WO2022092651A1 - 핵산을 매개로 한 패턴 복제 및 이를 이용한 이차원 재료 제작 방법 - Google Patents

핵산을 매개로 한 패턴 복제 및 이를 이용한 이차원 재료 제작 방법 Download PDF

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장재범
심주은
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한국과학기술원
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Definitions

  • the following description relates to nucleic acid-mediated pattern replication and a two-dimensional material manufacturing method using the same.
  • Contact-based patterning techniques used to fabricate micrometer-to-nanometer-scale structures include nanoimprint lithography, dip pen nanolithography, and microcontact printing.
  • these existing technologies since only one type of material can be patterned in one process, the process must inevitably be repeated in order to fabricate a substrate on which multiple types of materials are complexly patterned.
  • micro-nano patterning techniques can only transfer a pattern to a substrate made of a hard material.
  • the resolution of the pattern made in this way is limited by the resolution of the original pattern and the resolution of the process.
  • a method for fabricating a two-dimensional material capable of multi-patterning in a single process is provided.
  • a method for fabricating two-dimensional materials capable of high-resolution patterning based on single-molecule contact is provided.
  • a two-dimensional material fabrication method that can be applied to various patterning materials and substrates is provided.
  • a two-dimensional material fabrication method capable of achieving higher resolution than the original pattern is provided.
  • a method for manufacturing a two-dimensional material comprising: preparing a first material in which a first nucleic acid is patterned on a surface; binding a linker-nucleic acid to the first nucleic acid; copying the pattern of the first material to the surface of the second material by binding the first nucleic acid and the modified second nucleic acid to the surface of the second material through the linker-nucleic acid; separating the first material; and applying a third material over the pattern copied to the surface of the second material.
  • the preparing step may be characterized in that the target material particles or molecules on the surface of the first material are labeled with the first nucleic acid including the first sequence.
  • the linker-nucleic acid comprises a third nucleic acid comprising a second sequence complementary to the first sequence of the first nucleic acid and a fourth sequence complementary to the third sequence of the second nucleic acid. It may be characterized as having a structure in which 4 nucleic acids are linked by a linker.
  • the linker-nucleic acid to the first nucleic acid by binding the third nucleic acid of the second sequence included in the linker-nucleic acid with the first nucleic acid of the first sequence. It may be characterized by complementary binding.
  • the linker-nucleic acid by physical contact between the surface of the first material and the surface of the second material, the linker-nucleic acid includes the fourth nucleic acid of the fourth sequence and the second material.
  • the pattern of the first material position information of individual target material particles or target molecules
  • the pattern of the first material may be copied to the surface of the second material.
  • the separating step recognizes and cuts out a specific sequence of the linker-nucleic acid linker portion, the bond between the first nucleic acid and the third nucleic acid, or the bond between the second nucleic acid and the fourth nucleic acid may be characterized in that the bond between the first material and the second material is cut using an enzyme or a chemical reaction.
  • the bond between the first nucleic acid and the third nucleic acid is cut off while maintaining the bond between the second nucleic acid and the fourth nucleic acid using a difference in binding force between the nucleic acids.
  • the third material is a material comprising at least one of a metal, a polymer, a ceramic, a biomolecule, and a cell whose surface is modified with the first sequence of the first nucleic acid or a new nucleic acid containing the first sequence It may be characterized in that it comprises at least one of a single chemical molecule to which a particle, or a first sequence of the first nucleic acid or a new nucleic acid comprising the first sequence, is chemically bound.
  • the third material may be the same material as the target material particle or single molecule on the surface of the first material.
  • the third material may be a material different from the target material particles or single molecules on the surface of the first material.
  • the third material is the first sequence of the first nucleic acid or the remaining on the surface of the second material as the surface is modified with a new nucleic acid comprising the first sequence. It may be characterized in that it binds to the first nucleic acid.
  • the preparing comprises preparing the first material including a plurality of patterns, wherein two or more patterns among the plurality of patterns are composed of nucleic acids having a sequence orthogonal to each other, and the first The nucleic acid is one of the nucleic acids of the sequence orthogonal to each other, and the binding step comprises a plurality of linker-nucleic acids comprising a nucleic acid different from the nucleic acid included in the plurality of patterns, and the different linker-nucleic acid. They may be characterized in that they include a nucleic acid of a sequence complementary to each of the nucleic acids of the sequence orthogonal to each other.
  • the copying includes physically contacting the first material with a surface of the second material to copy the plurality of patterns of the first material to the surface of the second material,
  • the surfaces of the two materials may be characterized in that they are modified with nucleic acids corresponding to each of the nucleic acids of the sequences orthogonal to each other.
  • a plurality of different third materials each of which has been modified with each of the nucleic acids of the sequence orthogonal to each other, is applied on the pattern copied to the surface of the second material. can do.
  • the preparing comprises preparing a first material including N (wherein N is a natural number) patterns, nucleic acids constituting different patterns are orthogonal to each other, and the separated first material By recycling , it may be characterized in that it is possible to form patterns of 2 or more M (the M is 2 N ⁇ 1) or less.
  • the plurality of linker-nucleic acids combined with the nucleic acids including the N patterns include (N-1) or less types of nucleic acids having different sequences.
  • the second material comprises a flexible material, the first step of shrinking the flexible material to which the pattern is replicated; a second step of duplicating the pattern on another second material by using the contracted flexible material again as a first material; and a third step of repeating the first step and the second step A (where A is a natural number) times.
  • FIG. 1 to 6 are views showing an example of a two-dimensional material manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a conventional contact-based patterning technique.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of duplicating a complex pattern composed of a plurality of materials or a plurality of single molecules at once using a pair of nucleic acids orthogonal to each other according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of duplicating patterns of different combinations from one original pattern according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of improving patterning resolution through repeated replication to a flexible material and shrinkage of the flexible material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of replicating a pattern of an original hydrogel to another hydrogel surface through an interaction between complementary nucleic acids according to an embodiment of the present invention.
  • 12 to 15 are diagrams illustrating examples of experimentally implemented pattern replication using nucleic acids according to an embodiment of the present invention.
  • 16 to 18 are diagrams illustrating an example in which the distribution of biomolecules on the surface of a tissue is copied to a new material surface according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a view showing an example in which the pattern of neuronal nuclear protein expressed in the brain of a mouse is replicated on the surface of a hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • 20 and 21 are diagrams illustrating an example in which the resolution of a duplicated pattern is improved by using a contractible hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • 22 is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing a two-dimensional material according to an embodiment of the present invention.
  • first or second may be used to describe various elements, these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one element from another.
  • a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.
  • Embodiments of the present invention are two-dimensional pattern replication and material manufacturing technology, which reproduces the chemical pattern of the original material surface to the surface of another material through a specific interaction between two nucleic acid strands having complementary sequences.
  • a molecular sequence can be made as a nucleic acid, and all substances that strongly interact only between specific molecular sequences can be used.
  • the most representative example is DNA, and there are locked nucleic acid (LNA) and peptide nucleic acid (PNA), which are one of RNA and modified nucleic acid.
  • LNA locked nucleic acid
  • PNA peptide nucleic acid
  • nucleic acids all substances that strongly interact only between specific molecular sequences in addition to 'DNA, RNA, LNA, and PNA' can be used.
  • the two-dimensional material may be manufactured using the interaction between nucleic acid strands.
  • the main idea is to develop a contact-based two-dimensional patterning technique that exploits the specific interaction between two nucleic acid strands with complementary sequences.
  • FIGS. 1 to 6 are views showing an example of a two-dimensional material manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiment of FIGS. 1 to 6 shows an example of duplicating the pattern of the material surface using nucleic acids and manufacturing the two-dimensional material using the same.
  • 1 to 6 schematically illustrate an example of replicating the simplest single type of pattern that can be implemented, and the size of the nucleic acid is exaggerated for better understanding. Actual nucleic acids are within a few nanometers in length, and are very small compared to new materials (substrates) or patterning materials from which patterns are replicated.
  • Pattern duplication using nucleic acids and a method of manufacturing a two-dimensional material using duplicated patterns can basically go through four steps.
  • FIG. 1 shows an enlarged view of the original material in which the target material particles or target molecules to be replicated are patterned on the surface
  • FIG. 2 is the target pattern labeling step, which is a nucleic acid containing a specific sequence 'A' on the surface of the original material. It shows the process of specifically labeling target material particles or target molecules in Alternatively, all kinds of materials that have already been patterned on the surface with nucleic acids (eg, commercially available DNA chips, tissue sections labeled with specific proteins with nucleic acids, etc.) may be used as the original.
  • nucleic acids eg, commercially available DNA chips, tissue sections labeled with specific proteins with nucleic acids, etc.
  • linker-nucleic acid binding step 3 is a linker-nucleic acid binding step, showing a process of binding a linker-nucleic acid having a sequence 'A*' complementary to 'A'.
  • This linker-nucleic acid has the sequence 'B*' at the opposite end.
  • FIG. 4 shows a process of physically contacting the surface of another material modified with a nucleic acid having a sequence 'B' complementary to the terminal sequence 'B*' of the linker-nucleic acid as a pattern transcription step.
  • positional information (pattern) on the target molecule on the surface of the original material is mediated by the specific interaction between A-A* and B-B* as 'nucleic acid labeled target molecule - linker - nucleic acid - modified nucleic acid on the surface of a new material' It may be delivered in the form of a complex. Then the original material surface is separated.
  • At least one of the surface of the original material and the surface of another material to be patterned may be a hydrogel (or a soft surface material). If the original material and the other material to be copied are both materials with a hard surface, the duplication may not work.
  • the method of duplicating the pattern of the material of the hard surface with the hydrogel (or the material of the soft surface) with the hydrogel (or the material of the soft surface), and then duplicating the pattern of the material of the hard surface again with another material of the hard surface. can
  • 5 and 6 are surface functionalization steps, and material particles (eg, metals, polymers, ceramics, biomolecules, cells, nanoparticles, etc.) whose surface is modified with a nucleic acid containing an 'A' sequence or an 'A' sequence
  • material particles eg, metals, polymers, ceramics, biomolecules, cells, nanoparticles, etc.
  • FIG. 5 An example of the process of applying a chemical molecule to which a containing nucleic acid is linked is shown on a copied pattern.
  • the target material particles or target molecules are repositioned, the original material can be copied as it is, and if a different type of material particles or molecules is applied, a two-dimensional material with the same distribution (pattern) but patterned with new material particles or molecules is obtained. can be (Fig. 5).
  • the 2 materials may be the same material as the original 1 material (FIG. 5), or may be different materials (FIG. 6).
  • a complex two-dimensional material composed of one or more materials which was not possible with the existing two-dimensional material manufacturing technology, can be easily manufactured using several orthogonal nucleic acid pairs.
  • a complex pattern may be simultaneously replicated using orthogonal nucleic acid pairs.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a conventional contact-based patterning technique
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of duplicating a complex pattern at once using a nucleic acid pair orthogonal to each other according to an embodiment of the present invention. .
  • nucleic acid consisting of 20 bases
  • 4 20 1,099,511,627,776 (about 1 trillion) nucleic acid strands are possible, which corresponds to 500 billion orthogonal nucleic acid pairs. In other words, 5000 different It is possible to duplicate and pattern billions of patterns simultaneously.
  • multi-patterning can be easily performed without the complicated process of repeating the same process and aligning the substrate, and there is an advantage that there is no practical limit to the number of patterns that can be transferred.
