WO2017209341A1 - 3차원 메쉬 구조체 및 3차원 메쉬 구조체를 갖는 임펠러 - Google Patents

3차원 메쉬 구조체 및 3차원 메쉬 구조체를 갖는 임펠러 Download PDF

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WO2017209341A1
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dimensional mesh
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plate
cells
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김중배
홍성길
김한솔
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Korea University Research and Business Foundation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis

Definitions

  • the present invention relates to an impeller having a three-dimensional mesh structure and a three-dimensional mesh structure in which materials such as organic catalysts, inorganic catalysts and biomolecules are highly integrated.
  • Impeller is a device that regulates the flow and mixing of the fluid by rotating the fluid using external power. Impellers have been developed in various ways according to their purpose and use, and there are representative propeller type, turbine type, and screw type impellers.
  • impellers For practical applications, a number of impellers have been developed for various applications, such as industrial applications requiring precise control of fluid flow to households for simple mixing. In general, the impeller is mainly used for the uniform mixing of the fluid in the reactor or stirred tank.
  • the impeller uniformly mixes the reactants in the fluid and at the same time, useful materials such as catalysts attached to the impeller surface play an important role in improving the overall reaction efficiency.
  • useful materials such as catalysts attached to the impeller can be easily reused, thereby simplifying the process.
  • the present invention provides an impeller having a three-dimensional mesh structure and a three-dimensional mesh structure that can promote reactivity by highly integrating materials such as organic catalysts, inorganic catalysts, and biomolecules in a mesh structure having a three-dimensional shape.
  • the purpose is to.
  • a support having a three-dimensional mesh structure; And a fiber aggregate embedded in the support and capable of bonding with the first material. It provides a three-dimensional mesh structure comprising a.
  • the support may be formed by combining at least two plate-like structure having a mesh structure.
  • the plate-like structure is provided with a plurality of stacked, the fiber assembly may be embedded between the adjacent plate-like structure of the plurality of plate-like structure.
  • a protrusion is formed at one side edge of any of the first plate-like structures of the plate-like structure, the insertion groove into which the protrusion is inserted is formed at the edge of one side of the second plate-like structure adjacent to the first plate-like structure.
  • an insertion groove is formed in each of the at least two plate-like structures, and after the stacking of the at least two plate-like structures, a coupling rod may be fitted into the insertion groove.
  • both sides of the stacked plate-shaped structures may be coupled to each other by a coupling member in the form of a clip.
  • the first material may include an organic catalyst, an inorganic catalyst, and a biomolecule
  • the fiber aggregate may include a functional group bonded to the first material, and at least one of the organic catalyst, an inorganic catalyst, and a biomolecule may be used. It may be bound to the fiber aggregates by adsorption, ionic bonding, covalent bonding, crosslinking or adhesive materials.
  • the functional group is a carboxyl group, amine group, imine group, epoxy group, hydroxyl group, aldehyde group, carbonyl group, ester group, methoxy group, ethoxy group, peroxy group, ether group, acetal group, sulfide group, phosphate group and iodine group It may include at least one of.
  • porous particles may be adsorbed, ionic, covalent, crosslinked or adhesive. It can be coupled to the fiber lumps by.
  • the fibers are polyaniline, polypyrrole, polythiophene, acrylonitrile-butadiene-styrene, polylactic acid, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyester, polyethylene, polyethyleneimine, polypropylene oxide, polyvinyl Lidane fluoride, polyurethane, polyvinyl chloride, polystyrene, polycaprolactam, polylactic-co-glycolic acid, polyglycolic acid, polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polymethylmethacrylate, polydimethylsiloxane, teflon , Collagen, polystyrene-co-maleic anhydride, nylon, cellulose, chitosan, and may include a polymer fiber comprising at least one selected from silicon and a polymer fiber modified to form a functional group.
  • the polymer fibers may be aniline (pyrrole), lactic acid (lactic acid), vinyl alcohol (vinyl alcohol), acrylonitrile (acrylonitrile), ethylene (ethylene), ethylene imine (ethyleneimine), propylene oxide (propylene oxide), urethane, vinyl chloride, styrene, caprolactam, caprolactone, aprolactone, ethylene terephthalate, methyl methacrylate
  • a first monomer comprising at least one selected from dimethylsiloxane, teflon, collagen, nylon, cellulose, cellulose, chitosan and silicon; ; And aminobenzoic acid (1-aminobenzoic acid), 2-aminobenzoic acid, 3-aminobenzoic acid, 3-aminobenzoic acid, 1-phenylenediamine, 2-phenyl 2-phenylenediamine, 3-phenylenediamine, pyrrole-1-carbaldehyde, pyrrole-2-carbaldehyde
  • the support may be acrylonitrile-butadiene-styrene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polylactic acid, polyvinyl alcohol, polycaprolactam, polycaprolactone, polylactic-co-glycolic acid, polyacrylo Nitrile, polyester, polyethylene, polyethyleneimine, polypropylene oxide, polyurethane, polyglycolic acid, polyethylene terephthalate, polymethylmethacrylate, polystyrene, polydimethylsiloxane, polystyrene-co-maleic anhydride, teflon, collagen, nylon , Cellulose, chitosan, glass, gold, silver, aluminum, iron, copper and silicon, the organic catalyst comprising carbonic anhydrase, glycosylating enzyme, trypsin, chymotrypsin, subtilisin, papain , Thermolysine, lipase, peroxidase, acylase, lact
  • the cells include stem It may include one or more selected from cells, immune cells, epithelial cells, muscle cells, neurons, hepatocytes, lung cells, cardiovascular cells, pancreatic cells, heart cells, bone cells and cancer cells.
  • the coupling portion is coupled to the rotation axis in the center; And an impeller coupled to the coupling part and including one or more three-dimensional mesh structures according to the above-described features.
  • the three-dimensional mesh structure may be a single body.
  • the three-dimensional mesh structure may be provided with a connection portion to be detachable to the coupling portion.
  • different materials may be fixed to each of the one or more three-dimensional mesh structures.
  • the organic catalyst, inorganic catalyst and biomolecules are highly integrated on the surface of the mesh structure of the three-dimensional shape, and reacts with the fluid, compared to the prior art There is an advantage that the reaction can proceed at a high rate.
  • the fiber aggregates are embedded in each of the plurality of internal spaces formed between the plurality of plate-like structures, thereby improving the immobilization amount of materials such as organic catalysts, inorganic catalysts and biomolecules in the fiber aggregates.
  • the three-dimensional mesh structure by making the impeller detachable from the coupling portion is easy to replace as necessary, there is an advantage that can be easily reused after the reaction is finished.
  • a chain reaction may occur by supporting different materials on each of the three-dimensional mesh structures provided with at least one, and various applications may be possible.
  • various biomolecules such as antibodies capable of selective binding
  • the mesh structure is immobilized on the mesh structure to specifically bind microorganisms or cells, and then the three-dimensional mesh structure is desorbed to culture and activate the bound microorganisms and cells, thereby diagnosing the immune cells. It is expected that new applications will be created in various medical fields such as treatment and cell chip development.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing another example of a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view showing another example of a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A and 7B are views illustrating a method of joining a plate-like structure in a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 to 11 is a perspective view showing an impeller having a three-dimensional mesh structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 illustrates experimental data obtained by immobilizing GOx to a 3D mesh structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 3D mesh structure 120 may include a support 121 and the fiber assembly 150, as shown in Figures 1 and 2.
  • a plurality of porous holes 128 through which the reaction solution may pass may be formed on the outer circumferential surface of the support 121, and an inner space 129 may be formed on the inner circumferential surface of the support 121.
  • the support 121 may include a pair of plate-like structures 125a and 125b having a mesh structure. That is, the support 121 may be formed by the combination of a pair of plate-shaped structure (125a, 125b).
  • the plate-like structure 125 may include an opening opened to one side, and a plurality of porous holes 128 may be formed on the outer circumferential surface.
  • an inner space 129 is formed therein (see FIG. 3). That is, the opening 122a of the first plate-like structure 125a and the opening 122b of the second plate-like structure 125b are combined to form an inner space 129.
  • the coupling of the first and second plate-like structure may be coupled to each other by fitting coupling.
  • an insertion groove 123 may be formed at one edge of the first plate-like structure 125a, and at one edge of the second plate-like structure 125b facing one surface of the first plate-like structure 125a.
  • the protrusion 124 may be formed.
  • the protrusion 124 may be inserted into and inserted into the insertion groove 123 so that assembly of the support 121 may be completed.
  • an inner space 129 may be formed inside the support 121.
  • the fiber assembly 150 may be disposed in the inner space 129.
  • the fiber assembly 150 is disposed between the first and second plate-like structures 125a and 125b, and the first and second plate-shaped structures 125a and 125b.
  • the fiber assembly 150 may be embedded therein, thereby completing the three-dimensional mesh structure 120.
  • the support 121 is shown and described as being formed by a combination of a pair of plate-like structure, the present invention is not limited thereto. That is, the support may be formed by combining a plurality of plate-like structures.
  • the three-dimensional mesh structure 120 ′ may include a support 121 ′ and a fiber assembly 150 ′, as shown in FIGS. 4 and 5. have.
