검출, 및 환자의 면역계 또는 염증계로부터 유래된 호중구 엘라스타아제의 검출에 기초한 치주 질환 진단용 키트가 개발되었다.

나아가, 세균의 ITS (internal transcribed spacer region) 를 표적으로 하는 올리고뉴클레오티드, 치주 질환 원인 세균 특이적 올리고뉴클레오티드 및 세균 특이적 올리고뉴클레오티드를 포함하는 치주 질환 진단용 키트 및 상기 키트를 이용하여 치주 질환을 진단하는 방법이 제안되었다.

그러나, 상기 진단용 키트 및 이를 이용한 치주 질환 진단 시스템들은, 치주 질환을 유발시키는 다양한 원인 균의 감염 여부는 확인할 수 있지만, 정확한 원인 균의 진단이 어려울 수 있다. 나아가. 각 원인 균에 따른 진단 후 치료가 어렵다는 단점이 있고, 이에 소요되는 의료 비용의 부담 또한 매우 높다는 단점이 있다.

한편, 본 발명의 발명자들은, 치주 질환의 원인 균에 따른 pH 변화의 모니터링, 원인 균에 대한 분석이 치주 질환의 조기 진단에 대한 신뢰도 높은 정보를 제공할 수 있음을 인지할 수 있었다. 나아가, 본 발명의 발명자들은 pH 모니터링 및 원인 균에 대한 정확한 분석이 종래의 치주 질환 진단용 키트들이 갖는 한계점을 극복할 수 있음을 인지할 수 있었다.

보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 치주 질환 원인 균의 대사에 따른 치아 및 치주 표면의 pH의 변화를 관찰하고, 동시에 치주 질환의 원인 균에 대한 유전적 분석이 가능할 경우, 치주 질환의 정확하고 신속한 진단이 가능한 것을 인지할 수 있었다.

본 발명의 발명자들은, 보다 간편하고 신속하게 치주 상태에 대한 모니터링과, 정확한 구강 질환의 원인 분석을 위해, 플렉서블 (flexible) 하고, 핸들링이 용이한 파이버 형태의 바이오 센서를 적용하고자 하였다.

이때, 본 발명의 발명자들은, 복수의 파이버로 구성된 케이블 형태의 바이오 센서가, 높은 유연성을 갖고 과도한 사용, 긁힘 또는 손상에 의한 분석의 재현성 및 안전성의 결여를 극복할 수 있음을 인지할 수 있었다.

특히, 본 발명의 발명자들은, 파이버로 이루어진 케이블 형태의 pH 민감성을 갖는 바이오 센서가, 구강 내 pH 측정과 동시에, 파이버의 구조적 특성에 의해 치주 질환의 원인 균에 대한 포집이 가능한 것을 발견할 수 있었다.

그 결과, 본 발명의 발명자들은 두 가지 타입의 케이블로 구성된, pH 측정과 동시에 치주 질환 원인 균에 대한 검출이 가능한 바이오 센서를 개발하기에 이르렀다.

보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은 표적 균에 대한 포집이 가능한 파이버 및 파이버 상에 pH 민감성 물질이 코팅되어 분석 시료의 pH에 따른 전압을 측정하도록 구성된 케이블, 및 또 다른 파이버 상에 반쪽 전지 전위성을 부여하는 도전성 물질이 코팅된 케이블의 두 가지 타입의 케이블로 구성된 바이오 센서를 개발할 수 있었다.

본 발명의 발명자들은 이와 같은 바이오 센서에서 두 개의 케이블 간의 전위차를 기초로 타액과 같은 분석 시료에 대한 pH를 분석이 가능하고, 동시에 치주 질환 원인 균에 대한 포집이 가능함을 확인할 수 있었다.

이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수소 이온 농도에 따라 상이한 전위를 갖는 pH 민감성 물질 (pH sensitive material) 이 파이버 상에 코팅된 제1 케이블, 및 반쪽 전지 전위성을 부여하는 도전성 물질이 파이버 상에 코팅된 제2 케이블을 포함하는 바이오 센서를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 및 바이오 센서 상에 표집된 표적 균에 결합 가능한 바이오 리셉터를 포함하는, 치주 질환 진단용 키트를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 구강 내에 접촉하여, pH의 측정과 동시에 표적 균을 포집하여, 치주 질환의 진단에 대한 정보를 제공하도로 구성된, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 분석 시료 내의 표적 균을 포집하기 위한 제1 파이버 및 제1 파이버 상에 배치된 pH 민감성 물질 (pH sensitive material) 로 구성된 제1 케이블, 및 제2 파이버 및 제2 파이버 상에 배치된 전도성 물질로 구성된 제2 케이블을 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 표적 균은, 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블 상에는, 적어도 하나의 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나와 결합할 수 있는 바이오 리셉터가 더 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 파이버 또는 제2 파이버는, 카본 파이버 (Carbon Fiber), 페이퍼 포인트 (Paper Point), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 그래핀 (graphene), 풀러린 (fullerene), 카본 나노튜브 (carbon nanotube) 및 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블은, 제1 케이블의 일단 또는 제2 케이블의 일부 면에 형성된 홈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, pH 민감성 물질은 제1 파이버의 일단에만 형성되고, 도전성 물질은 제2 파이버의 일단에만 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블은, 표적 균에 대하여 접착성을 갖는, 접착부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블은, 표적 균을 포집하도록, 제1 케이블 또는 제2 케이블의 적어도 일면의 조도 (roughness) 가 다른 면에 비하여 상대적으로 높을 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 분석 시료는, 타액, 땀, 소변, 혈액, 혈장, 혈청, 눈물, 고름, 위액, 장액, 안구액, 복강액, 질액, 뇌척수액 및 체강액으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전도성 물질은 Ag/AgCl, Ag, Hg2SO₄, Ag/Ag⁺, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂, Ag/Ag₂SO₄, Cu/CuSO₄, KCl 포화된 칼로멜 반전지(SCE) 및 염다리 (Salt bridge) 백금으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, pH 민감성 물질은, 폴리아닐린 (polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리-N-메틸피롤 (poly-N-methylpyrrole), 폴리티오펜 (polythiophene), 폴리(에틸렌디옥시티오펜) (poly(ethylenedioxythiophene)), 폴리-3-메틸티오펜 (poly-3-methylthiophene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (poly(3,4-ethylenedioxythiphene); PEDOT), 폴리(p-페닐렌비닐렌) (poly(pphenylenevinylene); PPV) 및 폴리퓨란 (polyfuran) 으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 케이블 및 제2 케이블의 일단에 각각 연결되어, 전위차를 측정하도록 구성된 전위 측정부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제2 케이블 및 제2 케이블의 적어도 한 면을 외부에서 감싸도록 구성된 피복 물질층을 더 포함할 수 있다. 이때, 피복 물질층은, 폴리머, 세라믹 및 부전도체성 물질 중 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있다.

전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공용 키트가 제공된다. 본 발명의 정보 제공용 키트는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서, 및 바이오 센서에 포집된 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나와 결합 가능한 형광 프로브를 포함한다. 이때, 표적 균은 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나이다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 키트는, 형광 프로브의 세기에 기초하여 표적 균의 포함 여부를 결정하도록 구성된, 검출부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 검출부는, 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우 치주 질환 양성으로, 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 미만인 경우 치주 질환 음성으로, 표시하도록 더 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 키트는, 표적 균의 상기 DNA 또는 상기 RNA를 증폭하도록 구성된 증폭부를 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법이 제공된다. 본 발명의 정보 제공 방법은, 치아 표면, 치아 사이 및 치아와 잇몸 사이 중 적어도 하나의 목적 부위에 대하여, 표적 균을 포집하기 위한 제1 파이버로 구성된 제1 케이블 및 제2 파이버로 구성된 제2 케이블을 포함하는 바이오 센서를 접촉시키는 단계, 목적 부위에 접촉된 제1 케이블 또는 제2 케이블로부터 표적 균을 검출하는 단계, 및 검출 결과에 기초하여 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계를 포함한다. 이때, 제1 파이버 상에는 pH 민감성 물질이 배치되고, 제2 파이버 상에는 전도성 물질이 배치된다. 또한, 표적 균은, 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나이다.