  • different patterns may be selectively duplicated from a single original pattern.
  • the resolution of the pattern can be dramatically improved.
  • the resolution may be improved through repetitive pattern duplication and contraction of the hydrogel.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of improving patterning resolution through repeated replication and hydrogel shrinkage according to an embodiment of the present invention.
  • One of the advantages of the two-dimensional material manufacturing method according to the present embodiment is that there is no limitation on the new material from which the pattern can be copied.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to this embodiment can be applied to soft materials such as hydrogels. If a contractible hydrogel is used, the pattern is contracted in the isotropic direction after pattern transfer. It is possible to achieve high resolution.
  • the original pattern is reproduced on the surface of a hydrogel (eg sodium polyacrylate hydrogel) in a 4-fold expanded state, the hydrogel is contracted to its original size, and the The pattern can be transferred to another expanded hydrogel surface, and the process can be re-contracted.
  • a hydrogel eg sodium polyacrylate hydrogel
  • the size of the pattern is reduced by 4n times, which has the effect of improving the patterning resolution by up to 4n times, making it possible to pattern at a much higher resolution than the original pattern. For example, if you make an original pattern with a level of 100 micrometers or nanometers, and shrink the pattern three times, you can obtain a pattern with a level of about 1.5 micrometers or nanometers.
  • the complexity of the process increases, and accordingly, the patterning time and cost exponentially increase.
  • an original pattern is made with a size that can be patterned relatively easily, and by replicating and shrinking it, a pattern of several nanometers that is difficult to achieve with existing patterning technology can be formed. This can significantly save time and money required to achieve a similar level of patterning resolution.
  • the embodiments of the present invention have a differentiated advantage that can complexly overcome the limitations of the existing two-dimensional material manufacturing technology, such as patterning efficiency and resolution problems, limited pattern complexity, and limited applicability to rigid materials.
  • multi-patterning is possible in a single process.
  • Contact-based patterning techniques used to fabricate micro-nano structures include nanoimprint lithography, dip pen nanolithography, and microcontact printing.
  • nanoimprint lithography dip pen nanolithography
  • microcontact printing since only one type of material can be patterned in one process, it is inevitable to repeat the process in order to fabricate a substrate on which multiple types of materials are complexly patterned.
  • the replication of the pattern is made through a nucleic acid characterized by interaction with sophisticated programmability and high specificity. If an orthogonal nucleic acid pair that does not affect is used, it is possible to simultaneously replicate various types of patterns in a single process, and there is an advantage that there is no limitation in the type and number of molecules that can be replicated.
  • the method for manufacturing a two-dimensional material according to embodiments of the present invention enables selective and/or continuous duplication of an original pattern.
  • contact-based patterning technologies such as microcontact printing and nanoimprint lithography
  • only one pattern per one mold (stamp) can be repeatedly formed, and in order to form several different patterns, a mold for each pattern is manufactured must do it.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiments of the present invention can be duplicated by selectively combining each pattern from one complex original pattern, and it is possible to reuse the separated original by re-modifying it with nucleic acid after pattern duplication. . Accordingly, it is possible to significantly reduce the time and cost spent in the existing technology to form a plurality of multi-patterns.
  • the two-dimensional material fabrication method according to embodiments of the present invention is capable of high-resolution patterning based on single-molecule contact.
  • the resolution of the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiments of the present invention is determined by physical factors such as the linker-nucleic acid length and the distribution density of the modified nucleic acid on the replication surface, and the pattern of the original surface is a single molecule unit of contact.
  • can be transferred through Transcription mediated by physical interactions at the molecular level enables more sophisticated replication than photolithography, which is limited by optical diffraction in structures of 100 nm or less.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to embodiments of the present invention it is possible to apply various patterning materials and substrates.
  • Conventional processes such as photolithography cannot be applied to curved or flexible substrates, and soft lithography technology, including nanoimprint lithography, uses resist materials that can form patterns (thermoplastic and thermosetting polymers, UV photocurable materials, etc.) and The types of substrates are limited.
  • any material whose surface is modified with nucleic acid can be used as a substrate, and any material capable of linking nucleic acids can be applied as a patterning material. there is.
  • nucleic acids The fabrication of biochips and sensors using nucleic acids has already been widely used, and by using the well-known surface modification and conjugation technology using nucleic acids, a wide range of materials such as metals, polymers, glass, ceramics, and biological samples are used. Or molecules can be applied to the present technology.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to embodiments of the present invention can achieve a higher resolution than the original pattern.
  • Most of the micro-nano patterning techniques can transfer the pattern only to a substrate made of a hard material.
  • the resolution of the pattern made in this way is limited by the resolution of the original pattern and the resolution of the process.
  • patterning is possible even on a substrate made of a flexible material such as hydrogel. By applying this, it is possible to create a smaller and more sophisticated pattern than the original pattern by duplicating the master pattern on a physically contractible hydrogel, and then proceeding with the hydrogel contraction.
  • the idea of the embodiments of the present invention was successfully implemented experimentally, and the possibility of various material manufacturing techniques using the same was further demonstrated.
  • the protein pattern on the surface of biological tissue can be used to manufacture artificial tissue mimetics, it is commercialized as a commercialization model with differentiated competitiveness in the future. It has been confirmed that it can be
  • the shape of the original polygonal hydrogel was directly transferred to the surface of a new material, and it was confirmed that the nucleic acid-mediated pattern transfer is actually well implemented and works effectively.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of replicating a pattern of an original hydrogel to another hydrogel surface through an interaction between complementary nucleic acids according to an embodiment of the present invention.
  • a nucleic acid 'A' of a specific sequence on the surface of the triangular original hydrogel and another nucleic acid 'B' on the surface of the new hydrogel whose pattern is to be replicated.
  • B* at the opposite end of the linker-nucleic acid and B on the surface of the new hydrogel are complementary interact negatively.
  • the triangular-shaped original hydrogel pattern is duplicated on the surface of the copy hydrogel.
  • a control group using a hydrogel modified with a nucleic acid that is not complementary to the linker-nucleic acid as a copy was placed, and it was confirmed that the pattern was not transcribed in the corresponding experimental group. Through this, it was confirmed that the replication of the pattern occurred only by the specific interaction between the two complementary nucleic acid strands.
  • FIG. 12 to 15 are diagrams illustrating examples of experimentally implemented pattern replication using nucleic acids according to an embodiment of the present invention.
  • the control group when a non-complementary nucleic acid was used, it was confirmed that the pattern was not transcribed (see FIG. 15 ), and it was confirmed that the pattern transcription occurred only by a specific interaction between complementary nucleic acid strands.
  • the scale bar is 1 mm.
  • a biological tissue can be used as an original (mold, master), and a pattern of a specific biomolecule on the surface of a tissue can be copied as it is to the surface of another material.
  • 16 to 18 are diagrams illustrating an example in which the distribution of biomolecules on the surface of a tissue is copied to a new material surface according to an embodiment of the present invention.
  • the pattern of the target protein can be copied as it is on the surface of the hydrogel, which is a new material, by applying the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiments of the present invention.
  • scale bar 1 mm.
  • the neuronal nuclear protein (NeuN) strongly expressed in the hippocampal region of a rat brain section was selectively immunolabeled and then transcribed onto the surface of a new hydrogel using a nucleic acid-mediated pattern transcription method.
  • the characteristic patterns (CA1, CA2, CA3, DG regions) of the hippocampus, which are densely populated with neurons, were clearly transcribed.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example in which a pattern of a neuron nuclear protein expressed in a mouse brain is copied on a hydrogel surface according to an embodiment of the present invention.
  • the left side shows the expression pattern of the target protein transcribed on the copy nucleic acid-hydrogel (purple) (white), and the right side shows the target protein specifically stained on the surface of the original brain slice (black) (white) are respectively shown.
  • scale bar 1 mm.
  • the hydrogel After the pattern is transcribed into a contractible hydrogel using nucleic acid, the hydrogel can be contracted to improve the resolution of the pattern.
  • 20 to 21 are diagrams illustrating an example in which the resolution of a duplicated pattern is improved by using a contractible hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • the hydrogel was contracted in the isotropic direction to realize a pattern smaller than the original pattern.
  • scale bar 1 mm.
  • sodium polyacrylate hydrogel capable of repeating expansion and contraction depending on the salt concentration was used. It was confirmed that the actual resolution of the pattern could be improved by replicating the pattern with the 4-fold expanded hydrogel surface, shrinking it, and then repeating the process of replicating the pattern with another expanded hydrogel again.
  • 20 and 21 are diagrams illustrating another example in which the resolution of a duplicated pattern is improved by using a contractible hydrogel according to an embodiment of the present invention.
  • the hydrogel was contracted in the isotropic direction to realize a smaller pattern than the original pattern. After duplicating the pattern on the surface of a flexible material, it was shown that the resolution can be further increased by using the properties of the material.
  • the two-dimensional material manufacturing method includes the steps of preparing a first material in which a first nucleic acid is patterned on the surface (2210), a linker-binding nucleic acid to the first nucleic acid (2220), a linker- through the nucleic acid Copying the pattern of the first material to the surface of the second material by binding the first nucleic acid and the modified second nucleic acid to the surface of the second material (2230), separating the first material (2240), and the third material may include applying 2250 to the pattern copied on the surface of the second material.
  • Step 2210 may be, for example, an example of the process of labeling the target pattern described above with reference to FIG. 2 .
  • a first material having a patterned surface of the first nucleic acid may be generated.
  • a first material in which the first nucleic acid is patterned on the surface may be prepared by a separate method.
  • the surface of the first material may be flat, rough, and may have physical irregularities or patterns.
  • Step 2220 may be, for example, an example of the linker-DNA binding process described above with reference to FIG. 3 .
  • the linker-nucleic acid is a third nucleic acid comprising a second sequence complementary to the first sequence of the first nucleic acid and a fourth nucleic acid comprising a fourth sequence complementary to the third sequence of the second nucleic acid by a linker. It can have one structure.
  • the first nucleic acid of the first sequence and the linker-nucleic acid may be bound to the first nucleic acid by binding the third nucleic acid of the second sequence included in the linker-nucleic acid.
  • Step 2230 may be an example of the process of pattern transfer (contact) described above with reference to FIG. 4 .
  • the linker-nucleic acid by physical contact between the surface of the first material and the surface of the second material, the linker-nucleic acid includes a fourth nucleic acid of a fourth sequence and a second nucleic acid of a third sequence, thereby forming a pattern of the first material can be copied to the surface of the second material.
  • Step 2240 may be an example of a process of separating the first material as the original material. or a linker portion connecting the third nucleic acid and the fourth nucleic acid in the first nucleic acid or the second nucleic acid or the third nucleic acid or the fourth nucleic acid or the linker-nucleic acid, or a combination of nucleic acids above (eg, the first nucleic acid and the third nucleic acid;
  • the nucleic acid link between the two materials may be chemically cut using an enzyme or a chemical reaction that recognizes and cuts a specific sequence of the second nucleic acid and the fourth nucleic acid). Alternatively, after using such an enzyme, the two materials can be physically separated.
  • a physical or chemical method capable of severing only the bond between the first nucleic acid and the third nucleic acid while maintaining the bond between the second nucleic acid and the fourth nucleic acid by using the difference in the binding force between the nucleic acids may be used.
  • the separated first material may be recycled to generate another pattern after reattaching the first nucleic acid or as it is, according to an embodiment.