  • the support 121 ′ may include a plurality of plate-shaped structures 125 ′ having a mesh structure. That is, the support 121 'may be formed by combining a plurality of plate-shaped structures 125'.
  • the plate-like structure 125 ′ may include an opening opened to one side, and a plurality of porous holes 128 ′ may be formed on an outer circumferential surface thereof.
  • a plurality of plate-shaped structures 125a ', 125b', 125c ', and 125d' having such a configuration are coupled to each other, a plurality of internal spaces 129a ', 129b', and 129c 'are formed therein.
  • the support 121 ' will be formed by four plate-like structures.
  • the plurality of plate-shaped structures 125a ', 125b', 125c ', and 125d' may be stacked in the horizontal direction to form the support 121 '.
  • the plurality of plate structures 125a are formed such that a plurality of inner spaces 129a ', 129b', and 129c 'are formed by openings formed in the plurality of plate structures 125a', 125b ', 125c', and 125d ', respectively. ', 125b', 125c ', 125d') are stacked.
  • the opening of the second plate-like structure 125b 'and the opening of the third plate-like structure 125c' face each other to form a second inner space 129b ', and one surface of the second plate-like structure 125b'.
  • the first inner space 129a ' is formed by engaging with the opening of the first plate-like structure 125'a, and one surface of the third plate-like structure 125c' is coupled with the opening of the fourth plate-like structure 125d '.
  • the third internal space 129c ' may be formed.
  • fiber aggregates 150 ' may be embedded in the first to third internal spaces 129a', 129b ', and 129c', respectively.
  • the first to fourth plate-like structures 125'a and 125d ' may be coupled by fitting coupling.
  • the second and third plate-like structures 125b 'and 125c' have protrusions 124 'and insertion grooves 123' formed at both edges thereof. That is, protrusions 124 'are formed at one edges of the second and third plate-like structures 125b' and 125c ', and insertion grooves 123' are formed at the other edges.
  • first and fourth plate-like structures 125'a and 125d ' have insertion grooves 123' or protrusions 124 'formed on one surface thereof. That is, an insertion groove 123 'is formed in one surface of the first plate-shaped structure 125a' disposed at the outermost side, and a protrusion 124 'is formed in one surface of the fourth plate-shaped structure 125d'.
  • the plurality of plate structures 125a ', 125b', 125c ', and 125d' are assembled, the plurality of plate structures 125a ', respectively, are inserted after the fiber assemblies 150' are inserted between the adjacent plate structures.
  • 125b ', 125c', and 125d ' are assembled to complete the three-dimensional mesh structure 120'.
  • the three-dimensional mesh structure 120, 120 ′ having such a structure has a fiber aggregate embedded in each of a plurality of internal spaces formed between the plurality of plate-like structures, thereby allowing the fiber aggregate to contain materials such as organic catalysts, inorganic catalysts, and biomolecules.
  • the amount of immobilization can be improved.
  • the 3D mesh structure 120 and 120 ' is illustrated and described as being provided in plural numbers, the present invention is not limited thereto, and the 3D mesh structure 120 is not limited thereto.
  • the supports 121 and 121 ′ may be formed in a rectangular parallelepiped shape, and the inside and the outside of the three-dimensional mesh structure 120 and 120 ′ are formed in a mesh shape according to the size of the reaction apparatus and the shape of the reactant.
  • the overall size of the 3D mesh structures 120 and 120 ' may be adjusted.
  • the size of the porous holes (128, 128 ') of the support (121, 121') can also be adjusted according to the size of the reactor and the shape of the reactants, the position of the porous holes (128, 128 ') also reactant It can be changed according to the shape.
  • the present invention is not limited thereto. That is, since the fiber aggregate has a thin thickness, it may be pressed and inserted between the plate-like structures even when there is no internal space in the support.
  • the at least two or more plate-like structure is shown and described as being fitted by the insertion groove and the protrusion formed on the edge, but the present invention is not limited thereto.
  • insertion plates are formed in the plate-shaped structures, respectively, and the coupling rods 161 may be fitted into the insertion grooves after the plate-shaped structures are stacked.
  • the coupling members 162 in the form of clips may be coupled to both sides of the stacked plate-like structures as shown in FIG. 7B.
  • the fiber assemblies 150 and 150 ′ according to FIGS. 1 to 6 may have organic catalysts, inorganic catalysts, and biomolecules fixed on the surfaces thereof to be embedded in the internal spaces of the supports 121 and 121 ′.
  • the organic catalyst, the inorganic catalyst and the biomolecules may be bonded to the fiber assemblies 150 and 150 '.
  • the organic catalyst, the inorganic catalyst and the biomolecule may be fixed to the surface of the fiber assembly 150, 150 'by adsorption, ionic bonding, covalent bonding, crosslinking or adhesive material.
  • the organic catalyst, the inorganic catalyst, and the biomolecule may be fixed to the surface of the fiber assembly 150 or 150 'by using one of covalent bonds, ionic bonds, and crosslinks. If not fixed through the fiber aggregate (150, 150 ') using one of catechol-based adhesives such as polydopamine, polynorepinephrine, and physical simple adsorption It can be fixed to the surface of the.
  • the fiber aggregates 150 and 150 ' may be formed of porous particles, carbon tubes, polymer tubes, wires, pillars, graphene, fullerenes, polydopamine, poly by adsorption, ionic bonding, covalent bonding, crosslinking, or adhesive materials. It is noted that at least one or more of norepinephrine and spherical particles may additionally be attached.
  • materials such as the organic catalyst, the inorganic catalyst, and the biomolecule may be fixed to the fiber assemblies 150 and 150 '.
  • the organic catalyst, the inorganic catalyst and the biomolecules may be directly or indirectly bonded to the fiber aggregates 150 and 150 '.
  • the organic catalyst, the inorganic catalyst and the biomolecule may be directly fixed to the fiber aggregate 150, 150 'by adsorption, ionic bond, covalent bond, crosslinking and adhesive material, preferably the organic Catalysts, inorganic catalysts and biomolecules can be directly bonded through covalent bonds with the functional groups of the fiber aggregate.
  • the functional group of the polymer fiber and the biomolecule are specifically bound by heterogeneous biomolecules, so that the functional group and the biomolecule are indirectly bound through heterogeneous biomolecules serving as a linker, thereby forming the bio-molecule on the polymer fiber.
  • Molecules may be immobilized, more specifically, the specific binding is antibody-antigen, protein A-antibody, protein G-antibody, nucleic acid-nucleic acid hybrid, aptamer-biomolecule, avidin-biotin ), Through the specific binding of streptavidin-biotin, lectin-carbohydrate, lectin-glycoprotein, etc., between the functional group and the biomolecule.
  • the molecule may act as a linker so that the functional group of the polymer fiber and the biomolecule may be indirectly bonded.
  • polymer fibers are used as the fiber aggregates 150 and 150 ', and the polymer fibers including functional groups include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, acrylonitrile-butadiene-styrene, polylactic acid, and polyvinyl alcohol.
  • Polyacrylonitrile polyester, polyethylene, polyethyleneimine, polypropylene oxide, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polyvinyl chloride, polystyrene, polycaprolactam, polylactic-co-glycolic acid, polyglycolic acid, Polymers such as polycaprolactone, polyethylene terephthalate, polymethylmethacrylate, polydimethylsiloxane, Teflon, collagen, polystyrene-co-maleic anhydride, nylon, cellulose, chitosan and silicone What formed functional groups in a fiber can be used.
  • the fiber aggregate may produce a polymer fiber having a functional group while polymerizing the polymer fiber polymerization solution to form a polymer or copolymer.
  • the polymer fibers with functional groups are copolymers such as aniline, pyrrole, lactic acid, vinyl alcohol, acrylonitrile, ethylene, ethyleneimine ), Propylene oxide, urethane, vinyl chloride, styrene, caprolactam, caprolactone, aprolactone, ethylene terephthalate, methyl methacrylate (Methyl methacrylate), dimethylsiloxane (dimethysiloxane), Teflon (teflon), collagen (collagen), nylon (nylon), cellulose (cellulose), chitosan (silic acid) and silicon (silicon) A first monomer; And aminobenzoic acid (1-aminobenzoic acid), 2-aminobenzoic acid, 3-aminobenzoic acid, 3-aminobenzobenz
  • the fiber assembly 150, 150 ' may not include a functional group. That is, unlike a copolymer including a functional group, in the case of a polymer fiber grown with a polymer containing no functional group, a separate reforming reaction may be performed to form functional groups in the polymer fiber.
  • the organic catalyst is carbonic anhydrase, glycosylating enzyme, trypsin, chymotrypsin, subtilisin, papain, thermolysine, lipase, peroxidase, acylase, lactonase, protease, tyrosinase, laccase At least one of enzymes including at least one of cellulase, xylanase, organophosphohydrolase, cholinesterase, formic acid dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, alcohol dehydrogenase, glucose dehydrogenase, and glucose isomerization enzyme. And
  • the inorganic catalyst is platinum, platinum, rhodium, palladium, lead, iridium, rubidium, iron, nickel, zinc, cobalt, copper, manganese, titanium, ruthenium, silver, molybdenum, tungsten, aluminum, iron, antimony, tin, It may include at least one of bismuth, barium, osmium, nitric oxide, copper oxide, manganese oxide, titanium oxide, vananium oxide, and zinc oxide.
