WO2017116078A1 - 바이오 칩 및 바이오 칩의 제조 방법 - Google Patents

바이오 칩 및 바이오 칩의 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • a biochip capable of detecting and analyzing multiple bonds of a protein separately from a single bond and a method of manufacturing the same.
  • a biochip and a method of manufacturing the same, in which multiple binding of a target protein can be detected separately from a single binding.
  • a biochip may include: a hydrogel functional layer in which a binding mediator is formed and a physical property is changed in response to the administered target protein and the binding mediator; And a transducer for transmitting a displacement signal corresponding to the change of the physical property of the hydrogel functional layer to an analytical device, wherein the reaction is multiple binding of the target protein and the binding mediator. De-swelling occurs in at least a portion of the hydrogel functional layer by the multiple bonds.
  • the reaction is a multiple bond of the target protein and the binding medium
  • the de-swelling may occur in at least a portion of the hydrogel functional layer by the multiple bond.
  • the physical property may be a refractive index of at least a portion of the hydrogel functional layer
  • the transducer may include a waveguide
  • the displacement signal may be an output signal of the waveguide
  • the physical property is a refractive index of at least a portion of the hydrogel functional layer
  • the transducer comprises a gold thin film
  • the displacement signal is a surface plasmon resonance occurring in the gold thin film.
  • SPR may be an output signal.
  • the physical property may be a volume of at least a portion of the hydrogel functional layer
  • the transducer may include a piezo element
  • the displacement signal may be an output signal of the piezoelectric element
  • the hydrogel functional layer may comprise a copolymer consisting of a main monomer and a comonomer.
  • the main monomer is selected from the group consisting of N-isopropyl acrylamide, poly ( N- acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly (vinylcaprolactame), and polyvinyl methyl ether
  • the comonomer is allylamine (AA), Dimethylaminoethylmethacrylate (DMAEMA), dimethylaminoethylacrylate (DMAEA), acrylic acid (AAc), polyethylene glycol (PEG), and methacrylic acid (MAAc).
  • the hydrogel functional layer may further include a crosslinking agent, and the hydrogel functional layer may include 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent. .
  • the hydrogel functional layer is, poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly (NIPAM-co-AA)], Poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate): poly (NIPAM-co-DMAEMA)] poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) , Poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate), poly (NIPAM-co-DMAEA)] , Poly (N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid) [poly (NIPAM-co
  • the binding medium substrate is at least one of a ligand, a receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA), the surface of the hydrogel functional layer may be modified by forming the binding medium substrate have.
  • the binding medium substrate is at least one of a ligand, a receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA), the surface of the hydrogel functional layer is nanoparticles to form the binding medium substrate Or can be modified using at least one of the proteins as a linker.
  • the ligand or the receptor may be a carbodiimide crosslink, a Schiff base crosslink, an Azlactone crosslink, a carbonyl diimidazole (CDI) crosslink, an Iodoacetyl crosslink, a Hydrazide crosslink, a Mannich crosslink, or a maleimide At least one of crosslinking may be bonded to the hydrogel functional layer.
  • a carbodiimide crosslink a Schiff base crosslink, an Azlactone crosslink, a carbonyl diimidazole (CDI) crosslink, an Iodoacetyl crosslink, a Hydrazide crosslink, a Mannich crosslink, or a maleimide
  • At least one of crosslinking may be bonded to the hydrogel functional layer.
  • the hydrogel functional layer may be divided into two or more regions for reaction with the target protein.
  • the method of manufacturing the hydrogel functional layer included in the above-described biochip includes mixing 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent so that the sum of the monomers is 100%. Doing; Heating the aqueous solution including the monomer; Adding an initiator to initiate the reaction; And obtaining an aqueous hydrogel solution produced according to the reaction.
  • Obtaining the aqueous hydrogel solution may include maintaining an oxygen-free environment while heating the aqueous solution.
  • the main monomer is selected from the group consisting of N-isopropyl acrylamide, poly ( N- acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly (vinylcaprolactame), and polyvinyl methyl ether, and the comonomer is allylamine (AA ), Dimethylaminoethylmethacrylate (DMAEMA), dimethylaminoethylacrylate (DMAEA), acrylic acid (AAc), polyethylene glycol (PEG) and methacrylic acid (MAAc).
  • AA allylamine
  • DMAEMA Dimethylaminoethylmethacrylate
  • DAEA dimethylaminoethylacrylate
  • acrylic acid AAc
  • PEG polyethylene glycol
  • MAAc methacrylic acid
  • the method of manufacturing the biochip described above may include: synthesizing a hydrogel in the form of nanoparticles; Activating the surface of the transducer with at least one of a positive charge, a negative charge, an epoxy or a mercapto; And applying the hydrogel to the surface of the transducer to form the hydrogel functional layer.
  • the step of synthesizing the hydrogel including the main monomer 55 to 98%, the comonomer 2 to 40%, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent mixed to add a total of 100%; Heating the aqueous solution including the monomer; Adding an initiator to initiate the reaction; And it may include the step of obtaining an aqueous hydrogel solution produced by the reaction.
  • the main monomer is selected from the group consisting of N-isopropyl acrylamide, poly ( N- acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly (vinylcaprolactame), and polyvinyl methyl ether, and the comonomer is allylamine (AA) , Dimethylaminoethylmethacrylate (DMAEMA), dimethylaminoethylacrylate (DMAEA), acrylic acid (AAc), polyethylene glycol (PEG), and methacrylic acid (MAAc).
  • AA allylamine
  • DMAEMA Dimethylaminoethylmethacrylate
  • DAEA dimethylaminoethylacrylate
  • acrylic acid AAc
  • PEG polyethylene glycol
  • MAAc methacrylic acid
  • the hydrogel functional layer is, poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly (NIPAM-co-AA)], poly ( N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate): poly (NIPAM-co-DMAEMA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate), poly (NIPAM-co-DMAEA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid) [poly (N-isopropyl
  • the step of modifying the surface by forming at least one of a ligand (ligand), a receptor (receptor), deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA) on the surface of the hydrogel functional layer It may include.
  • At least one of the nanoparticles or proteins to form at least one of a ligand, a receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA) on the surface of the hydrogel functional layer using the linker may further include modifying the surface.
  • the step of modifying the surface is EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl, Hydrazide, DADPA at least one of the ligand, the receptor, the deoxyribonucleic acid, or the ribonucleic acid on the surface of the hydrogel layer using at least one crosslinking agent selected from the group consisting of (diaminodipropylamine), and NHS ester (N-hydroxysuccinimide esters). Linking one.
  • the method of manufacturing the biochip described above may include activating a surface of the transducer with at least one of a positive charge, a negative charge, an epoxy or a mercapto; Applying an aqueous hydrogel solution to the surface of the transducer; And adding an initiator to the aqueous hydrogel solution to form the hydrogel functional layer in bulk gel form.
  • the aqueous hydrogel solution may include 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent.
  • the hydrogel functional layer is, poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly (NIPAM-co-AA)], poly ( N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate): poly (NIPAM-co-DMAEMA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate), poly (NIPAM-co-DMAEA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid) [poly (N-isopropyl
  • the step of modifying the surface by forming at least one of a ligand (ligand), a receptor (receptor), deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA) on the surface of the hydrogel functional layer It may include.
  • At least one of the nanoparticles or proteins to form at least one of a ligand, a receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA) on the surface of the hydrogel functional layer using the linker may further include modifying the surface.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a biochip according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a view illustrating an operating principle of a biochip according to an embodiment.
  • FIG. 3 (a) illustrates differential interference contrast (DIC) micrographs and temperature change and pH change characteristics of refractive index changes of a hydrogel functional layer according to multiple binding and single bonds of a target protein.
  • DIC differential interference contrast
  • FIG. 3 (b) illustrates a schematic diagram of a hydrogel functional layer whose surface is modified through carbodiimide crosslinking of a target protein and a ligand or a receptor, and multiple binding (dimerization) analysis using an optical microscope. .
  • FIG. 5 shows an example of a biochip for detecting a change in refractive index of the hydrogel functional layer.
  • FIG. 6 shows another example of a biochip for detecting a change in refractive index of a hydrogel functional layer.
  • FIG. 7 shows an example of a biochip employing a multi-channel hydrogel functional layer.
  • FIG. 8 illustrates an example of a method of synthesizing a hydrogel used to form a hydrogel functional layer according to one embodiment.
  • FIG. 9 illustrates an example of a method of manufacturing a biochip for forming a hydrogel functional layer using the hydrogel synthesized through FIG. 7.
  • FIG. 10 illustrates an example of a method of manufacturing a biochip using a hydrogel in the form of a bulk gel.
  • FIG. 11 illustrates results of performance tests of a biochip according to an embodiment.
  • 1 is a structural diagram of a biochip.
  • a hydrogel functional layer in which a binding medium substrate is formed and physical properties change in response to the administered target protein and the binding medium substrate is changed.
  • a transducer 120 which transmits a displacement signal corresponding to the change of the physical property of the hydrogel functional layer to an analysis device.
  • the physical properties described above are usually defined by mechanical properties such as strength, hardness, and elongation of materials, electrical conductivity, specific resistance, transmittance, refractive index, and other electromagnetic properties, thermal conductivity, and coefficient of thermal expansion. And thermal properties such as specific heat, and temperature properties such as melting point and boiling point.
  • the biochip 100 may be mounted on an analytical device (not shown) such as a biosensor, and may further include a physical interface (wired or wireless) for transmitting a displacement signal to the analytical device.
  • an analytical device such as a biosensor
  • a physical interface wireless or wireless
  • the analytical device is a device that provides a user visually, audibly, and tactilely with analysis results related to multiple binding of a target protein and a binding medium.
  • the analytical instrument may be, for example, a Surface Plasmon Resonance (SPR) instrument from Reichert®.
  • the analysis equipment may be implemented as a mobile device.
  • the biochip 100 may be designed to be attached to or detached from various analytical equipment and implemented in a replaceable manner.
  • the hydrogel functional layer 110 provides a resolution capable of distinguishing multiple bonds and single bonds of the target protein and the binding mediator administered on the biochip 100. When the hydrogel functional layer 110 is used, it is possible to distinguish between single bonds and multiple bonds of the target protein and the binding mediator without labeling phosphor molecules.
  • a binding mediator is formed on the surface of the hydrogel functional layer 110 to react with the target protein.
  • the binding mediator may be at least one of a receptor, a ligand, DNA, or RNA. Depending on the embodiment, the binding mediator may be a mixture of two or more of the receptor, ligand, DNA, and RNA.
  • the binding medium substrate formed on the hydrogel functional layer 110 may be specifically designed to detect multiple binding with a specific target protein.
  • hydrogel functional layer 110 can distinguish between single and multiple bonds between the target protein and the binding media substrate. Can be.
  • the physical property of the hydrogel functional layer 110 may be a refractive index.
  • the physical property of the hydrogel functional layer 110 may be a volume of the hydrogel functional layer 110.
  • the transducer 120 outputs a change signal of a physical property of the hydrogel functional layer 110 generated by multiple binding between the target protein and the binding medium substrate administered on the biochip 100.
  • the transducer 120 may further include a physical interface unit (not shown) that transmits the displacement signal to an external analysis device.
  • the transducer 120 may further include a signal processor (not shown) for processing the displacement signal and a physical interface unit for transmitting the processing result to an external device. It will be apparent to those skilled in the art that the function and structure of the transducer 120 may be appropriately modified according to the application of the biochip 100 described herein.
  • the transducer 120 may be formed of the hydrogel functional layer 110 caused by multiple bonding between the target protein and the binding mediator. It may be a waveguide for outputting a displacement signal, which is either an optical signal or an electrical signal corresponding to the refractive index change, to the analysis equipment.
  • Waveguides include Surface Plasmon Resonance (SPR) Waveguides, Ring Resonator Waveguides, Long-Period Fiber Grating Waveguides, Grating Couplers, or Lattice Waveguides It may be one of (Grated Waveguide).