  • the third material applied in step 2250 may include at least one of metals, polymers, ceramics, biomolecules, and cells whose surface is modified with the first sequence of the first nucleic acid.
  • the third material whose surface is modified with the first sequence of the first nucleic acid may be associated with the first nucleic acid comprising the pattern copied to the surface of the second material.
  • the third material may be the same material as the target molecule on the surface of the first material, or a material different from the target molecule on the surface of the first material.
  • step 2210 may prepare a first material including a plurality of patterns.
  • two or more patterns among the plurality of patterns may be composed of nucleic acids having sequences orthogonal to each other.
  • sequences orthogonal to each other may refer to sequences in which specific interactions do not occur because they are not complementary to each other.
  • the first nucleic acid may be one of the nucleic acids having a sequence orthogonal to each other.
  • a plurality of linker-nucleic acids including nucleic acids different from the nucleic acids included in the plurality of patterns may be combined.
  • the different linker-nucleic acids may include a nucleic acid having a sequence complementary to each of the nucleic acids having a sequence orthogonal to each other.
  • FIG. 8 multi-panning is possible in a single process by simultaneously processing pairs of nucleic acids orthogonal to each other.
  • the plurality of patterns of the first material may be copied to the surface of the second material by physically contacting the first material with the surface of the second material.
  • the surfaces of the two materials may be modified with a nucleic acid corresponding to each of the nucleic acids having a sequence orthogonal to each other.
  • a plurality of different third materials having surfaces modified with each of the nucleic acids having a sequence orthogonal to each other may be applied on the pattern copied to the surface of the second material.
  • a plurality of different third materials may be combined with nucleic acids having an orthogonal sequence to each other.
  • a first material including N (N is a natural number) patterns may be prepared.
  • the nucleic acids constituting the different patterns may be orthogonal to each other.
  • M is 2 to the N power
  • FIG. 9 it has been described that a total of 15 (2 4 -1) types of patterns can be formed with one original composed of four patterns. In this case, the fact that a maximum of 15 types of patterns can be formed may mean that 15 or less types of patterns can be formed.
  • the plurality of linker-nucleic acids combined with the nucleic acids included in the N patterns may include (N-1) or less types of nucleic acids having different sequences.
  • the example of FIG. 9 shows an example of forming a new type of pattern while decreasing the number of types of nucleic acids linked through the linker-nucleic acid by one. In this way, different third materials can be attached to different nucleic acids replicated on the second surface.
  • the second material may include a soft material.
  • the patterning resolution may be improved through the third step of repeating (A is a natural number) times.
  • FIG. 10 shows an example in which patterning resolution can be dramatically improved by repeating pattern duplication and shrinkage of hydrogel as a flexible material.
  • the second material may include a soft material.
  • metal, polymer, ceramic, biomolecules, etc. may be attached to the third material or grown therefrom.
  • the two-dimensional material manufactured according to the embodiments of the present invention includes a pattern mediated by a first nucleic acid replicated from the surface of the original material to the surface of the two-dimensional material, a second nucleic acid modified on the surface of the two-dimensional material, and a first nucleic acid It may include a linker-nucleic acid connecting the second nucleic acid and an additional material applied to the surface of the two-dimensional material and bound to the first nucleic acid of the pattern.
  • the additional material may correspond to the third material described with reference to FIG. 22 .
  • the original material includes a plurality of patterns, it will be readily understood that the plurality of patterns may be duplicated in the two-dimensional material.
  • nucleic acid can be used as an etching mask. Accordingly, it is possible to transfer the physical pattern to the surface of the second material by using the nucleic acid transferred to the pattern as an etching mask. Through this, it is possible to convert the chemical pattern formed on the surface of the first material into a physical pattern on the surface of the second material. In this process, it is possible to form a physical pattern that is smaller, larger, curved, or modified than the chemical pattern on the surface of the first material by using the hydrogel.
  • a nucleic acid may be directly used, or a third material copied to the surface of the second material through this embodiment may be used.
  • the embodiments of the present invention it is possible to precisely reproduce and process patterns of biomolecules using biological tissue as an original, which was impossible with conventional techniques. Using this, it will be possible to create a mimic of living tissue and combine biotechnology, such as cell-sheet technology, which can stack tissues in order, to make implantable-level artificial organs. . As such, it is expected that the embodiments of the present invention will be utilized as a base technology to build an artificial tissue and organ supply system that will open a new paradigm in the future healthcare industry.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to embodiments of the present invention is expected to provide a large-capacity artificial living tissue manufacturing method essential for artificial tissue and organ transplantation systems that will open a new paradigm in the future healthcare industry.
  • Artificial organ biotechnology is a potent application field of the two-dimensional material manufacturing method according to embodiments of the present invention, and since the distribution of various biomolecules on the tissue surface can be copied as it is, it greatly contributes to making artificial tissues and organs at a transplantable level. can do.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiments of the present invention it is possible to make a single-molecule level nanobiochip by precisely fixing various biomolecules on various substrates, which is a precise biosensor for disease diagnosis or customized treatment.
  • the global tissue engineering product market which constitutes artificial organ biologics, was valued at $89 billion in 2016 and occupies the largest portion of the tissue engineering and regeneration-related markets.
  • the development initiative for bio artificial organs is rapidly transferring from early public institutions to biotechnology companies, the artificial organ market using regenerative medicine such as tissue engineering, stem cells, and therapeutic cloning is expected to form a large market in the medical industry in the future. is judged to be
  • the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiments of the present invention is combined with existing technologies for manufacturing artificial tissues and organs, such as 3D printing technology and decellularization technology, to produce various types of artificial organs at a transplantable level. It will play a role in overcoming limitations.
  • the biohealth industry is an industry that produces products or provides services for the human body based on biotechnology and medical/pharmaceutical knowledge.
  • the global bio/health market is expected to expand rapidly due to an aging population and an increase in health demand around the world.
  • Nanobiochips such as single-molecule resolution protein chips manufactured according to the two-dimensional material manufacturing method according to embodiments of the present invention are widely used as biosensors for disease diagnosis and customized treatment, test platforms for clinical research of biopharmaceuticals, etc. It is expected to build the technological infrastructure necessary for the bio-health industry in the future.
  • a tissue section is duplicated on a hydrogel having excellent biocompatibility, and then fused with cell sheet technology, it can be used as an artificial tissue.
  • This method does not require a separate three-dimensional support for culturing organs, and has the advantage of achieving a much higher level of resolution than technology based on 3D printing.
  • it is expected to be applied as a new concept regenerative medical platform that can be fused with a patient-customized medical system by engineering the microenvironment of organs and tissues in the human body.
  • various metals and ceramics which are used as an aid in diagnosing or treating diseases medically, can be arranged together with biomolecules, and a new concept of composite biomaterials can be produced. It can be easily manufactured.
  • Most of the materials used as substitutes for the human body in the medical composite biomaterial market are related to hard tissue, and although these materials are stable and strong, they remain as heterogeneous materials, so they are easy to cause pain to patients, and there is a problem that reoperation is required over time.
  • the two-dimensional material manufacturing method fixes particles such as various metals and ceramics as needed to medical biomaterials, which were mainly made of a single material due to problems such as manufacturing cost, to produce a biocomposite material at a precise level. It can be used as a base technology to provide at a lower price.
  • the two-dimensional material manufacturing method according to the embodiments of the present invention can easily solve the problem by duplicating the surface to be tested as it is. It is expected to provide an experimental platform for research.
  • Nucleic acids used to transcribe patterns in embodiments of the present invention are stable biomolecules, capable of sophisticated design and mass synthesis, and are already widely used in fields such as biology, medicine, and materials engineering. Therefore, the embodiments of the present invention can be flexibly combined with existing technologies using nucleic acids, such as biochip manufacturing technology, drug screening technology, and diagnostic technology, and can be applied to commercialized technologies for various purposes and can be used immediately.
  • the artificial organ bio market is pursuing various strategies to mass-produce these artificial organs, going beyond the development of implantable-level artificial organs.
  • the two-dimensional material production method according to the embodiments of the present invention can contribute to mass production by duplicating the transformed xenogeneic organ or the intermediate stage tissue of the cell-based artificial organ as it is, domestic and foreign artificial organ bio companies or hospitals. It can be effectively supplied to demanding institutions such as In addition, it can be effectively used to develop biomaterials tailored to patients, which required relatively sophisticated manufacturing technology, beyond the limited product range such as intraocular lenses, dental implants, artificial joints and cartilage, which have been used for a long time. It will expand product lines and increase market competitiveness.
  • the present invention it is possible to form various physical patterns from one original pattern to another pattern.
  • the conventional semiconductor process only one physical pattern can be formed from one mask pattern.
  • original patterns can be formed with nucleic acids of different sequences, it is possible to form thousands or tens of thousands of patterns depending on which nucleic acid is a complementary linker-nucleic acid.
  • by using the contraction, expansion, and deformation of the hydrogel it is possible to create duplicate patterns of various sizes from one original pattern, which is expected to overcome the limitations of the existing semiconductor process.
  • the present invention can be carried out in water, it can be used to pattern molecules such as proteins or nucleic acids on the surface, and thus can be used to manufacture an antibody-based sensor or nucleic acid chip.
  • a method of manufacturing a two-dimensional material capable of multi-patterning in a single process it is possible to provide a two-dimensional material fabrication method capable of selectively and/or continuously replicating the original pattern.
  • a method for fabricating a two-dimensional material capable of high-resolution patterning based on single-molecule contact it is possible to provide a method for manufacturing a two-dimensional material that can be applied to various patterning materials and substrates.
  • a two-dimensional material manufacturing method capable of achieving a higher resolution than the original pattern.

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Abstract

핵산(nucleic acid)를 매개로 한 패턴 복제 및 이를 이용한 이차원 재료 제작 방법을 제공한다. 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법은 제1 핵산이 표면에 패터닝된 제1 재료를 준비하는 단계, 제1 핵산에 링커-핵산을 결합시키는 단계, 링커-핵산을 통해 제1 핵산과 제2 재료의 표면에 개질된 제2 핵산을 결합시켜 제1 재료의 패턴을 제2 재료의 표면으로 복사하는 단계, 제1 재료를 분리하는 단계 및 제3 재료를 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

핵산을 매개로 한 패턴 복제 및 이를 이용한 이차원 재료 제작 방법
아래의 설명은 핵산을 매개로 한 패턴 복제 및 이를 이용한 이차원 재료 제작 방법에 관한 것이다.
마이크로미터에서 나노미터 수준의 구조체를 제작하기 위해 사용하는 접촉 기반 패터닝 기술에는 나노임프린트 리소그래피, 딥펜 나노리소그래피, 미세접촉 프린팅 등이 있다. 이러한 기존 기술에서는 보통 한 번의 공정에 한 가지 종류의 재료만 패터닝 할 수 있으므로, 여러 종류의 재료가 복합적으로 패터닝 된 기판을 제작하기 위해서는 불가피하게 공정을 반복해야 한다. 또한, 공정이 반복될 때마다 기판을 정확하게 정렬시켜주어야 하는 등, 패터닝 재료의 개수에 비례해서 제작 시간과 공정의 복잡도가 증가하는 어려움이 있다.
