KR20240025813A - 인공 잎 구조체 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 일 측면에서 바이오매스에서 생산할 수 있는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 사용하여 투명한 하이드로겔, 유체 채널 및 미생물로 구성된 인공 잎 구조체를 제공한다. 다른 일 측면에서, 본 개시는 상기 인공 잎 구조체를 제조하는 방법을 제공한다. 또 다른 일 측면에서, 본 개시는 상기 인공 잎 구조체를 사용하여 인공적으로 광합성하는 방법을 제공한다. 스탬프를 사용한 간단한 각인으로 하이드로겔에 유체 채널을 형성할 수 있어 독성 화학 물질이나 건조 과정 없이 살아있는 세포를 포함할 수 있다. 하이드로겔 내의 미세조류는 채널로부터의 지속적인 영양 공급으로 인해 주변 조건에서 장기간 성장 및 증식하는데, 이는 벌크 용액에서 배양된 평판보다 대사 생체 활성에 더 효과적이다.
Description
본 개시는 광합성이 가능한 인공 잎 구조체에 관한 것이다.
광합성은 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하는 물질대사 과정이다. 광합성은 지구 대기 중의 산소를 생산하고 유지하는 데 큰 역할을 하며, 지구상의 생명체에게 필요한 유기 화합물과 대부분의 에너지를 공급한다. 대부분의 식물, 조류 및 남세균은 광합성을 수행하는데, 특히 식물의 잎은 오랜 세월 동안 매우 효율적으로 태양 광선에서 에너지를 포획하는데 관여해 광합성을 위한 중요한 기관이다. 식물 잎의 투명한 큐티클층과 엽육은 잎 내부의 엽록체에 의한 빛 흡수를 가능하게 하며, 식물 잎의 정맥(vein) 구조는 잎의 지속적인 대사 활동에 필요한 물과 영양분을 공급하는데 중요하다.
이러한 식물의 잎 구조를 모방하여 인공 잎을 개발하려는 움직임이 활발하다. 이러한 잎 속에서 발견된 자연적인 구조는 재충전 전지에서 고성능 가스 센서에 이르기까지 모든 성능을 향상시킬 수 있으며, 특히 잎의 정맥과 같은 다공성 구조는 에너지 전달을 보다 효율적으로 만들 수 있다고 알려져 있기 때문이다. 식물 잎의 기능을 완벽히 모방하는 인공 잎을 만들기 위해서, 인공 잎은 광합성을 위해 투명해야 하고, 다공성 구조를 가지면서 실제 잎처럼 유연하면서도 적당한 기계적 강도를 유지할 수 있는 인공 잎 구조체에 대한 연구 및 개발이 필요한 실정이다.
일 측면에서, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 인공 잎 구조체에 영양조성물의 공급이 가능하게 하여 장기간 광합성이 가능하도록 하고자 한다.
일 측면에서, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체의 제조 방법을 제공하고자 한다.
일 측면에서, 간단히 유체 채널의 형성이 가능하도록 한다.
일 측면에서, 인공 광합성 방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 유체 채널 패턴을 갖는 하이드로겔 시트를 포함하며, 상기 하이드로겔은 셀룰로오스 및 미생물을 포함하는 것인, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체를 제공한다.
다른 일 측면에서, 본 발명은, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체의 제조 방법으로서, (a) 수분산된 셀룰로오스 나노섬유 혼탁액에 미생물을 접종하여 혼합 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 혼합 용액을 몰드에 붓고 겔화시켜 하이드로겔을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 제조된 하이드로겔을 스탬프로 찍어 유체 채널을 형성하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
다른 일 측면에서, 본 발명은, 인공 광합성 방법으로서, 상기 방법은 (a) 상기 광합성이 가능한 인공 잎 구조체 양 끝에 건조패드를 부착하는 단계; (b) 상기 건조패드 중 하나의 패드에 영양 조성물을 지속적으로 주입하여 습윤시키는 단계; 및 (c) 상기 구조체에 빛을 조사하는 단계를 포함하는 인공 광합성 방법을 제공한다.
일 측면에서, 상기 구조체로 인공적으로 광합성이 가능하게 하고, 다른 일 측면에서, 영양 조성물을 공급하여 장기간 광합성이 가능하도록 한다. 또 다른 일 측면에서, 상기 인공 잎 구조체의 제조 방법을 제공하여, 영양 조성물의 공급이 가능한 유체 채널을 간단한 방법으로 형성할 수 있게 한다.
도 1은 인공 잎 구조체의 개략도를 나타낸다.
도 2는 각인 방법에 의한 알지네이트/카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(alginate/carboxymethylated cellulose nanofiber, ALG/CMCNF) 하이드로겔의 유체 채널 제조 방법의 개략도를 나타낸다.
도 3은 ALG/CMCNF 하이드로겔의 여러 물성 시험 결과를 나타낸다.
도 4는 칼슘이온(Ca2+)으로 가교된 ALG/CMCNF 하이드로겔의 형태(morphology)를 나타낸다.
도 5는 각각 실시예 2 내지 6에서 각각 0일, 4일 및 7일 동안 배양된 C. 불가리스(C. vulgaris)의 광학 이미지(A 내지 C), 0일 및 7일 동안 배양된 공초점 현미경 이미지(D 내지 E) 및 배양시간에 따른 하이드로겔 내 엽록소의 총 함량(F)을 나타낸다.
도 6은 하이드로겔에 각인하는 유체 채널의 단위 구조(A 및 B), 다양한 단위 구조가 프린팅 된 스탬프(C), 다양한 크기의 스탬프(D, scale bar = 1 cm) 유체 채널이 각인된 하이드로겔의 이미지(E 내지 G, scale bar = 100 μm)를 나타낸다.
도 7은 ALG/CMCNF 하이드로겔(실시예 4)의 유체 채널에서의 FITC-덱스트란의 확산을 나타낸다.
도 8은 유체 채널이 형성된 실시예 7 및 8의 광학 현미경 이미지(A), 유체 채널이 없는 비교예 1; 유체 채널이 있는 실시예 7 및 실시예 8에서 C. 불가리스(C. vulgaris)의 배양 기간에 따른 총 엽록소의 함량(B), 단백질(C) 및 ATP 수준(D)을 나타낸다.
도 9는 인공 단풍나무(A)와 수국(B) 잎의 구조체를 제조하여 실제 잎과 비교한 이미지이다.