  • the transducer 120 may be formed by the multiple coupling between the target protein and the binding mediator of the hydrogel functional layer 110. It may include a piezo element (Piezo element) for outputting a displacement signal corresponding to the volume change to the analysis equipment.
  • QCM Quadrat Crystal Microbalance
  • the change in physical properties of the hydrogel functional layer 110 becomes larger.
  • multiple bonds between the target protein and the binding mediator can be achieved using a lookup table (not shown) generated by comparing the amount of multiple bonds with changes in physical property of the hydrogel functional layer 110. Detect and measure the amount of multiple bonds.
  • the lookup table may be recorded in a memory connected to an external analysis device such as a biosensor connected to the biochip 100 through a physical interface.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a target protein reacting with a biochip 200 including a hydrogel functional layer 210 and a transducer 220 according to one side.
  • the binding protein substrate 211 and 222 may be multiplexed between the target protein and the target protein according to the type of the target protein.
  • a bond (dimerization bond) (for 221) or a single bond (for 222) occurs.
  • de-swelling occurs in the region 231 where the multiple bonds of the hydrogel functional layer 210 occur, thereby changing the physical properties of the hydrogel functional layer 210.
  • the physical properties of the hydrogel functional layer 210 hardly change.
  • the physical property may be a refractive index
  • the transducer 220 transmits a displacement signal corresponding to a change in refractive index due to the area 231 of the hydrogel functional layer 210 to the analysis equipment.
  • the transducer 220 may be a waveguide. Due to the change in the refractive index of the hydrogel functional layer 210 due to the region 231, the effective refractive index of at least a portion of the waveguide which is the transducer 220 is changed.
  • the input optical signal input to the biochip 200 through the light source of the analysis equipment (not shown) is shifted in the resonance frequency due to the effective refractive index change generated in the transducer 220, and the resonance frequency is shifted.
  • the output light signal or corresponding electrical signal (displacement signal) is transmitted to the detector of the analysis equipment.
  • the analytical instrument can analyze the displacement signal to determine the amount of multiple binding between the target protein and the binding mediator.
  • the physical property may be a refractive index
  • the transducer 220 transmits a displacement signal corresponding to a change in refractive index due to the region 231 of the hydrogel functional layer 210 to the analysis equipment.
  • the transducer 220 may be a combination of a gold thin film and glass.
  • SPR Surface Plasmon Resonance
  • an input signal input to the biochip 200 through an analysis device may change its path to surface plasmon resonance generated in the gold thin film, or a leakage signal may occur on the gold thin film.
  • displacement signals output light signals or corresponding electrical signals
  • rerouted signals or leakage signals are transmitted to the detector of the analysis equipment.
  • the physical property may be a volume
  • the transducer 220 may transmit an electric signal (displacement signal) according to a volume change of the hydrogel functional layer 110 region 231 to an analysis device. (Piezo element) is included.
  • the analysis equipment may analyze the displacement signal to measure the amount of multiple binding between the target protein and the binding mediator corresponding to the volume change of the region 231.
  • Figure 3 shows the change in physical properties (refractive index) of the hydrogel functional layer according to the protein multiple bonds and single bonds through optical microscopic image changes.
  • the binding mediator may be at least one of a receptor, a ligand, a DNA, and an RNA.
  • the binding mediator may be a mixture of two or more of the receptor, ligand, DNA, and RNA.
  • Various combinations of binding mediators can be designed to detect multiple bindings between specific target proteins and binding mediators.
  • the biochip described in the present specification may effectively detect multiple binding between a target protein and a binding medium using a hydrogel functional layer.
  • a hydrogel functional layer For example, if the bond between the target protein and the binding mediator is not multiple bonds, the physical properties of the hydrogel functional layer hardly change.
  • the physical properties of the hydrogel functional layer change significantly due to the dewelling occurring in the hydrogel functional layer. That is, the hydrogel functional layer can be used to distinguish single bonds and multiple bonds between the target protein and the binding media substrate, and the amount of multiple bonds between the target protein and the binding media substrate can be utilized by changing the physical properties of the hydrogel functional layer. Can be detected easily.
  • the physical properties of the hydrogel functional layer may vary locally or entirely depending on the method of making the hydrogel functional layer or the reactant.
  • the hydrogel functional layer may be manufactured in a multi-channel manner. By dividing the physical area of the hydrogel functional layer into two or more, it is possible to detect a variety of multiple bonds between the target protein and the binding media in one biochip. According to one side, the area of one hydrogel functional layer may be divided into two or more, and the bonding medium substrate formed in the corresponding area may be different. According to another side, a transducer may be provided for each channel of the hydrogel functional layer, and a change in physical properties of the hydrogel functional layer corresponding to two or more channels may be sensed in one transducer. This will be described later in detail with reference to FIG. 6.
  • the hydrogel functional layer may comprise a copolymer consisting of a main monomer and a comonomer.
  • the hydrogel functional layer, the main monomer and the comonomer may be polymerized with a crosslinking agent.
  • monomers capable of forming hydrogels that are sensitive to heat, ionic strength, or pH may be used.
  • the main monomer may be selected from the group consisting of N-isopropyl acrylamide, poly ( N -acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly (vinylcaprolactame), and polyvinyl methyl ether.
  • the comonomer is a group consisting of allylamine (AA), dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA), dimethylaminoethyl acrylate (DMAEA), acrylic acid (AAc), polyethylene glycol (PEG), and methacrylic acid (MAAc).
  • AA allylamine
  • DMAEMA dimethylaminoethyl methacrylate
  • DAEA dimethylaminoethyl acrylate
  • acrylic acid AAc
  • PEG polyethylene glycol
  • MAAc methacrylic acid
  • the hydrogel functional layer may include 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent.
  • the content of the main monomer is less than 55% may be lowered reactivity, if more than 98% may be reduced the ability to detect multiple binding of the target protein.
  • the content of the comonomer is less than 2% or more than 40%, the ability to detect multiple binding of the target protein may be reduced.
  • the content of the crosslinking agent is less than 0.1%, it may be difficult to form the hydrogel functional layer, and when the content of the crosslinking agent is greater than 5%, the ability to detect multiple binding of the target protein may be reduced.
  • the hydrogel functional layer is, poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly (NIPAM-co-AA)], poly ( N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate): poly (NIPAM-co-DMAEMA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate), poly (NIPAM-co-DMAEA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid) [poly (N-isopropyl
  • the main monomer may be N-isopropyl acrylamide (temperature sensitive hydrogel), and the comonomer may be acrylic acid (pH sensitive hydrogel).
  • the crosslinking agent may be MBA (N, N'-methylene-bis-acrylamide).
  • the hydrogel functional layer may further include an initiator (initiator) as an element for starting the polymerization reaction, the ammonium persulfate (APS) may be used as the initiator.
  • an initiator initiator
  • APS ammonium persulfate
  • the hydrogel functional layer may include 55 to 98% N-isopropyl acrylamide, 2 to 40% acrylic acid, and 0.1 to 5% BIS crosslinking agent.
  • acrylic acid when used as the comonomer, it is preferable to include at least 2% or more of the materials constituting the hydrogel functional layer.
  • the hydrogel functional layer may control the sensitivity to multiple bonds by adjusting the ratio between components, and thus is not limited to the examples described herein. According to one side, the higher the specific gravity of acrylic acid and the lower the specific gravity of the BIS, the reactivity (dewelling degree) of the hydrogel functional layer with respect to multiple bonds between the target protein and the binding media substrate can be increased.
  • the transducer surface of the biochip according to one side may be a surface modified to increase the bonding force with the hydrogel functional layer.
  • the part in which the physical properties of the hydrogel functional layer is changed the whole of the hydrogel functional layer, or may be a part from the surface of the hydrogel functional layer.
  • the activation layer may be equal to the thickness of the entire hydrogel functional layer or smaller than the thickness of the hydrogel functional layer.
  • the activation layer may be formed over a certain depth from the surface of the hydrogel functional layer.
  • the surface of the hydrogel functional layer may be modified to form a binding medium substrate
  • the surface of the hydrogel functional layer according to another side is at least one of nanoparticles or proteins to form a binding medium substrate It may be modified to use as a connector.
  • the binding mediator may be at least one of a receptor, a ligand, DNA, or RNA.
  • the binding mediator may be a mixture of two or more of the receptor, ligand, DNA, and RNA.
  • the binding medium substrate formed on the hydrogel functional layer 110 may be specifically designed to detect multiple binding with a specific target protein.
  • Binding media substrates formed in the hydrogel functional layer are carbodiimide crosslinks, Schiff base crosslinks, Azlactone crosslinks, carbonyl diimidazole (CDI) crosslinks, Iodoacetyl crosslinks, Hydrazide crosslinks, Mannich crosslinks, Alternatively, it may be formed on the hydrogel functional layer by maleimide crosslinking.
  • a binding medium described in hydrogels function layer surface it is possible to form a binding medium described in hydrogels function layer surface.
  • EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride
  • DCC dicyclohexyl carbodiimide
  • NaCNBH3 sodium cyanoborohydride
  • Azlactone CDI (Carbonyl diimidazole) ), Iodoacetyl, Hydrazide, diaminodipropylamine (DADPA), and at least one crosslinking agent selected from the group consisting of NHS esters (N-hydroxysuccinimide esters)
  • the crosslinking agent can be adjusted to control the bonding properties between the binding media substrate and the hydrogel functional layer.
  • biochips including hydrogel functional layer + waveguide
  • an optical signal applied from a light source is transmitted and transmitted into the waveguide, and some are transmitted to the surface of the optical waveguide in the form of an evanescent field. If chemical / biological phenomena occur on the surface of the waveguide, the refractive index change of the waveguide surface material may occur depending on the presence or the extent of the waveguide. As a result, the change in the effective refractive index of the waveguide changes the optical signal transmission characteristics inside the waveguide.
  • an optical detector As such, a device that detects a change in chemical / biological phenomena on the surface of an SPR chip through a change in optical transmission characteristics inside a waveguide due to a change in refractive index of a surface material is called an optical detector or a refractive index detector.
  • Optical or refractive index detectors that measure biomolecular binding relationships have higher throughput and better sensitivity than other biochemical chips, and do not require labeling of phosphors and can detect biomolecular binding relationships in real time. It represents a significant advantage.
  • Several approaches have also quantified the refractive indices caused by changes in the concentration of biochemical molecules.
  • no light detector technology capable of detecting target proteins having multiple bonds apart from general single bonds has been carried out.
  • the technology for accurately detecting qualitative amounts of multiple-bound proteins from single-binding can be the basis for thrombus / immune / cancer-related therapies and drug development tests. Therefore, there is a need for a technique capable of effectively detecting and measuring them.
  • the biochip 500 analyzes a displacement signal corresponding to a change in refractive index of the hydrogel functional layer 510 generated by multiple bonding between the hydrogel functional layer 510 and the target protein and the binding mediator. Transducer 520 to deliver to the equipment.
  • Transducer 520 may be a waveguide.
  • Waveguides include Surface Plasmon Resonance (SPR) Waveguides, Ring Resonator Waveguides, Long-Period Fiber Grating Waveguides, Grating Couplers, or Lattice Waveguides It may be one of (Grated Waveguide).
  • SPR Surface Plasmon Resonance
  • Ring Resonator Waveguides Ring Resonator Waveguides
  • Long-Period Fiber Grating Waveguides Long-Period Fiber Grating Waveguides
  • Grating Couplers Grating Couplers
  • Lattice Waveguides It may be one of (Grated Waveguide).
  • the transducer 520 outputs a displacement signal such as an optical signal or an electrical signal corresponding to at least one change among the transmission / reflection / resonance characteristics of the optical signal caused by the refractive index change of the hydrogel functional layer 510.
  • the output displacement signal is transferred to the analysis equipment, which can analyze multiple binding between the target protein and the binding mediator corresponding to the displacement signal.
  • the thickness of the hydrogel functional layer may be 10 to 1000 nm.