또한, 접촉 기반 패터닝 기술인 미세접촉 프린팅, 나노임프린트 리소그래피 등의 경우, 하나의 몰드(스탬프) 당 하나의 패턴만 반복적으로 형성할 수 있고, 여러 개의 서로 다른 패턴을 형성하기 위해서는 각각의 패턴에 대한 몰드를 제작해야만 한다.
또한, 기존의 포토리소그래피 등의 공정은 곡면을 갖거나 유연한 기판에 적용할 수 없으며, 나노임프린트 리소그래피를 비롯한 소프트 리소그래피 기술은 패턴을 형성할 수 있는 레지스트 물질(열가소성 및 열경화성 고분자, 자외선 광경화성 재료 등)과 기판의 종류가 제한되어 있다.
또한, 대부분의 마이크로-나노 패터닝 기술은 강성 재료(hard material)로 이루어진 기판에만 패턴을 전사할 수 있다. 또한, 이렇게 만들어진 패턴의 해상도는 원본 패턴의 해상도와, 공정의 해상도에 의해 제한된다는 한계가 있다.
단일 공정으로 멀티 패터닝이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공한다.
원본 패턴의 선택적 및/또는 연속적 복제가 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공한다.
단일 분자 접촉에 기반한 고해상도 패터닝이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공한다.
다양한 패터닝 소재와 기판 적용이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공한다.
원본 패턴보다 높은 해상도의 달성이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공한다.
이차원 재료 제작 방법에 있어서, 제1 핵산 (nucleic acid)이 표면에 패터닝된 제1 재료를 준비하는 단계; 상기 제1 핵산에 링커-핵산을 결합시키는 단계; 상기 링커-핵산을 통해 상기 제1 핵산과 제2 재료의 표면에 개질된 제2 핵산을 결합시켜 상기 제1 재료의 패턴을 상기 제2 재료의 표면으로 복사하는 단계; 상기 제1 재료를 분리하는 단계; 및 제3 재료를 상기 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포하는 단계를 포함하는 이차원 재료 제작 방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 준비하는 단계는, 제1 서열을 포함하는 상기 제1 핵산으로 상기 제1 재료의 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 분자를 표지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 링커-핵산은, 상기 제1 핵산의 제1 서열과 상보적인 제2 서열을 포함하는 제3 핵산 및 상기 제2 핵산의 제3 서열과 상보적인 제4 서열을 포함하는 제4 핵산을 링커로 연결한 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 결합시키는 단계는, 상기 제1 서열의 상기 제1 핵산과 상기 링커-핵산이 포함하는 상기 제2 서열의 상기 제3 핵산을 결합시켜 상기 제1 핵산에 상기 링커-핵산을 상보적으로 결합시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복사하는 단계는, 상기 제1 재료의 표면과 상기 제2 재료의 표면간의 물리적 접촉에 의해, 상기 링커-핵산이 포함하는 상기 제4 서열의 상기 제4 핵산과 상기 제3 서열의 상기 제2 핵산을 결합시켜 상기 제1 재료의 패턴(개별 표적 재료 입자 또는 표적 분자의 위치 정보)을 상기 제2 재료의 표면으로 복사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 분리하는 단계는, 상기 링커-핵산의 링커 부분, 상기 제1 핵산과 상기 제3 핵산간의 결합 또는 상기 제2 핵산과 상기 제4 핵산간의 결합의 특정 서열을 인식하여 잘라내는 효소나 화학적 반응을 사용하여 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료간의 결합을 잘라내는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 분리하는 단계는, 핵산들간의 결합력의 차이를 이용하여 상기 제2 핵산과 상기 제4 핵산간의 결합을 유지한 상태로 상기 제1 핵산과 상기 제3 핵산간의 결합을 잘라내는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제3 재료는 상기 제1 핵산의 제1 서열 또는 제1 서열을 포함하는 새로운 핵산으로 표면이 개질된 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자 및 세포 중 적어도 하나를 포함하는 재료 입자, 또는 상기 제1 핵산의 제1 서열 또는 제1 서열을 포함하는 새로운 핵산이 화학적으로 결합된 단일 화학 분자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제3 재료는 상기 제1 재료의 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 단일 분자와 동일한 재료인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제3 재료는 상기 제1 재료의 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 단일 분자와 상이한 재료인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 도포하는 단계에서, 상기 제3 재료는 상기 제1 핵산의 제1 서열 또는 제1 서열을 포함하는 새로운 핵산으로 표면이 개질됨에 따라 상기 제2 재료의 표면에 남아 있는 상기 제1 핵산에 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 준비하는 단계는, 복수의 패턴들을 포함하는 상기 제1 재료를 준비하고, 상기 복수의 패턴들 중 둘 이상의 패턴은 서로 직교하는 서열의 핵산들로 구성되고, 상기 제1 핵산은 상기 서로 직교하는 서열의 핵산들 중 하나이고, 상기 결합시키는 단계는, 상기 복수의 패턴들이 포함하는 핵산과 서로 다른 핵산을 포함하는 복수의 링커-핵산들을 결합시키고, 상기 서로 다른 링커-핵산들은 상기 서로 직교하는 서열의 핵산 각각과 상보하는 서열의 핵산을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복사하는 단계는, 상기 제1 재료를 상기 제2 재료의 표면에 물리적으로 접촉시켜 상기 제1 재료의 상기 복수의 패턴을 상기 제2 재료의 표면으로 복사하고, 상기 제2 재료의 표면은 상기 서로 직교하는 서열의 핵산 각각에 대응하는 핵산으로 개질된 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 도포하는 단계는, 상기 서로 직교하는 서열의 핵산들 각각으로 표면을 개질한 서로 다른 복수의 제3 재료들을 상기 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 준비하는 단계는, N(상기 N은 자연수)개의 패턴들을 포함하는 제1 재료를 준비하고, 서로 다른 패턴을 구성하는 핵산은 서로 직교하고, 상기 분리된 상기 제1 재료를 재활용함으로써, 2이상 M(상기 M은 2N-1) 이하의 종류의 패턴을 형성 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 재료의 재활용 시, N개의 패턴들이 포함하는 핵산과 결합되는 복수의 링커-핵산들은 (N-1)개 이하의 종류의 서로 다른 서열을 갖는 핵산을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또 다른 측면에 따르면, 상기 제2 재료는 연성 재료를 포함하고, 상기 패턴이 복제된 연성 재료를 수축시키는 제1 단계; 상기 수축된 연성 재료를 다시 제1 재료로 이용하여 다른 제2 재료에 상기 패턴을 복제하는 제2 단계; 및 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계를 A(상기 A는 자연수)회 반복하는 제3 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
원본 재료의 표면으로부터 이차원 재료의 표면으로 복제된 제1 핵산을 매개로 한 패턴; 상기 이차원 재료의 표면에 개질된 제2 핵산; 상기 제1 핵산과 상기 제2 핵산을 연결하는 링커-핵산; 및 상기 이차원 재료의 표면에 도포되어 상기 패턴의 상기 제1 핵산에 결합된 추가 재료를 포함하는 이차원 재료를 제공한다.
단일 공정으로 멀티 패터닝이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 원본 패턴의 선택적 및/또는 연속적 복제가 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 단일 분자 접촉에 기반한 고해상도 패터닝이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 다양한 패터닝 소재와 기판 적용이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 원본 패턴보다 높은 해상도의 달성이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법의 예를 도시한 도면들이다.
도 7은 기존 접촉 기반 패터닝 기술의 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 서로 직교하는 핵산 쌍을 이용하여 복수의 재료 또는 복수의 단일 분자로 구성된 복잡한 패턴을 한 번에 복제하는 예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 한 가지 원본 패턴으로부터 서로 다른 조합의 패턴을 복제하는 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 연성재료로의 반복적인 복제와 연성 재료의 수축을 통해 패터닝 해상도를 향상시키는 예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상보적인 핵산간 상호작용을 매개로 하여 원본 하이드로젤의 패턴을 다른 하이드로젤 표면으로 복제하는 예를 도시한 도면이다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 핵산을 이용한 패턴 복제를 실험적으로 구현한 예를 도시한 도면들이다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 일실시예에 있어서, 조직 표면의 생체 분자의 분포를 새로운 재료 표면으로 복제한 예를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 있어서, 쥐의 뇌에 발현된 신경세포 핵 단백질의 패턴을 하이드로젤 표면에 복제한 예를 도시한 도면이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수축 가능한 하이드로젤을 이용하여 복제된 패턴의 해상도를 향상시킨 예를 도시한 도면들이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법의 예를 도시한 흐름도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들은 이차원 패턴 복제 및 재료 제작 기술로서, 상보적인 서열을 갖는 두 핵산(nucleic acid) 가닥 간의 특이적인 상호작용을 매개로 하여 원본 재료 표면의 화학적 패턴을 다른 재료의 표면에 복제하는 기술을 제공한다. 여기서 핵산으로서 분자 서열을 만들 수 있고, 특정 분자 서열간에만 강하게 상호작용하는 물질들은 모두 사용이 가능하다. 가장 대표적인 예로는 DNA가 있고, RNA와 변형 핵산(modified nucleic acid)의 종류 중 하나인 LNA(Locked nucleic acid), PNA(Peptide nucleic acid) 등이 있다. 이처럼, 핵산으로는 'DNA, RNA, LNA, PNA'에 더불어 특정 분자 서열간에만 강하게 상호작용하는 모든 물질을 사용할 수 있다. 또한, 이렇게 복제된 패턴 위에 다양한 재료(예: 나노 입자, 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자, 세포 등의 재료 입자 또는 단일 화학 분자)를 정교하게 위치시킴으로써 단 한 번의 공정으로 복잡한 이차원 재료를 손쉽게 제작할 수 있는 기술을 제공한다. 또한, 이러한 재료 입자 또는 화학 분자에 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자 등을 붙이거나 여기서부터 성장시킬 수 있다. 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법에서는 핵산 가닥 간 상호작용을 이용하여 이차원 재료를 제작할 수 있다. 주된 아이디어는 상보적인 서열을 갖는 두 핵산 가닥 간의 특이적인 상호작용을 이용하는 접촉 기반의 이차원 패터닝 기술을 개발하는 것이다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법의 예를 도시한 도면들이다. 도 1 내지 도 6의 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법은 핵산을 이용하여 재료 표면의 패턴을 복제하고 이를 이용하여 이차원 재료를 제작하는 예를 나타내고 있다. 도 1 내지 도 6의 실시예는 구현할 수 있는 가장 간단한 단일 종류의 패턴을 복제하는 예를 도식화하고 있으며, 이해를 돕기 위해 핵산의 크기를 과장해서 나타내었다. 실제 핵산은 수 나노미터 이내의 길이이며, 패턴이 복제되는 새로운 재료(기판)나 패터닝 재료에 비해 매우 작다. 핵산을 이용한 패턴 복제와 복제된 패턴을 이용한 이차원 재료 제작 방법은 기본적으로 네 단계를 거칠 수 있다.
우선, 도 1은 복제하고자하는 표적 재료 입자 또는 표적 분자가 표면에 패터닝되어있는 원본 재료를 확대하여 나타내고 있으며, 도 2는 표적 패턴 표지 단계로서, 특정 서열 'A'를 포함하는 핵산으로 원본 재료 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 표적 분자를 특이적으로 표지하는 과정을 나타내고 있다. 혹은, 이미 핵산으로 표면에 패터닝이 되어 있는 모든 종류의 재료(예: 상용화된 DNA 칩, 핵산으로 특정 단백질이 표지되어 있는 조직 절편 등)를 원본으로 사용할 수도 있다.