  • the biomolecule may include at least one of enzyme, albumin, insulin, collagen, antibody, antigen, protein A, protein G, avidin, streptavidin, biotin, nucleic acid, peptide, lectin, carbohydrate.
  • the support bodies 121 and 121 'of the three-dimensional mesh structures 120 and 120' may be used as long as they can grow polymer fibers containing functional groups on the surface thereof.
  • the support is made of acryl. Nitrile-butadiene-styrene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polylactic acid, polyvinyl alcohol, polycaprolactam, polycaprolactone, polylactic-co-glycolic acid, polyacrylonitrile, polyester, polyethylene, Polyethyleneimine, polypropylene oxide, polyurethane, polyglycolic acid, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polystyrene, polydimethylsiloxane, polystyrene-co-maleic anhydride, teflon, collagen, nylon, cellulose, chitosan, At least one of glass, gold, silver, aluminum, iron, copper and silicon can be used, but the invention is not so limited.
  • the three-dimensional mesh structure 120 having such a structure is highly integrated with the catalyst material or the biomolecule on the surface and inside of the support having the three-dimensional mesh structure, the overall reaction area can be widened, and the catalyst and the biomolecule are highly integrated. The reaction yield can be improved by this.
  • the organic catalyst, the inorganic catalyst and the biomolecules are highly integrated on the surface and the inside of the three-dimensional mesh structure and react with the fluid, there is an advantage that the reaction may proceed at a high speed as compared with the prior art.
  • the three-dimensional mesh structure (120, 120 ') having the configuration as described above can be various applications depending on the first material to be bonded.
  • the antibody may be attached to the fiber aggregates 150 and 150 'provided in the supports 121 and 121' to selectively bind microorganisms and cells, and to culture and activate them.
  • the microorganism is Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus polyfermenticus, Bacillus mesentericus, Saccharomyces cerevises cerevisiae, Clostridium butyricum, Streptococcus faecalis, Streptococcus faecium, Micrococcus caseolyticus, Staphylococcus aureus auretaloclocus ), Lactobacillus casei, Lactobacillus plantarum, Leuconostoc Mesenteroides, Saccharomyces cerevisiae, Debariomyses nicotiana nicotianae), Acinetobacter calcoaceticus, alkali Alcaligenesodorans, Aromatoleum aromaticum, Geobacter metallireducens, Dechloromonas aromatic, Arthrobacter sp. And Alkanivolas bors It may include one or more selected from the cumulus (Al, Bacill
  • the cells may include one or more selected from stem cells, immune cells, epithelial cells, muscle cells, nerve cells, hepatocytes, lung cells, cardiovascular cells, pancreas cells, heart cells, bone cells and cancer cells.
  • the three-dimensional mesh structures 120 and 120 ′ having the above configuration may be provided in plural to form impellers 100 and 100 ′.
  • Impellers 100, 100 ′ having three-dimensional mesh structures 120 and 120 ′ may include coupling portions 110 and 110 ′ and three-dimensional mesh structures 120 and 120 ′. Can be.
  • the coupling parts 110 and 110 ′ are for rotating one or more three-dimensional mesh structures 120 and 120 ′ in one direction and have a cube shape.
  • rotating shafts 130 and 130 'for rotating the 3D mesh structure 120 and 120' in one direction may be coupled to the upper portions of the coupling parts 110 and 110 ', as shown in FIG.
  • coupling holes 111 and 111 ′ may be formed to couple the 3D mesh structures 120 and 120 ′.
  • the shape of the coupling parts 110 and 110 ′ is described and illustrated as being formed in a cube shape, but is not limited thereto. Specifically, it may be formed in a hexahedral shape or a spherical shape, and may be formed in any shape as long as it is combined with the one or more three-dimensional mesh structures to rotate in one direction.
  • One or more three-dimensional mesh structures 120 and 120 ' may be coupled to side surfaces of the coupling portions 110 and 110', and more specifically, formed on side surfaces of the coupling portions 110 and 110 '. Coupled to the coupling holes 111 and 111 '.
  • one end of the three-dimensional mesh structure (120, 120 ') may be provided with connecting portions 140, 140' for coupling to the coupling holes (111, 111 ').
  • the connecting portions 140 and 140 ' may have a predetermined length and protrude from one end of the three-dimensional mesh structure 120 and 120', and the one or more three-dimensional mesh structures 120 and 120 'may be provided.
  • the coupling parts 140 and 140 ′ may be detachably installed at the coupling parts 110 and 110 ′.
  • connection parts 140 and 140 'and the coupling holes 111 and 111' are formed in shapes and sizes corresponding to each other.
  • one or more of the three-dimensional mesh structure 120, 120 ' may be spaced apart at equal intervals on a plane perpendicular to the rotation axis (130, 130').
  • four three-dimensional mesh structures are arranged at intervals of 90 degrees, but the number and placement angle are not limited thereto.
  • the one or more three-dimensional mesh structure (120, 120 ') is detachably installed from the coupling portion (110, 110'), it can be easily replaced as necessary.
  • one or more three-dimensional mesh structure is detachable to the impeller, a chain reaction may be carried by carrying a different material on each of the one or more three-dimensional mesh structures, and various applications may be possible.
  • an enzyme may be immobilized to an arbitrary first mesh structure among the plurality of three-dimensional mesh structures 120 coupled to the impeller 100, and an antibody may be immobilized to another arbitrary second mesh structure.
  • the reaction may be simultaneously performed with stirring.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • PS-PSMA polystyrene-polystyrene-co-maleic anhydride
  • the fiber assembly 150 in which the antibody is immobilized in this manner is inserted into the internal space 129 of the support 121.
  • Antigen detection experiment was performed using the three-dimensional mesh structure 120 in which the antibody immobilized fiber aggregate 150 was inserted.
  • four mesh structures were put in 5 ⁇ g / mL of the antigen solution and stirred at 100 rpm. As a result, as can be seen in Figure 12a, it was confirmed that the antigen attached to the antibody over time.
  • the three-dimensional mesh structure 120 ′ according to FIGS. 4 to 6 is the same as the three-dimensional mesh structure 120 according to FIGS. 1 to 3 to manufacture the fiber aggregate 150 ′ from the outside, and then the support body 121 ′. Use the built-in method. However, in the three-dimensional mesh structure 120 according to FIGS. 1 to 3, the antigen is attached to the fiber aggregate, while in the three-dimensional mesh structure 120 ′ according to FIGS. 4 to 6, the enzyme is attached to the fiber assembly 150 ′. Attaching a will be described as an example.
  • the fiber assembly 150 ' is made of polystyrene-polystyrene-co-maleic anhydride (PS-PSMA) and produced by electrospinning.
  • PS-PSMA polystyrene-polystyrene-co-maleic anhydride
  • Immobilization of the enzyme is covalently bonded to the 10 mg / ml GOx solution for about 2 hours to PS-PSMA, and then added to the stirring agent ammonium sulfate to 55% and stirred. GA, the crosslinker, is then added to bring the final concentration to 0.5%.
  • tilt shaking 50 rpm is performed at 4 for 17 hours. This is washed three times for 5 minutes at 200 rpm using a buffer solution.
  • 100 mM Tris solution pH 7.0 was added and stirred at 200 rpm for 1 hour at room temperature.
  • the enzyme-fiber-fiber aggregate 150 ' is synthesized and stored in the buffer solution.
  • a plurality of inner spaces 129a ', 129b', and 129c ' are formed in the assembly of the plurality of plate-like structures 125a', 125b ', 125c', and 125d '.
  • one three-dimensional mesh structure 120 ' is completed.
  • H 2 O 2 was generated using the three-dimensional mesh structure 120 'into which the GOx immobilized fiber aggregate 150' was inserted, and experiments were conducted on the bacterial growth inhibitory effect of the generated H 2 O 2 .
  • H 2 O 2 generation experiment was carried out over time. 10 mM glucose was added and stirred at 400 rpm. As a result, as can be seen in Figure 13a, the mesh impeller inserted the GOx immobilized three-dimensional structure was confirmed to continuously generate H 2 O 2 .
  • the three-dimensional mesh structure of the impeller according to the embodiment of the present invention has a three-dimensional mesh shape, and the organic catalyst, the inorganic catalyst, and the biomolecules are highly concentrated on the surface and the inside of the three-dimensional mesh structure. Because it reacts with, there is an advantage that the reaction can proceed at a high rate compared to the prior art.
  • the fiber aggregates are embedded in each of the plurality of internal spaces formed between the plurality of plate-like structures, thereby improving the immobilization amount of materials such as organic catalysts, inorganic catalysts and biomolecules in the fiber aggregates.
  • one or more three-dimensional mesh structure is detachable to the impeller, it is possible to carry out a chain reaction by supporting a different material on each of the three-dimensional mesh structure provided with one or more.