  • the thickness of the hydrogel functional layer can be determined by the waveguide simulation (eg, finite-difference time-domain (FDTD) method or finite-differential method). difference method, FDM)) may be 10 to 1000 nm.
  • the hydrogel functional layer may exhibit an effective refractive index change at a thickness of 10 to 1000 nm.
  • the thickness of the hydrogel functional layer is less than 10 nm or more than 1000 nm, it may be difficult to detect the multiple bonds between the target protein and the binding medium because it is difficult to determine the amount of change in the refractive index.
  • the biochip 600 analyzes a displacement signal corresponding to a change in refractive index of the hydrogel functional layer 610 due to multiple bonding between the hydrogel functional layer 610 and the target protein and the binding mediator. Transducer 620 to deliver to the equipment.
  • the transducer 620 may be a layered structure composed of a gold thin film 621 and glass 622.
  • Surface Plasmon Resonance occurs in the gold thin film 621 due to a change in refractive index in at least a portion of the hydrogel functional layer 610. More specifically, the input signal input to the biochip 600 through the analysis equipment (not shown) is changed to a propagation angle due to surface plasmon resonance generated in the gold thin film 621, or the gold thin film 621 Leakage signal may occur. In this way, displacement signals (output light signals or corresponding electrical signals), such as signals having changed propagation angles or leakage signals, are transmitted to the analysis equipment.
  • the analytical instrument can analyze the multiplex signal between the target protein and the binding mediator by analyzing the displacement signal.
  • biochips including a hydrogel functional layer + piezoelectric element
  • the biochip according to one side includes a transducer that transmits a displacement signal corresponding to a volume change of a hydrogel functional layer caused by multiple binding between a target protein and a binding mediator to an analytical device.
  • de-swelling occurs in at least a portion of the hydrogel functional layer due to multiple bonds between the target protein and the binding media substrate, thereby changing the volume of the hydrogel functional layer.
  • a piezo element included in the transducer outputs a displacement signal according to the volume change of the hydrogel functional layer.
  • the output displacement signal is transmitted to the analysis equipment.
  • the analytical instrument can analyze multiple binding between the target protein and the binding mediator corresponding to the volume change.
  • Figure 7 shows a biochip according to another side.
  • the biochip 700 may include two or more physically distinct hydrogel functional layers 711, 712, and 713 for detecting multiple binding between one or more target proteins and a binding mediator.
  • the hydrogel functional layer application region formed on the surface of the transducer 720 is physically divided into two or more, and different hydrogel functional layers 711, 712, 713 are formed in each region.
  • the hydrogel functional layer application region formed on the surface of the transduce 720 is one, multi-channel bio in such a way to form different bonding media on the hydrogel functional layer (711, 712, 713) Chips can be implemented.
  • the transducer 720 is displaced with respect to each of the areas A to C according to the change in the physical characteristics of each of the areas A to C 711, 712, and 713 due to the diswelling area in each of the areas A to C of the hydrogel functional layer. Deliver the signal to the analysis equipment.
  • Displacement signals can be analyzed using analytical equipment and can analyze multiple binding of target proteins for each region corresponding to changes in the physical properties of the moistening region.
  • FIG. 8 illustrates a hydrogel synthesis method for forming a hydrogel functional layer of a biochip according to one side.
  • the hydrogel for forming the hydrogel functional layer of the biochip the sum of monomers including 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent so that the sum of the monomers is 100% Mixing 801; Heating (802) an aqueous solution comprising the monomers; Initiating the reaction by adding an initiator (803); And it may be prepared through the step 804 to obtain an aqueous hydrogel solution produced by the reaction.
  • step 801 the hydrogel according to one side, the main monomer and the comonomer are polymerized with a crosslinking agent, and monomers capable of forming a hydrogel functional layer, preferably sensitive to heat or pH, may be used.
  • the main monomer may be selected from the group consisting of N-isopropyl acrylamide, poly ( N -acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly (vinylcaprolactame), and polyvinyl methyl ether.
  • the comonomer is a group consisting of allylamine (AA), dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA), dimethylaminoethyl acrylate (DMAEA), acrylic acid (AAc), polyethylene glycol (PEG), and methacrylic acid (MAAc).
  • AA allylamine
  • DMAEMA dimethylaminoethyl methacrylate
  • DAEA dimethylaminoethyl acrylate
  • acrylic acid AAc
  • PEG polyethylene glycol
  • MAAc methacrylic acid
  • the hydrogel may include 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent.
  • the content of the main monomer when the content of the main monomer is less than 55% can be reduced in reactivity, if more than 98% can reduce the ability to detect the dimerization of the protein.
  • the content of the comonomer when the content of the comonomer is less than 2% or more than 40%, the ability to detect dimerization of the protein may be reduced.
  • the content of the crosslinking agent when the content of the crosslinking agent is less than 0.1%, it may be difficult to form a hydrogel functional layer, and when the content of the crosslinking agent is greater than 5%, dimerization resolution of the protein may be degraded.
  • the main monomer may be N-isopropyl acrylamide (temperature sensitive hydrogel), and the comonomer may be acrylic acid (pH sensitive hydrogel).
  • the crosslinking agent may be MBA (N, N'-methylene-bis-acrylamide).
  • the hydrogel is, poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly (NIPAM-co-AA)], poly (N- Isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate): poly (NIPAM-co-DMAEMA)], poly (N Isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate), poly (NIPAM-co-DMAEA)], poly (N Poly (N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly (NIPAM-co-
  • the hydrogel may include 55 to 98% N-isopropyl acrylamide, 2 to 40% acrylic acid, and 0.1 to 5% BIS crosslinking agent.
  • acrylic acid when used as the comonomer, it is preferable to include at least 2% or more of the materials constituting the hydrogel functional layer.
  • the aqueous solution including the main monomer and the comonomer is heated (802).
  • An initiator is added to the heated aqueous solution to initiate the reaction (803).
  • ammonium persulfate APS
  • APS ammonium persulfate
  • step 804 Obtaining an aqueous hydrogel solution produced by the reaction (804).
  • step 804 a step of maintaining an oxygen-free environment while heating the aqueous solution may be further performed.
  • the size uniformity of the hydrogel obtained in step 804 may be increased.
  • step 804 may include dialysis to purify the unreacted monomer.
  • the hydrogel described above can control the sensitivity of multiple binding between the target protein and the binding media substrate by adjusting the ratio between components.
  • the composition and preparation method of such hydrogel is not limited to the examples described herein. According to one side, the higher the specific gravity of the acrylic acid and the lower the specific gravity of the BIS can increase the reactivity (de-swelling degree) of the hydrogel functional layer to the multiple bonds.
  • FIG. 9 illustrates a method of manufacturing a biochip by forming a hydrogel synthesized according to the method of FIG. 8 on a transducer.
  • Biochip manufacturing method comprises the steps of synthesizing a hydrogel in the form of nanoparticles (901); 902 activating the surface of the transducer with at least one of a positive charge, a negative charge, an epoxy or a mercapto; And applying (903) the hydrogel to the surface of the transducer to form a hydrogel functional layer.
  • a nanoparticle hydrogel may be synthesized (901).
  • the surface of the transducer is activated 902 with at least one of a positive charge, a negative charge, an epoxy or a mercapto.
  • the step 902 of activating the transducer surface with at least one of positive charge, epoxy or mercapto may include: at least one of aminosilane, epoxysilane, and mercaptosilane. It may be to be carried out through an aqueous phase reaction using.
  • the aminosilane compound is 3-aminopropyl triethoxysilane ((3-aminopropyl) -triethoxysilane), bis-3-triethoxysilylpropylamine (bis [(3-triethoxysilyl) propyl] amine), 3-amino Propyltrimethoxysilane ((3-aminopropyl) -trimethoxysilane), bis-3-trimethoxysilyl) propyl] amine, 3-aminopropylmethyldiethoxysilane ((3- aminopropyl) -methyl-diethoxysilane, (3-aminopropyl) -dimethyl-ethoxysilane, 3-aminopropyl-diethoxy-methylsilane, aminoethyl Aminoethyl-aminopropyl-trimethoxysilane, aminoethyl-aminopropyl-methyl-dimethoxysilane,
  • the epoxy silane is 3-glycidoxypropyl-trimethoxysilane, 3-glycidoxypropyl-triethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane (3-glycidoxypropyl-methyl-diethoxysilane), 3-glycidoxypropyl-methyl-dimethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) -ethyltrimethoxysilane (2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl-trimethoxysilane) and 2- (3,4-epoxycyclohexyl) -ethyltriethoxysilane (2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl-triethoxysilane) .
  • 3-mercaptopropyltrimethoxysilane MTMS
  • 3-mercaptopropyl triethoxysilane 3-mercaptopropyl triethoxysilane
  • 3-mercaptosilane 3-mercaptopropyl triethoxysilane
  • 3-mercaptosilane has a thiol group
  • Captopropylmethyldimethoxysilane MPDMS ((3-mercaptopropyl) -methyl-dimethoxysilane) can be any one.
  • the hydrogel is coated on the surface of the transducer to form a hydrogel functional layer (903).
  • the transducer surface is positive charge (+), and the hydrogel functional layer is previously activated with negative charge (-). Can be.
  • an aqueous free-radical precipitation polymerization method may be used.
  • the surface of the hydrogel functional layer may be modified by forming a binding mediator, which is at least one of ligand, receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA).
  • a binding mediator which is at least one of ligand, receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA).
  • the surface of the hydrogel functional layer may include at least one of a nanoparticle or a protein as a linker to form a binding mediator, which is at least one of ligand, receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA). It can be modified using.
  • the binding media may include carbodiimide crosslinks, Schiff base crosslinks, Azlactone crosslinks, Carbonyl diimidazole (CDI) crosslinks, Iodoacetyl crosslinks, Hydrazide crosslinks, Mannich crosslinks, or maleimides.
  • At least one of crosslinking may be combined with the hydrogel functional layer.
  • Hydrogels function by using a NH 2 + present in the carboxylic acid functional group (COOH) and the proteins present in the surface layer, it is possible to form a binding medium described in hydrogels function layer surface.
  • crosslinking carbodiimide 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC), dicyclohexyl carbodiimide (DCC), sodium cyanoborohydride (NaCNBH3), Azlactone, carbonyl diimidazole (CDI), Iodoacetyl, At least one crosslinker selected from the group consisting of Hydrazide, diaminodipropylamine (DADPA), and NHS esters (N-hydroxysuccinimide esters) can be used.
  • the crosslinking agent can be adjusted to control the bonding properties between the binding media substrate and the hydrogel functional layer.
  • the hydrogel functional layer is EDC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl,
  • EDC 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride
  • DCC dicyclohexyl carbodiimide
  • NaCNBH3 sodium cyanoborohydride
  • Azlactone CDI (Carbonyl diimidazole)
  • Iodoacetyl Using at least one crosslinking agent selected from the group consisting of Hydrazide, DADPA (diaminodipropylamine), and NHS esters (N-hydroxysuccinimide esters), it can be modified by a method of forming a binding mediator on
  • the biochip according to one side may be formed a hydrogel functional layer in the form of a bulk gel.
  • FIG. 10 illustrates a biochip manufacturing method using a hydrogel in the form of a bulk gel.
  • a method of initiating the polymerization reaction may be used.
  • Biochip manufacturing method using a hydrogel in the form of a bulk gel according to one side, using a hydrogel solution in the form of a bulk gel, the surface of the transducer in the positive charge, negative charge, epoxy (epoxy) or mercapto (mecapto) Activating at least one 1001; Applying (1002) the aqueous hydrogel solution to the transducer surface; And adding an initiator to the aqueous hydrogel solution to form a hydrogel functional layer in bulk gel form (1003).
  • the aqueous hydrogel solution may include 55 to 98% of the main monomer, 2 to 40% of the comonomer, and 0.1 to 5% of the crosslinking agent.
  • the main monomer may be selected from the group consisting of N-isopropyl acrylamide, poly ( N -acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly (vinylcaprolactame), and polyvinyl methyl ether.