본 발명의 특징에 따르면, 바이오 센서를 접촉시키는 단계 이후에, 제1 케이블 또는 제2 케이블을 절단하는 단계가 더 수행될 수 있다.

이때, 표적 균을 검출하는 단계는, 표적 균 혼탁액을 획득하도록, 절단된 제1 케이블 또는 제2 케이블과 용액을 혼합하는 단계, 표적 균 혼탁액과 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나에 대하여 특이적으로 결합하는 형광 프로브를 혼합하는 단계, 및 형광 프로브의 세기에 기초하여 표적 균의 농도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계는, 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우, 상기 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 미만인 경우보다, 치주 질환 발병의 위험도가 높은 것으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 표적 균을 검출하는 단계는, 제1 케이블 또는 제2 케이블의 일단에 대한 전위를 측정하는 단계, 전위에 기초하여, pH를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계는, pH에 기초하여, 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계를 함할 수 있다.

본 발명은, 치주 질환 원인 균의 대사에 따른 치아 및 치주 표면의 pH의 변화의 모니터링과, 동시에 치주 질환의 원인 균에 대한 유전적 분석이 가능한 바이오 센서를 제공함으로써, 치주 질환에 대한 정확하고 신속한 진단이 가능할 수 있다.

특히, 본 발명은 플렉서블하고, 핸들링이 용이한 파이버 형태의 바이오 센서를 제공함으로써, 보다 간편하고 신속하게 치주 상태에 대한 모니터링과, 정확한 구강 질환의 원인 분석이 가능할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은, 복수의 파이버로 이루어지고, pH 민감성 물질이 코팅된 케이블 형태의 바이오 센서를 제공함으로써, 구강 내 산도 측정과 동시에 구강 내 치주 질환의 원인 균의 포집이 가능할 수 있다.

이에, 본 발명은, 치주 질환 원인 균에 대한 정성적, 정량적 분석이 가능하여, 치주 질환에 대한 보다 구체적인 정보를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 구조적 특성에 의해, 도전층에서 금의 고유한 취성으로 인해, 기계적 응력 또는 가혹한 화학적 조건 하에서 기판으로부터의 불안전한 접착 또는 박리와 같은 문제를 갖는 종래의 pH 측정을 위한 바이오 센서의 한계를 극복할 수 있다.

나아가, 본 발명은, pH 측정 및 표적 균의 포집이 가능한 바이오 센서와 함께 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나와 결합 가능한 형광 프로브를 포함하는 키트를 제공함으로써, 치주 질환에 대한 현장 진단에 적용될 수 있다.

이에, 본 발명은, 구강 내 pH 모니터링이 가능할 수 있고, 치주 질환 및 구강 건강 상태와 연관된 임상적 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1a는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 바이오 센서에 기초한 치주 질환의 진단 시스템을 예시적으로 도시한 것이다.
도 1b 내지 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 기초한 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법의 절차를 예시적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 제조 방법의 절차를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한, pH 변화에 따른 기전력 (electromotive force, EMF) 의 분석 결과를 도시한 것이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한, 표적 균의 포집에 따른 분석 결과를 도시한 것이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 기초한, 표적 균에 대한 유전체 분석 결과를 도시한 것이다.

발명의 이점, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우, '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.

구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

본 명세서의 해석의 명확함을 위해, 이하에서는 본 명세서에서 사용되는 용어들을 정의하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 복수의 파이버로 구성된 케이블 형태의 센서로서, 분석 시료의 수소 이온 농도에 따라 상이한 전위를 갖는 pH 민감성 물질이 케이블 상에 코팅된 제1 케이블, 및 도전성 물질이 케이블 상에 코팅된 제2 케이블을 포함한다.

이러한 구조적 특징에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 두 개의 케이블에 대한 전위차를 기초로 pH를 측정할 수 있는 동시에, 표적 균, 예를 들어 치주 질환을 일으키는 원인 균을 포집하도록 구성된다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "표적 균"은 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나일 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고, 표적 균은 구강 질환, 특히 치주 질환을 일으키는 모든 원인 균일 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "분석 시료"는 표적 균을 포함하고, pH를 측정하고자 하는 모든 시료를 의미할 수 있다. 바람직하게, 분석 시료는 세포 용해물, 전혈, 혈장, 혈청, 침, 안구액, 뇌척수액, 땀, 뇨, 젖, 복수액, 활액 및 복막액의 유체 시료일 수 있다. 보다 바람직하게, 본원 명세서 내에서 분석 시료는, 타액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

선택적으로, 시료는, 그 종류에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 처리되기 전에 용해 (lysis) 될 수도 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "바이오 센서"는, 표적 균에 대한 검출 및 pH를 측정하기 위한 센서를 의미한다. 보다 구체적으로, 바이오 센서는, 시료 중에 복수의 전극을 침지시켜, 전극 간 전위차, 전류 또는 교류 임피던스를 측정함으로써 정량적으로 및/또는 정성적으로 pH를 분석하는 전기 화학적 기술이 적용되며, 동시에 표적 균에 대한 포집이 가능한 센서를 의미할 수 있다.

한편, 대부분의 pH 측정을 위한 바이오 센서들은 전위차, 이온 감음성 전계 효과 트랜지스터, 화학 저항성 트랜지스터를 기반으로 pH를 측정하기 위해, 금 박막이 기판의 표면에 증착된 형태를 갖는다. 그러나, 이러한 바이오 센서들은, 도전층에서 금의 고유한 취성으로 인해, 기계적 응력 또는 가혹한 화학적 조건 하에서 기판으로부터의 불안전한 접착 또는 박리와 같은 문제가 야기될 수 있다. 이에, 분석의 재현성이 떨어지고 pH 측정의 민감도 및 정확도가 떨어질 수 있다.

본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해 복수의 케이블로 구성된 pH센서를 제공한다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "케이블"은 전기 전도성을 갖는 전도성 케이블일 수 있다. 예를 들어, 케이블은, 복수개의 카본 파이버 가닥 (carbon fiber thread), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 그래핀 (graphene), 풀러린 (fullerene), 카본 나노튜브 (carbon nanotube), 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나의 유기물으로 구성된 전도성 케이블, 또는 페이퍼 포인트 (Paper Point) 로 이루어진 케이블일 수 있다.

바람직하게, 본 발명의 케이블은, 복수개의 카본 파이버 가닥으로 구성되어, 표적 균에 대한 포집이 가능한 전도성 케이블일 수 있다. 이러한 케이블은 탄소 직물 (carbon cloth) 로부터 유래할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 파이버로 이루어진 케이블은 다루기 용이하고, 가격이 저렴하며, 높은 전기 전도성 및 유연성을 가지고 있음에 따라, 바이오 센서의 소재로서 적합할 수 있다. 특히, 파이버로 이루어진 케이블은 절단이 용이할 수 있어, 포집된 표적 균에 대한 유전자 분석이 용이할 수 있다.

따라서, 케이블로 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 종래의 바이오 센서보다 향상된 기계적 물성을 가지고, 표적 균 특히 치주 질환의 원인 균에 대하여 보다 다양한 임상적 정보를 제공할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "제1 케이블"은, 표적 균에 대한 포집이 가능하고 바이오 센서 내에서 분석 시료의 전위를 측정하도록 구성된 센싱 전극을 의미할 수 있다. 특히, 제1 케이블은 수소 이온 농도 의존적으로 전위가 바뀌는 pH 민감성 물질이 코팅되어 있어, pH 측정을 위해 분석 시료와 직/간접적으로 반응하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 제1 케이블은, 분석 시료와 반응도록 pH 민감성 물질이 제1 케이블의 일단에 코팅되어 형성될 수 있다. 이때, pH 민감성 물질은, 제1 케이블의 일단과 같이 일부 영역에 코팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 제1 케이블의 전체 영역에 코팅될 수도 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "pH 민감성 물질"은 수소 이온 농도에 따라 상이한 전위를 갖는 물질을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 본원 명세에서 이용된 pH 민감성 물질은, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리-N-메틸피롤, 폴리티오펜, 폴리(에틸렌디옥시티오펜), 폴리-3-메틸티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌비닐렌) 및 폴리퓨란으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나일 수 있다. 바람직하게, pH 민감성 물질은 폴리아닐린일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "제2 케이블"은 표적 균에 대한 포집이 가능하고 pH변화에 안정적 전위를 갖는 반쪽 전지 전위성 케이블을 의미할 수 있다. 이러한 제2 케이블의 전위는 미리 결정되어 있을 수 있음에 따라, 제1 케이블을 통해 분석 시료의 기전력 또는 전극 전위를 측정할 때, 기준이 될 수 있는 기준 전극으로 이용될 수 있다.