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Abstract

메쉬 구조체 및 메쉬 구조체를 갖는 임펠러가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체는 3차원 메쉬 구조를 갖는 지지체; 및 상기 지지체의 내부에 내장되며, 제1물질과 결합가능한 섬유 집합체; 를 포함할 수 있다.

Description

3차원 메쉬 구조체 및 3차원 메쉬 구조체를 갖는 임펠러
본 발명은 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오분자와 같은 물질이 고집적된 3차원 메쉬 구조체 및 3차원 메쉬 구조체를 갖는 임펠러에 관한 것이다.
임펠러는 외부 동력을 이용하여 유체를 회전시킴으로써 유체의 흐름 및 혼합을 조절하는 장치이다. 임펠러는 그 목적과 용도에 따라 다양하게 개발되어 왔고, 대표적으로 프로펠러형, 터빈형, 스크류형의 임펠러가 있다.
실제 응용을 위하여, 유체 흐름의 정밀한 조절이 필요한 산업용부터 단순 혼합을 위한 가정용 등 다양한 응용을 위하여 수 많은 임펠러가 개발되어 있는 실정이다. 일반적으로 임펠러는 반응기 혹은 교반 탱크에서 유체의 균일한 혼합을 위하여 주로 사용된다.
임펠러를 이용한 교반으로 인해 반응기 내부에서 서로 다른 반응 물질들간의 균일한 혼합이 이루어지고, 이는 결국 전체 반응속도 향상 및 생산성 향상으로 이어지게 된다. 특히 촉매와 같이 유용한 물질과 함께 반응을 진행 시킬 경우, 그 효과는 더욱 극대화 될 수 있다.
하지만, 이러한 종래의 시스템은 촉매와 같이 유용한 물질들을 반응 종료 후 회수하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 임펠러 표면에 촉매와 같은 유용한 물질을 부착시켜 반응시키는 형태의 임펠러 제작이 가능하다.
이러한 임펠러는 유체 내의 반응물질들을 균일하게 혼합함과 동시에, 임펠러 표면에 부착된 촉매 등의 유용한 물질이 전체 반응효율을 향상시키는데 중요한 역할을 하게 된다. 또한 반응이 종료한 이후에 임펠러에 부착된 촉매 등의 유용한 물질들을 쉽게 재사용할 수 있어 공정이 단순해지는 장점이 있다.
나아가 촉매와 같은 유용한 물질이 고집적(高集積)된다면, 전체적인 반응속도 및 생산물의 수율이 향상되고, 이는 공정 비용의 감소를 가져오는 긍정적인 효과가 있다. 하지만, 종래의 임펠러는 대부분이 판상 형태로, 비표면적이 작아 촉매와 같은 유용한 물질을 고집적 하는 것에 어려움이 있는 실정이다.
본 발명은 3차원 형상을 가지는 메쉬 구조체에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오분자와 같은 물질을 고집적(高集積)시킴으로써, 반응성을 촉진할 수 있는 3차원 메쉬 구조체 및 3차원 메쉬 구조체를 갖는 임펠러를 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 메쉬 구조를 갖는 지지체; 및 상기 지지체의 내부에 내장되며, 제1물질과 결합가능한 섬유 집합체; 를 포함하는 3차원 메쉬 구조체를 제공한다.
또한, 상기 지지체는 메쉬 구조를 갖는 적어도 두 개의 판상 구조물의 결합으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 판상 구조물은 복수 개로 구비되어 적층되며, 상기 복수 개의 판상 구조물 중 서로 이웃하는 판상구조물 사이에는 상기 섬유 집합체가 내장될 수 있다.
또한, 상기 판상 구조물들 중 임의의 제1판상구조물의 일측 면 가장자리에는 돌기가 형성되며, 상기 제1판상구조물과 이웃하는 제2판상구조물의 일측 면 가장자리에는 상기 돌기가 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 적어도 두 개의 판상 구조물 각각에 삽입홈이 형성되며, 상기 적어도 두 개의 판상 구조물을 적층시킨 후 상기 삽입홈에 결합봉이 끼움 결합될 수 있다.
또한, 상기 적어도 두 개의 판상 구조물을 적층시킨 후, 적층된 상기 판상 구조물들의 양 측면을 클립형태의 결합부재로 각각 결합시킬 수 있다.
또한, 상기 제1물질은 유기촉매, 무기촉매 및 바이오 분자를 포함하고, 상기 섬유 집합체는 상기 제1물질과 결합되는 작용기를 포함할 수 있으며, 상기 유기촉매, 무기촉매 및 바이오분자 중 적어도 하나는 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 또는 접착성 물질에 의해 상기 섬유 집합체에 결합될 수 있다.
또한, 상기 작용기는 카르복시기, 아민기, 이민기, 에폭시기, 하이드록시기, 알데하이드기, 카르보닐기, 에스터기, 메톡시기, 에톡시기, 페록시기, 에테르기, 아세탈기, 설파이드기, 포스페이트기 및 아이오드기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 다공성 입자, 탄소 튜브, 고분자 튜브, 와이어, 필라, 그래핀, 풀러렌, 폴리도파민, 폴리노레피네프린 및 구형입자 중 적어도 하나 이상이 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 또는 접착성 물질에 의해 상기 섬유 집찹체에 결합될 수 있다.
또한, 상기 섬유는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐리데인 플로라이드, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카프로락탐, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리다이메틸실록산, 테플론, 콜라겐, 폴리스티렌-co-무수말레산, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산 및 실리콘 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 섬유 및 이를 개질시켜 작용기를 형성한 고분자 섬유일 수 있다.
또한, 상기 고분자 섬유는 아닐린(aniline), 피롤(pyrrole), 락틱산(lactic acid), 비닐알콜(vinyl alcohol), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 에틸렌(ethylene), 에틸렌이민(ethyleneimine), 프로필렌옥사이드(propylene oxide), 우레탄(urethane), 염화비닐(vinyl chloride), 스티렌(styrene), 카프로락탐(caprolactam), 카프로락톤(aprolactone), 에틸렌 테레프탈레이트(ethylene terephthalate), 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate), 다이메틸실록산(dimethysiloxane), 테플론(teflon), 콜라겐(collagen), 나일론(nylon), 셀룰로우즈(cellulose), 키토산(chitosan) 및 실리콘(silicon) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제1단량체; 및 아미노벤조익산(1-aminobenzoic acid), 2-아미노벤조익산(2-aminobenzoic acid), 3-아미노벤조익산(3-aminobenzoic acid), 1-페닐렌다이아민(1-phenylenediamine), 2-페닐렌다이아민(2-phenylenediamine), 3-페닐렌다이아민(3-phenylenediamine), 피롤-1-카브알데하이드(pyrrole-1-carbaldehyde), 피롤-2-카브알데하이드(pyrrole-2-carbaldehyde) 및 피롤-3-카브알데하이드(pyrrole-3-carbaldehyde) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제2단량체;가 공중합된 공중합체 및 이를 개질시켜 작용기를 형성한 공중합체일 수 있다.
또한, 상기 지지체는 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리카프로락탐, 폴리카프로락톤, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리글리콜산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌-co-무수말레산, 테플론, 콜라겐, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산, 유리, 금, 은, 알루미늄, 철, 구리 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 유기 촉매는 탄산무수화 효소, 당산화 효소, 트립신, 키모트립신, 서브틸리신, 파파인, 서몰리신, 리파아제, 페록시다아제, 아실라아제, 락토나제, 프로테아제, 티로시나아제, 라카아제, 셀룰라아제, 자일라나제, 유기포스포하이드롤레이즈, 콜린에스테라아제, 포름산 탈수소 효소, 알데히드 탈수소 효소, 알코올 탈수소 효소, 포도당 탈수소 효소, 및 포도당 이성화 효소 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 무기 촉매는 플래티늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 납, 이리듐, 루비듐, 철, 니켈, 아연, 코발트, 구리, 망간, 티타늄, 루테늄, 은, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 철, 안티몬, 주석, 비스무트, 바륨, 오스뮴, 산화질소, 산화구리, 산화망간, 산화티타늄, 산화바나늄, 산화아연 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 바이오분자는 알부민, 인슐린, 콜라겐, 항체, 항원, 프로테인A, 프로테인G, 아비딘, 스트렙타비딘, 바이오틴, 핵산, 펩타이드, 렉틴, 탄수화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지체에 구비된 섬유 집합체에 상기 바이오분자를 부착시켜, 미생물 및 세포를 선택적으로 결합시키고, 이를 배양 및 활성화시키며, 상기 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 폴리퍼멘티커스(Bacillus polyfermenticus), 바실러스 메센테리커스(Bacillus mesentericus), 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae), 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 스트렙토코커스 패칼리스(Streptococcus faecalis), 스트렙토코커스 패시움(Streptococcus faecium), 마이크로코커스 카세리티쿠스(Micrococcus caseolyticus), 스테필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus), 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 프라타륨(Lactobacillus plantarum), 루코노스톡 메세테로이데스 (Leuconostoc Mesenteroides), 사카로마이세스 세르비시아(Saccharomyces cerevisiae), 데바리오마이세스 니코티아나(Debaryomyces nicotianae), 아시네토박터 칼코아세티쿠스(Acinetobactercalcoaceticus), 알칼리게네스 균(Alcaligenesodorans), 아로매토리움 아로매티쿰(Aromatoleum aromaticum), 지오박터 메탈리듀센(Geobacter metallireducens), 디클로로모나스 아로마틱(Dechloromonas aromatic), 아스로박터속(Arthrobacter sp.) 및 알카니보락스 보르쿠멘시스(Alcanivorax borkumensis) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 세포는 줄기세포, 면역세포, 상피세포, 근육세포, 신경세포, 간세포, 폐세포, 심혈관세포, 췌장세포, 심장세포, 뼈세포 및 암세포 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에서, 중심에 회전축이 결합되는 결합부; 및 상기 결합부에 결합되며, 전술한 특징에 따른 3차원 메쉬 구조체를 하나 이상 포함하는 임펠러를 제공한다.