  • the comonomer is selected from the group consisting of allylamine (AA), dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA), dimethylaminoethyl acrylate (DMAEA), acrylic acid (AAc), polyethylene glycol (PEG) and methacrylic acid (MAAc). Can be selected.
  • the aqueous hydrogel solution poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly (NIPAM-co-AA)], poly (N -Isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl methacrylate): poly (NIPAM-co-DMAEMA)], poly ( N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate) [poly (N-isopropyl acrylamide-co-2- (dimethylamino) ethyl acrylate), poly (NIPAM-co-DMAEA)], poly ( N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid) [poly (NIPAM-
  • the transducer surface is activated (1001) with at least one of a positive charge, a negative charge, an epoxy, or a mercapto. Since step 1001 is the same as step 902 described above, detailed description is omitted.
  • the aqueous hydrogel solution is applied to the surface of the transducer (1002).
  • the hydrogel functional layer thickness may be adjusted by adjusting the water level.
  • An initiator is added to the aqueous hydrogel solution to form a hydrogel functional layer in the form of a bulk gel (1003). Since the manner of adding the initiator is the same as that described in step 1003 of FIG. 7, detailed description is omitted.
  • it may further comprise the step of modifying the surface by forming a bonding medium substrate on the surface of the hydrogel functional layer.
  • a binding medium substrate on the surface of the hydrogel functional layer it may further comprise the step of modifying the surface using another nanoparticle or protein as a linker.
  • the binding mediator may be at least one of ligand, receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA), and may be selected from ligand, receptor, deoxyribonucleic acid (DNA), or ribonucleic acid (RNA). Two or more may be mixed.
  • biochip modified the surface of gold thin film with PEG / COOH which is generally used as the biochip for SPR sensor
  • biochip which formed the hydrogel functional layer on the surface of the gold thin film made by special technology.
  • the two types of biochips were mounted on SPR sensors from Reichert®, an analytical instrument. Since the biochip having the hydrogel functional layer formed on the gold thin film surface has been described in detail with reference to FIG. 6, the detailed description thereof will be omitted.
  • Biochip having a hydrogel functional layer formed on the surface of a gold thin film was modified by using a crystallization dihydrochloride (Cystamine dihydrochloride) to form a hydrogel functional layer.
  • a crystallization dihydrochloride Cystamine dihydrochloride
  • a bond mediator was formed on the "biochip modified gold thin film surface with PEG / COOH” and "biochip formed with a hydrogel functional layer on the gold thin film surface". At this time, when the binding state is measured after the introduction of the protein to be added later, only a single bond is generated or formed to separate multiple bonds.
  • the target protein when the target protein is administered to two kinds of chips, the following four cases may occur when the biochip type and the binding state of the target protein are simultaneously considered.
  • the same concentration of target protein was administered to each of the two types of biochips described above. Binding banning between the target protein and the binding mediator on the biochip starts, and after a certain time, the resultant value is measured through the SPR sensor.
  • 11 is a result of a performance test of a biochip according to one embodiment.
  • FIG. 11A shows the response size 317 of the SPR sensor for the case 1).
  • the right side of (a) of FIG. 11 shows the response size 226 of the SPR sensor for the case 2).
  • FIG. 11B shows the response size 287 of the SPR sensor for the case 3).
  • 11 b shows the response size 504 of the SPR sensor for the case 4).

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Abstract

단백질의 다중 결합을 단일 결합과 구분하여 검출 및 분석할 수 있는 바이오 칩 및 이의 제조 방법이 개시된다. 일실시예에 따른 바이오 칩은, 결합 매개 기재가 형성되고, 투여된 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 반응으로 물리적 특성이 변화하는 수화젤(hydrogel) 기능층; 및 상기 수화젤 기능층의 상기 물리적 특성의 변화에 대응하는 변위(displacement) 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서(transducer)를 포함하되, 상기 반응은 상기 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 다중 결합이고, 상기 다중 결합으로 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부에서 디스웰링(de-swelling)이 발생한다.

Description

바이오 칩 및 바이오 칩의 제조 방법
단백질의 다중 결합을 단일 결합과 구분하여 검출 및 분석할 수 있는 바이오 칩 및 이의 제조 방법이 개시된다.
단백질은 세포 내 반응을 매개하는 조절인자로 인체 내에서 중요한 역할을 한다. 단백질로 인한 기작들은 이종 혹은 동종 단백질 간의 다중 결합에 의해 조절된다. 체내 단백질의 다중 결합은 체내에서 아래의 기능을 할 수 있다.
(1) 단백질 중합화(polymerization)에 의한 구조물을 생성함(혈전 생성 및 actin polymerization),
(2) 세포막 단백질의 이종 혹은 동종 간의 (당)단백질이 리간드 (당)단백질과 결합하여 이합체 또는 다합체를 형성하여 세포 내 신호 전달을 함,
(3) 세포 내 단백질 간의 상호 작용 및 결합을 통해 유전자 발현을 함.
위와 같이, 체내 단백질 간의 다중 결합으로 인해, 생체 내의 혈전 생성, 암 발생 및 면역 반응과 같은 중요 생체 조절 작용이 야기된다. 따라서, 체내 단백질의 다중 결합을 검출 및 분석하는 것이 필요하다. 단백질의 다중 결합을 검출하기 위해서, 단백질의 정제 및 농축과 함께, 형광제 라벨링(fluorescent labeling)과 같은 전처리 과정이 필요하다. 이러한 일련의 전처리 과정 없이(=label-free, 비표지), 타겟 단백질의 다중 결합과 단일 결합을 구분하여 감지하는 것은 매우 어렵다. 일례로, 기존의 굴절률 트랜스듀서 기술을 이용하더라도, 굴절률 트랜스듀서가 단백질의 다중 결합을 감지할 수 있는 충분한 감도(sensitivity) 및 다중 결합의 선택적 감지를 제공하기 어렵다.
타겟 단백질의 다중 결합을 단일 결합과 구분하여 검출할 수 있는 바이오 칩 및 이의 제조방법을 제공한다.
해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일실시예에 따른 바이오 칩은, 결합 매개 기재가 형성되고, 투여된 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 반응으로 물리적 특성이 변화하는 수화젤(hydrogel) 기능층; 및 상기 수화젤 기능층의 상기 물리적 특성의 변화에 대응하는 변위(displacement) 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서(transducer)를 포함하되, 상기 반응은 상기 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 다중 결합이고, 상기 다중 결합으로 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부에서 디스웰링(de-swelling)이 발생한다.
일측에 따르면, 상기 반응은 상기 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 다중 결합이고, 상기 다중 결합으로 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부에서 디스웰링(de-swelling)이 발생할 수 있다.
상기 물리적 특성은 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부의 굴절률이고, 상기 트랜스듀서는 도파로(waveguide)를 포함하며, 상기 변위 신호는 상기 도파로의 출력 신호일 수 있다.
또한, 상기 물리적 특성은 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부의 굴절률이고, 상기 트랜스듀서는 골드 박막(gold thin film)을 포함하며, 상기 변위 신호는 상기 골드 박막에서 일어난 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance: SPR)에 대응하는 출력 신호일 수 있다.
또한, 상기 물리적 특성은 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부의 볼륨(volume)이고, 상기 트랜스듀서는 압전소자(Piezo element)를 포함하며, 상기 변위 신호는 상기 압전소자의 출력 신호일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은 메인단량체 및 공단량체로 이루어진 공중합체를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산(AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 및 메타아크릴산(MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 수화젤 기능층은 가교제를 더 포함할 수 있고, 상기 수화젤 기능층은, 상기 메인단량체 55 내지 98%, 상기 공단량체 2 내지 40%, 및 상기 가교제 0.1 내지 5%로 이루어질 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 결합 매개 기재는 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나이고, 상기 수화젤 기능층의 표면은 상기 결합 매개 기재가 형성되어 개질될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 결합 매개 기재는 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나이고, 상기 수화젤 기능층의 표면은 상기 결합 매개 기재를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 개질될 수 있다.
상기 리간드 또는 상기 리셉터는, 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합, Schiff base 교차결합, Azlactone 교차결합, Carbonyl diimidazole(CDI) 교차결합, Iodoacetyl 교차결합, Hydrazide 교차결합, Mannich 교차결합, 또는 말레이미드(maleimide) 교차결합 중 적어도 하나로 상기 수화젤 기능층에 결합될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은 상기 타겟 단백질과의 반응을 위한 둘 이상의 영역으로 구분될 수 있다.
상술한 바이오 칩에 포함된 상기 수화젤 기능층을 제조하는 방법은, 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함하여 단량체의 합이 100%가 되도록 혼합하는 단계; 상기 단량체를 포함하는 수용액을 가열하는 단계; 개시제를 추가하여 반응을 개시(initiate)하는 단계; 및 상기 반응에 따라 생성된 수화젤 수용액을 얻는 단계를 포함한다.
상기 수화젤 수용액을 얻는 단계는, 상기 수용액을 가열하면서 무산소(oxygen-free) 환경을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산(AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 메타아크릴산(MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상술한 바이오 칩을 제조하는 방법은, 나노 파티클 형태의 수화젤을 합성하는 단계; 상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계; 및 상기 트랜스듀서의 표면에 상기 수화젤을 도포하여, 상기 수화젤 기능층을 형성하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 수화젤을 합성하는 단계는, 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함하여 단량체의 합이 100%가 되도록 혼합하는 단계; 상기 단량체를 포함하는 수용액을 가열하는 단계; 개시제를 추가하여 반응을 개시(initiate)하는 단계; 및 상기 반응에 따라 생성된 수화젤 수용액을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 여기에서, 상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산(AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 및 메타아크릴산(MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 및 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계는, 아미노실란(aminosilane), 카르복시실란(carboxyisilane), 에폭시실란(epoxysilane) 및 머캅토실란(mercaptosilane) 중 적어도 하나를 사용하여 수행될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드(ligand), 리셉터(receptor), 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시켜 상기 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 상기 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 표면을 개질하는 단계는, EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl, Hydrazide, DADPA (diaminodipropylamine), 및 NHS 에스테르 (N-hydroxysuccinimide esters)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가교제를 사용하여, 상기 수화젤 기능층 표면에 상기 리간드, 상기 리셉터, 상기 디옥시리보핵산, 또는 상기 리보핵산 중 적어도 하나를 링크시키는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바이오 칩을 제조하는 방법은, 상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계; 상기 트랜스듀서의 표면에 수화젤 수용액을 도포하는 단계; 및 상기 수화젤 수용액에 개시제를 첨가하여, 벌크젤 형태의 상기 수화젤 기능층을 형성하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 수용액은, 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드(ligand), 리셉터(receptor), 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시켜 상기 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 상기 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 바이오 칩은, 형광체 라벨링(fluorescent labeling) 등의 전처리 과정 없이(=label-free, 비표지)도 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 타겟 단백질의 단일 결합과 구분하여 감지할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 바이오 칩의 구조도이다.
도 2는 일실시예에 따른 바이오 칩의 동작원리를 설명하는 도면이다.
도 3의 (a)는 타겟 단백질의 다중 결합 및 단일 결합에 따른 수화젤 기능층의 굴절률 변화에 대한 미분간섭(Differential Interference Contrast: DIC) 현미경 사진 및 온도 변화와 pH 변화 특성을 예시한 것이다.
도 3의 (b)는 타겟 단백질과 리간드 또는 리셉터의 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합을 통해 표면이 개질된 수화젤 기능층의 모식도 및 광학 현미경을 이용한 다중 결합(이합체화) 분석을 예시한 것이다.
도 4는 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합 또는 말레이미드(maleimide) 교차결합의 일례를 도시한다.
도 5는 수화젤 기능층의 굴절률 변화를 감지하는 바이오 칩의 일례를 도시한다.
도 6은 수화젤 기능층의 굴절률 변화를 감지하는 바이오 칩의 또 다른 일례를 도시한다.
도 7은 멀티-채널 수화젤 기능층을 채용한 바이오 칩의 일례를 도시한다.