도 2는 각인 방법에 의한 알지네이트/카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(alginate/carboxymethylated cellulose nanofiber, ALG/CMCNF) 하이드로겔의 유체 채널 제조 방법의 개략도를 나타낸다.
도 3은 ALG/CMCNF 하이드로겔의 여러 물성 시험 결과를 나타낸다.
도 4는 칼슘이온(Ca2+)으로 가교된 ALG/CMCNF 하이드로겔의 형태(morphology)를 나타낸다.
도 5는 각각 실시예 2 내지 6에서 각각 0일, 4일 및 7일 동안 배양된 C. 불가리스(C. vulgaris)의 광학 이미지(A 내지 C), 0일 및 7일 동안 배양된 공초점 현미경 이미지(D 내지 E) 및 배양시간에 따른 하이드로겔 내 엽록소의 총 함량(F)을 나타낸다.
도 6은 하이드로겔에 각인하는 유체 채널의 단위 구조(A 및 B), 다양한 단위 구조가 프린팅 된 스탬프(C), 다양한 크기의 스탬프(D, scale bar = 1 cm) 유체 채널이 각인된 하이드로겔의 이미지(E 내지 G, scale bar = 100 μm)를 나타낸다.
도 7은 ALG/CMCNF 하이드로겔(실시예 4)의 유체 채널에서의 FITC-덱스트란의 확산을 나타낸다.
도 8은 유체 채널이 형성된 실시예 7 및 8의 광학 현미경 이미지(A), 유체 채널이 없는 비교예 1; 유체 채널이 있는 실시예 7 및 실시예 8에서 C. 불가리스(C. vulgaris)의 배양 기간에 따른 총 엽록소의 함량(B), 단백질(C) 및 ATP 수준(D)을 나타낸다.
도 9는 인공 단풍나무(A)와 수국(B) 잎의 구조체를 제조하여 실제 잎과 비교한 이미지이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은, 일 측면에서, 유체 채널 패턴을 갖는 하이드로겔 시트를 포함하며, 상기 하이드로겔은 셀룰로오스 및 미생물을 포함하는 것인, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체를 제공한다.
구체적으로, 식물 잎은 정맥 구조를 사용하여 물, 영양소 및 생산된 당을 포함한 물질을 전달한다. 동물의 장기에 분자를 방출하는 혈관과 같은 기능을 하는 살아있는 세포의 하이드로겔 상태 전체에 모세혈관 구조가 균일하게 퍼져 전달 효율이 극대화된다. 세포의 대사 활동에 의해 생성된 산소는 세포를 손상시킬 수 있으므로 하이드로겔에서 제거해야 한다. 유체 채널 시스템은 식물의 잎맥을 모방하여 하이드로겔 외부로의 물질 전달이 가능하게 한다.
일 구현예에 있어서, 상기 미생물은 미세조류일 수 있으며, 그 예로 아나베나(Anabeana), 노스톡(Nostoc), 마이크로콜러스(Microcolous), 스키조트릭스(Schizothrix), 시네초코커스(Synechococcus), 데스미드(desmid), 스피로자이라(spirogyra), 안키스트로데스무스 콘볼루투스(Ankistrodesmus convolutes), 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris), 클라미도모나스 sp.(Chlamydomonas sp.), 세네데스무스(Scenedesmus), 프루스툴리아(Frustulia), 포르미디움(Phormidium) 등을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
일 구현예에 있어서, 상기 셀룰로오스는 나노물질일 수 있다. 예를 들어, 셀룰로오스 나노결정 또는 셀룰로오스 나노섬유 등이 포함되나, 이에 제한 되지 않는다. 특히 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber, 이하 CNF)는 높은 종횡비 및 높은 결정성과 같은 세포벽 구성요소의 물리적 특성을 가진다. 또한 CNF는 세포 소기관을 보호하고 하이드로겔의 저밀도 형성을 가능하게 하여 세포질과 같이 세포의 증식 및 생체 활성을 위한 환경을 제공한다.
일 구현예에 있어서, 상기 셀룰로오스는 카르복시메틸화된 것일 수 있다. 구체적으로, 카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(carboxymethylated cellulose nanofiber, 이하 CMCNF)는 생체 적합성이 좋고, 높은 종횡비로 인해 섬유질 네트워크 구조를 형성한다. CMCNF가 포함된 하이드로겔의 높은 다공성은 하이드로겔에서 축적된 산소의 방출을 가능하게 하고, 하이드로겔에서 세포 생존 및 증식 속도를 증가시킨다. 특히, 음으로 하전된 CMCNF는 다가 양이온을 사용하여 가교되어 기계적으로 안정적인 하이드로겔 시트를 형성할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 하이드로겔은 알지네이트를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 알지네이트는 이온 가교를 위한 분자 사슬에 많은 수의 카르복실산이 있기 때문에 하이드로겔의 기계적 특성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 셀룰로오스 또는 카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유가 알지네이트와 함께 하이드로겔을 구성할 경우, 하이드로겔의 다공성을 조절할 수 있다는 장점이 있으며, 이는 대량 확산을 가능하게 하여 세포 생존 및 증식을 개선시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 하이드로겔은 알지네이트 및 셀룰로오스의 중량비가 1 : 0.6-5일 수 있다. 예를 들어, 상기 중량비는 1 : 0.6 이상, 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 1 이상, 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 1.8 이상, 1.9 이상, 2 이상, 5 이하, 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하, 3 이하 또는 2.5 이하일 수 있다. 구체적으로, 광합성 과정에서 물과 영양소의 물질 전달을 쉽게 하기 위해 하이드로겔의 다공성 및 낮은 밀도가 필요하며, 알지네이트 및 셀룰로오스의 가교 구조가 이에 적합하다. 이때, 하이드로겔에서 알지네이트의 비율이 높아질수록 가교 밀도가 높아지며, 따라서 하이드로겔이 조밀한 구조를 형성한다. 알지네이트 및 셀룰로오스의 중량비가 1 : 0.6 미만인 경우는 알지네이트의 비율이 지배적이므로, 하이드로겔 내의 밀도가 높아져 세포의 성장 및 증식이 제한된다. 또한 알지네이트 및 셀룰로오스의 중량비가 1 : 5를 초과하는 경우는 하이드로겔의 물성이 너무 낮아 시트를 제조한 후 마이크로채널의 형성과정에서 시트의 손상 및 변형이 나타나게 된다. 제조단계에서 이온가교가 일어날 수 있는 작용기의 수가 적어 가교도가 높지 않아 유체를 가했을 때 쉽게 부서지는 등의 변형이 일어날 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 유체 채널의 깊이는 1.0 내지 1.8 mm이고, 채널 직경은 150 내지 250 μm이며, 채널 간 간격은 1.5 내지 2.5 mm일 수 있다. 상기 유체 채널의 깊이, 직경, 채널 간 간격의 결정은 하이드로겔의 총 두께, 영양조성물의 종류, 유량에 따라 다르나, 당업자의 수준 내에 있다.