도 3은 링커-핵산 결합 단계로서, 'A'에 상보적인 서열 'A*'을 갖는 링커-핵산을 결합시키는 과정을 나타내고 있다. 이 링커-핵산은 반대편 말단에 서열 'B*'를 가지고 있다.
도 4는 패턴 전사 단계로서, 링커-핵산의 말단 서열 'B*'에 상보적인 서열 'B'를 포함하는 핵산으로 개질된 다른 재료의 표면에 물리적으로 접촉시키는 과정을 나타내고 있다. 결과적으로 A-A*, B-B* 간의 특이적인 상호작용을 매개로 하여 원본 재료 표면의 표적 분자에 대한 위치 정보(패턴)가 '표적 분자를 표지한 핵산-링커-핵산-새로운 재료 표면에 개질된 핵산' 복합체의 형태로 전달될 수 있다. 그런 다음 원본 재료 표면을 분리해낸다.
이때, 원본 재료의 표면과 패턴이 이루어질 다른 재료의 표면 중 적어도 하나는 하이드로젤(또는 소프트 표면의 재료(soft surface material))일 수 있다. 만약, 원본 재료와 복제가 이루어질 다른 재료가 모두 하드 표면(hard surface)의 재료인 경우, 복제가 작동하지 않을 수 있다. 이 경우에는 하드 표면의 재료의 패턴을 하이드로젤(또는 소프트 표면의 재료)로 복제한 후, 하이드로젤(또는 소프트 표면의 재료)로 복제된 패턴을 다시 다른 하드 표면의 재료로 복제하는 방식을 사용할 수 있다.
도 5 및 도 6은 표면 기능화 단계로서, 'A' 서열을 포함하는 핵산으로 표면을 개질한 재료 입자(예: 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자, 세포, 나노입자 등) 또는 'A' 서열을 포함하는 핵산이 연결된 화학 분자를 복사된 패턴 위에 도포하는 과정의 예를 나타내고 있다. 이때, 표적 재료 입자 또는 표적 분자를 다시 위치시키면 원본 재료를 그대로 복제할 수 있고, 다른 종류의 재료 입자 또는 분자를 도포하면 동일한 분포(패턴)를 갖지만 새로운 재료 입자 또는 분자로 패터닝된 이차원 재료를 얻을 수 있다 (도 5). 이 때 2 재료가 원본인 1 재료와 동일한 재료일수도 있고 (도 5), 다른 재료일수도 있다 (도 6).
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 직교하는(orthogonal) 여러 핵산 쌍을 이용하여, 기존 이차원 재료 제작 기술로는 불가능했던 한 가지 이상의 재료로 구성된 복잡한 이차원 재료를 손쉽게 제작할 수 있다. 특히, 복잡한 패턴을 종류와 가지 수에 제한 없이, 동시에 새로운 재료의 표면으로 복제하는 것이 가능하고, 나아가 원본 재료가 하나 이상의 복합적인 종류의 패턴을 가지고 있더라도 원하는 패턴만 선택적으로 복제하는 것이 가능해진다.
일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법에서는 직교하는 핵산 쌍을 이용하여 복잡한 패턴을 동시에 복제할 수 있다.
도 7은 기존 접촉 기반 패터닝 기술의 예를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 서로 직교하는 핵산 쌍을 이용하여 복잡한 패턴을 한 번에 복제하는 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법은 상보적인 핵산 가닥 간 상호작용을 이용하여 패턴을 복제하고, 한 쌍의 핵산이 한 종류의 패턴을 복제할 수 있다. 핵산 가닥에는 오로지 상보적인 핵산 가닥만 특이적으로 상호작용할 수 있으므로, 직교하는(=상보적이지 않은) 여러 쌍의 핵산은 동시에 처리하여 각각 서로 다른 패턴을 복제하고 패터닝하는 데 사용할 수 있다.
예를 들어, 20개의 염기로 구성된 핵산을 사용하는 경우, 420=1,099,511,627,776(약 1조여 개)의 핵산 가닥이 가능하고, 이는 5000억 개의 직교하는 핵산 쌍에 해당한다.다시 말해, 서로 다른 5000억 개의 패턴을 동시에 복제하고 패터닝하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명의 실시예들을 이용하면 동일한 공정을 반복하고 기판 정렬하는 복잡한 과정 없이 손쉽게 멀티 패터닝이 가능하며, 전사할 수 있는 패턴의 가짓수에 실질적인 제한이 없다는 장점이 있다.
또한, 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법에서는 단일 원본 패턴에서 서로 다른 패턴을 선택적으로 복제할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 한 가지 원본 패턴으로부터 서로 다른 조합의 패턴을 복제하는 예를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법은 서로 다른 핵산 쌍을 이용하여 원본 표면의 서로 다른 패턴 중 일부만 복제하거나 선택적으로 조합하여 복제할 수 있다. 예를 들어, 원본에 서로 다른 4가지 종류의 패턴을 가지고 있다면, 각각의 패턴을 단일로 복사하거나 (경우의 수 = 4), 두 가지를 조합하거나 (경우의 수 = 6), 세 가지를 조합하거나 (경우의 수 = 4), 네 가지의 패턴을 모두 복제 (경우의 수 = 1)할 수 있으므로, 하나의 원본 패턴으로부터 총 15가지의 서로 다른 패턴의 복제가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기존 이차원 재료 제작 방법들로는 한계가 있었던 하이드로젤과 같은 연성 재료의 표면으로의 패턴 복제를 쉽게 달성할 수 있고, 이를 응용하여 패턴 복제와 하이드로젤 수축을 반복하면 패턴의 해상도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법에서는 반복적 패턴 복제 및 하이드로젤 수축을 통해 해상도를 향상할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 반복적인 복제와 하이드로젤 수축을 통해 패터닝 해상도를 향상시키는 예를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법의 장점 중 하나는 패턴을 복사할 수 있는 새로운 재료에 제한이 없다는 것이다. 특히, 기존 기술들과 달리 본 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법은 하이드로젤과 같은 연성 물질(soft material)에도 적용할 수 있는데, 수축 가능한 하이드로젤을 이용하면 패턴 전사 후 패턴을 등방향으로 수축시켜 높은 해상도를 달성하는 것이 가능하다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법에서는 원본 패턴을 4배 팽창된 상태의 하이드로젤(예: 소듐 폴리아크릴레이트 하이드로젤) 표면으로 복제하고, 하이드로젤을 원래 크기로 수축시키고, 수축된 패턴을 다른 팽창된 상태의 하이드로젤 표면으로 넘기고, 다시 수축하는 과정을 거칠 수 있다. 이처럼 패턴복제-하이드로젤 수축을 한 번 반복할 때마다 패턴의 크기는 4n배 작아지고, 이는 패터닝 해상도를 최대 4n배 향상시키는 효과가 있으므로 원본 패턴보다 훨씬 높은 해상도로 패터닝을 하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 100 마이크로미터 혹은 나노미터 수준의 원본 패턴을 만들고, 패턴을 세 번 수축시키면 약 1.5 마이크로미터 혹은 나노미터 수준의 패턴을 얻을 수 있다.
패터닝 기술에서는 패턴의 크기가 작아질수록 공정의 복잡도가 증가하고, 그에 따라 패터닝 시간 및 비용이 기하급수적으로 증가한다. 반면, 본 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법을 이용하면 비교적 손쉽게 패터닝이 가능한 수준의 크기로 원본 패턴을 만들고, 이를 복제하여 수축시킴으로써 기존 패터닝 기술로는 달성하기 어려운 수 나노미터 수준의 패턴을 형성할 수 있기 때문에 비슷한 수준의 패터닝 해상도를 달성하는 데 드는 시간 및 비용을 큰 폭으로 절약할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예들은 기존 이차원 재료 제작 기술이 가지고 있던 패터닝 효율과 해상도 문제, 제한된 패턴의 복잡도, 강성 재료에 국한된 응용성 등의 한계를 복합적으로 극복할 수 있는 차별화된 장점을 갖추고 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 단일 공정으로 멀티 패터닝이 가능하다. 마이크로-나노 구조체 제작을 위해 사용하는 접촉 기반 패터닝 기술에는 나노임프린트 리소그래피, 딥펜 나노리소그래피, 미세접촉 프린팅 등이 있다. 이러한 기존 기술에서는 보통 한 번의 공정에 한 가지 종류의 재료만 패터닝 할 수 있으므로, 여러 종류의 재료가 복합적으로 패터닝 된 기판을 제작하기 위해서는 불가피하게 공정을 반복해야 한다. 또한, 공정이 반복될 때마다 기판을 정확하게 정렬시켜주어야 하는 등, 패터닝 재료의 개수에 비례해서 제작 시간과 공정의 복잡도가 증가하는 어려움이 있다. 이에 비해, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법에서 패턴의 복제는 정교한 설계 가능성(programmability)과 높은 특이성을 갖는 상호작용을 특징으로 하는 핵산을 매개로 이루어지므로, 서로의 상보적 결합에 영향을 주지 않는 직교적인 핵산 쌍을 이용하면 한 번의 공정으로 여러 가지의 종류의 패턴을 동시에 복제하는 것이 가능하며, 실질적으로 복제할 수 있는 분자의 종류와 개수에 제한이 없다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 원본 패턴의 선택적 및/또는 연속적 복제가 가능하다. 접촉 기반 패터닝 기술인 미세접촉 프린팅, 나노임프린트 리소그래피 등의 경우, 하나의 몰드(스탬프) 당 하나의 패턴만 반복적으로 형성할 수 있고, 여러 개의 서로 다른 패턴을 형성하기 위해서는 각각의 패턴에 대한 몰드를 제작해야만 한다. 반면, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 하나의 복잡한 원본 패턴으로부터 선택적으로 각 패턴을 조합하여 복제할 수 있고, 패턴 복제 후 분리된 원본을 핵산으로 다시 개질하여 재사용하는 것이 가능하다. 따라서, 기존 기술이 다중 패턴을 여러 개 형성하기 위해 들이던 시간과 비용을 대폭 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 단일 분자 접촉에 기반한 고해상도 패터닝이 가능하다. 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법의 해상도는 링커-핵산의 길이, 복제 표면에 개질된 핵산의 분포 밀도와 같은 물리적 요인들에 의해 결정되며, 원본 표면의 패턴은 단일 분자 단위의 접촉을 통해 전사될 수 있다. 이러한 분자 수준의 물리적 상호작용을 매개로 하는 전사는 100 nm 이하의 구조체에서 광학 회절에 의한 한계를 갖는 포토리소그래피보다 더욱 정교한 복제를 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 다양한 패터닝 소재와 기판을 적용하는 것이 가능하다. 기존의 포토리소그래피 등의 공정은 곡면을 갖거나 유연한 기판에 적용할 수 없으며, 나노임프린트 리소그래피를 비롯한 소프트 리소그래피 기술은 패턴을 형성할 수 있는 레지스트 물질(열가소성 및 열경화성 고분자, 자외선 광경화성 재료 등)과 기판의 종류가 제한되어 있다. 이에 비해, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 표면이 핵산으로 개질된 재료라면 어떤 것이든 기판으로 활용할 수 있으며, 마찬가지로 핵산을 연결할 수 있는 재료라면 어떤 것이든 패터닝 소재로 적용할 수 있다. 핵산을 이용한 바이오 칩, 센서 등의 제작은 이미 널리 활용되고 있으며, 이미 널리 알려진 핵산을 이용한 표면 개질 및 접합(conjugation) 기술을 이용하면 금속, 고분자, 유리, 세라믹, 생체 시료 등 폭넓은 종류의 재료 또는 분자를 본 기술에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 원본 패턴보다 높은 해상도를 달성할 수 있다. 대부분의 마이크로-나노 패터닝 기술은 강성 재료(hard material)로 이루어진 기판에만 패턴을 전사할 수 있다. 또한, 이렇게 만들어진 패턴의 해상도는 원본 패턴의 해상도와, 공정의 해상도에 의해 제한된다는 한계가 있다. 반면, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 하이드로젤과 같은 연성 재료로 이루어진 기판에도 패터닝이 가능하다. 이를 응용하여, 물리적으로 수축이 가능한 하이드로젤에 마스터 패턴을 복제하고, 연이어 하이드로젤 수축을 진행하면 원본 패턴보다 더 작고 정교한 패턴을 만드는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예들의 아이디어는 실험적으로 구현하는 데 성공하였으며, 추가로 이를 이용한 다양한 재료 제작 기술의 가능성이 입증되었다. 또한, 본 발명의 실시예들의 가장 유용하고 차별화된 적용 방안인 생체 조직 표면의 단백질 패턴을 복제하여 인공 조직 모사체를 제작하는 데 사용할 수 있음을 검증하여, 향후 차별화된 경쟁력을 갖춘 사업화 모델로 상용화될 수 있음이 확인되었다.