도 8은 일실시예에 따른 수화젤 기능층을 형성하는데 이용되는 수화젤의 합성 방법의 일례를 도시한다.
도 9는 도 7을 통해 합성된 수화젤을 이용하여 수화젤 기능층을 형성하는 바이오 칩의 제조 방법의 일례를 도시한다.
도 10은 벌크젤 형태의 수화젤을 이용하는 바이오 칩의 제조 방법의 일례를 도시한다.
도 11은 일실시예에 따른 바이오 칩의 성능 실험 결과를 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
<바이오 칩의 개요>
도 1은 바이오 칩의 구조도이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 바이오 칩은, 결합 매개 기재가 형성되고, 투여된 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 반응으로 물리적 특성(physical properties)이 변화하는 수화젤(hydrogel) 기능층(110) 및 상기 수화젤 기능층의 상기 물리적 특성의 변화에 대응하는 변위(displacement) 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서(transducer)(120)를 포함한다.
위에서 설명한 물리적 성질(physical properties)은 통상 소재가 갖는 강도, 경도, 연신율 등의 기계적 성질(mechanical properties), 전기전도도, 비저항, 투과율, 굴절률 등의 전자기적 성질(electromagnetic properties), 열전도도, 열팽창 계수, 비열 등의 열적 성질(thermal properties), 융점, 비점 등의 온도 성질(temperature properties)를 통칭하는 의미이다.
바이오 칩(100)은 바이오 센서 등의 분석 장비(도시되지 않음)에 장착될 수 있고, 분석 장비로 변위 신호를 전달하기 위한 물리적 인터페이스(유선 또는 무선)를 더 포함할 수 있다.
여기서 분석 장비는 타겟 단백질과 결합 매개 기재의 다중 결합과 관련된 분석 결과를 사용자에게 시각적/청각적/촉각적으로 제공하는 장비이다. 분석 장비는, 일례로 Reichert®의 SPR(Surface Plasmon Resonance) 장비일 수 있다. 또한, 구현에 따라 분석 장비는 모바일 디바이스로 구현될 수 있다. 바이오 칩(100)은 다양한 분석 장비에 착탈 가능하도록 설계되어 교체 가능한(replaceable) 방식으로 실시될 수 있다.
수화젤 기능층(110)은 바이오 칩(100) 상에 투여된 타겟 단백질과 결합 매개 기재의 다중 결합 및 단일 결합을 구분할 수 있는 분해능(resolution capability)을 제공한다. 수화젤 기능층(110)을 사용하는 경우, 형광체 분자의 라벨링 없이(label-free) 타겟 단백질과 결합 매개 기재의 단일 결합과 다중 결합을 구별할 수 있다.
수화젤 기능층(110)의 표면에는 타겟 단백질과의 반응을 위해 결합 매개 기재가 형성된다. 결합 매개 기재는 리셉터(receptor), 리간드(ligand), DNA, 또는 RNA 중 적어도 하나일 수 있다. 구현에 따라 결합 매개 기재는 리셉터, 리간드, DNA, 및 RNA 중 둘 이상이 혼합될 수 있다. 수화젤 기능층(110)에 형성되는 결합 매개 기재는 특정 타겟 단백질과의 다중 결합을 검출할 수 있도록 특별히 설계된 것일 수 있다.
타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 다중 결합(또는 이합체화(dimerization))은 수화젤 기능층(110)의 적어도 일부 영역에서의 디스웰링(de-swelling)을 야기하고, 이러한 디스웰링은 수화젤 기능층(110)의 물리적 특성을 변화시킨다. 수화젤 기능층(110)은 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 단일 결합에 대해서는 물리적 특성이 거의 변화하지 않으므로, 수화젤 기능층(110)을 통해 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 단일 결합과 다중 결합을 구분할 수 있다.
일측에 따르면, 수화젤 기능층(110)의 물리적 특성은 굴절률일 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 수화젤 기능층(110)의 물리적 특성은 수화젤 기능층(110)의 볼륨(volume)일 수 있다.
트랜스듀서(120)는 바이오 칩(100) 상에 투여된 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 발생한 수화젤 기능층(110)의 물리적 특성의 변화를 변위 신호로 출력한다. 구현에 따라, 트랜스듀서(120)는 변위 신호를 외부의 분석 장비로 전송하는 물리적 인터페이스부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 다른 구현에 따르면, 트랜스듀서(120)는 변위 신호를 처리하는 신호 처리부(도시되지 않음) 및 처리 결과를 외부의 디바이스로 전송하는 물리적 인터페이스부를 더 포함할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 바이오 칩(100)의 응용예에 따라 트랜스듀서(120)의 기능 및 구조는 적절히 수정될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
수화젤 기능층(110) 적어도 일부 영역의 디스웰링으로 인해 변화하는 물리적 특성이 굴절률인 경우, 트랜스듀서(120)는 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 인해 발생한 수화젤 기능층(110)의 굴절률 변화에 대응하는 광 신호 또는 전기 신호 중 어느 하나인 변위 신호를 분석 장비로 출력하는 도파로(waveguide)일 수 있다. 도파로는, 표면 플라즈몬 공명 도파로(Surface Plasmon Resonance (SPR) Waveguide), 링 공명 도파로(Ring Resonator Waveguide), 장-주기 격자 도파로(Long-Period Fiber Grating Waveguide), 격자 결합기(Grating Coupler), 또는 격자 도파로(Grated Waveguide) 중 어느 하나일 수 있다.
수화젤 기능층(110) 적어도 일부 영역의 디스웰링으로 인해 변화하는 물리적 특성이 볼륨인 경우, 트랜스듀서(120)는 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 인해 발생한 수화젤 기능층(110)의 볼륨 변화에 대응하는 변위 신호를 분석 장비로 출력하는 압전소자(Piezo element)를 포함할 수 있다. 이 경우, 분석 장비로 QCM(Quartz Crystal Microbalance) 장비가 이용될 수 있다.
이러한 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합이 얼마나 많이 또는 얼마나 집중되어 일어나느냐에 따라, 수화젤 기능층(110)의 물리적 특성의 변화는 더 커진다. 이러한 관계를 이용하여, 다중 결합의 양과 수화젤 기능층(110)의 물리적 특성 변화값을 대조하여 생성된 룩업(lookup) 테이블(도시되지 않음)을 이용하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 감지하고, 다중 결합의 양을 측정할 수 있다. 상기 룩업 테이블은 바이오 칩(100)과 물리적 인터페이스로 연결된 바이오 센서 등의 외부 분석 장비와 연결된 메모리에 기록될 수 있다.
도 2는 일측에 따른 수화젤 기능층(210) 및 트랜스듀서(220)를 포함하는 바이오 칩(200)에 타겟 단백질이 반응한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 수화젤 기능층(210) 상에 형성된 결합 매개 기재(211, 222)에 타겟 단백질이 결합하는 경우 타겟 단백질의 종류에 따라 결합 매개 기재(211, 222)와 타겟 단백질 간에 다중 결합(이합체화 결합)(221의 경우) 또는 단일 결합(222의 경우)이 발생한다. 다중 결합이 발생하는 경우, 수화젤 기능층(210)의 다중 결합이 발생한 영역(231)에서 디스웰링(de-swelling)이 일어나고, 이로 인해 수화젤 기능층(210)의 물리적 특성이 변한다. 단일 결합이 발생한 영역에서는 수화젤 기능층(210)의 물리적 특성은 거의 변하지 않는다.
일례로, 상기 물리적 특성은 굴절률일 수 있고, 트랜스듀서(220)는 수화젤 기능층(210)의 영역(231)로 인한 굴절률 변화에 대응하는 변위 신호를 분석 장비로 전달한다. 이때, 트랜스듀서(220)는 도파로일 수 있다. 영역(231)로 인한 수화젤 기능층(210)의 굴절률 변화로 인해 트랜스듀서(220)인 도파로의 적어도 일부의 유효(effective) 굴절률이 변화된다. 분석 장비(도시되지 않음)의 광원을 통해 바이오 칩(200)으로 입력된 입력 광 신호는, 트랜스듀서(220)에서 발생한 유효 굴절률 변화로 인해 공진 주파수가 이동(shift)하고, 공진 주파수가 이동된 출력 광 신호 또는 이에 대응하는 전기 신호(변위 신호)는 분석 장비의 디텍터로 전달된다. 분석 장비는 변위 신호를 분석하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합의 양을 측정할 수 있다.
다른 일례로, 상기 물리적 특성은 굴절률일 수 있고, 트랜스듀서(220)는 수화젤 기능층(210)의 영역(231)로 인한 굴절률 변화에 대응하는 변위 신호를 분석 장비로 전달한다. 이때, 트랜스듀서(220)는 골드 박막(gold thin film) 및 글라스(glass)의 조합일 수 있다. 영역(231)로 인한 수화젤 기능층(210)의 굴절률 변화로 인해 트랜스듀서(220)인 골드 박막에서 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance: SPR)이 발생한다. 더욱 상세하게는, 분석 장비(도시되지 않음)로부터 통해 바이오 칩(200)으로 입력된 입력 신호는 골드 박막에서 발생한 표면 플라즈몬 공진으로 진행 경로가 변하거나, 골드 박막 상에서 누설(leakage) 신호가 발생할 수 있다. 이와 같이, 경로가 변경된 신호 또는 누설 신호 등의 변위 신호(출력 광 신호 또는 이에 대응하는 전기 신호)는 분석 장비의 디텍터로 전달된다.
다른 일례로, 상기 물리적 특성은 볼륨일 수 있고, 트랜스듀서(220)는 수화젤 기능층(110) 영역(231)의 볼륨 변화에 따른 전기 신호(변위 신호)를 분석 장비로 전달할 수 있는 압전소자(Piezo element)를 포함한다. 분석 장비는 상기 변위 신호를 분석하여 영역(231)의 볼륨 변화에 대응하는 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합의 양을 측정할 수 있다.
< 수화젤 기능층의 기작 개요>
도 3은 단백질 다중 결합 및 단일 결합에 따른 수화젤 기능층의 물리적 특성(굴절률) 변화를 광학 현미경 이미지 변화를 통해 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 수화젤 기능층에 형성된 결합 매개 기재와 타겟 단백질의 다중 결합에 의하여 수화젤 기능층의 물리적 특성(굴절률)이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 수화젤 기능층에 형성된 결합 매개 기재와 타겟 단백질 간에 다중 결합이 발생하면, 다중 결합에 의한 이합체화(dimerization) 혹은 다합체화(multimerization)로 인해 수화젤 기능층의 적어도 일부에서 디스웰링(de-swelling)이 일어난다. 상술한 것과 같이, 결합 매개 기재는 리셉터, 리간드, DNA, 및 RNA 중 적어도 하나일 수 있다. 구현에 따라 결합 매개 기재는 리셉터, 리간드, DNA, 및 RNA 중 둘 이상이 혼합될 수 있다. 결합 매개 기재를 다양하게 조합하여 특정 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 검출할 수 있도록 설계될 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 바이오 칩은 수화젤 기능층을 이용하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 효과적으로 감지할 수 있다. 예를 들면, 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 결합이 다중 결합이 아닌 경우, 수화젤 기능층의 물리적 특성은 거의 변화하지 않는다. 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 결합이 다중 결합인 경우, 수화젤 기능층에서 발생하는 디스웰링으로 인해 수화젤 기능층의 물리적 특성이 현저하게 변화한다. 즉, 수화젤 기능층을 이용하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 단일 결합과 다중 결합을 구분할 수 있을 뿐 아니라, 수화젤 기능층의 물리적 특성 변화를 이용하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합의 양을 용이하게 검출할 수 있다.
수화젤 기능층의 물리적 특성은 수화젤 기능층의 제조 방법 또는 반응 물질에 따라 국부적으로 또는 전체적으로 변화할 수 있다.