한편, 이러한 제2 케이블은 반쪽 전지 반응성을 부여하는 도전성 물질이 코팅되어 있을 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 제2 케이블의 일 단에 반쪽 전지 전위성을 부여하는 도전성 물질이 코팅될 수 있다. 이때, 도전성 물질은, 제2 케이블의 일단과 같이 일부 영역에 코팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 제2 케이블의 전체 영역에 코팅될 수도 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "반쪽 전지"는 산화 또는 환원의 반쪽 반응에 따른 전위차가 발생하는 전지를 의미할 수 있다. 이에, 제1 케이블에서 분석 시료의 pH에 따라 산화 또는 환원 반응이 일어날 때, 제2 케이블은 반쪽 전지 전위성을 가질 수 있음에 따라, 제1 케이블과 상이한 환원 전극 또는 산화 전극으로 나타날 수 있다. 따라서, 제1 케이블에서의 발생 전위가 추정될 수 있다.

한편, 제2 케이블 상에 코팅되는 "도전성 물질"은, 산화 또는 환원 가역적인 물질로서, 온도 또는 pH 변화에도 반응성이 낮고, 일정한 전위차를 갖는 안정적인 물질일 수 있다. 이러한 도전성 물질은, 전위에 있어서 높은 재현성 (또는, 안전성) 을 갖고 산성 또는 염 용액에서 안정적이며, 취급이 용이할 수 있다.

예를 들어, 도전성 물질은 Ag/AgCl, Ag, Hg₂SO₄, Ag/Ag⁺, Hg/Hg₂SO₄, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂, Ag/Ag₂SO₄, Cu/CuSO₄, KCl 포화된 칼로멜 반전지(SCE) 및 염다리 백금의 전위차가 미리 알려진 물질일 수 있다. 바람직하게 도전성 물질은 Ag/AgCl일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 보다 다양한 물질이 될 수 있다.

예를 들어, 제2 케이블 상에 도전성 물질로서 Ag/AgCl이 코팅될 경우, 케이블 상에 패턴화된 은 (Ag) 층을 형성하고, 그 위에 염소를 전기 도금함으로써 Ag/AgCl의 코팅층이 형성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고 도전성 물질의 종류에 따라 다양한 방법으로 제2 케이블 상에 코팅될 수 있다.

선택적으로, 기준 전극의 제2 케이블은, pH의 간섭을 줄이기 위하여 외부를 유전 물질층을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 케이블 상에 도전성 물질과 함께 유전체 잉크 (dielectric ink) 가 코팅됨으로써, 제2 케이블은 pH의 변화에도 안정성을 가질 수 있다.

그러나, 유전 물질층의 코팅 방법은 이에 제한되는 것이 아니다. 예를 들어, 유전 물질층의 코팅은, 도전성 물질이 코팅된 제2 케이블 상에 유전 물질을 분사하는 방법을 통해 수행될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 및 제2 케이블의 표적 균을 포집하고, pH 측정을 위해 노출된 부분 이외에 영역에는, pH 측정의 간섭 방지를 위해 폴리머, 세라믹과 같은 부전도체의 피복 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 이러한 피복물질 층에 의해, 수분, 물리적 손상, 외부 환경으로부터 제1 케이블 및 제2 케이블의 보호가 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 제1 케이블 및 제2 케이블이 물리적으로 분리된 두 개의 케이블로 존재할 수 있고, 제1 케이블 및 제2 케이블로 기능적 구성이 분리된 단일의 케이블일 수도 있다.

예를 들어, 본 발명의 제1 케이블 및 제2 케이블은 하나의 케이블을 형성하도록, 제1 케이블 및 제 2 케이블의 외부를 감싸는 피복 물질 코팅층을 더 포함할 수 있다. 이러한 피복 물질 코팅층은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 유연성 및 전술한 바와 같은 기계적 물성을 향상시키는 것에 기여할 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 이용하여 분석 시료의 pH를 분석하고자 할 경우, 분석 시료가 제1 케이블과 접촉하는 한 pH 분석이 가능할 수 있다. 예를 들어, 제1 케이블 및 제2 케이블에 피복 물질 코팅층이 둘러 쌓임에 따라 하나의 케이블의 형태를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에, 분석 시료를 점적할 경우, 분석 시료는 제1 케이블 및 제2 케이블 모두와 반응할 수 있다. 그러나, 제2 케이블 상에는 pH 변화에도 안정적인 전위를 갖는 반쪽 반응성 물질이 코팅되어 있음에 따라, 제1 케이블과 분석 시료의 반응에 따른 전위의 측정이 가능할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 바이오 센서는, 표적 균의 포집이 가능한 제3 케이블을 더 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "제3 케이블"은, 제1 케이블 및 제2 케이블과 분리된 케이블로서, 표적 균의 포집이 가능하도록, 복수의 파이버로 구성된 케이블일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블 상에 표적 균에 접착성을 갖는 접착부를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "접착부"는 케이블 상에, 표적 균에 대한 접착 물질이 배치된 영역을 의미할 수 있다.

이때, 접착부는, 점성을 갖거나, 표적 균의 세포 벽 특이적으로 결합 가능한 접착 물질이 배치될 수도 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블은 표적 균을 포집하도록, 제1 케이블 또는 제2 케이블의 적어도 일면의 조도 (roughness) 가 다른 면에 비하여 상대적으로 높을 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블 상에 표적 균의 세포벽, DNA, 및 RNA 중 적어도 하나와 결합할 수 있는 바이오 리셉터가 더욱 배치될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "바이오 리셉터"는 표적 균과 특이적으로 결합하는 항원, 항체 및 앱타머를 의미할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블 상에 절단이 용이하도록 홈이 형성될 수 있다. 이때, 홈의 위치는, 표적 균이 상대적으로 높은 농도로 포집될 수 있는 제1 케이블 또는 제2 케이블의 말단부, 접착부의 뒷 부분, 바이오 리셉터가 배치된 영역의 뒷 부분, 조도가 높은 영역의 뒷 부분에 형성될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "전위 측정부"는 제1 케이블 및 제2 케이블의 일단에 각각 연결되어 전위차를 측정하도록 구성된 유닛 (unit) 일 수 있다. 이러한 전위 측정부는, 제1 케이블 및 제2 케이블의 전위차를 측정하도록, 분석 시료와 반응하는 단과 상이한 단에 연결될 수 있다. 그러나, 전위 측정부는 이에 제한되지 않고, 제1 케이블 및 제2 케이블 상에 보다 다양한 위치에서 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 출력부를 더욱 포함할 수 있다. 이때, 본 명세서에서 사용되는 용어, "출력부"는 전위차를 기초로 pH를 변환해주도록 구성된 유닛일 수 있다. 이때, 출력부는 전위 측정부와 연결될 수 있어, 전위 측정부에 측정된 분석 시료의 전위차를 pH 값으로 변환하여, 최종적으로 분석 시료에 대한 pH 값을 제공할 수도 있다.

보다 구체적으로, 출력부는 액정 표시 장치, 유기 발광 표시 장치 등을 포함하는 표시 장치일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 pH 값을 제공하는 한, 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 출력부는, 분석 시료의 전위차를 pH 값으로 변환하도록 구성된 프로세서를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 바이오 센서 및 형광 프로브를 포함하는, 치주 질환 진단에 대한 정보 제공용 키트가 더욱 제공된다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "형광 프로브"는 표적 균의 DNA 또는 RNA 서열 중 일부 서열과 상보적으로 결합 가능한 염기쌍으로, 형광물질이 표지된 프로브를 의미할 수 있다. 바람직하게, 형광 프로브는, 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나의 균에 대한 DNA 또는 RNA에 대하여 상보적으로 결합 가능한 염기쌍일 수 있다.

이때, 형광 프로브의 세기는, 표적 균의 농도에 비례할 수 있다. 이에, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서는 표적 균에 대한 정성 분석뿐만 아니라, 정량 분석에도 적용될 수 있다.