또한, 상기 3차원 메쉬 구조체는 단일체일 수 있다.
또한, 상기 3차원 메쉬 구조체는 상기 결합부에 탈착 가능하도록 연결부가 구비될 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체의 각각에는 서로 다른 물질이 고정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체 및 이를 포함하는 메쉬 임펠러에 따르면, 3차원 형상의 메쉬 구조체 표면에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오분자들이 고집적 되어 유체와 반응하기 때문에, 종래기술에 비하여 높은 속도로 반응이 진행될 수 있는 장점이 있다.
또한, 복수 개의 판상구조물 사이에 형성된 복수 개의 내부 공간 각각에 섬유 집합체가 내장됨으로써, 상기 섬유 집합체에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자와 같은 물질들의 고정화양을 향상시킬 수 있다.
또한, 3차원 메쉬 구조체가 결합부에서 탈부착 가능하도록 임펠러를 제작함으로써 필요에 따라 교체가 용이하고, 반응이 종료한 이후에 쉽게 재사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 적어도 하나 이상 구비되는 3차원 메쉬 구조체의 각각에 다른 물질을 담지하여 연쇄 반응이 일어날 수 있으며, 다양한 응용이 가능할 수 있다.
특히 선택적 결합이 가능한 항체 등의 다양한 바이오분자를 메쉬 구조체에 고정화하여 미생물이나 세포를 특이적으로 결합시킨 후, 3차원 메쉬 구조체를 탈착하여 결합된 미생물과 세포를 배양 및 활성화함으로써, 진단, 면역세포치료, 세포칩 개발 등 다양한 의학분야에서 새로운 응용을 창출할 수 있으리라 예상한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체의 다른 예를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체에서 판상 구조물의 결합방법을 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체를 갖는 임펠러를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체에 항원을 고정화하여 실험한 데이터이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체에 GOx 고정화시켜 실험한 데이터이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체(120)는 도 1및 도2에 도시된 바와 같이, 지지체(121) 및 섬유 집합체(150)를 포함할 수 있다.
상기 지지체(121)의 외주면에는 반응 액이 통과할 수 있는 복수 개의 다공홀(128)이 형성될 수 있으며, 지지체(121)의 내주면에는 내부공간(129)이 형성될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 지지체(121)는 메쉬 구조를 갖는 한 쌍의 판상 구조물(125a, 125b)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 지지체(121)는 한 쌍의 판상 구조물(125a, 125b)의 결합에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 상기 판상구조물(125)은 일 측으로 개방된 개구를 포함하며, 외주면에는 복수 개의 다공홀(128)이 형성될 수 있다. 이러한 구성을 갖는 한 쌍의 판상구조물(125a, 125b)이 서로 결합하면 내부에 내부공간(129)이 형성된다(도 3참조). 즉, 제1판상구조물(125a)의 개구(122a)와 제2판상구조물(125b)의 개구(122b)가 결합하여 내부공간(129)을 형성한다.
이때, 상기 제1 및 제2판상구조물(125a, 125b)의 결합은 서로 끼움 결합으로 결합될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1판상구조물(125a)의 일면 가장자리에는 삽입홈(123)이 형성될 수 있으며, 상기 제1판상구조물(125a)의 일면과 마주하는 제2판상구조물(125b)의 일면 가장자리에는 돌기(124)가 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 및 제2판상구조물(125a, 125b)이 결합시, 상기 돌기(124)가 삽입홈(123)에 삽입되어 끼워져 결합됨으로써 지지체(121)의 조립이 완성될 수 있다. 아울러 지지체(121)의 내부에 내부공간(129)이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 내부공간(129)에는 섬유 집합체(150)가 배치될 수 있다. 보다 상세히, 상기 제 1 및 제2판상구조물(125a, 125b)이 조립되기 전, 상기 섬유 집합체(150)는 제1 및 제2판상구조물(125a, 125b) 사이에 배치되고, 상기 제1 및 제2판상구조물(125a, 125b)을 결합하면, 내부에 섬유 집합체(150)가 내장될 수 있으며, 이로써 3차원 메쉬 구조체(120)가 완성될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 3에 따르면, 지지체(121)는 한 쌍의 판상구조물의 결합으로 형성되는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, 본 발명이 이로 제한되지 않는다. 즉, 상기 지지체는 복수 개의 판상구조물의 결합으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 예에 따르면, 3차원 메쉬 구조체(120')는 도4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 지지체(121') 및 섬유 집합체(150')를 포함할 수 있다.
상기 지지체(121')는 메쉬 구조를 갖는 복수 개의 판상 구조물(125')을 포함할 수 있다. 즉, 상기 지지체(121')는 복수 개의 판상 구조물(125')의 결합에 의해 형성될 수 있다.
여기서, 상기 판상구조물(125')은 일 측으로 개방된 개구를 포함하며, 외주면에는 복수 개의 다공홀(128')이 형성될 수 있다. 이러한 구성을 갖는 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d')이 서로 결합하면 내부에 복수 개의 내부공간(129a', 129b', 129c')이 형성된다.
일례로, 본 발명에서는 용이한 설명을 위하여 4 개의 판상구조물에 의해 지지체(121')를 형성되는 것으로 설명하도록 한다. 이때, 도 6에서와 같이, 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d')은 수평 방향으로 적층되어 지지체(121')를 형성할 수 있다.
여기서, 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d') 각각에 형성된 개구들에 의해 복수 개의 내부공간(129a', 129b', 129c')이 형성되도록 상기 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d')이 적층된다.
구체적으로, 제2판상구조물(125b')의 개구와 제3판상구조물(125c')의 개구가 서로 마주하여 제2내부공간(129b')을 형성하며, 제2판상구조물(125b')의 일면이 제1판상구조물(125'a)의 개구와 결합하여 제1내부공간(129a')을 형성하고, 제3판상구조물(125c')의 일면이 제4판상구조물(125d')의 개구와 결합하여 제3내부공간(129c')을 형성할 수 있다.
그리고 상기 제1 내지 제3내부공간(129a', 129b', 129c')에는 섬유 집합체(150')가 각각 내장될 수 있다.
이때, 상기 제 1 내지 제4판상구조물(125'a, 125d') 은 끼움 결합에 의해 결합될 수 있다. 보다 상세하게, 제2 및 제3판상구조물(125b', 125c')은 양면의 가장자리에 돌기(124') 및 삽입홈(123')이 형성된다. 즉, 제2 및 제3판상구조물(125b', 125c')의 일면 가장자리에는 돌기(124')가 형성되고, 타면 가장자리에는 삽입홈(123')이 형성된다.
그리고 제1 및 제4 판상구조물(125'a, 125d')은 일면에 삽입홈(123') 또는 돌기(124')가 형성된다. 즉, 최외측에 배치되는 제1판상구조물(125a')의 일면에는 삽입홈(123')이 형성되고, 제4판상구조물(125d')의 일면에는 돌기(124')가 형성된다.
그리고, 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d')이 조립되기 전, 서로 이웃하는 판상구조물 사이에 섬유 집합체(150')을 각각 삽입 한 후 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d')을 조립하여 3차원 메쉬 구조체(120')를 완성한다.
이러한 구조를 갖는 3차원 메쉬 구조체(120, 120')는 복수 개의 판상구조물 사이에 형성된 복수 개의 내부 공간 각각에 섬유 집합체가 내장됨으로써, 상기 섬유 집합체에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자와 같은 물질들의 고정화양을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 도면에서는 상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120')가 복수 개로 구비되어 적층되는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, 본 발명이 이로 제한되지 않으며, 상기 3차원 메쉬 구조체(120)는 하나의 단일체로 형성될 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 상기 지지체(121, 121')는 직육면체 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120')의 내부 및 외부가 메쉬 형태로 형성되므로 반응장치의 크기와 반응물의 형상에 따라 상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120') 전체적인 크기를 조절할 수 있다.
아울러, 상기 지지체(121, 121')의 다공홀(128, 128')의 크기도 반응장치의 크기와 반응물의 형상에 따라 조절될 수 있으며, 다공홀(128, 128')의 위치도 반응물의 형상에 따라 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 도면에서는 3차원 메쉬 구조체(120, 120')에 섬유 집합체가 내장되는 내부공간이 형성되는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, 본 발명이 이로 제한되지 않는다. 즉 상기 섬유 집합체가 얇은 굵기를 갖고 있기 때문에 지지체에 내부 공간이 없더라도 판상 구조물 사이에 가압되어 끼워질 수 있다.