일측에 따르면, 수화젤 기능층은 멀티-채널(multi-channel) 방식으로 제조될 수 있다. 수화젤 기능층의 물리적 영역을 2개 이상으로 구분하여, 하나의 바이오 칩에서 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다양한 다중 결합을 감지할 수 있도록 할 수 있다. 일측에 따르면, 하나의 수화젤 기능층의 영역을 2개 이상으로 구분하고, 해당 영역에 형성되는 결합 매개 기재를 다르게 할 수 있다. 다른 일측에 따르면, 수화젤 기능층의 채널 각각에 대해 트랜스듀서가 구비될 수 있고, 하나의 트랜스듀서에서 둘 이상의 채널에 대응하는 수화젤 기능층의 물리적 특성 변화를 감지할 수도 있다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 이후 상세히 설명한다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은 메인단량체 및 공단량체로 이루어진 공중합체를 포함할 수 있다. 일실시예에 따른, 수화젤 기능층은, 메인단량체와 공단량체가 가교제로 중합된 것일 수 있다. 바람직하게는 열, 이온강도, 또는 pH에 민감한 수화젤을 형성할 수 있는 단량체들이 사용될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산(AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 및 메타아크릴산 (MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, 상기 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함할 수 있다. 일측에 따르면, 상기 메인단량체의 함량이 55% 미만인 경우에는 반응성이 저하될 수 있고, 98% 초과인 경우에는 타겟 단백질의 다중 결합을 감지할 수 있는 능력이 저하될 수 있다. 또 다른 일측에 따르면, 상기 공단량체의 함량이 2% 미만 또는 40% 초과인 경우에는 타겟 단백질의 다중 결합을 감지하는 능력이 저하될 수 있다. 또한, 상기 가교제의 함량이 0.1 % 미만인 경우에는 수화젤 기능층의 형성이 어려울 수 있으며, 5% 초과인 경우에는 타겟 단백질의 다중 결합을 감지하는 능력이 저하될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 메인단량체는 N-이소프로필 아크릴아미드(온도민감 수화젤)일 수 있으며, 상기 공단량체는 아크릴산(pH 민감 수화젤)일 수 있다. 이 경우, 가교제는 MBA(N, N'-methylene-bis-acrylamide) 일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, 중합반응을 시작하기 위한 요소로서 개시제(initiator)를 더 포함할 수 있으며, 상기 개시제로는 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate: APS)가 사용될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, N-이소프로필 아크릴아마이드 55 내지 98%, 아크릴산 2 내지 40%, 및 BIS 가교제 0.1 내지 5% 를 포함하는 것일 수 있다.
특히, 공단량체로 아크릴산이 사용되는 경우, 수화젤 기능층을 구성하는 물질들 중에서 적어도 2% 이상 포함되는 것이 바람직하다.
일실시예에 따른 수화젤 기능층은, 구성 성분 간의 비율 조정을 통하여 다중 결합에 대한 감지도(sensitivity)를 제어할 수 있으므로, 본 명세서에 기재된 예시들에 제한되지 않는다. 일측에 따르면, 아크릴산의 비중이 높고 BIS의 비중이 낮을수록, 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합에 대한 수화젤 기능층의 반응성(디스웰링 정도)가 증가할 수 있다.
일측에 따른 바이오 칩의 트랜스듀서 표면은 수화젤 기능층과의 결합력을 높이기 위하여 표면이 개질된 것일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 물리적 특성이 변화되는 부분은, 상기 수화젤 기능층의 전체, 또는 상기 수화젤 기능층 표면으로부터 일부일 수 있다.
타겟 단백질의 다중 결합으로 인하여, 상기 수화젤 기능층의 굴절률이 변화되는 부분을 "활성화 층(activated layer)"이라고 지칭한다. 활성화 층은 전체 수화젤 기능층의 두께와 동일하거나, 수화젤 기능층의 두께보다 작을 수 있다. 활성화 층은 수화젤 기능층의 표면으로부터 일정 깊이에 걸쳐서 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 수화젤 기능층의 표면은 결합 매개 기재가 형성되어 개질된 것일 수 있고, 또 다른 일측에 따른 상기 수화젤 기능층의 표면은 결합 매개 기재를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 개질된 것일 수 있다.
상술한 바와 같이, 결합 매개 기재는 리셉터(receptor), 리간드(ligand), DNA, 또는 RNA 중 적어도 하나일 수 있다. 구현에 따라 결합 매개 기재는 리셉터, 리간드, DNA, 및 RNA 중 둘 이상이 혼합될 수 있다. 수화젤 기능층(110)에 형성되는 결합 매개 기재는 특정 타겟 단백질과의 다중 결합을 검출할 수 있도록 특별히 설계된 것일 수 있다.
수화젤 기능층에 형성되는 결합 매개 기재는, 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합, Schiff base 교차결합, Azlactone 교차결합, Carbonyl diimidazole (CDI) 교차결합, Iodoacetyl 교차결합, Hydrazide 교차결합, Mannich 교차결합, 또는 말레이미드(maleimide) 교차결합으로 상기 수화젤 기능층에 형성된 것일 수 있다. 일실시예에 따른 수화젤 기능층 표면에 존재하는 카르복실산 관능기 (COOH)와 단백질에 존재하는 NH2 + 기를 이용하여, 수화젤 기능층 표면에 결합 매개 기재를 형성시킬 수 있다.
도 4에는 위에서 설명한 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합 또는 말레이미드(maleimide) 교차결합의 일례가 도시되어 있다.
일측에 따르면, 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합을 위하여, EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl, Hydrazide, DADPA (diaminodipropylamine), 및 NHS 에스테르 (N-hydroxysuccinimide esters)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가교제가 사용될 수 있다. 가교제를 조절하여 결합 매개 기재와 수화젤 기능층 사이의 결합 특성을 조절할 수 있다.
<바이오 칩의 실시예 >
(1)수화젤 기능층 + 도파로를 포함하는 바이오 칩
통상의 광 기반의 바이오 칩에서, 광원(도시되지 않음)으로부터 인가된 광 신호는 도파로 내부로 전달 및 투과되며 일부는 소실장(evanescent field) 형태로 광 도파로 표면으로 전달되어 나간다. 만약 도파로 표면에서 화학적/생물학적 현상이 발생하게 되면 발생 유무 또는 그 정도에 따라 도파로 표면 물질의 굴절률 변화가 생긴다. 이에 따른 도파로의 유효 굴절률 변화로 인해 도파로 내부의 광 신호 투과 특성이 달라진다. 이와 같이 SPR 칩 표면의 화학적/생물학적 현상 변화를, 표면 물질의 굴절률 변화에 의한 도파로 내부의 광학적 투과 특성 변화를 통하여 감지하는 기기를 광 감지기 또는 굴절률 감지기라고 한다.
바이오 분자 결합관계를 측정하는 광 감지기 또는 굴절률 감지기는, 다른 생화학 칩보다 높은 처리량(throughput)과 좋은 민감도(sensitivity)를 가지면서도 형광체의 라벨링이 필요 없고, 실시간으로 바이오 분자 결합 관계를 감지할 수 있으므로 상당한 이점을 나타낸다. 몇 가지 접근법들은 생화학 분자의 농도 변화로 유발되는 굴절률을 정량화하기도 하였다. 하지만, 일반적인 단일 결합과 구분하여 다중 결합을 갖는 타겟 단백질을 검출할 수 있는 광 감지기 기술은 아직까지 실시된 바 없다. 다중 결합되는 단백질의 정성적인 양을 단일 결합과 구분하여 정확하게 감지하는 기술은 혈전/면역/암 관련 치료 및 신약 개발 테스트의 근간이 될 수 있으므로 이를 효과적으로 검출하고 측정할 수 있는 기술이 필요하다.
도 5에는 일측에 따른 바이오 칩이 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 바이오 칩(500)은 수화젤 기능층(510)과, 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 인해 발생한 수화젤 기능층(510)의 굴절률 변화에 대응하는 변위 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서(520)를 포함한다.
트랜스듀서(520)는 도파로일 수 있다. 도파로는, 표면 플라즈몬 공명 도파로(Surface Plasmon Resonance (SPR) Waveguide), 링 공명 도파로(Ring Resonator Waveguide), 장-주기 격자 도파로(Long-Period Fiber Grating Waveguide), 격자 결합기(Grating Coupler), 또는 격자 도파로(Grated Waveguide) 중 어느 하나일 수 있다.
트랜스듀서(520)는 수화젤 기능층(510)의 굴절률 변화로 생긴 광 신호의 투과/반사/공진 특성 중 적어도 어느 하나의 변화에 대응하는 광 신호 또는 전기 신호 등의 변위 신호를 출력한다. 출력된 변위 신호는 분석 장비로 전달되고, 분석 장비는 변위 신호에 대응하는 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 분석할 수 있다.
일측에 따르면, 수화젤 기능층의 두께는 10 내지 1000 nm일 수 있다. 일례로, 약 500 - 1700 nm 광원을 사용하는 경우, 수화젤 기능층의 두께는, 도파로 시뮬레이션(일례로, 유한 차분 시간 영역(finite-difference time-domain, FDTD) 방법 또는 유한 차분법(finite-difference method, FDM))를 통하여 산출한 결과, 10 내지 1000 nm일 수 있다. 이 때, 수화젤 기능층은 두께 10 내지 1000 nm에서 유효한 굴절률 변화를 나타낼 수 있다. 상기 수화젤 기능층의 두께가 10 nm 미만이거나, 1000 nm를 넘는 경우, 굴절률의 변화량을 확인하기 어려우므로 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 감지하기 어려울 수 있다.
(2)수화젤 기능층 + 골드 박막을 포함하는 바이오 칩
도 6에는 또 다른 일측에 따른 바이오 칩이 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 바이오 칩(600)은 수화젤 기능층(610)과, 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 인해 발생한 수화젤 기능층(610)의 굴절률 변화에 대응하는 변위 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서(620)를 포함한다.
트랜스듀서(620)는 골드 박막(gold thin film)(621) 및 글라스(glass)(622)으로 구성된 레이어 구조(layered structure)일 수 있다. 수화젤 기능층(610)의 적어도 일부 영역에서의 굴절률 변화로 인해 골드 박막(621)에서 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance: SPR)이 발생한다. 더욱 상세하게는, 분석 장비(도시되지 않음)로부터 통해 바이오 칩(600)으로 입력된 입력 신호는 골드 박막(621)에서 발생한 표면 플라즈몬 공진으로 전파 각도(propagation angle)가 변하거나, 골드 박막(621) 상에서 누설(leakage) 신호가 발생할 수 있다. 이와 같이, 전파 각도가 변경된 신호 또는 누설 신호 등의 변위 신호(출력 광 신호 또는 이에 대응하는 전기 신호)는 분석 장비로 전달된다. 분석 장비는 변위 신호를 분석하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 분석할 수 있다.
(3)수화젤 기능층 + 압전소자를 포함하는 바이오 칩
일측에 따른 바이오 칩은 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 인해 야기된 수화젤 기능층의 볼륨 변화에 대응하는 변위 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서를 포함한다. 도 2를 참조하여 설명한 것과 같이, 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합으로 수화젤 기능층의 적어도 일부 영역에 디스웰링(de-swelling)이 발생하고, 이로 인해 수화젤 기능층의 볼륨이 변한다. 트랜스듀서에 포함된 압전소자(Piezo element)는 이러한 수화젤 기능층의 볼륨 변화에 따른 변위 신호를 출력한다. 출력된 변위 신호는 분석 장비로 전달된다. 분석 장비는 볼륨 변화에 대응하는 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 분석할 수 있다.
(4) 멀티-채널 바이오 칩
도 7에는 또 다른 일측에 따른 바이오 칩이 도시되어 있다.
일측에 따른 바이오 칩(700)은 하나 이상의 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합을 검출하기 위한 물리적으로 구분되는 수화젤 기능층(711, 712, 713)을 둘 이상 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 트랜스듀서(720)의 표면에 형성되는 수화젤 기능층 도포 영역을 물리적으로 둘 이상으로 구획하고, 각 영역에 서로 다른 수화젤 기능층(711, 712, 713)을 형성시킨다. 다른 일측에 따르면, 트랜스듀스(720)의 표면에 형성되는 수화젤 기능층 도포 영역은 하나이고, 수화젤 기능층(711, 712, 713)에 서로 다른 결합 매개 기재를 형성하는 방식으로 멀티채널 바이오 칩이 구현될 수 있다.