한편, 표적 균에 대한 정성 및 정략적 분석 방법은 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 검출 레이블 (detection label) 이 표지된 항체 및 앱타머에 기초하여 표적 균에 대한 정성 및 정량적 분석이 가능할 수 있다. 예를 들어, 화학물질 (예를 들어, 바이오틴), 효소 (예를 들어, 알칼린 포스파타아제, β갈락토시다아제, 호스 래디쉬 퍼옥시다아제 및 사이토크롬 P450), 방사능물질 (예를 들어, C14, I125, P32 및 S35), 형광물질 (예를 들어, 플루오레신), 발광물질, 화학발광물질 (chemiluminescent) 및 FRET (fluorescence resonance energy transfer) 의 검출 레이블이 표지된 항체 또는 앱타머를, 바이오 센서 내에 포집된 표적 균과 반응 시킨 후, 검출 레이블에 대한 수준을 측정함으로서, 효적 균의 정성 및 정량적 분석이 가능할 수 있다. 이때, 정성 및 정량적 분석은, FACS, 웨스턴 블롯, ELISA (enzyme linked immunosorbent assay), 면역침전, 면역조직화학 분석, 면역형광 분석, 방사성면역 분석, 도트 블롯팅, HPLC, 표면 플라즈몬 공명, 광학 분광분석법, 질량 분광측정법, HPLC, qPCR, RT-qPCR, 멀티플렉스 qPCR 또는 RT-qPCR, RNA-seq, 마이크로어레이 분석, 앱타머칩, SAGE, 매스어레이 (MassARRAY) 기술, 또는 FISH에 기초하여 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 키트는 표적 균의 세포 벽에 대한 용균 (lysis) 을 위한 물질을 더욱 포함할 수도 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어, "검출부"는 형광물질의 세기에 기초하여 상기 표적 균의 포함 여부, 나아가 이의 정량적 분석이 가능하도록 구성된 유닛일 수 있다.

이때, 검출부는 형광물질의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우 치주 질환 양성 (또는, 치주 질환 발병 위험도 높음) 으로, 상기 형광물질의 세기가 미리 결정된 수준 미만인 경우 치주 질환 음성 (또는, 치주 질환 발병 위험도 낮음) 으로, 나타나도록 더욱 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 정보 제공용 키트는 증폭부를 더욱 포함할 수 있다. 예를 들어, 포집된 표적 균은, 검출부에 적용되기 전에 PCR과 같은 증폭부에 의해 이의 유전자 수준의 증폭이 일어날 수도 있다. 이에, 소량으로 존재하는, 치주 질환 원인 균에 대한 민감도 높은 분석이 가능할 수 있다.

이하에서는, 도 1a 내지 1g를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1a는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 바이오 센서에 기초한 치주 질환의 진단 시스템을 예시적으로 도시한 것이다. 도 1b 내지 1g는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.

먼저, 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 (100) 는, 치주 질환 의심 개체의 치아 표면, 치간, 잇몸 등의 목적 부위 (210) 에 적용되어, pH의 센싱과 동시에, 치주 질환을 일으키는 표적 균 (310) 을 포집할 수 있다.

이때, 바이오 센서 (100) 는 복수의 파이버로 이루어진 케이블 형태를 가짐으로써, 유연성을 가질 수 있음에 따라, 치간 또는 잇몸과 같은 부위에 적용되기 더욱 용이할 수 있다.

나아가, 바이오 센서 (100) 는, 파이버 상에 타액과 같은 분석 시료에 대한 흡습과 동시에 표적 균 (310) 에 대한 흡착이 일어나, pH의 센싱과 동시에 표적 균 (310) 에 대한 포집이 가능할 수 있다.

결과적으로, 바이오 센서 (100) 의 타단과 연결된 전위 측정부 (미도시) 또는 검출부 (미도시) 에 의해 표적 균의 여부 및 이의 수준에 따른 pH 분석 및 이들의 정성/정량 분석 결과가 획득될 수 있다. 이와 같은 결과는, 치주 질환의 진단에 대한 정보로서 제공될 수 있다.

한편, 도 1b를 참조하면, 바이오 센서 (100) 는 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 의 두 개의 케이블 (110, 120) 으로 구성된다. 이때, 바이오 센서 (100) 내에서 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 은 피복물질 층 (130) 으로 둘러 쌓여 있을 수 있다. 이에, 바이오 센서 (100) 는 단일의 케이블의 형태를 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 도 1c의 (a) 를 참조하면, 제1 케이블 (110) 은 끝단에 pH 민감성 물질이 코팅된 반응 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 영역 상에는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리-N-메틸피롤, 폴리티오펜, 폴리(에틸렌디옥시티오펜), 폴리-3-메틸티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌비닐렌) 및 폴리퓨란과 같은 pH 변화에 따라 전위차가 나타나는 물질이 코팅될 수 있다. 바람직하게, 반응 영역 상에는 폴리아닐린의 pH 민감성 물질이 코팅될 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다. 한편, 반응 영역은 제1 케이블 (110) 상에서 분석 시료와 직접적으로 닿는 곳으로, 분석 시료의 pH에 따른 전위차가 일어나는 영역일 수도 있다. 동시에, 제1 케이블 (110) 은, 파이버의 성질에 의해 표적 균 (310) 이 흡착될 수 있다. 이때, 표적 균 (310) 은, 제1 케이블 (110) 이 목적 부위 (210) 에 접촉하는 면적에 따라, 다양한 범위의 영역에 흡착될 수 있다.

한편, 제2 케이블 (120) 은 끝단에 도전성 물질이 코팅된 기준 영역을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 기준 영역상 에는 pH에 안정성을 갖고 재현성이 높은 도전성 물질이 코팅되어 있음에 따라, 제2 케이블 (120) 은 기전력 또는 전극 전위를 측정할 때, 단극 전위가 일정한 기준 전극이 될 수 있다. 한편, 기준 영역상에는 Ag/AgCl, Ag, Hg₂SO₄, Ag/Ag⁺, Hg/Hg₂SO₄, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂, Ag/Ag₂SO₄, Cu/CuSO₄, KCl 포화된 칼로멜 반전지(SCE) 및 염다리 백금과 같은 안정적인 물질이 코팅될 수 있다. 바람직하게, 기준 영역 상에는 Ag/AgCl이 도전성 물질로서 코팅될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 도 1c의 (b)를 참조하면, 전자 현미경으로 촬영된 피복물질 층 (130) 에 둘러 쌓인 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 의 단면이 도시된다. 이때, 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 각각은 복수개의 카본 파이버 가닥으로 구성된 케이블일 수 있다. 이러한 구조적 특징에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 (100) 는 종래의 바이오 센서보다 기계적 물성 및 유연성이 증가될 수 있다. 나아가, 도 1c의 (c)를 더욱 참조하면, 표적 균 (310) 의 포집에 따른 파이버의 표면의 변화가 나타난다. 즉, 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 은 복수의 카본 파이버로 구성될 수 있어, 표적 균 (310) 에 대한 포집이 가능할 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 보다 다양한 소재, 예를 들어 페이퍼 포인트 (Paper Point), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 그래핀 (graphene), 풀러린 (fullerene), 카본 나노튜브 (carbon nanotube) 및 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.

나아가, 바이오 센서 (100) 의 구조적 특징은 이에 제한되는 것이 아니다.

예를 들어, 도 1d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100') 의 구조가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100') 는, 제1 케이블 (110), 제2 케이블 (120) 및 제3 케이블 (140) 의 세 개의 케이블 (110, 120, 140) 으로 구성된다. 이때, 제1 케이블 (110) 은 pH 민감성 물질이 코팅된, 작업 전극의 케이블일 수 있다. 나아가, 제2 케이블 (120) 은 도전성 물질, 보다 구체적으로 pH 안전성 물질이 코팅된 기준 전극의 케이블일 수 있다. 또한, 제3 케이블 (140) 은 카본 파이버로 이루어진 케이블로, 표적 균 (310) 에 대한 포집을 위한 케이블일 수 있다.

도 1e를 더욱 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100'') 의 구조가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100'') 는, 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 각각에 대하여 홈 (112, 122) 이 형성될 수 있다. 이에, 표적 균 (310) 이 상대적으로 높은 농도로 포집된 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 말단에 대한 절단이 용이할 수 있다.