또한, 상기 적어도 두 개 이상의 판상 구조물은 가장 자리에 형성되는 삽입홈과 돌기에 의해 끼움 결합되는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, 본 발명이 이로 제한되지 않는다. 일례로, 도 7a에서와 같이 상기 판상 구조물들에는 각각 삽입홈이 형성되고, 상기 판상 구조물들이 적층된 후 상기 삽입홈으로 결합봉(161)이 끼움 결합될 수 있다.
또는 다른 예로, 상기 판상 구조물들을 적층시킨 후, 도 7b에서와 같이 적층된 판상 구조물들의 양 측면에 클립 형태의 결합부재(162)로 결합시킬 수도 있다.
한편, 도 1 내지 도 6에 따른 섬유 집합체(150, 150')는 표면에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자들이 고정되어 지지체(121, 121')의 내부공간에 내장될 수 있다. 이때, 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자들은 섬유 집합체(150, 150')에 결합될 수 있다.
구체적으로, 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자는 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 또는 접착성 물질에 의해 섬유 집합체(150, 150')의 표면에 고정될 수 있다. 이때, 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자가 작용기를 통하여 고정되는 경우에는 공유결합, 이온결합 및 가교결합 중 하나를 사용하여 섬유 집합체(150, 150')의 표면에 고정될 수 있고, 작용기를 통하여 고정되지 않는 경우에는 폴리도파민(polydopamine), 폴리노레피네프린(polynorepinephrine)과 같이 카테콜(catechol)기를 기반으로 하는 접착성 물질 및 물리적 단순 흡착 중 하나를 사용하여 섬유 집합체(150, 150')의 표면에 고정될 수 있다.
이러한, 상기 섬유 집합체(150, 150')에는 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 또는 접착성 물질에 의해 다공성 입자, 탄소 튜브, 고분자 튜브, 와이어, 필라, 그래핀, 풀러렌, 폴리도파민, 폴리노레피네프린 및 구형입자 중 적어도 하나 이상이 추가적으로 부착될 수 있음을 밝혀둔다.
그리고, 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자와 같은 물질들은 섬유 집합체(150, 150') 에 고정될 수 있다.
여기서, 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자들은 섬유 집합체(150, 150')에 직접적으로 결합되거나 또는 간접적으로 결합될 수 있다.
구체적으로, 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자는 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 및 접착성 물질에 의해 섬유 집합체(150, 150')에 직접적으로 고정될 수 있으며, 바람직하게는 상기 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자는 섬유 집합체의 작용기와 공유결합을 통해 직접적으로 결합될 수 있다.
또는, 고분자 섬유의 상기 작용기와 상기 바이오분자는 이종의 바이오분자에 의해 특이적 결합되어, 작용기와 바이오 분자가 링커(linker) 역할을 하는 이종의 바이오 분자들을 통해 간접적으로 결합되어 고분자섬유에 상기 바이오분자가 고정되어 있을 수 있는데, 좀 더 구체적으로는 상기 특이적 결합은 항체-항원, 프로테인A-항체, 프로테인G-항체, 핵산-핵산 하이브리드, 앱타머-바이오분자, 아비딘-비오틴(Avidin-biotin), 스트렙타비딘-비오틴(Streptavidin-biotin), 렉틴-탄수화물(Lectins-carbohydrate), 렉틴-글리코실단백질(Lectin-glycoprotein) 등의 특이적 결합을 통해 상기 작용기와 바이오 분자 사이에 상기 이종의 바이오 분자가 링커(linker) 역할을 하여 고분자 섬유의 작용기와 바이오 분자가 간접적으로 결합되어 있을 수 있다.
한편, 상기 섬유 집합체(150, 150')로 고분자 섬유를 사용하며, 작용기를 포함하는 고분자 섬유는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐리데인 플로라이드, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카프로락탐, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리다이메틸실록산, 테플론, 콜라겐, 폴리스티렌-co-무수말레산, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산 및 실리콘 등의 고분자 섬유를 개질 등을 통하여 고분자 섬유에 작용기를 형성시킨 것을 사용할 수 있다.
또한, 상기 섬유 집합체는 고분자 섬유 중합용액을 중합반응시켜 중합체 또는 공중합체를 형성하면서 작용기가 있는 고분자 섬유를 제조할 수 있다. 특히, 작용기가 있는 고분자 섬유는 공중합체 아닐린(aniline), 피롤(pyrrole), 락틱산(lactic acid), 비닐알콜(vinyl alcohol), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 에틸렌(ethylene), 에틸렌이민(ethyleneimine), 프로필렌옥사이드(propylene oxide), 우레탄(urethane), 염화비닐(vinyl chloride), 스티렌(styrene), 카프로락탐(caprolactam), 카프로락톤(aprolactone), 에틸렌 테레프탈레이트(ethylene terephthalate), 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate), 다이메틸실록산(dimethysiloxane), 테플론(teflon), 콜라겐(collagen), 나일론(nylon), 셀룰로우즈(cellulose), 키토산(chitosan) 및 실리콘(silicon) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제1단량체; 및 아미노벤조익산(1-aminobenzoic acid), 2-아미노벤조익산(2-aminobenzoic acid), 3-아미노벤조익산(3-aminobenzoic acid), 1-페닐렌다이아민(1-phenylenediamine), 2-페닐렌다이아민(2-phenylenediamine), 3-페닐렌다이아민(3-phenylenediamine), 피롤-1-카브알데하이드(pyrrole-1-carbaldehyde), 피롤-2-카브알데하이드(pyrrole-2-carbaldehyde) 및 피롤-3-카브알데하이드(pyrrole-3-carbaldehyde) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제2단량체;가 공중합된 공중합체일 수 있다.
한편, 상기 섬유 집합체(150, 150')는 작용기를 포함하지 않는 경우도 있다. 즉, 작용기를 포함하는 공중합체와 달리, 작용기를 포함하지 않는 중합체로 성장된 고분자 섬유인 경우, 별도의 개질반응을 수행하여 고분자 섬유에 작용기를 형성시킬 수 있다.
상기 유기 촉매는 탄산무수화 효소, 당산화 효소, 트립신, 키모트립신, 서브틸리신, 파파인, 서몰리신, 리파아제, 페록시다아제, 아실라아제, 락토나제, 프로테아제, 티로시나아제, 라카아제, 셀룰라아제, 자일라나제, 유기포스포하이드롤레이즈, 콜린에스테라아제, 포름산 탈수소 효소, 알데히드 탈수소 효소, 알코올 탈수소 효소, 포도당 탈수소 효소, 및 포도당 이성화 효소 중 적어도 하나를 포함하는 효소 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며,
또한, 상기 무기 촉매는 플래티늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 납, 이리듐, 루비듐, 철, 니켈, 아연, 코발트, 구리, 망간, 티타늄, 루테늄, 은, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 철, 안티몬, 주석, 비스무트, 바륨, 오스뮴, 산화질소, 산화구리, 산화망간, 산화티타늄, 산화바나늄, 산화아연 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 상기 바이오 분자는 효소, 알부민, 인슐린, 콜라겐, 항체, 항원, 프로테인A, 프로테인G, 아비딘, 스트렙타비딘, 바이오틴, 핵산, 펩타이드, 렉틴, 탄수화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 3차원 메쉬 구조체(120, 120')의 지지체(121, 121')는 표면에 작용기를 포함하는 고분자 섬유를 성장시킬 수 있는 것이라면 어느 것이든 사용 가능하며, 바람직하게는 상기 지지체는 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리카프로락탐, 폴리카프로락톤, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리글리콜산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌-co-무수말레산, 테플론, 콜라겐, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산, 유리, 금, 은, 알루미늄, 철, 구리 및 실리콘 중 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 본 발명이 이로 제한되지 않는다.
이러한 구성을 갖는 3차원 메쉬 구조체(120)는 3차원 메쉬 구조를 갖는 지지체의 표면 및 내부 전체적으로 촉매물질이나 바이오분자가 고집적되기 때문에, 전체적인 반응 면적이 넓어질 수 있으며, 고집적된 촉매 및 바이오분자에 의해 반응 수율이 향상될 수 있다.
또한, 3차원 메쉬 구조체의 표면 및 내부에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오분자들이 고집적(集積) 되어 유체와 반응하기 때문에, 종래기술에 비하여 높은 속도로 반응이 진행될 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기와 같은 구성을 갖는 3차원 메쉬 구조체(120, 120')는 결합되는 제1물질에 따라 다양한 응용이 가능하다.
일례로, 지지체(121, 121')에 구비된 섬유 집합체(150, 150')에 항체를 부착시켜, 미생물 및 세포를 선택적으로 결합시키고, 이를 배양 및 활성화할 수 있다.