주요 결과 1: 본 발명의 실시예들을 적용하여 패턴 복제를 구현
본 발명의 실시예들을 이용하여 다각형 모양의 원본 하이드로젤의 모양을 새로운 재료 표면에 그대로 전사하여, 핵산을 매개로 한 패턴 전사가 실제로 잘 구현되며 효과적으로 작동함을 확인하였다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상보적인 핵산간 상호작용을 매개로 하여 원본 하이드로젤의 패턴을 다른 하이드로젤 표면으로 복제하는 예를 도시한 도면이다. 도 11에 따르면, 삼각형의 원본 하이드로젤의 표면에 특정 서열의 핵산 'A'가 있고, 패턴을 복제할 새로운 하이드로젤의 표면에는 또 다른 핵산 'B'가 있다. 원본 하이드로젤의 A에 상보적인 A* 서열과 B* 서열을 가진 링커-핵산을 연결하고, 그 위에 새로운 하이드로젤을 접촉시키면 링커-핵산의 반대쪽 말단의 B*와 새로운 하이드로젤 표면의 B가 상보적으로 상호작용한다. 두 하이드로젤을 물리적으로 떼어내고 나면 복사본 하이드로젤의 표면에는 삼각형 모양의 원본 하이드로젤 패턴이 복제된다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 링커-핵산에 상보적이지 않은 핵산으로 개질된 하이드로젤을 복사본으로 사용하는 대조군을 두어, 해당 실험군에서는 패턴이 전사되지 않음을 확인하였다. 이를 통해 패턴의 복제가 상보적인 두 핵산 가닥 간의 특이적인 상호작용에 의해서만 일어남을 확인하였다.
도 12 내지 도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 핵산을 이용한 패턴 복제를 실험적으로 구현한 예를 도시한 도면들이다. 대조군에서는 상보적이지 않은 핵산을 사용할 경우 패턴이 전사되지 않음을 확인(도 15 참조)하여, 패턴 전사는 상보적인 핵산 가닥 간 특이적인 상호작용에 의해서만 일어나는 것임을 확인하였다. 여기서, 스케일 바는 1 mm이다.
주요 결과 2: 뇌 조직 표면의 단백질 발현 패턴을 새로운 재료 표면으로 복제
본 발명의 실시예들을 이용하면 생체 조직을 원본(몰드, 마스터)으로 이용할 수 있으며, 조직 표면에 있는 특정 생체 분자의 패턴을 다른 재료의 표면으로 그대로 복사할 수 있다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 일실시예에 있어서, 조직 표면의 생체 분자의 분포를 새로운 재료 표면으로 복제한 예를 도시한 도면들이다. 핵산이 연결된 항체로 표적 단백질을 선택적으로 표지한 뒤, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법을 적용하면 표적 단백질의 패턴을 새로운 재료인 하이드로젤 표면으로 그대로 복제할 수 있다. 여기서, 스케일 바 = 1 mm이다.
본 실시예에서는 쥐의 뇌 절편의 해마 부위에 강하게 발현된 신경세포 핵 단백질(NeuN)을 선택적으로 면역 표지한 뒤, 핵산-매개 패턴 전사법을 이용하여 새로운 하이드로젤의 표면으로 전사하였다. 신경세포가 밀집하여 나타나는 해마의 특징적인 무늬 (CA1, CA2, CA3, DG 영역)가 선명하게 전사되었다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 있어서, 쥐의 뇌에 발현된 신경세포 핵 단백질의 패턴을 하이드로젤 표면에 복제한 예를 도시한 도면이다. 도 19에서 좌측은 복사본 핵산-하이드로젤(보라색) 위에 전사된 표적 단백질의 발현 패턴(하얀색)을, 우측은 원본 뇌 절편(검은색) 표면에 있는 표적 단백질이 특이적으로 염색된 모습(하얀색)을 각각 나타내고 있다. 여기서, 스케일바 = 1mm이다.
주요 결과 3: 하이드로젤 수축을 통해 복제된 패턴의 해상도 향상
핵산을 이용하여 수축 가능한 하이드로젤로 패턴을 전사한 후, 하이드로젤을 수축시켜 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 20 내지 도 21은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수축 가능한 하이드로젤을 이용하여 복제된 패턴의 해상도를 향상시킨 예를 도시한 도면이다. 삼각형 모양의 패턴을 새로운 하이드로젤 표면으로 복사한 뒤, 하이드로젤을 등방향으로 수축시켜 본래 패턴보다 작은 패턴을 구현했다. 연성 재료의 표면으로 패턴을 복제한 뒤, 재료의 특성을 이용하여 추가적으로 해상도를 증가시킬 수 있음을 보였다. 여기서, 스케일바 = 1mm이다.
본 실시예에서는 염 농도에 따라 팽창과 수축을 반복할 수 있는 소듐 폴리아크릴레이트 하이드로젤을 활용하였다. 4배 팽창된 하이드로젤 표면으로 패턴을 복제하고, 수축시킨 다음, 다시 또 다른 팽창된 하이드로젤로 패턴을 복제하는 과정을 반복하여 패턴의 실제로 해상도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
도 20 및 21은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수축 가능한 하이드로젤을 이용하여 복제된 패턴의 해상도를 향상시킨 다른 예를 도시한 도면들이다. 본 실시예에서도 삼각형 모양의 패턴을 새로운 하이드로젤 표면으로 복사한 뒤, 하이드로젤을 등방향으로 수축시켜 본래 패턴보다 작은 패턴을 구현했다. 연성 재료의 표면으로 패턴을 복제한 뒤, 재료의 특성을 이용하여 추가적으로 해상도를 증가시킬 수 있음을 보였다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법의 예를 도시한 흐름도이다. 본 실시예에 따른 이차원 재료 제작 방법은 제1 핵산이 표면에 패터닝된 제1 재료를 준비하는 단계(2210), 제1 핵산에 링커-핵산을 결합시키는 단계(2220), 링커-핵산을 통해 제1 핵산과 제2 재료의 표면에 개질된 제2 핵산을 결합시켜 제1 재료의 패턴을 제2 재료의 표면으로 복사하는 단계(2230), 제1 재료를 분리하는 단계(2240) 및 제3 재료를 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포하는 단계(2250)를 포함할 수 있다.
단계(2210)는 일례로, 앞서 도 2를 통해 설명한 표적 패턴 표지의 과정의 예일 수 있다. 일례로, 제1 서열을 포함하는 제1 핵산으로 제1 재료의 표면에 있는 표적 분자를 표지함으로써, 제1 핵산이 표면에 패터닝된 제1 재료가 생성될 수 있다. 또는 별도의 방법으로 제1 핵산이 표면에 패터닝된 제1 재료를 준비할 수도 있다. 제 1 재료의 표면은 평평할수도 있고, 거칠수도 있고, 물리적 요철 혹은 패턴이 있을 수도 있다.
단계(2220)는 일례로, 앞서 도 3을 통해 설명한 링커-DNA 결합의 과정의 예일 수 있다. 이때, 링커-핵산은, 제1 핵산의 제1 서열과 상보적인 제2 서열을 포함하는 제3 핵산 및 제2 핵산의 제3 서열과 상보적인 제4 서열을 포함하는 제4 핵산을 링커로 연결한 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 서열의 제1 핵산과 링커-핵산이 포함하는 제2 서열의 제3 핵산을 결합시켜 제1 핵산에 링커-핵산을 결합시킬 수 있다.
단계(2230)는 앞서 도 4를 통해 설명한 패턴 전사(접촉)의 과정의 예일 수 있다. 일례로, 제1 재료의 표면과 제2 재료의 표면간의 물리적 접촉에 의해, 링커-핵산이 포함하는 제4 서열의 제4 핵산과 제3 서열의 제2 핵산을 결합시킴으로써, 제1 재료의 패턴을 제2 재료의 표면으로 복사할 수 있다.
단계(2240)는 원본 재료로서의 제1 재료를 분리하는 과정의 예일 수 있다. 또는 제1 핵산 혹은 제2 핵산 혹은 제3 핵산 혹은 제4 핵산 혹은 링커-핵산에서 제3 핵산과 제4 핵산을 연결하는 링커 부분 혹은 위의 핵산들의 결합(예: 제1 핵산과 제3 핵산, 제2 핵산과 제4 핵산)의 특정 서열을 인식하여 잘라내는 효소 혹은 화학적 반응을 사용하여 화학적으로 두 재료 간의 핵산을 통한 연결을 잘라낼 수 있다. 혹은 이와 같은 효소를 사용한 후 두 재료를 물리적으로 분리할 수 있다. 또는 핵산들간의 결합력의 차이를 이용하여 제2 핵산과 제4 핵산간의 결합은 유지한 채로 제1 핵산과 제3 핵산사이의 결합만을 끊어낼 수 있는 물리적 혹은 화학적 방법을 사용할수도 있다. 분리된 제1 재료는 실시예에 따라 제1 핵산을 다시 붙인 후 혹은 그대로 다른 패턴의 생성을 위해 재활용될 수도 있다.
단계(2250)에서 도포되는 제3 재료는 제1 핵산의 제1 서열로 표면이 개질된 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자 및 세포 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 표면이 제1 핵산의 제1 서열로 개질된 제3 재료는 제2 재료의 표면으로 복사된 패턴이 포함하는 제1 핵산과 결합될 수 있다. 이때, 제3 재료는 제1 재료의 표면에 있는 표적 분자와 동일한 재료일 수도 있고, 제1 재료의 표면에 있는 표적 분자와 상이한 재료일 수도 있다.