이때, 홈 (112, 122) 의 위치는, 표적 균이 상대적으로 높은 농도로 포집될 수 있는 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 의 말단부에 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 홈 (112, 122) 은 후술할 접착부의 뒷 부분, 바이오 리셉터가 배치된 영역의 뒷 부분, 조도가 높은 영역의 뒷 부분에 형성될 수도 있다.

도 1f를 더욱 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100''') 의 구조가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100''') 의 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 각각에 대하여, 다른 면에 비하여 조도 (roughness) 가 상대적으로 높은 포집부 (114, 124) 가 형성될 수 있다. 즉, 거칠기가 상대적으로 높은 포집부 (114, 124) 상에는, 다른 면 보다 표적 균 (310) 이 상대적으로 높은 농도로 포집될 수 있다.

한편, 포집부 (114, 124) 상에는, 표적 균 (310) 의 세포벽 또는, 용균된 표적 균 (310) 유래의 DNA 또는 RNA와 특이적으로 결합 가능한 바이오 리셉터 (미도시) 가 더욱 배치될 수도 있다. 나아가, 포집부 (114, 124) 상에는, 표적 균 (310) 의 포집을 높일 수 있는 복수의 홈들, 복수의 돌기들이 더욱 형성될 수도 있다.

도 1g를 더욱 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100'''') 의 구조가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 (100'''') 의 제1 케이블 (110) 및 제2 케이블 (120) 각각에 대하여, 표적 균 (116) 에 대한 접착성을 갖는 접착부 (116, 126) 가 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 접착부 (116, 126) 는, 접착성 물질 층 (116a, 126a) 이 형성된 영역으로, 표적 균에 대한 포집이 용이할 수 있다. 이때, 접착성 물질 층 (116a, 126a) 각각은, 제1 케이블 (110) 상의 pH 민감성 물질 층 (116b), 제2 케이블 (120) 상의 도전성 물질 층 (126b) 위에 형성될 수 있다.

따라서, 점성이 상대적으로 높은 접착부 (116, 116) 상에는, 다른 면 보다 표적 균 (310) 이 상대적으로 높은 농도로 포집될 수 있다.

이하에서는, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 바이오 센서에 기초한 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법을 구체적으로 설명한다.

도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 기초한 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법의 절차를 예시적으로 도시한 것이다.

먼저, 도 2a를 참조하면, 치아 표면, 치아 사이 및 치아와 잇몸 사이 중 적어도 하나의 목적 부위에 대하여, 제1 케이블 및 제2 케이블을 포함하는 바이오 센서가 접촉된다 (S210). 그 다음, 목적 부위에 접촉된 제1 케이블 또는 제2 케이블로부터 표적 균이 검출된다 (S220). 마지막으로, 검출 결과에 기초하여 치주 질환에 대한 발병 위험도가 결정된다 (S230).

보다 구체적으로, 바이오 센서가 접촉되는 단계 (S210) 에서, 표적 균에 대한 포집과 동시에 pH 센싱이 가능한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서가, 치주 질환 의심 개체의 치아 표면, 치아 사이, 잇몸 중 적어도 하나의 부위에 접촉된다.

이때, 바이오 센서가 접촉되는 단계 (S210) 에서, 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나의 균에 대한 포집이 일어날 수 있다.

즉, 바이오 센서가 접촉되는 단계 (S210) 에서, 치주 질환의 원인 균에 대한 포집과 동시에, pH 센싱이 수행된다.

다음으로, 제1 케이블 또는 제2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 에서, 제1 케이블 또는 제2 케이블 상에 포집된 표적 균에 대한 분석이 진행된다.

본 발명의 특징에 따르면, 바이오 센서가 접촉되는 단계 (S210) 이후에, 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블이 절단되는 단계가 수행된다.

나아가, 제1 케이블 또는 제 2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 에서, 표적 균 혼탁액을 획득하도록, 절단된 제1 케이블 또는 제2 케이블과 용액이 혼합된다. 그 다음, 표적 균 혼탁액과 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나에 대하여 특이적으로 결합하는 형광 프로브가 혼합되고, 형광 프로브의 세기에 기초하여 표적 균의 농도가 결정된다.

예를 들어, 도 2b를 함께 참조하면, 바이오 센서가 접촉되는 단계 (S210) 에서, 치아, 치근 및 잇몸과 같은 목적 부위 (210) 에 존재하는, 표적 균 (310) 을 포함하는 분석 시료 (410) 와 바이오 센서 (100) 의 반응에 의해, pH 센싱 및 표적 균의 포집이 동시에 일어날 수 있다. 다음으로, 제1 케이블 또는 제 2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 에서, 제1 케이블 (110) 에 포집된 표적 균 (310) 에 대하여, 유전체 분석이 수행될 수 있다. 이때, 표적 균 (310) 특이적인 형광 표지된 프로브가 이용될 수 있어, 표적 균 (310) 의 확인이 가능하며, 이의 정량적 분석 또한 가능할 수 있다. 즉, 제1 케이블 또는 제2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 의 결과로, 표적 균에 대한 정성 및 정량적 분석 결과를 획득할 수 있다.

한편 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 또는 제2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 에서, 표적 균의 유전자 증폭을 위한 PCR 과정이 더욱 수행될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1 케이블 또는 제 2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 에서, 제1 케이블 또는 제2 케이블의 일단에 대한 전위가 측정되고, 전위에 기초하여, pH가 결정될 수 있다.

예를 들어, 도 2c를 함께 참조하면, 바이오 센서가 접촉되는 단계 (S210) 에서, 치아, 치근 및 잇몸과 같은 목적 부위 (210) 에 존재하는, 표적 균 (310) 을 포함하는 분석 시료 (410) 와 바이오 센서 (100) 의 반응에 의해, pH 센싱 및 표적 균의 포집이 동시에 일어날 수 있다. 다음으로, 제1 케이블 또는 제 2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 에서, 제1 케이블 (110) 에 포집된 표적 균 (310) 의 존재 여부에 따른 pH 값이 측정될 수 있다. 이때, 바이오 센서 (100) 에서 작업 전극의 제1 케이블의 타단 및 기준 전극의 제2 케이블의 타단 각각은, 검출부 (500) 에 연결될 수 있다. 이때, 검출부 (500) 는, 바이오 센서 (100) 에 대하여 측정된 전위에 기초하여, pH 값을 출력하도록 구성될 수 있다. 즉, 검출부 (500) 는 전위 측정부의 역할을 수행할 수도 있고, 측정된 전위에 기초하여 pH를 변환해주는 프로세서의 역할을 수행할 수도 있다. 따라서, 제1 케이블 또는 제2 케이블로부터 표적 균이 검출되는 단계 (S220) 의 결과로, 표적 균의 존재 여부, 또는 이들의 농도에 따른 pH 변화 모니터링이 가능할 수 있다.

마지막으로, 치주 질환에 대한 발병 위험도가 결정되는 단계 (S230) 에서, 분석 결과에 기초하여 치주 질환에 대한 발병 위험도가 제공된다.

본 발명의 특징에 따르면, 치주 질환에 대한 발병 위험도가 결정되는 단계 (S230) 에서는, 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우, 치주 질환 양성인 것으로 결정되고, 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 미만인 경우 치주 질환 음성인 것으로 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 치주 질환에 대한 발병 위험도가 결정되는 단계 (S230) 에서는, pH에 기초하여, 치주 질환에 대한 발병 위험도가 결정될 수 있다. 예를 들어, pH가 미리 결정된 수준 미만인 경우, 치주 질환 양성인 것으로 결정되고, 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우 치주 질환 음성인 것으로 결정될 수도 있다.

이상의 다양한 실시예에 따른, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법에 따라, 치주 질환 원인 균의 대사에 따른 치아 및 치주 표면의 pH의 변화의 모니터링과, 동시에 치주 질환의 원인 균에 대한 유전적 분석이 가능할 수 있다. 이에, 치주 질환에 대한 정확하고 신속한 진단이 가능할 수 있다.

이하에서는, 도 3를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 제조 방법의 절차를 구체적으로 설명한다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 제조 방법의 절차를 도시한 것이다.

