KR101237052B1

KR101237052B1 - 그라핀 세포 자극기 및 그것의 제조방법

Info

Publication number: KR101237052B1
Application number: KR1020100054454A
Authority: KR
Inventors: 서민아; 허채정; 이영희; 이시영
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2013-02-25
Also published as: KR20110134720A

Abstract

본 발명은 그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 양극, 및 그라핀이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 음극을 포함하는 세포 단위 자극기; 및 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 세포 자극기는 무독성, 유연성, 투명성을 갖춘 박막형태의 자극기로서, 생체에 밀착력이 좋고, 자극을 가함과 동시에 관찰이 가능하다. 또한, 크기에 있어 피부처럼 얇아 체내 이식에 적합하여 생체 내 거부감 및 위험성을 최소화함으로써 신경 자극 및 검출에 대한 생물학적 연구 및 생체 의학적으로 활용성이 높을 것으로 기대된다.

Description

그라핀 세포 자극기 및 그것의 제조방법{Graphene cell stimulator and preparing method thereof}

본원 발명은 그라핀 세포 자극기 및 그것의 제조방법에 관한 것이다.

기존의 신경 자극기는 유리(glass) 기판을 주로 사용하여 자극기 자체가 구부릴 수 없어 굴곡이 있는 생체 조직에 자극을 가하는데 효율적이지 않았다. 또한　불투명한 전극(금, 백금 등)을 사용하여 자극을 받는 부위가 가려져 있어서 그 부위를 관찰하기 위해서는 자극기를 제거한 후에만 관찰할 수 있기 때문에 자극이 가해진 부위의 정확한 변화를 실시간으로 관찰하는 것은 불가능했다.

구체적으로, 멀티채널시스템스(Multichannel Systems)사의 MEA는 딱딱한 유리기판 위에 불투명한 백금 전극을 설계한 것이다. 또한, 알파 메드 사이언스(Alpha MED Sciences)사의 듀얼-챔버 프로브(Dual-Chamber Probe)는 딱딱한 유리기판 위에 투명한 ITO(indium tin oxide) 전극을 설계한 것이다. 상기 듀얼-챔버 프로브(Dual-Chamber Probe)는 뇌표면에서 사용하는 멀티어레이(multi array) 자극기로 ITO와 백금흑(Platinum Black) 혼합전극으로 불투명한 전극을 을 사용하기 때문에 뇌 조직 위에 자극기를 올려놓고 자극을 가한 후, 세포변화를 관찰하기 위해 자극을 제거한 후, 자극을 주었던 부위를 찾아가며 자극에 의한 변화를 관찰해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명자들은 종래의 상기 세포 자극기의 문제점을 해결하기 위하여, 유연하고 투명한 PET, PI, PS, PDMS 등과 같은 폴리머 기판 위에 투명하고 구부릴 수 있는 그라핀을 전극으로 설치한 박막형태의 세포 자극기를 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 투명한 가요성 폴리머 기판 위에 그라핀 전극을 설치한 세포 자극기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 세포 자극기의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 양극; 및 그라핀이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 음극을 포함하는 세포 단위 자극기를 제공한다.

본 발명의 세포 단위 자극기는 상기 그라핀 양극과 음극에 연결된 전선을 추가로 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 그라핀의 두께가 0.5 ㎚ 내지 5 ㎚이다. 그러나, 본 발명의 그라핀 두께가 상기 범위에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는, 상기 세포 단위 자극기의 두께가 0.8 ㎛ 내지 800 ㎛이다. 그러나, 본 발명의 그라핀 두께가 상기 범위에 한정되는 것은 아니다.

상기 폴리머 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PI(polyimide), PS(polystyrene), PDMS (polydimethylsiloxane), PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEN(Polyethylene naphthalate) 및 PVC(Polyvinyl chloride)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 폴리머 기판의 재료가 이것들에 한정되는 것은 아니다.

바람직하게는, 상기 전선은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 철(Fe)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 전선이 이것들에 한정되는 것은 아니다.

상기 자극은 전류자극, 전압자극, 전기장 자극 및 자기장 자극으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

일 구체예로서, 상기 세포는 신경세포일 수 있다.