실시예에 따라 단계(2210)는 복수의 패턴들을 포함하는 제1 재료를 준비할 수도 있다. 이때, 복수의 패턴들 중 둘 이상의 패턴은 서로 직교하는 서열의 핵산들로 구성될 수 있다. 이미 설명한 바와 같이 서로 직교하는 서열들은 서로 상보적이지 않아서 특이적인 상호작용이 일어나지 않는 서열들을 의미할 수 있다. 이때, 제1 핵산은 이러한 서로 직교하는 서열의 핵산들 중 하나일 수 있다. 이 경우, 단계(2220)에서는 복수의 패턴들이 포함하는 핵산과 서로 다른 핵산을 포함하는 복수의 링커-핵산들을 결합할 수 있다. 이때, 서로 다른 링커-핵산들은 서로 직교하는 서열의 핵산 각각과 상보하는 서열의 핵산을 포함할 수 있다. 일례로, 도 8에서는 서로 직교하는 핵산 쌍을 동시에 처리하여 단일 공정으로 멀티 패너팅 가능함에 대해 설명하고 있으며, 이때 서로 직교하는 서열의 핵산 각각과 상보하는 서열의 핵산을 통해 서로 직교하는 서열의 핵산들이 복수의 링커-핵산들과 결합되는 예를 나타내고 있다. 이와 유사하게, 단계(2230)에서는 제1 재료를 제2 재료의 표면에 물리적으로 접촉시켜 제1 재료의 복수의 패턴을 제2 재료의 표면으로 복사할 수 있다. 이 경우, 2 재료의 표면은 서로 직교하는 서열의 핵산 각각에 대응하는 핵산으로 개질될 수 있다. 한편, 단계(2250)에서는 서로 직교하는 서열의 핵산들 각각으로 표면을 개질한 서로 다른 복수의 제3 재료들을 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포할 수 있다. 이 경우, 서로 다른 복수의 제3 재료들이 서로 직교하는 서열의 핵산들과 결합될 수 있다.
또 다른 실시예로, 단계(2210)에서는 N(N은 자연수)개의 패턴들을 포함하는 제1 재료를 준비할 수 있다. 이때, 서로 다른 패턴을 구성하는 핵산은 서로 직교할 수 있다. 이 경우, 분리된 제1 재료를 재활용함으로써, 2이상 M(M은 2의 N승) 이하의 종류의 패턴을 형성할 수 있다. 일례로, 도 9에서는 4개의 패턴으로 이루어진 하나의 원본으로 총 15(24-1)가지 종류의 패턴 형성이 가능함을 설명한 바 있다. 이때, 최대 15가지 종류의 패턴 형성이 가능하다는 것은 15가지 이하의 종류의 패턴을 형성 가능하다는 것을 의미할 수 있다. 한편, 제1 재료의 재활용 시, N개의 패턴들이 포함하는 핵산과 결합되는 복수의 링커-핵산들은 (N-1)개 이하의 종류의 서로 다른 서열을 갖는 핵산을 포함할 수 있다. 일례로 도 9의 예시에서는 링커-핵산을 통해 연결되는 핵산의 종류의 수를 하나씩 줄여나가면서 새로운 종류의 패턴을 형성하는 예를 나타내고 있다. 이렇게 제2 표면에 복제된 서로 다른 핵산에 각기 다른 제3 재료를 붙일 수 있다.
또 다른 실시예로, 제2 재료는 연성 재료를 포함할 수 있다. 이 경우, 패턴이 복제된 연성 재료를 수축시키는 제1 단계, 수축된 연성 재료를 다시 제1 재료로 이용하여 다른 제2 재료에 패턴을 복제하는 제2 단계 및 제1 단계 및 제2 단계를 A(A는 자연수)회 반복하는 제3 단계를 통해 패터닝 해상도를 향상시킬 수 있다. 일례로, 도 10에서는 패턴 복제와 연성 재료로서의 하이드로젤의 수축을 반복하여 패터닝 해상도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 예를 나타내고 있다.
또 다른 실시예로, 제2 재료는 연성 재료를 포함할 수 있다. 이 경우, 패턴이 복제된 연성 재료를 팽창시키거나 구부리거나 변형시키는 제1 단계, 팽창 혹은 구부려지거나 혹은 변형된 연성 재료를 다시 제1 재료로 이용하여 다른 제2 재료에 패턴을 복제하는 제2 단계를 통해 원본 패턴을 크게 확대하거나, 원본 패턴을 구부러진 표면 혹은 구불구불한 표면으로 복제할 수 있다.
또 다른 실시예로, 단계(2250)에서 제3 재료에 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자 등을 붙이거나, 여기서부터 성장시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 이차원 재료는 원본 재료의 표면으로부터 이차원 재료의 표면으로 복제된 제1 핵산을 매개로 한 패턴, 이차원 재료의 표면에 개질된 제2 핵산, 제1 핵산과 제2 핵산을 연결하는 링커-핵산 및 이차원 재료의 표면에 도포되어 패턴의 제1 핵산에 결합된 추가 재료를 포함할 수 있다. 여기서 추가 재료는 도 22를 통해 설명한 제3 재료에 대응할 수 있다. 원본 재료가 복수의 패턴을 포함하는 경우, 복수의 패턴이 이차원 재료로 복제될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의해서 표면에 복제된 핵산 패턴을 에칭 마스크(etch mask)로 이용해서 패턴 전사 하는 것이 가능하다. 최근 핵산을 에칭 마스크로 활용할 수 있음이 알려졌다. 따라서 패턴에 전사된 핵산을 에칭 마스크로 사용하여 제2 재료의 표면으로 물리적 패턴을 전사하는 것이 가능하다. 이를 통해 제1 재료 표면에 형성된 화학적 패턴을 제2 재료 표면의 물리적 패턴으로 변환하는 것이 가능하다. 이 과정에서 하이드로젤을 이용해서 제1 재료 표면의 화학적 패턴보다 더 작거나, 크거나, 구부러져 있거나, 변형된 물리적 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 이러한 에칭 마스크로는 핵산을 바로 사용할수도 있고 본 실시예를 통해 제2 재료의 표면으로 복제된 제3 재료를 이용할수도 있다. 또한, 복제된 표면에서부터 성장시킨 재료를 열처리(sintering)하여 서로 연결시켜 전도성을 띄게 하는 등 후처리하는 것이 가능하다. 이러한 후처리된 제3 재료를 에칭 마스크로 활용할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예들에 의하면, 기존 기술로는 불가능했던, 생체 조직을 원본으로 이용하여 생체 분자의 패턴을 정교하게 복제하고 가공하는 것이 가능하다. 이를 이용하여 생체 조직 모사체를 제작하고, 조직을 순서대로 쌓아 올릴 수 있는 셀-시트 기술(cell-sheet technology) 등의 생명공학 기술을 결합하면 이식 가능한 수준의 인공 장기 등을 만드는 것이 가능해질 것이다. 이처럼 본 발명의 실시예들은 향후 헬스케어 산업계의 새로운 패러다임을 열게 될 인공 조직 및 장기 공급 시스템을 구축하는데 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.
본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 특히 향후 헬스케어 산업계의 새로운 패러다임을 열게 될 인공 조직 및 장기 이식 시스템에 필수적으로 요구되는 대용량의 인공 생체 조직 제작 방법을 제공할 것으로 기대된다.
인공 장기 바이오는 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법의 유력한 적용 분야이며, 조직 표면의 다양한 생체분자의 분포를 그대로 복제할 수 있으므로 이식 가능한 수준의 인공 조직 및 인공장기를 만드는 데 크게 이바지할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법에 따르면 다양한 기판 위에 여러 가지 생체 분자를 정교하게 고정시켜 단일 분자 수준의 나노바이오 칩을 만들 수 있고, 이는 질병의 진단이나 맞춤형 치료를 위한 정밀한 바이오센서로 활용되는 등 바이오헬스 분야에서 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 생체친화성이 높은 하이드로젤을 비롯한 고분자 재료를 기판으로 사용하면 기존 마이크로-나노구조 제작 기술로는 만들기 어려웠던 다양한 의용 생체재료를 제작하는 데 기여할 수 있다.
인공 장기 바이오를 구성하는 글로벌 조직공학 제품시장은 2016년 890억 달러 규모를 형성하며 조직공학 및 재생 분야 관련 시장에서 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 이러한 바이오 인공장기의 개발 주도권이 초기 공공기관에서 최근 생명공학 회사로 빠르게 이전되고 있는 만큼, 조직공학, 줄기세포, 치료적 클로닝 등 재생 의학을 이용한 인공장기 시장은 향후 의료산업에서 큰 시장을 형성할 것으로 판단된다. 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 3D 프린팅 기술, 탈세포화 기술 등 인공조직 및 장기를 제조하기 위한 기존 기술들과 결합하여, 이식 가능한 수준의 인공장기를 대량 생산하는 데 따르는 여러 가지 한계를 극복하는 역할을 수행할 것이다.
바이오헬스 산업은 생명공학과 의·약학 지식에 기초하여 인체에 사용되는 제품을 생산하거나 서비스를 제공하는 산업으로, 의약품 및 의료기기 등의 제조업과 디지털 헬스케어 서비스 등 의료·건강관리 서비스업을 포함한다. 전 세계적인 인구 고령화와 건강 수요 증가로 바이오·헬스 세계 시장 규모가 빠르게 확대될 전망이다. 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법에 따라 제작된 단일 분자 해상도의 단백질 칩 등의 나노바이오 칩은 질병 진단 및 맞춤형 치료를 위한 바이오 센서, 바이오 의약품의 임상연구를 위한 테스트 플랫폼 등으로 널리 활용되며, 향후 바이오헬스 산업에 필요한 기술적 인프라를 구축할 것으로 기대된다.
본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법을 적용하여 생체 친화성이 우수한 하이드로젤 위에 조직 절편을 복제해내고, 이를 세포 시트 기술로 융합시키면 인공 조직으로 활용할 수 있다. 이러한 방법은 장기를 배양하기 위한 별도의 3차원 지지체를 요구하지 않으며, 3D 프린팅에 기반한 기술보다 훨씬 높은 수준의 해상도를 달성할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 인체 내 장기 및 조직 특이적 세포 미세 환경을 공학적으로 구현하여 환자 맞춤형 의료 시스템과 융합이 가능한 신개념 재생의료 플랫폼으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법을 이용하면 의학적으로 질병을 진단하거나 치료 시 보조적으로 쓰이는 여러 가지의 금속, 세라믹 등을 생체분자와 함께 배치할 수 있으며, 새로운 개념의 복합 생체재료를 손쉽게 제조할 수 있다. 의료용 복합 생체재료 시장에서 인체 대체 재료로 사용되는 대부분이 경조직에 관련된 것이며, 이러한 재료는 안정하고 튼튼하나 이질적 재료로 남아있어 환자에게 고통을 유발하기 쉽고, 시간이 지나면 재수술을 해야 하는 문제점이 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 제작 비용 등의 문제로 주로 단일 소재로 만들어지던 의료용 생체 재료에 필요에 따라 다양한 금속, 세라믹 등의 입자를 고정시켜, 정밀한 수준의 생체복합재료를 보다 저렴한 가격으로 제공하기 위한 기반 기술로 활용될 수 있을 것이다.