도 3를 참조하면, 바이오 센서의 제조 방법은, 먼저 제1 케이블을 형성하도록, 분석 시료 내의 표적 균을 포집하기 위한 파이버 상에 pH 민감성 물질이 코팅된다 (S310), 그 다음 제2 케이블을 형성하도록, 제1 케이블과 상이한 표적 균의 포집이 가능한 파이버 상에 도전성 물질이 코팅된다 (S320).

보다 구체적으로, 본 발명의 특징에 따르면, pH 민감성 물질이 코팅되는 단계 (S310) 에서, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리-N-메틸피롤, 폴리티오펜, 폴리(에틸렌디옥시티오펜), 폴리-3-메틸티오펜, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌비닐렌) 및 폴리퓨란으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나가 제1 파이버의 일단에 코팅될 수 있다.

pH 민감성 물질이 코팅되는 단계 (S310) 의 결과로, 분석 시료의 pH에 따라 전기 전도도가 변화하고, 표적 균에 대한 포집이 가능한 제1 케이블이 획득될 수 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 도전성 물질이 코팅되는 단계 (S220) 에서, Ag/AgCl, Ag, Hg₂SO₄, Ag/Ag⁺, Hg/Hg₂SO₄, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂, Ag/Ag₂SO₄, Cu/CuSO₄, KCl이 포화된 칼로멜 반전지(SCE) 및 염다리 백금으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나가 제2 파이버 상에 코팅될 수 있다.

도전성 물질이 코팅되는 단계 (S220) 의 결과로, 기준 전극으로 이용되며, 표적 균에 대한 포집이 가능한 제2 케이블이 획득될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 도전성 물질이 코팅되는 단계 (S220) 이후에, 제1 케이블 및 제2 케이블의 외측에 피복물질 층이 코팅될 수 있다. 이때, 피복 물질은 폴리머, 세라믹 및 부전도체성 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 이에 따라, 단일 케이블의 바이오 센서가 획득될 수 있다.

사용자는 제1 케이블 및 제2 케이블을 갖는 바이오 센서 케이블의 일 단을 분석 시료와 반응시키고, 타단을 전위 측정 장치, 또는 검출부에 연결함으로써, 분석 시료의 pH에 따른 기전력을 측정할 수 있다. 나아가, 사용자는 측정된 기전력을 기초로 분석 시료의 pH를 추정할 수 있다. 또한, 사용자는 제1 케이블 및 제2 케이블의 일단에 포집된 표적 균에 대한 유전체 분석을 수행할 수 있다.

실시예 1: 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 바이오 센서에 대한 평가_pH 변화에 따른 민감도 평가

이하에서는, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한 pH 변화에 따른 민감도 평가 결과를 설명한다. 이때, 바이오 센서는 제1 파이버 상에 폴리아닐린이 코팅된 제1 케이블 및 제1 파이버와 상이한 제2 파이버 상에 Ag/AgCl이 코팅된 제2 케이블을 구성으로 하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 구조는 이에 제한되는 것이 아니다. 나아가, 본 평가에서는 제1 케이블 및 제2 케이블의 외부에 피복물질 층이 형성됨에 따라 단일의 케이블의 바이오 센서가 이용되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 형태는 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한, pH 변화에 따른 기전력 (electromotive force, EMF) 의 분석 결과를 도시한 것이다.

본 평가에서는 pH의 범위가 2 내지 12인 완충 용액을 이용하였고, 0.1 M HCl 또는 0.1 M NaOH을 완충 조건 하에서 첨가하면서 pH를 조절하였다. 이때, 제1 케이블 및 제2 케이블의 끝 단이 완충 용액과 반응하도록, 바이오 센서를 완충 용액상에 배치하였다. 그 다음, 완충 용액과 반응하는 바이오 센서와 상이한 단 (end) 의 제1 케이블 및 제2 케이블 각각에 전위 측정부를 연결하여 제1 케이블 및 제2 케이블 사이의 EMF 수준을 측정하였다.

도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대하여 측정된 pH 증가에 따른 EMF 반응 수준이 도시된다. 보다 구체적으로, 바이오 센서는 pH의 증가에 따라 EMF의 수준이 낮아지는 것으로 나타난다. 이때, 도 4의 (a)에서 오른쪽 상단의 그래프를 함께 참조하면, 미리 알려진 pH에 대한 EMF 플롯 (plot) 이 도시된다. 두 개의 그래프를 참조했을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에서의 pH 변화에 따른 EMF 수준은, 미리 알려진 pH에 따른 EMF 플롯의 그래프와 유사한 것으로 나타난다. 나아가, 이러한 결과는, 네렌스트 식 (Nernst equation) 의 모양과 같이 일정한 기울기 값을 갖는 선형의 그래프와 유사하한 형태일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, pH에 따라 일정한 수준 (일정한 기울기 값) 의 전위 변화를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 pH 의존적으로 기전력이 변화함에 따라, pH 분석에 이용될 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 분석 시료의 민감도 및 정확도 높은 분석 결과를 제공할 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, pH가 미리 결정된 용액에서 14시간 담궈진 본 발명의 pH 센서의 EMF 신호가 도시된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 pH 센서는 약 14 시간 동안 일정한 EMF 신호를 유지하는 것으로 나타난다.

도 4의 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 pH 변화 사이클에 따라 동일한 pH (5.34, 6.52, 7.60, 8.80) 에서 유사한 수준의 EMF 값을 갖는 것으로 나타난다. 이러한 결과는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가 재현성이 높다는 것을 의미할 수 있다.

이상의 실시예 1의 결과에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 pH 변화에 따라 일정한 전위 변화를 가지며, 상용되는 pH 미터와 유사한 수준으로 분석 시료의 pH 값을 제공하는 것으로 나타난다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 소량의 분석 시료에 대하여 민감도 및 정확도 높은 pH 값을 제공하는 것으로 나타난다.

이러한 결과에 따라, 본 발명은 도전층에서 금의 고유한 취성으로 인해, 기계적 응력 또는 가혹한 화학적 조건 하에서 기판으로부터의 불안전한 접착 또는 박리와 같은 문제를 갖는 종래의 바이오 센서가 갖는 문제점을 해결할 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는 두 개의 케이블로 구성된 바이오 센서를 종래의 바이오 센서보다 기계적 물성이 향상되고, 유연성이 증가될 수 있다. 특히, 본 발명은 이러한 구조적 특정에 따라, 종래의 바이오 센서보다 높은 전도율을 갖는 바이오 센서를 제공할 수 있다.

본 발명은, 유연성이 향상된 바이오 센서가, 과도한 사용, 긁힘 또는 손상에 의한 분석의 재현성 및 안전성의 결여를 극복할 수 있는 효과가 있다. 이에, 본 발명은 웨어러블 센서로서 적합할 수 있음에 따라, 바이오 센서의 적용 범위 확장에 기여할 수 있다.

이에, 본 발명은, 치주 질환의 진단과 관련하여, 지속적인 구강 내 pH 모니터링이 가능할 수 있다. 이에, 치주 질환의 진단과 관련된 임상적 정보를 제공할 수 있다.

실시예 2: 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 바이오 센서에 대한 평가_표적 균에 대한 흡착성 평가

이하에서는, 도 5a 및 5b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한, 표적 균에 대한 흡착성 평가 결과를 설명한다. 이때, 본 평가에서는, 전술한 실시예 1에서 이용된 바이오 센서와 동일한 구조를 갖는 센서가 이용되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 형태는 이에 제한되는 것은 아니다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한, 표적 균의 포집에 따른 분석 결과를 도시한 것이다.

먼저, 도 5a의 (a)를 참조하면, 카본 파이버가 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 카본 파이버의 흡습성에 의해, 유체의 분석 시료에 대한 수분 흡수 과정에서, 상기 시료 내에 포함된 표적 균에 대한 흡착이 가능할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5a의 (b)를 참조하면, 표적 균과의 반응 전, 케이블 형태의 바이오 센서를 이루는, 카본 파이버들이 나타난다. 이때, 파이버들의 표면은 매끈한 것으로 나타난다. 한편, 도 5a의 (c)를 참조하면, 바이오 센서를 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 의 치주 질환 유발 균이 존재하는 치간 사이에 위치시킨 후에 관찰된 카본 파이버들이 나타난다. 이때, 카본 파이버의 표면은, 포르피로모나스 긴기발리스 균의 흡착에 의해 울퉁 불퉁해진 것으로 나타난다.