상기 채널의 깊이는, 예를 들어, 1.0 mm 이상, 1.1 mm 이상, 1.15 mm 이상, 1.2 mm 이상, 1.25 mm 이상, 1.3 mm 이상, 1.35 mm 이상, 1.4 mm 이상, 1.8 mm 이하, 1.75 mm 이하, 1.7 mm 이하, 1.65 mm 이하, 1.6 mm 이하, 1.55 mm 이하, 1.5 mm 이하 또는 1.45 mm 이하일 수 있다.
또한 상기 채널 직경의 경우, 예를 들어, 150 μm 이상, 155 μm 이상, 160 μm 이상, 165 μm 이상, 170 μm 이상, 175 μm 이상, 180 μm 이상, 185 μm 이상, 190 μm 이상, 195 μm 이상, 200 μm 이상, 250 μm 이하, 245 μm 이하, 240 μm 이하, 235 μm 이하, 230 μm 이하, 225 μm 이하, 220 μm 이하, 215 μm 이하, 210 μm 이하 또는 205 μm 이하일 수 있다.
또한 상기 채널 간 간격은, 예를 들어, 1.5 mm 이상, 1.6 mm 이상, 1.7 mm 이상, 1.8 mm 이상, 1.9 mm 이상, 2.0 mm 이상, 2.5 mm 이하, 2.4 mm 이하, 2.3 mm 이하, 2.2 mm 이하 또는 2.1 mm 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 잎 구조체는 투명 박막을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 인공 잎 구조체의 표면에 얇은 투명 막이 덮히면, 추후 구조체를 이용한 광합성 시, 영양 조성물을 투입하면 삼투압을 형성시켜 영양조성물을 상기 유체 채널로 흐르도록 할 수 있다. 상기 투명 박막은 그 예로서 유리, PET(polyethylene terephthalate), PI(polyimide), PS(polystyrene), PDMS(polydimethylsiloxane), PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEN(Polyethylene naphthalate) 및 PVC(Polyvinyl chloride), 아크릴 기판을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 영양조성물은 액체로서 미생물의 광합성을 위해 필요로 하는 물질을 포함하며, 탄소원, 질소원, 무기염류 및 발육인자(비타민류) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것이 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 잎 구조체는 건조패드를 더 포함할 수 있다. 상기 구조체를 이용한 광합성 시, 한 쪽의 건조패드에 영양조성물을 지속적으로 주입하여 습윤시키면 삼투압에 의해 영양조성물이 유체 채널을 채워 반대쪽 끝의 건조패드로 이동하게 된다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 잎 구조체는 1 mm 초과 내지 5 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 인공 잎 구조체의 두께는 1 mm 초과, 1.1 mm 이상, 1.2 mm 이상, 1.3 mm 이상, 1.4 mm 이상, 1.5 mm 이상, 1.6 mm 이상, 1.7 mm 이상, 1.8 mm 이상, 1.9 mm 이상, 2 mm 이상, 5 mm 이하, 4.9 mm 이하, 4.8 mm 이하, 4.7 mm 이하, 4.6 mm 이하, 4.5 mm 이하, 4.4 mm 이하, 4.3 mm 이하, 4.2 mm 이하, 4.1 mm 이하, 4 mm 이하, 3.9 mm 이하, 3.8 mm 이하, 3.7 mm 이하, 3.5 mm 이하, 3.4 mm 이하, 3.3 mm 이하, 3.2 mm 이하, 3.1 mm 이하, 3 mm 이하, 2.9 mm 이하, 2.8 mm 이하, 2.7 mm 이하, 2.6 mm 이하, 2.5 mm 이하, 2.4 mm 이하, 2.3 mm 이하, 2.2 mm 이하 또는 2.1 mm 이하 일 수 있다. 상기 인공 잎 구조체의 두께가 5 mm를 초과할 경우 투명도가 낮아져 광합성 능력이 현저히 감소하게 된다.
일 구현예에 있어서, 상기 인공 잎 구조체는 투명한 것일 수 있다. 빛은 미생물의 광합성과 직접적인 관련이 있으므로 상기 인공 잎 구조체의 높은 투명도가 필요하다.
일 구현예에 있어서, 상기 하이드로겔은 250 mm3/g 이상의 비부피(specific volume)를 가질 수 있다. 상기 비부피가 클수록 하이드로겔의 밀도가 낮아 미생물이 생장할 수 있는 충분한 공간을 제공하므로 더 오랫동안 광합성이 가능하게 할 수 있다.
본 발명은, 다른 일 측면에서, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체의 제조 방법으로서, (a) 수분산된 셀룰로오스 나노섬유 혼탁액에 미생물을 접종하여 혼합 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 혼합 용액을 몰드에 붓고 겔화시켜 하이드로겔을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 제조된 하이드로겔을 스탬프로 찍어 유체 채널을 형성하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 하이드로겔은 부드럽기 때문에 내장된 살아있는 세포가 있는 하이드로겔에서 넓은 영역의 유체 채널을 생성하는 것이 까다롭다. 상기와 같이 하이드로겔에 대해 스탬프를 기계적으로 눌러 홈을 각인할 경우, 하이드로겔의 넓은 영역에 거쳐 유체 채널을 비교적 쉽게 형성할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 방법은 (a) 단계 전에 셀룰로오스를 카르복시메틸화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(carboxymethylated cellulose nanofiber, 이하 CMCNF)는 생체 적합성이 좋고, 높은 종횡비로 인해 섬유질 네트워크 구조를 형성한다. CMCNF가 포함된 하이드로겔의 높은 다공성은 하이드로겔에서 축적된 산소의 방출을 가능하게 하고, 하이드로겔에서 세포 생존 및 증식 속도를 증가시킨다. 특히, 음으로 하전된 CMCNF는 다가 양이온을 사용하여 가교되어 기계적으로 안정적인 하이드로겔 시트를 형성할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 (a) 단계는 알지네이트 및 염화칼슘 수용액을 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 셀룰로오스 또는 카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유가 알지네이트와 함께 하이드로겔을 구성할 경우, 하이드로겔의 다공성을 조절할 수 있다는 장점이 있으며, 이는 대량 확산을 가능하게 하여 세포 생존 및 증식을 개선시킬 수 있다. 또한 상기 염화칼슘 수용액은 알지네이트 및 카르복시메틸화된 셀룰로오스를 가교하는 역할을 수행하게 된다.