수화젤 기능층의 영역 A(711)에 형성된 결합 매개 기재(721)와 타겟 단백질 A 간의 다중 결합(741)이 발생하고, 이로 인해 영역 A(711)에 디스웰링 영역(731)이 생긴다.
수화젤 기능층의 영역 B(712)에 형성된 결합 매개 기재와 타겟 단백질 B 간의 다중 결합(742)이 발생하고, 이로 인해 영역 B에 디스웰링 영역이 생긴다.
수화젤 기능층의 영역 C(713)에 형성된 결합 매개 기재와 타겟 단백질 C 간의 다중 결합(743)이 발생하고, 이로 인해 영역 C에 디스웰링 영역이 생긴다.
트랜스듀서(720)은 수화젤 기능층의 영역 A 내지 C 각각에서의 디스웰링 영역으로 인한 영역 A 내지 C(711, 712, 713) 각각의 물리적 특성 변화에 따라, 영역 A 내지 C 각각에 대한 변위 신호를 분석 장비로 전달한다.
변위 신호는 분석 장비를 통해 분석될 수 있고, 걱 영역의 물리적 특성 변화에 대응하는 각 영역 별 타겟 단백질의 다중 결합을 분석할 수 있다.
<바이오 칩의 제조 방법>
(1) 나노 파트클 형태의 수화젤을 이용하는 바이오 칩 제조 방법:
도 8은 일측에 따른 바이오 칩의 수화젤 기능층을 형성하기 위한 수화젤 합성 방법을 도시한다.
일측에 따르면, 바이오 칩의 수화젤 기능층을 형성하기 위한 수화젤은, 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함하여 단량체의 합이 100%가 되도록 혼합하는 단계(801); 상기 단량체를 포함하는 수용액을 가열하는 단계(802); 개시제를 추가하여 반응을 개시(initiate)하는 단계(803); 및 상기 반응에 따라 생성된 수화젤 수용액을 얻는 단계(804)를 거쳐 제조될 수 있다.
단계(801)에서, 일측에 따른 수화젤은, 메인단량체와 공단량체가 가교제로 중합된 것이고, 바람직하게는 열 또는 pH에 민감한 수화젤 기능층을 형성할 수 있는 단량체들이 사용될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산(AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 및 메타아크릴산(MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤은, 상기 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인단량체의 함량이 55% 미만인 경우에는 반응성이 저하될 수 있고, 98% 초과인 경우에는 단백질의 이합체화를 감지할 수 있는 능력이 저하될 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 공단량체의 함량이 2% 미만 또는 40% 초과인 경우에는 단백질의 이합체화를 감지하는 능력이 저하될 수 있다. 또한, 상기 가교제의 함량이 0.1 % 미만인 경우에는 수화젤 기능층 형성이 어려울 수 있으며, 5% 초과인 경우에는 단백질의 이합체화(dimerization) 감지능(resolution capability)이 떨어질 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 메인단량체는 N-이소프로필 아크릴아미드(온도 민감 수화젤)일 수 있고, 상기 공단량체는 아크릴산(pH 민감 수화젤)일 수 있다. 이 경우, 가교제는 MBA (N, N'-methylene-bis-acrylamide) 일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤은, 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤은, N-이소프로필 아크릴아마이드 55 내지 98%, 아크릴산 2 내지 40%, 및 BIS 가교제 0.1 내지 5% 를 포함하는 것일 수 있다. 특히, 공단량체로 아크릴산이 사용되는 경우, 수화젤 기능층을 구성하는 물질들 중에서 적어도 2% 이상 포함되는 것이 바람직하다.
상기 메인단량체 및 상기 공단량체를 포함하는 수용액을 가열한다(802).
가열된 수용액에 개시제를 추가하여 반응을 개시한다(803). 일측에 따르면, 상기 개시제로는 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate: APS)가 사용될 수 있다.
상기 반응에 따라 생성된 수화젤 수용액을 얻는다(804). 단계(804)에서, 상기 수용액을 가열하면서 무산소(oxygen-free) 환경을 유지하는 단계를 더 수행될 수 있다. 무산소 환경을 유지하는 경우, 단계(804)에서 얻은 수화젤의 크기 균일도(uniformity)가 높아질 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 단계(804)는, 미반응 단량체를 투석하여 정제하는 단계를 포함할 수 있다.
위에서 설명한 수화젤은, 구성 성분 간의 비율 조정을 통하여 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 다중 결합의 감지도(sensitivity)를 제어할 수 있다. 이러한 수화젤의 조성 및 제조 방법은 본 명세서에 기재된 예시들에 제한되지 않는다. 일측에 따르면, 아크릴산의 비중이 높고 BIS의 비중이 낮을수록 다중 결합에 대한 수화젤 기능층의 반응성(de-swelling정도)이 증가할 수 있다.
도 8에 도시된 방법에 따라 나노 파티클 형태의 수화젤을 합성할 수 있다.
도 9는 도 8의 방법에 따라 합성된 수화젤을 트랜스듀서 상에 형성시켜 바이오 칩을 제조하는 방법을 도시한다.
일실시예에 따른 바이오 칩 제조 방법은, 나노 파티클 형태의 수화젤을 합성하는 단계(901); 상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계(902); 및 상기 트랜스듀서의 표면에 상기 수화젤을 도포하여, 수화젤 기능층을 형성하는 단계(903)를 포함한다.
도 8을 참조하여 설명한 방법에 따라 나노 파티클 형태의 수화젤을 합성할 수 있다(901).
상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시킨다(902).
상기 트랜스듀서 표면을 양 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계(902)는, 아미노실란(aminosilane), 에폭시실란(epoxysilane) 및 머캅토실란(mercaptosilane) 중 적어도 하나를 사용하여 수용액상 반응을 통해 수행되는 것일 수 있다.
상기 아미노실란 화합물은, 3-아미노프로필 트리에톡시실란((3-aminopropyl)-triethoxysilane), 비스-3-트리에톡시시릴프로필아민(bis[(3-triethoxysilyl)propyl]amine), 3-아미노프로필트리메톡시실란((3-aminopropyl)-trimethoxysilane), 비스-3-트리메톡시시릴프로필아민(bis[(3-trimethoxysilyl)propyl]amine), 3-아미노프로필메틸디에톡시실란((3-aminopropyl)-methyl-diethoxysilane), 3-아미노프로필디메틸에톡시실란((3-aminopropyl)-dimethyl-ethoxysilane), 3-아미노프로필디에톡시메틸실란((3-aminopropyl)-diethoxy-methylsilane), 아미노에틸아미노프로필트리메톡시실란(aminoethyl-aminopropyl-trimethoxysilane), 아미노에틸아미노프로필메틸디메톡시실란(aminoethyl-aminopropyl-methyl-dimethoxysilane), 디에틸렌트리아미노프로필메틸디메톡시실란(diethylene-triaminopropyl-methyl-dimethoxysilane), 피페라지닐프로필메틸디메톡시실란(piperazinyl-propyl-methyl-dimethoxysilane), (N-페닐아미노)메틸트리메톡시실란((N-phenylamino)methyl-trimethoxysilane), (N-페닐아미노)메틸트리에톡시실란((N-phenylamino)methyl-triethoxysilane), (N-페닐아미노)프로필트리메톡시실란((N-phenylamino)propyl-trimethoxysilane), 디메틸아미노메틸트리에톡시실란(dimethyl-aminomethyl-triethoxysilane), 디에틸아미노메틸메틸디에톡시실란(diethyl-aminomethyl-methyl-diethoxysilane), 및 디에틸아미노프로필트리메톡시실란(diethyl-aminopropyl-trimethoxysilane) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 에폭시실란은 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyl-trimethoxysilane), 3-글리시독시프로필트리에톡시실란(3-glycidoxypropyl-triethoxysilane), 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란(3-glycidoxypropyl-methyl-diethoxysilane), 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란(3-glycidoxypropyl-methyl-dimethoxysilane), 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl-trimethoxysilane), 및 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)-에틸트리에톡시실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyl-triethoxysilane) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 머캅토실란은 싸이올기를 갖는, 3-머캅토프로필트리메톡시실란 MPTMS(3-mercaptopropyl)-trimethoxysilane), 3-머캅토프로필트리에톡시실란(3-mercaptopropyl)-triethoxysilane), 및 3-머캅토프로필메틸디메톡시실란(MPDMS) ((3-mercaptopropyl)-methyl-dimethoxysilane) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 트랜스듀서의 표면에 상기 수화젤을 도포하여, 수화젤 기능층을 형성한다(903).
일측에 따른 수화젤 기능층이 트랜스듀서 표면에 균일하게 도포되기 위해서, 트랜스듀서 표면은 양 전하(Positive charge (+))이고, 수화젤 기능층은 음 전하 (Negative charge (-))로 미리 활성화될 수 있다.
일측에 따르면, 나노입자 형태로 수화젤 기능층이 형성할 때, 수용성 프리-라디칼 침전 중합(aqueous free-radical precipitation polymerization) 방법이 사용될 수 있다.
일측에 따르면, 수화젤 기능층의 표면은 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나인 결합 매개 기재가 형성되어 개질된 것일 수 있다.
또 다른 일측에 따른 상기 수화젤 기능층의 표면은 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나인 결합 매개 기재를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 개질된 것일 수 있다.
상기 결합 매개 기재는, 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합, Schiff base 교차결합, Azlactone 교차결합, Carbonyl diimidazole (CDI) 교차결합, Iodoacetyl 교차결합, Hydrazide 교차결합, Mannich 교차결합, 또는 말레이미드(maleimide) 교차결합 중 적어도 하나로 상기 수화젤 기능층에 결합된 것일 수 있다. 수화젤 기능층 표면에 존재하는 카르복실산 관능기(COOH)와 단백질에 존재하는 NH2 + 기를 이용하여, 수화젤 기능층 표면에 결합 매개 기재를 형성시킬 수 있다.
카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합을 위하여, EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl, Hydrazide, DADPA (diaminodipropylamine), 및 NHS 에스테르 (N-hydroxysuccinimide esters)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가교제가 사용될 수 있다. 가교제를 조절하여 결합 매개 기재와 수화젤 기능층 사이의 결합 특성을 조절할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층은, EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl, Hydrazide, DADPA (diaminodipropylamine), 및 NHS 에스테르 (N-hydroxysuccinimide esters)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가교제를 사용하여, 상기 수화젤 기능층 표면에 결합 매개 기재를 형성하는 방법으로 개질될 수 있다. 이 경우, 가교제를 조절하여 결합 매개 기재와 수화젤 기능층 사이의 결합 특성을 조절할 수 있다.
(2) 벌크젤 형태의 수화젤을 이용하는 바이오 칩 제조 방법:
일측에 따른 바이오 칩은 벌크젤 형태로 수화젤 기능층이 형성될 수 있다.
도 10은 벌크젤 형태의 수화젤을 이용하는 바이오 칩 제조 방법을 도시한다. 이 경우, 트랜스듀서 표면에 반응물(액상)을 채운 후에, 중합 반응을 개시하는 방법이 사용될 수 있다.
일측에 따른 벌크젤 형태의 수화젤을 이용하는 바이오 칩 제조 방법은, 벌크젤 형태의 수화젤 수용액을 이용하되, 트랜스듀서 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy), 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계(1001); 상기 트랜스듀서 표면에 상기 수화젤 수용액을 도포하는 단계(1002); 및 상기 수화젤 수용액에 개시제를 추가하여, 벌크젤 형태의 수화젤 기능층을 형성하는 단계(1003)를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 수용액은, 메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트(DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산(AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 메타아크릴산 (MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 수용액은, 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
트랜스듀서 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy), 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시킨다(1001). 단계(1001)은 위에서 설명한 단계(902)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
상기 수화젤 수용액을 상기 트랜스듀서의 표면에 도포한다(1002). 상기 트랜스듀서 표면에 수화젤 수용액을 도포할 때, 수위를 조절하여 수화젤 기능층 두께를 조절할 수 있다.