도 5b의 (a) 및 (b)를 더욱 참조하면, 무처리 대조군의 바이오 센서 및 타액과의 반응에 따라 표적 균의 흡착이 일어난 실험군의 바이오 센서가 도시된다. 이때, 실험군의 바이오 센서의 파이버는, 대조군의 파이버와 상이하게, 울퉁 불퉁한 표면을 갖는 것으로 나타난다.

즉, 본 발명의 파이버로 구성된 바이오 센서에서, 타액의 수분을 흡수하는 과정에서의 수분은 카본 파이버 사이로 흡수될 수 있고, 구강 내 균은, 파이버 사이에 위치될 수 있다. 이에, 표적 균에 대한 포집이 가능할 수 있다.

이상의 실시예 2의 결과에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 구조적 특징에 의해, pH 센싱과 동시에 표적 균에 대한 포집이 가능할 수 있다. 이에, 표적 균이 수집된 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 이용하여, 예를 들어 제1 케이블 또는 제2 케이블을 컷팅하여, 표적 균을 획득한 후, 치주 질환에 대한 유전체 분석을 수행할 수 있다.

실시예 3: 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 바이오 센서에 대한 평가_표적 균에 대한 유전체 분석

이하에서는, 도 6a 내지 6d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 대한, 표적 균에 대한 흡착성 평가 결과를 설명한다. 이때, 본 평가에서는, 전술한 실시예 1 및 실시예 2에서 이용된 바이오 센서와 동일한 구조를 갖는 센서가 이용되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 형태는 이에 제한되는 것은 아니다

먼저, 본 평가에 앞서, 치주 질환 원인 균 4종인 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 에 대한 전체 게놈 염기서열을 기반으로, 각 표적 균에 특이적인 염기서열을 갖는 프라이머 염기쌍의 프로브가 설계되었다.

이후, 포르피로모나스 긴기발리스 균에 대하여 특이적인 프로브를 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 기초한 다양한 유전체 분석을 수행하였다.

먼저, 도 6a의 (a)를 참조하면, 1 x 10² CFU/ml, 1 x 10³ CFU/ml, 1 x 10⁴ CFU/ml, 1 x 10⁵ CFU/ml, 1 x 10⁶ CFU/ml, 1 x 10⁷ CFU/ml, 1 x 10⁸ CFU/ml 및 1 x 10⁹ CFU/ml 의 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균 혼탁액 각각을 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서와 반응 시킨후 동일한 크기로 절단하였다. 이후, 바이오 센서 절편을 1ml PBS 버퍼에 넣은 후, 13,000 rpm으로 10분간 원심분리함으로써 균 현탁액이 획득되었다. 이때, DW는 무처리 대조군으로 설정되었다.

도 6a의 (b) 및 (c)를 참조하면, 절단된 바이오 센서 단편으로부터 유래된 균 현탁액에 대한 PCR 증폭을 수행한 후, 전기 영동 분석한 결과가 도시된다. 이때, PCR 분석을 위해, 상기 현탁액과 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균 특이적인 프라이머 염기쌍 (정방향 2.0 ㎕ (10 μM), 역방향 2.0 ㎕ (10 μM)), 중합효소 (Taq DNA Polymerase) 1.25 ㎕, 5X PCR 믹스쳐 버퍼 (mixture buffer) 5.0 ㎕, 10 mM dNTP 2.0 ㎕ 및 DW 11.75 ㎕를 혼합하여, 총 25㎕의 PCR 반응물을 각각 수둑하였다. 그 다음, 각각의 PCR 반응물을 95℃에서 5 분간 가열하고, 30 회의 중합효소반응 (변성 (denaturation): 95℃30초; 어닐링 (annealing): 61℃30초; 익스텐션 (extension): 72℃30초) 을 수행하였다.

다시, 도 6a의 (b) 및 (c)를 참조하면 바이오 센서와 반응한 포르피로모나스 긴기발리스 균의 농도와 비례하게 포르피로모나스 긴기발리스 균의 유전체 수준도 증가한 것으로 나타난다. 나아가, Ct값은 포르피로모나스 긴기발리스 균의 농도의 증가 및 이에 따른 발현량 증가에 따라 반 비례하게 변화하는 것으로 나타난다.

도 6b를 참조하면, 1 x 10² CFU/ml, 1 x 10³ CFU/ml, 1 x 10⁴ CFU/ml, 1 x 10⁵ CFU/ml, 1 x 10⁶ CFU/ml, 1 x 10⁷ CFU/ml, 1 x 10⁸ CFU/ml 및 1 x 10⁹ CFU/ml 의 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균 혼탁액 각각을 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서와 반응 시킨후 동일한 크기로 절단하였다. 이후, 바이오 센서 절편을 1ml PBS 버퍼에 넣은 후, 13,000 rpm으로 10분간 원심분리하여 균 현탁액을 획득한 후, 실시간 PCR 분석이 수행되었다.

이때, 실시간 PCR 분석을 위해, 먼저 상기 현탁액에 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균 특이적인 프라이머 염기쌍 (정방향 2.0 ㎕ (10 μM), 역방향 2.0 ㎕ (10 μM)), 형광물질인 SYBR 그린과 중합효소를 포함하는 혼합물 (iQ SYBR Green Supermix) 10.0㎕ 및 DW 5.0 ㎕를 가하여 총 20 ㎕의 PCR 반응물을 각각 수득하였다. 그 다음, 각각의 PCR 반응물을 95℃에서 5 분간 가열하고, 30 회의 중합효소반응 (변성 (denaturation): 95℃30초; 어닐링 (annealing): 61℃30초; 익스텐션 (extension): 72℃30초) 을 수행하였다.

이때, 각 싸이클의 익스텐션 단계에서 형광물질의 신호를 검출함으로써, PCR이 성공적으로 수행되었는지를 실시간으로 확인하였다.

도 6b를 참조하면, SYBR 그린의 신호는 포르피로모나스 긴기발리스 균의 농도에 비례하게 증가하는 것으로 나타난다.

즉, 이와 같은 결과는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서가, 포르피로모나스 긴기발리스 균과 같은 표적 균의 유전체 분석에 이용될 수 있음을 의미할 수 있다.

도 6c를 더욱 참조하면, 치주염 환자로부터 획득한 임상적 분석 시료에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서를 적용한 후, 유전체 분석을 수행한 결과가 도시된다.

이때, 바이오 센서는, 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균을 포함하는 임상적 분석 시료와 반응한 후, 절단되었다. 이후, 바이오 센서 절편을 1ml PBS 버퍼에 넣은 후, 13,000 rpm으로 10분간 원심분리함으로써 균 현탁액이 획득되었다.

이때, PCR 분석을 위해, 상기 현탁액과 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균 특이적인 프라이머 염기쌍 (정방향 2.0 ㎕ (10 μM), 역방향 2.0 ㎕ (10 μM)), 중합효소 (Taq DNA Polymerase) 1.25 ㎕, 5X PCR 믹스쳐 버퍼 (mixture buffer) 5.0 ㎕, 10 mM dNTP 2.0 ㎕ 및 DW 11.75 ㎕를 혼합하여, 총 25㎕의 PCR 반응물을 각각 수둑하였다. 그 다음, 각각의 PCR 반응물을 95℃에서 5 분간 가열하고, 30 회의 중합효소반응 (변성 (denaturation): 95℃30초; 어닐링 (annealing): 61℃30초; 익스텐션 (extension): 72℃30초) 을 수행하였다.

도 6c를 다시 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 적용되는, 카본 파이버를 이용하여 10⁶의 포르피로모나스 긴기발리스 (P. gingivalis) 균를 분석한 결과가 도시된다. 보다 구체적으로, 표준 시료를 이용한 10³내지 10⁹에 해당되는 유전자 분석 결과와, 카본 파이버에 기초한 유전자 분석 결과가 매칭되는 것으로 나타난다. 이러한 결과는, 카본 파이버가 목표 균주에 대한 포집 성능을 갖고 있다는 것을 의미할 수 있다.