일 구현예에 있어서, 상기 알지네이트 및 셀룰로오스는 중량비가 1:0.6-5가 되도록 투입하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 중량비는 1 : 0.6 이상, 0.7 이상, 0.8 이상, 0.9 이상, 1 이상, 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 1.8 이상, 1.9 이상, 2 이상, 5 이하, 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하, 3 이하 또는 2.5 이하일 수 있다. 구체적으로, 광합성 과정에서 물과 영양소의 물질 전달을 쉽게 하기 위해 하이드로겔의 다공성 및 낮은 밀도가 필요하며, 알지네이트 및 셀룰로오스의 가교 구조가 이에 적합하다. 이때, 하이드로겔에서 알지네이트의 비율이 높아질수록 가교 밀도가 높아지며, 따라서 하이드로겔이 조밀한 구조를 형성한다. 알지네이트 및 셀룰로오스의 중량비가 1 : 0.6 미만인 경우는 알지네이트의 비율이 지배적이므로, 하이드로겔 내의 밀도가 높아져 세포의 성장 및 증식이 제한된다. 또한 알지네이트 및 셀룰로오스의 중량비가 1 : 5를 초과하는 경우는 하이드로겔의 물성이 너무 낮아 시트를 제조한 후 마이크로채널의 형성과정에서 시트의 손상 및 변형이 나타나게 된다. 제조단계에서 이온가교가 일어날 수 있는 작용기의 수가 적어 가교도가 높지 않아 유체를 가했을 때 쉽게 부서지는 등의 변형이 일어날 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 (c) 단계의 스탬프는 복수개의 중공 각기둥 형상의 요철 단위 패턴을 가지며, 상기 각기둥은 지름이 1.5 내지 2.5 mm이고; 높이는 0.05 내지 1.8 mm이며; 벽면 두께가 150 내지 250 μm일 수 있다.
예를 들어, 상기 스탬프의 중공 각기둥의 내접원 직경은 1.5 mm 이상, 1.6 mm 이상, 1.7 mm 이상, 1.8 mm 이상, 1.9 mm 이상, 2.0 mm 이상, 2.5 mm 이하, 2.4 mm 이하, 2.3 mm 이하, 2.2 mm 이하 또는 2.1 mm 이하일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 스탬프의 중공 각기둥의 높이는 0.05 mm 이상, 0.06 mm 이상, 0.07 mm 이상, 0.08 mm 이상, 0.09 mm 이상, 0.1 mm 이상, 1.8 mm 이하, 1.7 mm 이하, 1.6 mm 이하, 1.5 mm 이하, 1.4 mm 이하, 1.3 mm 이하, 1.2 mm 이하, 1.1 mm 이하, 1 mm 이하, 0.9 mm 이하, 0.8 mm 이하, 0.7 mm 이하, 0.6 mm 이하, 0.5 mm 이하, 0.4 mm 이하, 0.3 mm 이하 또는 0.2 mm 이하일 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 스탬프의 중공 각기둥의 벽면 두께는 150 μm 이상, 155 μm 이상, 160 μm 이상, 165 μm 이상, 170 μm 이상, 175 μm 이상, 180 μm 이상, 185 μm 이상, 190 μm 이상, 195 μm 이상, 200 μm 이상, 250 μm 이하, 245 μm 이하, 240 μm 이하, 235 μm 이하, 230 μm 이하, 225 μm 이하, 220 μm 이하, 215 μm 이하, 210 μm 이하 또는 205 μm 이하일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 중공 각기둥은 외측에 4 내지 8개의 면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 각기둥은 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 칠각기둥 또는 8각기둥일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 (c) 단계는 하이드로겔을 스탬프를 0.5 N 이상 내지 5 N 미만의 하중으로 찍어 유체 채널을 형성하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 하중은 0.5 N 이상, 0.6 N 이상, 0.7 N 이상, 0.8 N 이상, 0.9 N 이상, 1 N 이상, 1.1 N 이상, 1.2 N 이상, 1.3 N 이상, 1.4 N 이상, 1.5 N 이상, 1.6 N 이상, 1.7 N 이상, 1.8 N 이상, 1.9 N 이상, 2 N 이상, 5 N 미만, 4.5 N 이하, 4 N 이하, 3.5 N 이하, 3 N 이하, 2.9 N 이하, 2.8 N 이하, 2.7 N 이하, 2.6 N 이하, 2.5 N 이하, 2.4 N 이하, 2.3 N 이하, 2.2 N 이하 또는 2.1 N 이하일 수 있다. 상기 하중이 0.5 N 미만일 경우, 하이드로겔에 유체 채널이 형성되지 않고, 5 N 이상일 경우, 각인 도중 하이드로겔의 변형이 일어날 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 방법은 (d) 상기 (c)단계의 유체 채널이 형성된 하이드로겔 위에 투명막을 덮는 단계; (e) 하이드로겔의 양쪽 끝에 건조 패드를 붙이는 단계; 를 더 포함 할 수 있다.
본 발명은, 다른 일 측면에서, 인공 광합성 방법으로서, 상기 방법은 (a) 상기 광합성이 가능한 인공 잎 구조체 양 끝에 건조패드를 부착하는 단계; (b) 상기 건조패드 중 하나의 패드에 영양 조성물을 지속적으로 주입하여 습윤시키는 단계; 및 (c) 상기 구조체에 빛을 조사하는 단계를 포함하는 인공 광합성 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 인공 잎 구조체를 이용한 인공 광합성 시, 영양 조성물을 주입함으로써 미생물의 생장에 필요한 영양분을 지속적으로 공급하여 장기간 미생물이 광합성이 가능하도록 할 수 있다. 상기 영양조성물은 액체로서, 미생물의 광합성을 위해 필요로 하는 물질을 포함하며, 탄소원, 질소원, 무기염류 및 발육인자(비타민류) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 내용을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니고, 당업계에서 통상적으로 주지된 변형, 치환 및 삽입 등을 수행할 수 있으며, 이에 대한 것도 본 발명의 범위에 포함된다.