일 구체예로서, 상기 신경세포는 뇌세포일 수 있다.

상기 세포는 시험관내(in vitro), 생체외(ex vivo) 또는 생체내(in vivo) 세포를 모두 포함한다.

본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 상기 세포 단위 자극기를 복수로 포함하는 세포 자극기를 제공한다.

본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은

i) 투명한 가요성 제1 폴리머 기판의 목적하는 전극위치를 식각한 후 그 위에 금속을 증착하는 단계;

ii) 상기 금속이 증착된 폴리머 기판 위에 그라핀(graphene)을 증착한 후 식각하는 단계; 및

iii) 상기 금속 및 그라핀이 증착된 폴리머 기판 위에 투명한 가요성 제2 폴리머 기판을 코팅하는 단계

를 포함하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법을 제공한다.

일 구체예로서, 상기 단계 i) 이전에 실리콘 웨이퍼 표면에 금속 필름을 증착한 후, 상기 증착된 필름상에 상기 투명한 가요성 제1 폴리머 기판을 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 iii) 이후에 식각액에 침지하여 상기 실리콘 웨이퍼 및 금속 필름을 분리시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 금속 필름은, 이것들에 한정되는 것은 아니지만, 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 철(Fe)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 필름일 수 있다.

상기 단계 i)의 금속은, 이것들에 한정되는 것은 아니지만, 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 철(Fe)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 금속은 전선으로 사용되는 금속과 반드시 동일해야 하는 것은 아니지만, 접착성을 고려할 경우 같은 금속을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 단계 ii) 및 iii)에서 상기 식각은 O₂ 플라즈마로 수행할 수 있다.

상기 단계 v) 후에 상기 그라핀에 전선을 연결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 전극을 포함하는 세포 전기 신호를 검출하는 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 양태로서, 본 발명은 그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 전극을 포함하는 세포 자극기를 제공한다.

본 발명의 세포 자극기는 무독성, 유연성, 투명성을 갖춘 박막형태의 자극기로서, 생체에 밀착력이 좋고, 자극을 가함과 동시에 관찰이 가능하다. 또한, 크기에 있어 피부처럼 얇아 체내 이식에 적합하여 생체 내 거부감 및 위험성을 최소화함으로써 신경 자극 및 검출에 대한 생물학적 연구 및 생체 의학적으로 활용성이 높을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 구체예로서 본 발명의 세포 단위 자극기의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 구체예로서 본 발명의 세포실험용(in vitro)(2a) 및 생체용(in vivo)(2b) 세포 자극기를 각각 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예로서 본 발명의 세포 자극기의 전기 자극 패턴을 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 일 구체예로서 도 3의 그라핀과 전선 연결 부위의 단면을 나타낸 것이고, 도 4b는 도 3의 패터닝된 그라핀 전극 부위의 단면을 나타낸 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 구체예로서 본 발명의 세포 자극기의 세포 자극 반응 결과 그래프이고, 도 5c는 본 발명의 세포 자극기를 이용하여 전기자극을 가한 결과 신경세포의 행동양식이 변화된 것을 나타낸 그래프이다(CC(Cell-Cell Coupling): 세포간 결합; CD(Cell-Cell Discoupling): 세포간 결합 소멸; CW(Cell-Cell Wavering): 세포간 탐색).
도 6은 본 발명의 일 구체예로서 본 발명의 그라핀 전극이 설치된 세포 자극기를 사용하여 쥐의 뇌 표면에 전기 자극을 가하는 사진이다.

이하, 본 발명의 구성요소와 기술적 특징을 다음의 실시예들을 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예들은 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1: 본 발명의 세포 자극기의 제조

본 발명은 세포 자극기는 기존의 ITO나 백금전극 대신에 그라핀(Graphene)을 전극으로 사용한 것이다.