도 6d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서 및 전술한 포르피로모나스 긴기발리스 균의 특이적인 프라이머 염기쌍에 기초한 선택도 평가가 도시된다. 이때, 1번의 포르피로모나스 긴기발리스 균 프라이머의 적용에 따른 344bp의 PCR 산물이 검출되고, 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 균주에 대한 PCR 산물은 검출되지 않은 것으로 나타난다. 즉, 이러한 결과는, 본 발명의 다양한 실시예에 이용된 포르피로모나스 긴기발리스 균의 특이적인 프라이머 염기쌍이 분석 시료에 대한 선택도가 높다는 것을 의미할 수 있다.

이상의 실시예 3의 결과에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 포르피로모나스 긴기발리스와 같은 표적 균, 특히 치주 질환 원인 균에 대한 포집이 가능함에 따라, 이들 원인 균들에 대한 유전체 분석에 적용될 수 있다.

따라서, 본 발명은, 치주 질환의 원인 균들에 대한 정량 분석과 같은 다양한 임상적 정보를 제공할 수 있다.

즉, 본 발명은 pH 센싱과 동시에, 치주 질환을 유발시키는 대표적인 원인 균들을 보다 간편한 방법으로 포집할 수 있다. 나아가 본 발명은 치주 질환 원인 균을 포집한 후 포집된 장치로부터 유전자와 상보적으로 결합이 가능한 각 프라이머쌍과 같은 프로브를 포함하는 키트를 제공함으로써, 사용자는 치주 질환의 발병 위험도를 쉽고 빠르게 진단할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 100', 100'', 100''', 100'''': 바이오 센서
110: 제1 케이블
112, 122: 홈
114, 124: 포집부
116, 126: 접착부
116a, 126a: 접착성 물질 층
116b: pH 민감성 물질 층
120: 제2 케이블
126b: 전도성 물질 층
130: 피복물질 층
140: 제3 케이블
210: 목적 부위
310: 표적 균
410: 분석 시료
500: 검출부
1000: 치주 질환의 진단 시스템

Claims

분석 시료 내의 표적 균을 포집하기 위한 제1 파이버 및 상기 제1 파이버 상에 배치된 pH 민감성 물질 (pH sensitive material) 로 구성된 제1 케이블, 및
제2 파이버 및 상기 제2 파이버 상에 배치된 전도성 물질로 구성된 제2 케이블을 포함하는, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 표적 균은,
포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나인, 바이오 센서.
제2항에 있어서,
상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블 상에는,
상기 적어도 하나의 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나와 결합할 수 있는 바이오 리셉터가 더 배치된, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 파이버 또는 상기 제2 파이버는,
카본 파이버 (Carbon Fiber), 페이퍼 포인트 (Paper Point), 카본 블랙 (carbon black), 카본 그래파이트 (carbon graphite), 그래핀 (graphene), 풀러린 (fullerene), 카본 나노튜브 (carbon nanotube) 및 카바이드 (carbides) 중 적어도 하나인, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블은,
상기 제1 케이블의 일단 또는 상기 제2 케이블의 일부 면에 형성된 홈을 더 포함하는, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 pH 민감성 물질은 상기 제1 파이버의 일단에만 형성되고,
상기 도전성 물질은 상기 제2 파이버의 일단에만 형성된, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블은,
상기 표적 균에 대하여 접착성을 갖는, 접착부를 더 포함하는, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블은,
상기 표적 균을 포집하도록, 상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블의 적어도 일면의 조도 (roughness) 가 다른 면에 비하여 상대적으로 높은, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 분석 시료는,
타액, 땀, 소변, 혈액, 혈장, 혈청, 눈물, 고름, 위액, 장액, 안구액, 복강액, 질액, 뇌척수액 및 체강액으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나인, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 물질은,
Ag/AgCl, Ag, Hg2SO₄, Ag/Ag⁺, Hg/Hg2SO4, RE-6H, Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂, Ag/Ag₂SO₄, Cu/CuSO₄, KCl 포화된 칼로멜 반전지(SCE) 및 염다리 (Salt bridge) 백금으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나인, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 pH 민감성 물질은,
폴리아닐린 (polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리-N-메틸피롤 (poly-N-methylpyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(에틸렌디옥시티오펜) (poly(ethylenedioxythiophene)), 폴리-3-메틸티오펜 (poly-3-methylthiophene), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (poly(3,4-ethylenedioxythiphene); PEDOT), 폴리(p-페닐렌비닐렌) (poly(pphenylenevinylene); PPV) 및 폴리퓨란 (polyfuran) 으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나인, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 케이블 및 상기 제2 케이블의 일단에 각각 연결되어, 전위차를 측정하도록 구성된 전위 측정부를 더 포함하는, 바이오 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2 케이블 및 상기 제2 케이블의 적어도 한 면을 외부에서 감싸도록 구성된 피복 물질층을 더 포함하고,
상기 피복 물질층은,
폴리머, 세라믹 및 부전도체성 물질 중 적어도 하나의 물질로 구성된, 바이오 센서.
제1항, 및 제3항 내지 제13항 중 어느 한 항의 바이오 센서, 및
상기 바이오 센서에 포집된 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나와 결합 가능한 형광 프로브를 포함하고,
상기 표적 균은 포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나인, 치주 질환 진단에 대한 정보 제공용 키트.
제14항에 있어서,
상기 표집된 표적 균은,
상기 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나에 대하여 특이적으로 결합하는 바이오 리셉터가 결합된 균인, 치주 질환 진단에 대한 정보 제공용 키트.
제14항에 있어서,
상기 형광 프로브의 세기에 기초하여 상기 표적 균의 포함 여부를 결정하도록 구성된, 검출부를 더 포함하는, 치주 질환 진단에 대한 정보 제공용 키트.
제16항에 있어서,
상기 검출부는,
상기 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우 치주 질환 양성으로,
상기 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 미만인 경우 치주 질환 음성으로, 표시하도록 더 구성된, 치주 질환 진단에 대한 정보 제공용 키트.
제14항에 있어서,
상기 표적 균의 상기 DNA 또는 상기 RNA를 증폭하도록 구성된 증폭부를 더 포함하는, 치주 질환 진단에 대한 정보 제공용 키트.
치아 표면, 치아 사이 및 치아와 잇몸 사이 중 적어도 하나의 목적 부위에 대하여, 표적 균을 포집하기 위한 제1 파이버로 구성된 제1 케이블 및 제2 파이버로 구성된 제2 케이블을 포함하는 바이오 센서를 접촉시키는 단계;
상기 목적 부위에 접촉된 상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블로부터 상기 표적 균을 검출하는 단계, 및
상기 검출 결과에 기초하여 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 제1 파이버 상에는 pH 민감성 물질이 배치되고,
상기 제2 파이버 상에는 전도성 물질이 배치되고,
상기 표적 균은,
포르피로모나스 긴기발리스 (Porphyromonas gingivalis), 트레포네마 덴티콜라 (Treponema denticola), 푸조박테리움 뉴클레아툼 (Fusobacterium nucleatum), 타네렐라 포시티아 (Tannerella forsythia) 중 적어도 하나인, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법.
제19항에 있어서,
상기 바이오 센서를 접촉시키는 단계 이후에,
상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블을 절단하는 단계를 더 포함하고,
상기 표적 균을 검출하는 단계는,
표적 균 혼탁액을 획득하도록, 절단된 상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블과 용액을 혼합하는 단계;
상기 표적 균 혼탁액과 상기 표적 균의 세포벽, DNA 및 RNA 중 적어도 하나에 대하여 특이적으로 결합하는 형광 프로브를 혼합하는 단계, 및
상기 형광 프로브의 세기에 기초하여 상기 표적 균의 농도를 결정하는 단계를 포함하는, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법.
제20항에 있어서,
상기 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계는,
상기 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 이상인 경우, 상기 형광 프로브의 세기가 미리 결정된 수준 미만인 경우보다, 치주 질환 발병의 위험도가 높은 것으로 결정하는 단계를 더 포함하는, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법.
제19항에 있어서,
상기 표적 균을 검출하는 단계는,
상기 제1 케이블 또는 상기 제2 케이블의 일단에 대한 전위를 측정하는 단계;
상기 전위에 기초하여, pH를 측정하는 단계를 포함하고,
상기 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계는,
상기 pH에 기초하여, 상기 치주 질환에 대한 발병 위험도를 결정하는 단계를 포함하는, 치주 질환의 진단에 대한 정보 제공 방법.