[제조예 1]
카르복시메틸화 셀룰로오스의 제조
크래프트 펄프(79.4% ± 0.6% 셀룰로오스, 18.8% ± 0.2% 헤미셀룰로오스, 소량의 리그닌 및 부산물, 무림 P&P, 울산, 한국)를 카르복시메틸화 전에 40분 동안 랩 밸리 비터(DM-822, 대일기계, 대전, 한국)로 다졌다. 다져진 펄프(건조중량, 70 g)를 에탄올 4000 mL로 3회 용매 교환한 후, 65 ℃에서 180분 동안 교반하면서 이소프로판올(3200 mL) 및 메탄올(800 mL)의 혼합용액에 수산화나트륨(35 g)을 가한 용액에 침지하였다. 모노클로로아세트산(35 g)을 첨가하고 용액을 210분 동안 교반하여 히드록실기를 카르복시메틸기로 치환하였다. 카르복시메틸화 셀룰로오스 펄프를 탈이온수로 용매 교환하고 작업 속도는 1500 rpm, 그라인더 스톤 사이의 간격은 -100 μm로 하여, 그라인더(Super Masscolloider, Masuko Sangyo Co., Ltd., Japan)를 5회 통과시켰다.
[제조예 2]
Chlorella vulgaris
의 배양
클로렐라 불가리스 (Chlorella vulgaris, FBCC-A49, 국립낙동강생물자원관)는 BG 11을 배지로 사용하여 배양하였다. C. vulgaris를 멸균된 2 L 병에서 배양하고 5% 이산화탄소 하에 25 ℃에서 매주 계대 배양하였다. 16000 lux에서 14시간 냉백색 형광등, 10시간 암주기를 배양에 적용했다. BG-11 배지에 산소를 공급하여 산소 농도를 유지하기 위해 에어스톤을 이용한 일정한 에어버블링을 사용하였다. C. vulgaris의 수는 혈구계산기를 사용하여 계산되었다.
[제조예 3]
ALG/CMCNF 복합 하이드로겔의 제조
혼합 용액은 하기 표와 같이 알지네이트(ALG):카르복시메틸화 셀룰로오스 나노섬유(CMCNF)의 5가지 다른 비율(ALG만, 1:0.5, 1:1, 1:2 및 1:4)로 제조되었다.
상기 혼합용액에 1.91 Х 106 cells/mL의 C. vulgaris를 함유하도록 하고 2 중량%의 염화칼슘 용액을 첨가하여 이온 가교결합시켰다. 50 g의 ALG/CMCNF 혼합물을 2 mm 높이의 몰드에 부은 다음 겔화를 위해 염화칼슘 용액에 적신 천으로 10분간 덮었다. 하이드로겔의 다른 면을 금형에서 분리하고 염화칼슘으로 10분 더 처리했다. 수득된 하이드로겔을 탈이온수로 30분간 세척한 결과, 균일한 두께의 하이드로겔을 형성했다(도 2A). ALG는 이온 가교를 위한 분자 사슬에 많은 수의 카르복실산이 있기 때문에 하이드로겔의 기계적 특성을 향상시키는 데 사용되었다. 표면이 카르복실산으로 화학적으로 변형된 CMCNF는 ALG와 함께 네트워크 구조를 형성하고 하이드로겔에 C. vulgaris를 함유했다(도 2B).
[제조예 4] 스탬프의 제조
스탬프 인쇄용 STL 도면 파일은 CAD 프로그램(Rhinoceros 5, Robert McNeel and Associates, Seattle, WA, USA)을 사용하여 제작되었다. STL 파일은 변환 프로그램(Photon Workshop V2.1.24.RC7, Anycubic)을 사용하여 슬라이스 이미지 파일(PWMO 파일)로 변환되었고, 스탬프는 레이어 두께 0.1mm, 노출 시간 4초, 앤티앨리어싱(anti-alias) 옵션 8로 하여 SLA 3D 프린터(Photon Mono, Anycubic, Shenzhen, China)를 사용하여 인쇄되었다. 도 6A 및 도 6B와 같이 내접원 직경이 2mm인 정사각형, 육각형, 삼각형을 인쇄용 수지(3D Printing UV Sensitive Resin, Anycubic)를 사용하여 인쇄하고 제조사 권장 405 nm에서 광경화하였다. 단위 패턴의 두께와 높이는 각각 200 μm와 2 mm로 고정하였다. 스탬프의 3D 프린팅 후, 미반응 수지를 1L의 이소프로판올로 30분 동안 세척하고 50 mL의 70% 에탄올로 다시 세척하여 도 6C 및 D와 같은 스탬프를 제조하였다.
[제조예 5]
하이드로겔에 유체 채널의 각인
각 유체 채널은 하이드로겔에 3D 인쇄된 스탬프로 스탬핑하여 형성하였다. 2 mm 두께의 ALG/CMCNF 하이드로겔은 로드 셀에 부착된 패턴 스탬프로 각인되었다. 각인은 10 N 로드셀이 장착된 만능시험기(UTM, GS/LRX plus, Lloyd, Woonsocket, USA)를 사용하여 0.5N, 2N 및 5N의 하중에서 수행되었다. 프린팅된 형태는 실체현미경(SMZ800N, Nikon, Japan)으로 관찰하였다. 유체 채널 구조는 하이드로겔 표면에 템플릿 스탬프를 눌러 제작되었다. 스탬프의 패턴 높이는 채널의 깊이를 결정하며, 연결된 채널 구조가 생성되었다(도 2C).
복합 하이드로겔의 ALG:CMCNF의 중량비에 따라 기계적 강도가 각각 다르기 때문에 유체 채널의 형성이 달라진다. CMCNF의 중량비가 높을수록 가교 밀도가 감소하여 복합 하이드로겔의 부드러움이 증가하며, 스탬프를 각인할 때 적은 압축 하중이 필요했다. 대조적으로, 다른 복합 하이드로겔은 변형에 저항하여 스탬프의 동일한 이동 깊이에서 더 많은 압축 하중을 나타냈다. 바꿔 말하면, 복합 하이드로겔에 유체 채널을 안정적으로 형성하기 위해서는 일정 수준의 압축 하중이 필요했다. 실시예 6의 경우는 CMCNF의 함량이 가장 높아 0.5 N에서 형성이 가능했으나, 다른 복합 하이드로겔의 패턴은 몇 분 이내에 탄성 회복으로 인해 사라졌다. 2 N의 하중으로 스탬프를 찍었을 경우에는 모든 복합 하이드로겔에 유체 채널이 안정적으로 형성될 수 있었다. 또한, 5 N 이상의 하중으로 스탬프를 찍을 경우, 각인 도중에 하이드로겔 구조의 변형이 이루어졌다. 따라서, 안정적인 유체 채널을 형성할 수 있는 2 N의 하중으로 실시예 4의 복합 하이드로겔에 정사각형, 육각형 및 삼각형의 세 가지 다른 패턴을 도 6E 내지 G와 같이 각인할 수 있었다.