최근 바이오 헬스 분야의 제품 허가를 위해 수행되는 소형 및 중형 동물 실험을 대체할 수 있는 인공 조직체 개발이 주목받고 있다. 이 분야에서는 세포주를 각각 확보하여 다양한 세포의 공배양 조건을 확립하는 것이 매우 까다로워 기술의 주요한 장애물로 작용한다. 반면, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 테스트 대상이 되는 표면을 그대로 복제하여 손쉽게 문제를 해결할 수 있으며, 특히 하나의 대상체를 여러 번 반복해서 똑같이 복제하는 것이 가능하므로 더욱 통제된 임상 연구를 위한 실험 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 실시예들에서 패턴을 전사하기 위해 사용하는 핵산은 안정한 생체 분자로서, 정교한 설계 및 대량 합성이 가능하고, 생물학, 의학, 재료공학 등의 분야에서 이미 범용적으로 사용되고 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 바이오칩 제작 기술, 약물 스크리닝 기술, 진단 기술 등 핵산을 이용하는 기존 기술에 유연하게 결합시킬 수 있고, 다양한 목적에 따라 상용화된 기술에 적용되어 즉각적으로 활용될 수 있다.
인공장기 바이오 시장은 이식 가능한 수준의 인공장기를 개발하는 데에서 나아가, 이러한 인공장기를 대량으로 생산하기 위한 전략을 다양하게 꾀하고 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 이차원 재료 제작 방법은 형질전환된 이종장기나 세포기반으로 제작된 인공장기의 중간 단계의 조직을 그대로 복제함으로써 대량생산화에 기여할 수 있어, 국내외 인공장기 바이오 업체 또는 병원과 같은 수요기관에 효과적으로 공급될 수 있다. 또한, 오랫동안 사용되어온 인공수정체, 치과용 임플란트, 인공관절 및 연골 등의 제한된 제품군에서 나아가 상대적으로 정교한 제작 기술을 요구하던 환자 맞춤용 생체재료를 개발하는 데 효과적으로 사용될 수 있어, 의용생체재료 시장에서의 제품군을 확대하고, 시장 경쟁력을 높일 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 원본 패턴으로부터 다른 패턴에 여러가지 물리적 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 기존의 반도체 공정에서는 하나의 마스크 패턴에서부터 하나의 물리적 패턴만을 형성할 수 있었다. 본 발명의 실시예에서는 원본 패턴들을 각기 다른 서열의 핵산으로 형성할 수 있기 때문에 어떤 핵산에 상보적인 링커-핵산을 넣어주느냐에 따라서 수천, 수만가지 패턴을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 하이드로젤의 수축, 팽창, 변형 등을 이용하면 하나의 원본 패턴에서부터 다양한 크기의 복제 패턴을 만드는 것이 가능하여 기존 반도체 공정의 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 기대된다. 본 발명은 모두 물 속에서 진행하는 것이 가능하여 단백질 혹은 핵산 등과 같은 분자들을 표면에 패터닝하는데 사용할 수 있어서 항체를 기반으로하는 센서 혹은 핵산칩 등을 제작하는데에 활용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 단일 공정으로 멀티 패터닝이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다. 또한, 원본 패턴의 선택적 및/또는 연속적 복제가 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다. 또한, 단일 분자 접촉에 기반한 고해상도 패터닝이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다. 또한, 다양한 패터닝 소재와 기판 적용이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 수 있다. 또한, 원본 패턴보다 높은 해상도의 달성이 가능한 이차원 재료 제작 방법을 제공할 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 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 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 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 이차원 재료 제작 방법에 있어서,
    제1 핵산(nucleic acid)이 표면에 패터닝된 제1 재료를 준비하는 단계;
    상기 제1 핵산에 링커-핵산을 결합시키는 단계;
    상기 링커-핵산을 통해 상기 제1 핵산과 제2 재료의 표면에 개질된 제2 핵산을 결합시켜 상기 제1 재료의 패턴을 상기 제2 재료의 표면으로 복사하는 단계;
    상기 제1 재료를 분리하는 단계; 및
    제3 재료를 상기 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포하는 단계
    를 포함하는 이차원 재료 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 준비하는 단계는,
    제1 서열을 포함하는 상기 제1 핵산으로 상기 제1 재료의 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 분자를 표지하는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 링커-핵산은, 상기 제1 핵산의 제1 서열과 상보적인 제2 서열을 포함하는 제3 핵산 및 상기 제2 핵산의 제3 서열과 상보적인 제4 서열을 포함하는 제4 핵산을 링커로 연결한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결합시키는 단계는,
    상기 제1 서열의 상기 제1 핵산과 상기 링커-핵산이 포함하는 상기 제2 서열의 상기 제3 핵산을 결합시켜 상기 제1 핵산에 상기 링커-핵산을 결합시키는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복사하는 단계는,
    상기 제1 재료의 표면과 상기 제2 재료의 표면간의 물리적 접촉에 의해, 상기 링커-핵산이 포함하는 상기 제4 서열의 상기 제4 핵산과 상기 제3 서열의 상기 제2 핵산을 결합시켜 상기 제1 재료의 패턴을 상기 제2 재료의 표면으로 복사하는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 분리하는 단계는,
    상기 링커-핵산의 링커 부분, 상기 제1 핵산과 상기 제3 핵산간의 결합 또는 상기 제2 핵산과 상기 제4 핵산간의 결합의 특정 서열을 인식하여 잘라내는 효소나 화학적 반응을 사용하여 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료간의 결합을 잘라내는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 분리하는 단계는,
    핵산들간의 결합력의 차이를 이용하여 상기 제2 핵산과 상기 제4 핵산간의 결합을 유지한 상태로 상기 제1 핵산과 상기 제3 핵산간의 결합을 잘라내는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 재료는 상기 제1 핵산의 제1 서열 또는 제1 서열을 포함하는 새로운 핵산으로 표면이 개질된 금속, 고분자, 세라믹, 생체 분자 및 세포 중 적어도 하나를 포함하는 재료 입자, 또는 상기 제1 핵산의 제1 서열 또는 제1 서열을 포함하는 새로운 핵산이 화학적으로 결합된 단일 화학 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 재료는 상기 제1 재료의 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 분자와 동일한 재료인 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3 재료는 상기 제1 재료의 표면에 있는 표적 재료 입자 또는 분자와 상이한 재료인 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도포하는 단계에서,
    상기 제3 재료는 상기 제1 핵산의 제1 서열 또는 제1 서열을 포함하는 새로운 핵산으로 표면이 개질됨에 따라 상기 제2 재료의 표면에 남아 있는 상기 제1 핵산에 결합되는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 준비하는 단계는,
    복수의 패턴들을 포함하는 상기 제1 재료를 준비하고,
    상기 복수의 패턴들 중 둘 이상의 패턴은 서로 직교하는 서열의 핵산들로 구성되고,
    상기 제1 핵산은 상기 서로 직교하는 서열의 핵산들 중 하나이고,
    상기 결합시키는 단계는,
    상기 복수의 패턴들이 포함하는 핵산과 서로 다른 핵산을 포함하는 복수의 링커-핵산들을 결합시키고,
    상기 서로 다른 링커-핵산들은 상기 서로 직교하는 서열의 핵산 각각과 상보하는 서열의 핵산을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복사하는 단계는,
    상기 제1 재료를 상기 제2 재료의 표면에 물리적으로 접촉시켜 상기 제1 재료의 상기 복수의 패턴을 상기 제2 재료의 표면으로 복사하고,
    상기 제2 재료의 표면은 상기 서로 직교하는 서열의 핵산 각각에 대응하는 핵산으로 개질된 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 도포하는 단계는,
    상기 서로 직교하는 서열의 핵산들 각각으로 표면을 개질한 서로 다른 복수의 제3 재료들을 상기 제2 재료의 표면에 복사된 패턴 위에 도포하는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 준비하는 단계는,
    N(상기 N은 자연수)개의 패턴들을 포함하는 제1 재료를 준비하고,
    서로 다른 패턴을 구성하는 핵산은 서로 직교하고,
    상기 분리된 상기 제1 재료를 재활용함으로써, 2이상 M(상기 M은 2N-1) 이하의 종류의 패턴을 형성 가능한 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 재료의 재활용 시, N개의 패턴들이 포함하는 핵산과 결합되는 복수의 링커-핵산들은 (N-1)개 이하의 종류의 서로 다른 서열을 갖는 핵산을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료는 연성 재료를 포함하고,
    상기 패턴이 복제된 연성 재료를 수축시키는 제1 단계;
    상기 수축된 연성 재료를 다시 제1 재료로 이용하여 다른 제2 재료에 상기 패턴을 복제하는 제2 단계; 및
    상기 제1 단계 및 상기 제2 단계를 A(상기 A는 자연수)회 반복하는 제3 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 재료 제작 방법.
  18. 원본 재료의 표면으로부터 이차원 재료의 표면으로 복제된 제1 핵산을 매개로 한 패턴;
    상기 이차원 재료의 표면에 개질된 제2 핵산;
    상기 제1 핵산과 상기 제2 핵산을 연결하는 링커-핵산; 및
    상기 이차원 재료의 표면에 도포되어 상기 패턴의 상기 제1 핵산에 결합된 추가 재료
    를 포함하는 이차원 재료.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 링커-핵산은, 상기 제1 핵산의 제1 서열과 상보적인 제2 서열을 포함하는 제3 핵산 및 상기 제2 핵산의 제3 서열과 상보적인 제4 서열을 포함하는 제4 핵산을 링커로 연결한 구조를 갖는 것
    을 특징으로 하는 이차원 재료.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 서열의 상기 제1 핵산과 상기 링커-핵산이 포함하는 상기 제2 서열의 상기 제3 핵산이 결합됨에 따라 상기 제1 핵산에 상기 링커-핵산이 결합되는 것
    을 특징으로 하는 이차원 재료.
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WO (1) WO2022092651A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010036009A (ko) * 1999-10-05 2001-05-07 구자홍 Ｄｎａ 칩 제조방법
KR20020067132A (ko) * 2001-02-15 2002-08-22 엘지전자 주식회사 Ｄｎａ칩을 이용한 유전자 분석방법
KR20040055441A (ko) * 2002-12-21 2004-06-26 엘지전자 주식회사 핵산 마이크로어레이 및 이의 제조방법
KR20040055442A (ko) * 2002-12-21 2004-06-26 엘지전자 주식회사 중합 반응을 이용하여 복제된 핵산 마이크로어레이 및이의 제작 방법
KR20040062847A (ko) * 2003-01-03 2004-07-09 삼성전자주식회사 핵산 어레이의 복제방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6051380A (en) * 1993-11-01 2000-04-18 Nanogen, Inc. Methods and procedures for molecular biological analysis and diagnostics
WO2006058246A2 (en) * 2004-11-29 2006-06-01 Rosser Roy J System and method for replicating a bio-molecular micro-array
GB2440209A (en) * 2006-07-18 2008-01-23 Univ Cranfield Nucleic acid arrays replication
WO2008022332A2 (en) * 2006-08-18 2008-02-21 Board Of Regents, The University Of Texas System System, method and kit for replicating a dna array

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010036009A (ko) * 1999-10-05 2001-05-07 구자홍 Ｄｎａ 칩 제조방법
KR20020067132A (ko) * 2001-02-15 2002-08-22 엘지전자 주식회사 Ｄｎａ칩을 이용한 유전자 분석방법
KR20040055441A (ko) * 2002-12-21 2004-06-26 엘지전자 주식회사 핵산 마이크로어레이 및 이의 제조방법
KR20040055442A (ko) * 2002-12-21 2004-06-26 엘지전자 주식회사 중합 반응을 이용하여 복제된 핵산 마이크로어레이 및이의 제작 방법
KR20040062847A (ko) * 2003-01-03 2004-07-09 삼성전자주식회사 핵산 어레이의 복제방법

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