이때, 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 폴리퍼멘티커스(Bacillus polyfermenticus), 바실러스 메센테리커스(Bacillus mesentericus), 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae), 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 스트렙토코커스 패칼리스(Streptococcus faecalis), 스트렙토코커스 패시움(Streptococcus faecium), 마이크로코커스 카세리티쿠스(Micrococcus caseolyticus), 스테필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus), 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 프라타륨(Lactobacillus plantarum), 루코노스톡 메세테로이데스 (Leuconostoc Mesenteroides), 사카로마이세스 세르비시아(Saccharomyces cerevisiae), 데바리오마이세스 니코티아나(Debaryomyces nicotianae), 아시네토박터 칼코아세티쿠스(Acinetobactercalcoaceticus), 알칼리게네스 균(Alcaligenesodorans), 아로매토리움 아로매티쿰(Aromatoleum aromaticum), 지오박터 메탈리듀센(Geobacter metallireducens), 디클로로모나스 아로마틱(Dechloromonas aromatic), 아스로박터속(Arthrobacter sp.) 및 알카니보락스 보르쿠멘시스(Alcanivorax borkumensis) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 세포는 줄기세포, 면역세포, 상피세포, 근육세포, 신경세포, 간세포, 폐세포, 심혈관세포, 췌장세포, 심장세포, 뼈세포 및 암세포 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 3차원 메쉬 구조체(120, 120')는 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 복수 개로 구비하여 임펠러(100, 100')를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 메쉬 구조체(120, 120')를 갖는 임펠러(100, 100')는 결합부(110, 110') 및 3차원 메쉬 구조체(120, 120')를 포함할 수 있다.
상기 결합부(110, 110')는 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체(120, 120')를 일 방향으로 회전시키기 위한 것으로, 정육면체 형상을 갖는다.
또한, 상기 결합부(110, 110')의 상부에는 3차원 메쉬 구조체(120, 120')를 일 방향으로 회전시키기 위한 회전축(130, 130')이 결합될 수 있으며, 도 에 도시된 바와 같이, 측면부에는 3차원 메쉬 구조체(120, 120')가 결합되기 위한 결합홀(111, 111')이 형성될 수 있다.
한편, 본원발명의 상세한 설명 및 도면에서는 결합부(110, 110')의 형상이 정육면체 형상으로 형성되는 것으로 설명 및 도시하고 있으나 이로 제한되지는 않는다. 구체적으로, 육면체 형상 또는 구 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체와 결합되어 일 방향으로 회전할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상으로도 형성될 수 있다.
상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120')는 하나 이상 구비되어 상기 결합부(110, 110')의 측면부에 결합될 수 있으며, 보다 상세하게는 상기 결합부(110, 110')의 측면부에 형성되는 결합홀(111, 111')에 결합된다.
이때, 상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120')의 일단에는 상기 결합홀(111, 111')에 결합되기 위한 연결부(140, 140')가 구비될 수 있다.
상기 연결부(140, 140')는 소정의 길이를 가지고 상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120')의 일단에서 돌출되게 구비될 수 있으며, 상기 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체(120, 120')는 상기 연결부(140, 140')에 의해 상기 결합부(110, 110')에서 착탈 가능하게 설치될 수 있다.
또한, 상기 연결부(140, 140')와 상기 결합홀(111, 111')은 서로 대응되는 형상 및 크기로 형성된다.
한편, 하나 이상의 상기 3차원 메쉬 구조체(120, 120')는 상기 회전축(130, 130')에 수직한 평면 상에 동일 간격으로 이격 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 4 개의 3차원 메쉬 구조체가 90도 간격으로 배치된 것을 예시하였으나, 그 수 및 배치 각도가 이에 제한된 것은 아니다.
이와 같은 구성에 따르면, 상기 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체(120, 120')가 결합부(110, 110')로부터 착탈 가능하게 설치됨으로써, 필요에 따라 교체가 용이할 수 있다.
또한, 임펠러에 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체가 탈 부착가능하기 때문에, 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체의 각각에 다른 물질을 담지하여 연쇄 반응이 일어날 수 있으며, 다양한 응용이 가능할 수 있다.
즉, 임펠러(100)에 결합된 복수 개의 3차원 메쉬 구조체(120) 중 임의의 제1메쉬 구조체에는 효소가 고정되고, 다른 임의의 제2메쉬 구조체에는 항체가 고정시킬 수 있다.
아울러, 임펠러가 반응기 내에서 회전되기 때문에 교반과 함께 반응이 동시에 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 3차원 메쉬 구조체에 대하여 하기 실시예 및 실험예를 통해 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예 및 실험예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예1] 도 1 내지 도3에 따른 3차원 메쉬 구조체의 제조
지지체는 ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene) 폴리머를 사용했다.
전기방사된 PS-PSMA(polystyrene-polystyrene-co-maleic anhydride) 나노 섬유를 분산시키기 위하여 70% 에탄올에 30분간 혼합(shaking)한 뒤, 에탄올이 완전히 제거될 때까지 세척한 후 완충용액에 보관하였다. 분산된 PS-PSMA 나노 섬유 2 mg에 항체 1 mL을 첨가한 후, RT에서 1시간 동안 200 rpm으로 교반하고, 4°C에서 15시간 동안, 50 rpm으로 교반한다. 반응하지 않은 항체를 제거하기 위해, 완충용액을 이용하여 200 rpm으로 5분동안 3회 세척하고, PS-PSMA 나노섬유 표면에 존재하는 미반응된 말레산무수물기(maleic anhydride group)를 캡핑하기 위해, 1% bovine serum albumin 용액을 넣고 상온에서 1시간동안 200 rpm으로 혼합한다. 캡핑이 완료되면, 완충용액을 이용하여 200 rpm으로 5분동안 3회 세척하면, 항체가 고정화된 섬유 집합체(150)가 합성되고, 완충용액에 보관한다.
이와 같은 방식으로 항체가 고정화된 섬유 집합체(150)는 지지체(121)의 내부공간(129)에 삽입한다.
[실험예 1] 도 1 내지 도3에 따른 3차원 메쉬 구조체의 항원 검출 실험
항체 고정화 섬유 집합체(150)가 삽입된 3차원 메쉬 구조체(120)를 이용하여 항원검출 실험을 진행하였다. 시간에 따른 항원검출 실험 진행을 위해, 4개의 메쉬 구조체를 5 μg/mL의 항원 용액에 넣어 주고, 100 rpm으로 교반하였다. 그 결과, 도 12a에서 확인할 수 있듯이, 시간에 따라 항원이 항체에 부착됨을 확인할 수 있었다.
이후 세척과정을 통해, 항체가 없음에도 비특이적으로 흡착된 항원을 제거하는 과정을 진행하였다(도 12b). 그 결과, 항체가 있는 경우(Ab-NF/Impeller)는 항원이 계속 나노섬유에 부착되어 있는 반면, 항체가 없는 경우(NF/Impeller)는 세척에 의해 항원이 지속적으로 탈착됨을 확인할 수 있었다.
[실시예2] 도 4 내지 도6에 따른 3차원 메쉬 구조체의 제조
도 4 내지 도 6에 따른 3차원 메쉬 구조체(120')는 도 1 내지 도 3에 따른 3차원 메쉬 구조체(120)와 동일하게 외부에서 섬유 집합체(150')를 제조한 후 지지체(121') 내부에 내장되는 방법을 사용한다. 그러나, 도 1 내지 도 3에 따른 3차원 메쉬 구조체(120)에서는 항원을 섬유 집합체에 부착한 반면, 도 4 내지 도 6에 따른 3차원 메쉬 구조체(120')에서는 섬유 집합체(150')에 효소를 부착하는 것을 일례로 설명한다.
이때, 섬유 집합체(150')를 지지체(121')의 내부공간(129')에 삽입하기 전에 효소를 고정화하는데, 상기 효소로 GOx를 사용한다. 섬유 집합체(150')는 PS-PSMA(polystyrene-polystyrene-co-maleic anhydride)를 사용하고, 전기방사를 이용하여 제작한다.
상기 효소의 고정화는 10mg/ml의 GOx 용액을 2시간가량 PS-PSMA에 공유결합시키고, 이후에 침전제인 ammonium sulfate를 55%가 되도록 첨가하고 교반시켜 준다. 이어 가교결합제인 GA를 첨가하여, 최종 농도가 0.5%가 되도록 한다.
이후 17 시간 동안 4에서 tilt shaking(50 rpm)을 진행시킨다. 이를 완충용액을 이용하여 200 rpm으로 5분간 3회 세척한다. 미반응된 알데히드(aldehyde) 작용기를 캡핑(capping)해주기 위해, 100 mM Tris 용액(pH 7.0)을 넣고 상온에서 200 rpm으로 1시간 동안 교반한다. 캡핑이 완료되면, 완충용액을 이용하여 200 rpm으로 5분동안 3회 세척하면, 효소가 고정화된 섬유 집합체(150')가 합성되고, 완충용액에 보관한다.
이와 같은 방식으로 효소가 고정화된 섬유 집합체(150')을 복수 개의 판상구조물(125a', 125b', 125c', 125d')의 조립에 형성되는 복수 개의 내부공간(129a', 129b', 129c') 각각에 삽입한 후 조립함으로써 하나의 3차원 메쉬 구조체(120')가 완성된다.