[실험예 1]
하이드로겔의 특성 분석
(1)
화학적 분석
FTIR 분석은 1595 cm-1에서 C=O 피크로 CNF의 카르복시메틸화를 확인했다. 이는 CMCNF에서만 관찰되었으며, 1640 cm-1에서 OH 굽힘 피크는 처리되지 않은 펄프와 CMCNF 모두에서 관찰되었다(도 3A). CMCNF의 치환도는 산성 적정법의 카르복실 함량 기준으로 1.13 mmol/g이었다. 카르복시메틸화는 펄프 섬유 사이의 정전기적 반발을 통해 셀룰로오스 펄프의 나노피브릴화(nanofibrillation)를 향상시켰다. CMCNF의 나노 스케일 치수는 TEM 이미지로 특성화되었다(도 3B). CMCNF는 210분 동안 카르복시메틸화된 CMCNF에 대해 평균 직경이 4.3 ± 1.2 nm인 나노섬유 차원의 높은 종횡비(aspect ratio)를 보여주었다(도 3C). CMCNF 현탁액은 상당한 침강 또는 응집 없이 3개월 이상의 장기 보관에 대해 안정적이었다.
ALG는 많은 수의 카르복실기로 인해 -57.94 mV의 상당한 음의 제타 전위를 나타냈다(도 3D). ALG 용액에 CMCNF를 첨가하면 평균 카르복실 함량의 감소로 인해 표면 음성도가 감소했다. 실험에서 가장 높은 CMCNF 함량은 ALG:CMCNF=1:4인 실시예 6(CMCNF 혼합비 80%)였으며, 혼합 용액의 표면 전위는 약 -45 mV였고, Ca2+ 용액과 이온 가교를 통해 여전히 하이드로겔을 형성하였다.
복합 하이드로겔의 형성은 분자 간의 구성 및 화학적 상호작용으로 인해 적외선(IR) 흡수에서 특정한 변화를 보여주었다. 다당류에서 OH 신축 진동의 넓은 피크는 모든 복합 하이드로겔에 대해 3600~3000 cm-1 사이에서 관찰되었다. ALG/CMCNF 복합 하이드로겔은 ALG 하이드로겔과 비교하여 3350 cm-1에서 전형적인 날카로운 피크를 보였다(도 3E). CMCNF 함량이 증가함에 따라 셀룰로오스의 특징적인 피크가 명확하게 관찰되었다. 또한, CMCNF의 CH 신축 진동에 할당된 피크는 CMCNF의 함량이 증가함에 따라 2890 cm-1에서 나타났고, ALG에서는 2925 cm-1에서 피크가 관찰되었다.
(2)
투명도
빛은 C. vulgaris의 광합성과 직접적인 관련이 있기 때문에 하이드로겔의 높은 투명도가 필요하다. 고체 CNF는 빛을 산란시키고 복합 하이드로겔의 투명도를 감소시켰다. 복합 하이드로겔의 나노 크기와 고도로 분산된 CMCNF는 가시 범위에서 99%에 가까운 투명도를 유지했다(도 3F). 50% 이상의 ALG 혼합 비율로 형성된 복합 하이드로겔은 전체 가시광선 영역에서 100%에 가까운 투명도를 가졌다. 하이드로겔 시트의 기계적 강도는 수성 조건에서 치수 구조를 유지하는 데 중요하다.
(3)
기계적 물성
하이드로겔은 95%(중량) 이상의 수분 함량을 포함하기 때문에 기계적 강도가 응용 분야에서 자주 문제가 된다. 하이드로겔은 또한 세포가 내부에서 생존할 수 있도록 액체와 같은 특성을 유지해야 한다. 높은 다공성을 갖는 거시적 구조적 가교결합은 수분 함량과 기계적 안정성을 보상하는 데 중요할 수 있다. 높은 종횡비의 CMCNF는 더 적은 가교점을 형성하고, 높은 다공성과 ALG 사슬을 갖는 유연한 구조는 건설 콘크리트에서 모르타르와 같은 높은 가교 밀도를 갖는 섬유상 CMCNF 구조를 지지하였다. 복합 하이드로겔의 압축강도는 ALG의 혼입됨에 따라 함께 증가하여 압축에 대한 저항성을 보였다(도 3G). 높은 수분 함량에도 불구하고 복합 하이드로겔 시트는 공정 중에 깨지거나 열화되지 않고 견고했다.
(4)
형태학적 관찰
분자 결합 ALG(실시예 2)는 기공이 없는 매끄러운 하이드로겔을 형성한 반면, 복합 하이드로겔(실시예 3 내지 6)에서는 완전히 고정되고 유연하지 않은 CMCNF의 혼입으로 인해 거칠고 다공성 구조가 관찰되었다(각각 도 4A 내지 F). CMCNF의 혼합 비율이 50% 이상인 복합 하이드로겔(실시예 4 내지 6)은 유사한 형태학적 기공 특징을 나타내어 CMCNF가 지배하는 하이드로겔을 나타낸다(각각 도 4C 내지 F). ALG/CMCNF의 나노섬유 가교는 광합성 과정에서 물과 영양분의 물질 전달을 쉽게 하기 위해 덜 조밀한 구조를 형성할 수 있다. 복합 하이드로겔의 밀도는 CMCNF의 혼합 비율이 증가함에 따라 점진적으로 감소하였고, CMCNF의 혼합 비율이 50% 이상인 복합 하이드로겔의 경우(실시예 4 내지 6) CMCNF에 의한 가교가 지배적이기 때문에 안정적인 값을 나타냈다(도 4G). 비부피로의 변환값은 실시예 2의 경우 226mm3/g, 실시예 3의 경우 243mm3/g, 실시예 4, 실시예 5 및 실시예 6의 경우 280mm3/g의 상당한 증가를 보여주었다. 비부피가 거의 24% 증가된 실시예 4의 복합 하이드로겔(도 4H)이 광투과성, 기계적 안정성 및 물질 전달을 위한 C. vulgaris를 포함하는 하이드로겔로 가장 적합함을 나타냈다.