먼저, Si/SiO₂ 웨이퍼(wafer)(20)에 전자빔 증착기(E-beam evaporator)를 이용하여 30 ㎚의 Ni 필름(10)을 증착한 다음, Ni 필름(10)에 0.5 ㎛의 PI(polyimide)(30)를 스핀 코팅하고 200℃ 오븐에서 2시간 동안 열처리하였다. 그 다음, 하기의 포토리소그래피(photolithography) 공정을 수행하였다. 먼저, 노광장치(mask aligner)를 이용하여 제1 마스크 패턴을 형성하고, O₂ 플라즈마로 PI(30)를 식각하였다(반응성 이온 식각법(RIE, Reactive ion etching)). 그 다음, 노광장치를 이용하여 제2 마스크 패턴을 형성하고, 전자빔 증착기를 이용하여 300 ㎚의 금(Au)(40)를 증착하였다. 그 다음, 오존으로 사전 처리된 기판 위에 그라핀(5~10 층)(50)을 올려놓은 후 열처리하였다. 그 다음, 노광장치를 이용하여 제3 마스크 패턴을 형성하고, O₂ 플라즈마로 식각하였다(반응성 이온 식각법). 그 다음, 상기 그라핀(50) 전극이 설치된 폴리머 기판에 70 ㎛의 PDMS(60)을　얇게 스핀코팅(spin coating)하여 쉴딩(shielding)하고, Ni 식각액에 침지하였다. 마지막으로, 그라핀(50) 전극에 금(Au) 전선(70)을 연결하였다. (도 1 참조)

도 2는 상기 제조방법에 의해 제조된 세포실험용(도 2a)과 생체용(도 2b) 세포 자극기를 도시한 것이다. 도 2a는 세포실험용으로 세포 배양 용기(80) 위에 투명하고 가요성 있는 폴리머(PET, PI, PS, PDMS 등) 기판(90)이 있고, 그 사이에 전선(70)에 연결된 그라핀(50)이 매립된 형태로서 기존의 세포배양용기를 사용하기 때문에 다른 어댑터나 장치가 필요 없어서 필요에 따라 다양한 모양과 사이즈로 제작할 수 있다. 도 2b는 생체용 자극기의 예시로 그라핀 전극(50) 12개를 투명하고 가요성 좋은 폴리머 기판(90) 위에 설계한 모습이다. 이 또한 다양한 전극 패턴으로 설계할 수 있다. 간단히, 두 폴리머(90) 사이에 수 ㎚ 두께의 그라핀 전극(50)이 그림과 같은 패턴으로 삽입되어 있고 이는 전선(70)을 통해서 밖으로 연결되어 있는 모습이다. 도 3은 도 2b의 세포 자극기의 전극 설계도 및 전극에서 인가된 전기장의 작용 모식도이다.

실시예 2: 본 발명의 세포 자극기의 세포 자극 반응

실시예 1에서 제조한 본 발명의 그라핀 전극이 설치된 세포 자극기를 사용하여 배양된 신경세포에 전기 자극을 가하였다. 그 결과, 자극의 세기에 따라서 세포가 반응하는 정도가 달라졌다.　도 5a는 본 발명의 세포 자극기의 세포 자극 반응 결과 그래프이다. 상기 그래프는 본 발명의 세포 자극기로 신경세포에 자극을 가할 경우 90% 이상의 세포들이 자극에 반응하며 자극의 세기가 커질수록 자극에 반응 하는 세포의 수가 증가하는 것을 보여준다. 도 5b 는 자극의 세기가 커질수록 세포의 수축(shrink) 하는 정도가 커짐을 보여준다. 450 mV/mm에서는 세포의 수축률이 통계적으로 유의하게 증가하였다(**: 자극을 가하지 않은 그룹과 비교시 p<0.01; *** 4.5 mV/mm 그룹과 비교시, p<0.001). 특히, 도 5c 는 전기 자극을 가함으로써 신경세포의 행동 약식을 변화시킬 수 있는 것을 보여주는 그래프이다. 신경세포의 세포간 결합을 증가시켜주는 전기 자극의 범위를 찾아낸 중요한 결과로서, 4.5 mV/mm의 저 자극에서 세포간 결합이 크게 증가 하는 것을 보여준다.