[ 실험예 2] 도 4 내지 도 6에 따른 3차원 메쉬 구조체를 이용하여 생성된 H2O2 를 이용한 박테리아 성장저해 효과 확인
GOx 고정화 섬유 집합체(150')가 삽입된 3차원 메쉬 구조체(120')를 이용하여 H2O2를 생성하고, 이 생성된 H2O2의 박테리아 성장저해 효과에 대한 실험을 진행하였다.
먼저, 시간에 따른 H2O2 생성실험을 진행하였다. 10mM의 glucose를 첨가하였고, 400 rpm으로 교반하였다. 그 결과, 도 13a에서 확인할 수 있듯이, GOx 고정화 3차원 구조물이 삽입된 메쉬 임펠러는 지속적으로 H2O2를 생성하는 것을 확인하였다.
다음으로, 고정화된 GOx가 생성된 H2O2에 의해 활성이 저해되는 효과가 있는지 확인하였다. 그 결과, 1시간씩 10회 재사용하였음에도 초기활성의 80%이상을 유지하는 결과를 얻을 수 있었다(도 13b).
마지막으로, 1시간 동안 생성된 H2O2와 2시간 동안 생성된 H2O2를 박테리아(Staphylococcus aureus) 성장 용액에 첨가하였다. 그 결과, H2O2를 넣지 않은 경우는 박테리아가 잘 자라는 반면, H2O2 용액을 넣은 경우는 성장이 저해됨을 확인할 수 있었다. GOx 메쉬 구조체가 1시간 반응한 경우에 비하여 2시간 반응한 경우가 H2O2의 생성량이 더 많으므로, 박테리아 성장을 더 크게 저해시킬 수 있었다(도 13c).
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 3차원 메쉬 구조체가 3차원 메쉬 형상이며, 3차원 메쉬 구조체의 표면 및 내부에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오분자들이 고집적(集積)되어 유체와 반응하기 때문에, 종래기술에 비하여 높은 속도로 반응이 진행될 수 있는 장점이 있다.
또한, 복수 개의 판상구조물 사이에 형성된 복수 개의 내부 공간 각각에 섬유 집합체가 내장됨으로써, 상기 섬유 집합체에 유기 촉매, 무기 촉매 및 바이오 분자와 같은 물질들의 고정화양을 향상시킬 수 있다.
또한, 임펠러에 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체가 탈부착가능하기 때문에, 하나 이상 구비되는 3차원 메쉬 구조체의 각각에 다른 물질을 담지하여 연쇄 반응이 일어나도록 할 수 있다.
또한, 반응이 종료한 이후에, 3차원 메쉬 구조체 및 이를 포함한 임펠러를 손쉽게 재사용할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 3차원 메쉬 구조를 갖는 지지체; 및
    상기 지지체의 내부에 내장되며, 제1물질과 결합가능한 섬유 집합체; 를 포함하는 3차원 메쉬 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체는 메쉬 구조를 갖는 판상 구조물이 적어도 두 개 이상 적층되어 형성되는 3차원 메쉬 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 판상 구조물은 복수 개로 구비되어 적층되며,
    상기 복수 개의 판상 구조물 중 서로 이웃하는 판상구조물 사이에는 상기 섬유 집합체가 내장되는 3차원 메쉬 구조체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 판상 구조물들 중 임의의 제1판상구조물의 일측 면 가장자리에는 돌기가 형성되며,
    상기 제1판상구조물과 이웃하는 제2판상구조물의 일측 면 가장자리에는 상기 돌기가 삽입되는 삽입홈이 형성되는 3차원 메쉬 구조체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개 이상의 판상 구조물 각각에 삽입홈이 형성되며,
    상기 적어도 두 개 이상의 판상 구조물을 적층시킨 후 상기 삽입홈에 결합봉이 결합되는 3차원 메쉬 구조체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개 이상의 판상 구조물을 적층시킨 후, 적층된 상기 판상 구조물들을 클립형태의 결합부재로 각각 결합시키는 3차원 메쉬 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1물질은 유기촉매, 무기촉매 및 바이오 분자를 포함하고,
    상기 섬유 집합체는 상기 제1물질과 결합되는 작용기를 포함하며,
    상기 유기촉매, 무기촉매 및 바이오분자 중 적어도 하나는 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 또는 접착성 물질에 의해 상기 섬유 집합체에 결합되는 3차원 메쉬 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    다공성 입자, 탄소 튜브, 고분자 튜브, 와이어, 필라, 그래핀, 풀러렌, 폴리도파민, 폴리노레피네프린 및 구형입자 중 적어도 하나 이상이 흡착, 이온결합, 공유결합, 가교결합 또는 접착성 물질에 의해 상기 섬유 집합체에 결합되는 3차원 메쉬 구조체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 작용기는 카르복시기, 아민기, 이민기, 에폭시기, 하이드록시기, 알데하이드기, 카르보닐기, 에스터기, 메톡시기, 에톡시기, 페록시기, 에테르기, 아세탈기, 설파이드기, 포스페이트기 및 아이오드기 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 섬유는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리비닐리데인 플로라이드, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리카프로락탐, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리다이메틸실록산, 테플론, 콜라겐, 폴리스티렌-co-무수말레산, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산 및 실리콘 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 섬유 및 이를 개질시켜 작용기를 형성한 섬유인 3차원 메쉬 구조체.
  10. 제 1 항 내지 7항에 있어서,
    상기 지지체는 아크릴로나이트릴-뷰타디엔-스티렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리락틱산, 폴리비닐알콜, 폴리카프로락탐, 폴리카프로락톤, 폴리락틱-co-글리콜산, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌이민, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리글리콜산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌-co-무수말레산, 테플론, 콜라겐, 나일론, 셀룰로우즈, 키토산, 유리, 금, 은, 알루미늄, 철, 구리 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 유기 촉매는 탄산무수화 효소, 당산화 효소, 트립신, 키모트립신, 서브틸리신, 파파인, 서몰리신, 리파아제, 페록시다아제, 아실라아제, 락토나제, 프로테아제, 티로시나아제, 라카아제, 셀룰라아제, 자일라나제, 유기포스포하이드롤레이즈, 콜린에스테라아제, 포름산 탈수소 효소, 알데히드 탈수소 효소, 알코올 탈수소 효소, 포도당 탈수소 효소, 및 포도당 이성화 효소 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 무기 촉매는 플래티늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 납, 이리듐, 루비듐, 철, 니켈, 아연, 코발트, 구리, 망간, 티타늄, 루테늄, 은, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 철, 안티몬, 주석, 비스무트, 바륨, 오스뮴, 산화질소, 산화구리, 산화망간, 산화티타늄, 산화바나늄, 산화아연 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 바이오분자는 알부민, 인슐린, 콜라겐, 항체, 항원, 프로테인A, 프로테인G, 아비딘, 스트렙타비딘, 바이오틴, 핵산, 펩타이드, 렉틴, 탄수화물 중 적어도 하나를 포함하는 3차원 메쉬 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 3차원 메쉬 구조체에 내장된 섬유 집합체에 상기 바이오분자를 부착시켜, 미생물 및 세포를 선택적으로 결합시키고, 이를 배양 및 활성화하며,
    상기 미생물은 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis), 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 폴리퍼멘티커스(Bacillus polyfermenticus), 바실러스 메센테리커스(Bacillus mesentericus), 사카로마이세스 세레비제(Saccharomyces cerevisiae), 클로스트리디움 부티리컴(Clostridium butyricum), 스트렙토코커스 패칼리스(Streptococcus faecalis), 스트렙토코커스 패시움(Streptococcus faecium), 마이크로코커스 카세리티쿠스(Micrococcus caseolyticus), 스테필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus), 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei), 락토바실러스 프라타륨(lactobacillus plantarum), 루코노스톡 메세테로이데스 (Leuconostoc Mesenteroides), 사카로마이세스 세르비시아(saccharomyces cerevisiae), 데바리오마이세스 니코티아나(Debaryomyces nicotianae), 아시네토박터 칼코아세티쿠스(Acinetobactercalcoaceticus), 알칼리게네스 균(Alcaligenesodorans), 아로매토리움 아로매티쿰(Aromatoleum aromaticum), 지오박터 메탈리듀센(Geobacter metallireducens), 디클로로모나스 아로마틱(Dechloromonas aromatic), 아스로박터속(Arthrobacter sp.) 및 알카니보락스 보르쿠멘시스(Alcanivorax borkumensis) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 세포는 줄기세포, 면역세포, 상피세포, 근육세포, 신경세포, 간세포, 폐세포, 심혈관세포, 췌장세포, 심장세포, 뼈세포 및 암세포 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 3차원 메쉬 구조체.
  12. 중심에 회전축이 결합되는 결합부; 및
    상기 결합부에 결합되며, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 3차원 메쉬 구조체를 하나 이상 포함하는 임펠러.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 3차원 메쉬 구조체는 단일체인 임펠러.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 3차원 메쉬 구조체는 상기 결합부에 탈부착 가능하도록 연결부가 구비되는 임펠러.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 3차원 메쉬 구조체의 각각에는 서로 다른 물질이 고정되는 임펠러.
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