상기 수화젤 수용액에 개시제를 추가하여, 벌크젤 형태의 수화젤 기능층을 형성한다(1003). 개시제를 추가하는 방식은 도 7의 단계(1003)에서 설명한 것과 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 표면에 결합 매개 기재를 형성시켜 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수화젤 기능층의 표면에 결합 매개 기재를 형성시키기 위해, 또 다른 나노입자나 단백질을 연결기로 사용하여 표면을 개질하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 결합 매개 기재는 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나일 수 있고, 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 둘 이상이 혼합되어 구성될 수도 있다.
수화젤 기능층의 표면의 개질은 이미 상세히 설명한 바 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
<바이오 칩의 실험예 >
출원인은 SPR 센서용 바이오 칩으로 일반적으로 사용되는 “골드 박막 표면을 PEG/COOH로 개질한 바이오 칩” 및 특수한 기술로 제작된 “골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩”을 사용하였다. 이 두 가지 종류의 바이오 칩을 각각 분석 장비인 Reichert® 사의 SPR 센서에 장착하여 실험을 진행하였다. 골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩은 위 도 6을 참조하여 상세히 설명한 바 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
“골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩”은 수화젤 기능층을 형성하기 위해 크리스타민 디하이드로클로라이드(Cystamine dihydrochloride)를 이용하여 표면을 개질하였다.
“골드 박막 표면을 PEG/COOH로 개질한 바이오 칩” 및 “골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩” 위에 결합 매개 기재를 형성하였다. 이 때, 추후에 있을 단백질 투입 후 결합 상태 측정 시 단일 결합만 발생되거나, 다중 결합만 발생되도록 구분하여 형성하였다.
이에 따라 타겟 단백질을 두 가지 종류의 칩에 투여 시, 바이오 칩 종류 및 타겟 단백질의 결합 상태를 동시에 고려하면 다음의 네 가지 경우가 발생할 수 있다.
1) “골드 박막 표면을 PEG/COOH로 개질한 바이오 칩”에 대한 단백질 단일 결합
2) “골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩”에 대한 단백질 단일 결합
3) “골드 박막 표면을 PEG/COOH로 개질한 바이오 칩”에 대한 단백질 다중 결합
4) “골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩”에 대한 단백질 다중 결합
동일한 농도의 타겟 단백질을 위에서 설명한 두 종류의 바이오 칩에 각각 투여하였다. 바이오 칩 상에서 타겟 단백질과 결합 매개 기재 간의 결합 반잉이 시작되고, 일정 시간 경과 후 SPR 센서를 통하여 결과 값을 측정하였다.
도 11에는 일실시예에 따른 바이오 칩의 성능 실험 결과가 도시되어 있다.
도 11의 (a)의 왼쪽은 1)의 경우에 대한 SPR 센서의 반응 크기(317)를 도시한다. 도 11의 (a)의 오른쪽은 2)의 경우에 대한 SPR 센서의 반응 크기(226)를 도시한다.
도 11의 (b)의 왼쪽은 3)의 경우에 대한 SPR 센서의 반응 크기(287)를 도시한다. 도 11의 (b)의 오른쪽은 4)의 경우에 대한 SPR 센서의 반응 크기(504)를 도시한다.
도 11의 (a) 및 (b)의 왼쪽 그래프를 참조하면, 일반적으로 사용되는 “골드 박막 표면을 PEG/COOH로 개질한 바이오 칩”을 사용한 경우에는 단일 결합 대 다중 결합을 구분할 수 있는 의미 있는 SPR 센서의 반응 크기가 관측되지 않는다. 오히려, 단일 결합 발생 시의 SPR 반응 크기가 더 커서, 다중 결합을 검출하고자 할 때 노이즈로 작용할 수 있다.
도 11의 (a) 및 (b)의 오른쪽 그래프를 참조하면, “골드 박막 표면에 수화젤 기능층을 형성한 바이오 칩”을 사용한 경우에는 단일 결합 대 다중 결합을 구분할 수 있는 의미 있는 SPR 센서 반응 크기가 관측된다. 즉, 수화젤 기능층에 결합 매개 기재르 형성한 영역에서는 단일 결합 대비 다중 결합의 SPR 반응 크기가 더 큰 것으로 관측되었다. 위 실험예에서, 수화젤 기능층/리셉터를 형성한 영역의 다중 결합 시 SPR 반응 크기에서 PEG/COOH 층에서 관측된 SPR 반응 크기를 빼 줌으로써, 다중 결합으로 인한 SPR 반응 크기를 얻을 수 있다. 이 결과를 통하여 다중 결합과 단일 결합 중 어떤 결합 상태를 나타낼 지 알 수 없는 임의의 단백질이 타겟 단백질로 인가된 경우에도 용이하게 다중 결합의 양을 감지할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (28)

  1. 결합 매개 기재가 형성되고, 투여된 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 반응으로 물리적 특성이 변화하는 수화젤(hydrogel) 기능층; 및
    상기 수화젤 기능층의 상기 물리적 특성의 변화에 대응하는 변위(displacement) 신호를 분석 장비로 전달하는 트랜스듀서(transducer)
    를 포함하고,
    상기 반응은 상기 타겟 단백질과 상기 결합 매개 기재의 다중 결합이고,
    상기 다중 결합으로 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부에서 디스웰링(de-swelling)이 발생하는,
    바이오 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물리적 특성은 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부의 굴절률이고,
    상기 트랜스듀서는 도파로(waveguide)를 포함하며,
    상기 변위 신호는 상기 도파로의 출력 신호인,
    바이오 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물리적 특성은 상기 수화젤 기능층의 적어도 일부의 굴절률이고,
    상기 트랜스듀서는 골드 박막(gold thin film)을 포함하며,
    상기 변위 신호는 상기 골드 박막에서 일어난 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance: SPR)에 대응하는 출력 신호인,
    바이오 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은 메인단량체 및 공단량체로 이루어진 공중합체를 포함하는,
    바이오 칩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트 (DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트(DMAEA), 아크릴산 (AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 및 메타아크릴산 (MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택되는,
    바이오 칩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은 가교제를 더 포함하는,
    바이오 칩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은,
    상기 메인단량체 55 내지 98%, 상기 공단량체 2 내지 40%, 및 상기 가교제 0.1 내지 5%로 이루어지는,
    바이오 칩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은,
    폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는,
    바이오 칩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결합 매개 기재는 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나이고,
    상기 수화젤 기능층의 표면은 상기 결합 매개 기재가 형성되어 개질된,
    바이오 칩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 결합 매개 기재는 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나이고,
    상기 수화젤 기능층의 표면은 상기 결합 매개 기재를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 개질된,
    바이오 칩.
  11. 제9항 또는 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 리간드 또는 상기 리셉터는, 카르보디이미드(Carbodiimide) 교차결합, Schiff base 교차결합, Azlactone 교차결합, Carbonyl diimidazole (CDI) 교차결합, Iodoacetyl 교차결합, Hydrazide 교차결합, Mannich 교차결합, 또는 말레이미드(maleimide) 교차결합 중 적어도 하나로 상기 수화젤 기능층에 결합되는,
    바이오 칩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은 상기 타겟 단백질과의 반응을 위한 둘 이상의 영역으로 구분되는,
    바이오 칩.
  13. 제1항의 바이오 칩에 포함된 상기 수화젤 기능층을 제조하는 방법에 있어서,
    메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함하여 단량체의 합이 100%가 되도록 혼합하는 단계;
    상기 단량체를 포함하는 수용액을 가열하는 단계;
    개시제를 추가하여 반응을 개시(initiate)하는 단계; 및
    상기 반응에 따라 생성된 수화젤 수용액을 얻는 단계
    를 포함하는,
    바이오 칩의 수화젤 기능층 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서.
    상기 수화젤 수용액을 얻는 단계는,
    상기 수용액을 가열하면서 무산소(oxygen-free) 환경을 유지하는 단계
    를 포함하는,
    바이오 칩의 수화젤 기능층 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트 (DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트 (DMAEA), 아크릴산 (AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 메타아크릴산 (MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택되는,
    바이오 칩의 수화젤 기능층 제조 방법.
  16. 제1항의 바이오 칩을 제조하는 방법에 있어서,
    나노 파티클 형태의 수화젤을 합성하는 단계;
    상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계; 및
    상기 트랜스듀서의 표면에 상기 수화젤을 도포하여, 상기 수화젤 기능층을 형성하는 단계
    를 포함하는,
    바이오 칩 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수화젤을 합성하는 단계는,
    메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함하여 단량체의 합이 100%가 되도록 혼합하는 단계;
    상기 단량체를 포함하는 수용액을 가열하는 단계;
    개시제를 추가하여 반응을 개시(initiate)하는 단계; 및
    상기 반응에 따라 생성된 수화젤 수용액을 얻는 단계
    를 포함하는,
    바이오 칩 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 메인단량체는, N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되고,
    상기 공단량체는, 알릴아민(AA), 디메틸아미노에틸메타아크릴레이트 (DMAEMA), 디메틸아미노에틸아크릴레이트 (DMAEA), 아크릴산 (AAc), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 및 메타아크릴산 (MAAc)으로 이루어진 군으로부터 선택되는,
    바이오 칩 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은,
    폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계는,
    아미노실란(aminosilane), 카르복시실란(carboxyisilane), 에폭시실란(epoxysilane) 및 머캅토실란(mercaptosilane) 중 적어도 하나를 사용하여 수행되는,
    바이오 칩 제조방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드(ligand), 리셉터(receptor), 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시켜 상기 표면을 개질하는 단계
    를 더 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 상기 표면을 개질하는 단계
    를 더 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  23. 제21항 또는 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 표면을 개질하는 단계는,
    EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride), DCC (dicyclohexyl carbodiimide), NaCNBH3 (sodium cyanoborohydride), Azlactone, CDI (Carbonyl diimidazole), Iodoacetyl, Hydrazide, DADPA (diaminodipropylamine), 및 NHS 에스테르 (N-hydroxysuccinimide esters)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가교제를 사용하여, 상기 수화젤 기능층 표면에 상기 리간드, 상기 리셉터, 상기 디옥시리보핵산, 또는 상기 리보핵산 중 적어도 하나를 링크시키는,
    바이오 칩 제조방법.
  24. 제1항의 바이오 칩을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 트랜스듀서의 표면을 양 전하, 음 전하, 에폭시(epoxy) 또는 머캅토(mecapto) 중 적어도 하나로 활성화시키는 단계;
    상기 트랜스듀서의 표면에 수화젤 수용액을 도포하는 단계; 및
    상기 수화젤 수용액에 개시제를 첨가하여, 벌크젤 형태의 상기 수화젤 기능층을 형성하는 단계
    를 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 수화젤 수용액은,
    메인단량체 55 내지 98%, 공단량체 2 내지 40%, 및 가교제 0.1 내지 5%를 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층은,
    폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine): poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate): poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid): poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-폴리에틸렌 글리콜-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-polyethylene glycol-acrylic acid): poly(NIPAM-co-PEG-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid): poly(NIPAM-co-MAAc)], N-이소프로필 아크릴아미드, poly(N-acryloylglycinamide), hydroxypropylcellulose, poly(vinylcaprolactame), 및 polyvinyl methyl ether로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드(ligand), 리셉터(receptor), 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시켜 상기 표면을 개질하는 단계
    를 더 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 수화젤 기능층의 표면에 리간드, 리셉터, 디옥시리보핵산(DNA), 또는 리보핵산(RNA) 중 적어도 하나를 형성시키기 위해 나노입자 또는 단백질 중 적어도 하나를 연결기로 사용하여 상기 표면을 개질하는 단계
    를 더 포함하는,
    바이오 칩 제조방법.
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