실시예 3: 본 발명의 세포 자극기의 생체 자극 반응

실시예 1에서 제조한 본 발명의 그라핀 전극이 설치된 세포 자극기를 사용하여 쥐의 뇌 표면에 전기 자극을 가하였다(도 6 참조). 그 결과, 자극이 가해지는 자극기 바로 아래에 뇌 혈관의 변화를 관찰할 수 있었다. 도 6의 좌측 사진은 마취된 쥐(rat)의 두개골을 열어서 나타난 뇌조직과 뇌조직 위에 전기자극을 가할 그라핀 전극이 설치된 세포 자극기를 나타내고, 우측 사진은 뇌 위에 본 발명의 세포 자극기를 올렸을 때의 모습을 나타낸 것이다.

지금까지 예시적인 실시 태양을 참조하여 본 발명을 기술하여 왔지만, 본 발명의 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서도 다양한 변화를 실시할 수 있으며 그의 요소들을 등가물로 대체할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않고서도 많은 변형을 실시하여 특정 상황 및 재료를 본 발명의 교시내용에 채용할 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 발명을 실시하는데 계획된 최상의 양식으로서 개시된 특정 실시 태양으로 국한되는 것이 아니며, 본 발명이 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 태양을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10: Ni 필름 20: SiO₂/Si
30: PI 40: Au
50: 그라핀 60: PDMS
70: 전선 80: 세포배양용기
90: 폴리머 기판

Claims

그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 양극; 및
그라핀이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 음극을 포함하는 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 그라핀 양극과 음극에 연결된 전선을 추가로 포함함을 특징으로 하는 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 그라핀의 두께가 0.5 ㎚ 내지 5 ㎚임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 세포 단위 자극기의 두께가 0.8 ㎛ 내지 800 ㎛임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 폴리머 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PI(polyimide), PS(polystyrene), PDMS (polydimethylsiloxane), PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEN(Polyethylene naphthalate) 및 PVC(Polyvinyl chloride)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제2항에 있어서,
상기 전선은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 철(Fe)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 자극은 전류자극, 전압자극, 전기장 자극 및 자기장 자극으로 구성된 군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 세포는 신경세포임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제8항에 있어서,
상기 신경세포는 뇌세포임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제1항에 있어서,
상기 세포는 시험관내(in vitro), 생체외(ex vivo) 또는 생체내(in vivo) 세포임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 세포 단위 자극기를 복수로 포함하는 세포 자극기.
i) 투명한 가요성 제1 폴리머 기판의 목적하는 전극위치를 식각한 후 그 위에 금속을 증착하는 단계;
ii) 상기 금속이 증착된 폴리머 기판 위에 그라핀(graphene)을 증착한 후 식각하는 단계; 및
iii) 상기 금속 및 그라핀이 증착된 폴리머 기판 위에 투명한 가요성 제2 폴리머 기판을 코팅하는 단계
를 포함하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제12항에 있어서,
단계 i) 이전에 실리콘 웨이퍼 표면에 금속 필름을 증착한 후, 상기 증착된 필름상에 상기 투명한 가요성 제1 폴리머 기판을 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 세포 단위 자극기를 제조하는 방법
제13항에 있어서,
단계 iii) 이후에 식각액에 침지하여 상기 실리콘 웨이퍼 및 금속 필름을 분리시키는 단계를 추가로 포함하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 금속 필름은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 철(Fe)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나의 필름임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 i)의 금속은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 및 철(Fe)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 PET(polyethylene terephthalate), PI(polyimide), PS(polystyrene), PDMS (polydimethylsiloxane), PVP(Polyvinylpyrrolidone), PEN(Polyethylene naphthalate) 및 PVC(Polyvinyl chloride)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 ii) 및 iii)에서 상기 식각은 O₂ 플라즈마로 수행함을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그라핀에 전선을 연결하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 전선은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는, 세포 단위 자극기를 제조하는 방법.
그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 전극을 포함하는 세포 전기 신호를 검출하는 장치.
그라핀(graphene)이 두 개의 투명한 가요성 폴리머(polymer) 기판 사이에 설치된 전극을 포함하는 세포 자극기.
제22항에 있어서,
전기장 4.5 mV/mm에서 세포간 결합을 증가시킴을 특징으로 하는 세포 자극기.