[실험예 2]
유체 채널의 확산 양상 확인
채널을 통한 액체의 유체 이동을 위해 복합 하이드로겔의 패턴화된 영역의 상단에 얇은 커버 유리를 배치했다. 채널에서 확산된 모델 분자 FITC-덱스트란(FITC-dextran, Fluorescein isothiocyanate-dextran, Molecular weight 389 g/mol, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)의 형광 이미지는 형광 현미경(Logosbio Celena S Digital Microscope, 안양, 한국)으로 얻었다. 다음 표와 같이 단위 두께 200 μm, 높이 2 mm의 정사각형 및 육각형 유체 채널을 실시예 4의 하이드로겔 시트에 인쇄하고 1 Х 10-2 mg/mL FITC-dextran을 주사기 펌프를 사용하여 1 μL/s의 유속으로 채널에 주입했다. (KDS-200, KD Scientific, Holliston, MA, USA). FITC-dextran의 형광 이미지를 10분 동안 기록하고(Logosbio Celena S Digital Microscope, 안양, 대한민국) 기록된 형광 강도를 회색 값으로 변환하였다. 이미지의 회색 값은 1 Х 10-2 mg/mL FITC-dextran 값으로 정규화되었다.
채널을 통한 유동성은 채널을 통해 이동하는 액체의 이미지를 캡처하여 간단히 확인되었다(도 7A). 모세관 흐름은 자연 잎에서 발생하는 것처럼 끝에서 압력이나 진공의 적용 없이 자발적으로 발생했고, 모세관 흐름은 다른 쪽 끝에 도달하여 하이드로겔의 전체 영역을 채웠다. FITC-dextran을 영양소의 모델 분자로 선택하고 유속에 따른 형광 이미지를 기록하였다(도 7B 및 D). 하이드로겔에서 FITC-dextran의 확산은 채널로부터의 거리와 확산 시간에 따라 일련의 형광 강도 변화를 보여주었다(도 7C 및 E). 형광 강도에서 변환된 회색 값은 채널 패턴에 관계없이 확산 시간이 증가함에 따라 하이드로겔에서 더 많은 FITC-덱스트란이 확산되었음을 입증했다. 육각형 채널을 가진 하이드로겔에 대한 거리 사이의 회색 값의 더 작은 차이를 나타내는 하이드로겔에서 더 높은 수준의 FITC-덱스트란이 관찰되었고, 이는 정사각형 채널과 비교하여 육각형 채널의 흐름 경로가 다르기 때문에 발생한다. 정사각형 채널은 직선 방향의 흐름을 선호하는 반면, 육각형 채널 지점의 흐름의 균일한 분포는 내부 하이드로겔로 분자의 효율적인 확산을 가능하게 하여 육각형 채널을 통한 영양 공급의 효율성이 더 높음을 나타낸다.
[실험예 3]
복합 하이드로겔 내의 미생물 성장 및 광합성 특성 분석
(1)
ALG/CMCNF 중량비에 따른 특성
더 많은 엽록소가 더 강한 녹색 지수를 나타내므로, C. vulgaris의 성장과 증식은 엽록소를 포함하는 세포의 축적으로 인한 하이드로겔의 색 변화에 반영되었다(도 5). 색상 변화는 CMCNF가 없는 ALG 하이드로겔(실시예 2)보다 CMCNF를 포함하는 복합 하이드로겔(실시예 3 내지 6)에서 더 확연했다(도 5A 내지 C). 높은 가교 밀도 때문에 조밀한 구조를 가진 실시예 2(ALG 하이드로겔)에서 세포 성장 및 증식이 제한되었다. 실시예 1 내지 3의 복합 하이드로겔은 7일 배양 후 급격한 색상 변화를 보인 반면, 실시예 2의 하이드로겔은 연한 녹색으로 약간 변화했다(도 5B 및 C). 색상 밀도와 세포 수 사이의 관계를 고려하면 CMCNF가 포함된 하이드로겔이 하이드로겔에 내장된 C. vulgaris의 광합성에 더 적합하다.
하이드로겔 내부의 C. vulgaris의 증식 속도는 공초점 현미경 이미지를 통해서도 관찰되었다(도 5D 및 E). C. vulgaris 내부의 엽록소는 488 nm에서 여기되어 659 nm에서 721 nm 사이의 빛을 방출했다. 하이드로겔 내의 세포 수는 1일차에는 유사했으나, 7일차에 CMCNF가 있는 하이드로겔의 경우(실시예 3 내지 6) 성장률이 증가했다. 세포 증식은 상대적으로 낮았고 실시예 1의 ALG 하이드로겔에서는 세포 클러스터가 관찰되지 않은 반면, CMCNF를 포함하는 하이드로겔(실시예 3 내지 6)은 세포 밀도는 더 높았고 세포 클러스터가 형성되었다. 하이드로겔의 비부피는 궁극적으로 광합성이 가능한 인공잎 구조체, 리빙 페이퍼 시스템의 광합성 효율을 결정하는 세포 증식에 결정적이었다. 실시예 4 내지 6의 복합 하이드로겔은 유사한 기공 구조와 비부피를 나타내어 유사한 성장 및 증식을 나타냈다. 복합 하이드로겔을 사용한 C. vulgaris의 배양은 최대 21일 동안 계속되었다. 모든 하이드로겔 내의 C. vulgaris는 배양 첫 7일 동안 빠른 성장을 보였으며 이후에는 성장률이 감소했다.
(2)
유체 채널 패턴에 따른 특성
실시예 4의 복합 하이드로겔에 상기 제조예 5의 다양한 유체 채널 단위 패턴의 각인 후, 단위 패턴에 따른 미생물의 생장 및 광합성 양상을 관찰하였다. 배양이 진행됨에 따라 하이드로겔이 녹색으로 변하였고, 광학현미경으로 하이드로겔 내에서 C. vulgaris가 증식하는 것이 관찰되었다(도 8A). C. vulgaris가 함유된 하이드로겔의 녹색 영역은 배양 시간이 증가함에 따라 엽록소 함량이 증가하는 것으로 확인되었다(도 8B). 유체 채널은 하이드로겔의 미세조류에 물과 영양분을 제공함으로써 인공 잎 구조체인 복합 하이드로겔 내의 미생물의 배양에 효과적이었다. 유체의 유동성은 식물 잎과 같이 펌핑이나 압력을 가하지 않은, 채널을 통한 모세관력과 확산으로 인한 것이다. 인공정맥 구조의 효율은 미세조류가 매립된 유체 채널이 없는 평평한 형태의 하이드로겔(비교예 1)와 비교되었다(도 8B). 총 엽록소의 양은 비교예 1 보다 각인된 하이드로겔(실시예 7 및 8)에서 더 컸다. 각인된 하이드로겔은 3차원 채널 구조를 가지고 있기 때문에 채널 구조의 3면에서 영양분을 공급할 수 있고 대사 생체 활성을 통해 생합성된 생성물이 보다 효과적으로 방출될 수 있다. C. vulgaris의 증식은 생체 활성의 감소 없이 최대 21일까지 지속되었다. 캡슐화된 C. vulgaris의 광합성을 확인하기 위해 총 단백질과 ATP 함량을 측정하였다. 단백질 함량은 하이드로겔의 채널 패턴에 관계없이 배양 기간 동안 꾸준히 증가했다(도 8C). 실시예 7 및 8은 비교예 1 보다 더 높은 단백질 함량을 보였다. 구체적으로, 단백질 함량은 비교예 1의 경우 2150μg/mL로 증가한 반면, 정사각형 채널이 있는 실시예 7의 경우 3228μg/mL로, 육각형 채널이 있는 실시예 8의 경우 7일 만에 3854μg/mL로 크게 증가했다. 하이드로겔의 채널이 C. vulgaris를 포함하는 하이드로겔의 광합성 효율을 향상시키는 것으로 나타났다. ATP 정량화는 단백질 함량과 일관된 결과를 보여주었다. 실시예 7 및 8은 비교예 1과 비교하여 더 높은 ATP 농도를 나타내었다(도 8D).
[제조예 6] 인공 잎 구조체의 디자인
3D 프린팅을 사용하여 다양한 모양의 인공 잎 구조체를 위한 하이드로겔 복합체를 디자인했다(도 9A 및 B). 하이드로겔 시트에 단풍나무와 수국 잎의 전형적인 모양을 인쇄하고 정맥 구조를 각인했다. 인공 잎의 투명도는 모든 범위의 하이드로겔 두께를 통해 빛을 투과시키고 효과적인 광합성이 가능하게 한다. 인공 잎은 주변 조건에서 7일 동안 정맥을 통해 배양한 후 짙은 녹색으로 변했다.
100: 인공 잎 구조체
110: 하이드로겔
111: ALG/CMCNF 복합체
112: 미생물
120: 유체 채널
130: 투명 박막
140: 영양조성물
150: 습윤패드
160: 건조패드
110: 하이드로겔
111: ALG/CMCNF 복합체
112: 미생물
120: 유체 채널
130: 투명 박막
140: 영양조성물
150: 습윤패드
160: 건조패드
Claims (20)
- 유체 채널 패턴을 갖는 하이드로겔 시트를 포함하며,
상기 하이드로겔은 셀룰로오스 및 미생물을 포함하는 것인,
광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스는 카르복시메틸화된 것을 특징으로 하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 하이드로겔은 알지네이트를 더 포함하는 것인, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제3항에 있어서,
상기 하이드로겔은 알지네이트 및 셀룰로오스의 중량비가 1:0.6-5 인 것을 특징으로 하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 유체 채널의 깊이는 1.0 내지 1.8 mm이고,
채널 직경은 150 내지 250 μm이며,
채널 간 간격은 1.5 내지 2.5 mm 인 것을 특징으로 하는,
광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 인공 잎 구조체는 투명 박막을 더 포함하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 인공 잎 구조체는 건조패드를 더 포함하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 인공 잎 구조체는 1 mm 초과 내지 5 mm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 인공 잎 구조체는 투명한 것을 특징으로 하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 하이드로겔은 250 mm3/g 이상의 비부피(specific volume)를 갖는 것을 특징으로 하는, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 미생물은 미세조류, 광합성이 가능한 인공 잎 구조체. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 광합성이 가능한 인공 잎 구조체의 제조 방법으로서,
(a) 수분산된 셀룰로오스 나노섬유 혼탁액에 미생물을 접종하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 혼합 용액을 몰드에 붓고 겔화시켜 하이드로겔을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 제조된 하이드로겔을 스탬프로 찍어 유체 채널을 형성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 방법은 (a) 단계 전에 셀룰로오스를 카르복시메틸화하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (a) 단계는 알지네이트 및 염화칼슘 수용액을 투입하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제14항에 있어서,
상기 알지네이트 및 셀룰로오스는 중량비가 1:0.6-5가 되도록 투입하는 것인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (c) 단계의 스탬프는 복수개의 중공 각기둥 형상의 요철 단위 패턴을 가지며,
상기 각기둥은 내접원 직경이 1.5 내지 2.5 mm이고; 높이는 0.05 내지 1.8 mm이며; 벽면 두께가 150 내지 250 μm인, 방법. - 제16항에 있어서,
상기 중공 각기둥은 외측에 4 내지 8개의 면을 갖는 것인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 (c) 단계는 하이드로겔을 0.5 N 이상 내지 5 N 미만의 하중으로 상기 스탬프를 찍어 유체 채널을 형성하는 것인, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 방법은
(d) 상기 (c)단계의 유체 채널이 형성된 하이드로겔 위에 투명막을 덮는 단계; 및
(e) 하이드로겔의 양쪽 끝에 건조 패드를 붙이는 단계를
더 포함하는, 방법. - 인공 광합성 방법으로서,
상기 방법은
(a) 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 구조체 양 끝에 건조패드를 부착하는 단계;
(b) 상기 건조패드 중 하나의 패드에 영양 조성물을 지속적으로 주입하여 습윤시키는 단계; 및
(c) 상기 구조체에 빛을 조사하는 단계를 포함하는, 인공 광합성 방법.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220103913A KR20240025813A (ko) | 2022-08-19 | 2022-08-19 | 인공 잎 구조체 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240025813A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200115342A (ko) | 2019-03-28 | 2020-10-07 | 연세대학교 산학협력단 | 마이크로채널 네트워크가 형성된 하이드로젤 구조체 |
-
2022
- 2022-08-19 KR KR1020220103913A patent/KR20240025813A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200115342A (ko) | 2019-03-28 | 2020-10-07 | 연세대학교 산학협력단 | 마이크로채널 네트워크가 형성된 하이드로젤 구조체 |
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|---|---|---|---|
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