KR101597025B1 - 3차원 미세구조를 가지는 생체유기물 구조체의 제조방법 및 생체유기물 구조체, 이를 응용한 센서와 액츄에이터 시스템 - Google Patents
3차원 미세구조를 가지는 생체유기물 구조체의 제조방법 및 생체유기물 구조체, 이를 응용한 센서와 액츄에이터 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 (a) 생체유기물 용액을 미세모세관 형태의 노즐에 주입하는 단계;
(b) 상기 노즐을 기판의 표적위치에 접촉시켜 상기 용액의 메니스커스(Meniscus)를 형성하고 용매를 증발시키는 단계; 및 (c) 상기 기판 또는 노즐을 움직이면서 3차원 미세구조를 형성하는 단계;를 포함하는 생체유기물 구조체의 제조방법에 관한 것으로 본 발명에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법을 이용하면, 지지체나 템플레이트 없이 생체유기물만으로 복잡한 3차원 구조를 가지는 구조체의 제조가 가능한바, 생체유기물의 민감도 및 특이성을 유지할 수 있으며 단일공정에 의해 균일한 구조체를 확보할 수 있고, 생체유기물 구조체 제조에 필요한 시간과 비용을 절약할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 생체유기물 구조체는 생체유기물만으로 제조되므로 생체유기물 각각의 민감도 및 특이성이 높게 유지되며, 복잡한 3차원 구조를 가지는바 각각의 표적과 상호작용하는 활성 물질의 확인 및 개발에 결정적인 정보를 제공할 수 있으므로 바이오 센서, 액츄에이터, 생체분자를 기반으로 하는 섬유소재, 나노/마이크로사이즈 초정밀 기계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
(b) 상기 노즐을 기판의 표적위치에 접촉시켜 상기 용액의 메니스커스(Meniscus)를 형성하고 용매를 증발시키는 단계; 및 (c) 상기 기판 또는 노즐을 움직이면서 3차원 미세구조를 형성하는 단계;를 포함하는 생체유기물 구조체의 제조방법에 관한 것으로 본 발명에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법을 이용하면, 지지체나 템플레이트 없이 생체유기물만으로 복잡한 3차원 구조를 가지는 구조체의 제조가 가능한바, 생체유기물의 민감도 및 특이성을 유지할 수 있으며 단일공정에 의해 균일한 구조체를 확보할 수 있고, 생체유기물 구조체 제조에 필요한 시간과 비용을 절약할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 생체유기물 구조체는 생체유기물만으로 제조되므로 생체유기물 각각의 민감도 및 특이성이 높게 유지되며, 복잡한 3차원 구조를 가지는바 각각의 표적과 상호작용하는 활성 물질의 확인 및 개발에 결정적인 정보를 제공할 수 있으므로 바이오 센서, 액츄에이터, 생체분자를 기반으로 하는 섬유소재, 나노/마이크로사이즈 초정밀 기계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
Description
본 발명은 3차원 미세구조를 가지는 생체유기물 구조체의 제조방법 및 생체유기물 구조체, 이를 응용한 센서 및 액츄에이터 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 바이러스(Virus), 단백질(Protein), 당류(Polysaccharides), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA), 효소, 조효소, 항체, 미생물, 동ㆍ식물 세포 및 기관, 신경세포, 거미줄 등의 생체유기물을 미세모세관을 이용하여 국부성장방법을 통해 제조한 미세 3차원 구조를 가지는 생체유기물 구조체의 제조방법 및 생체유기물 구조체, 이를 응용한 센서 및 액츄에이터 시스템에 관한 것이다.
바이러스, 단백질, 디엔에이 등과 같은 생체유기물을 이용한 3차원 구조체는 각각의 표적과 상호작용하는 활성 물질의 확인 및 개발에 결정적인 정보를 제공할 수 있어 바이오 센서, 액츄에이터 등에 활용될 수 있고, 조직 재생용으로 사용될 수 있는 등 현대 생명공학의 발달 및 질병치료에 많은 영향을 주고 있다. 따라서 이러한 생체유기물을 이용한 3차원 미세 구조체의 제조방법에 대한 연구가 다방면으로 이루어지고 있다.
생체유기물 구조체를 제조하기 위해 사용하는 방법으로는 증기-확산법(vapor-diffusion), 마이크로배치법(microbatch) 및 미세투석법(microdialysis)등을 포함한 여러 기술들이 있다. 이들 중 증기-확산법이 고효율적이며, 소량의 생체물질을 이용하여 정돈된 모양의 결정을 형성할 수 있어 가장 널리 사용되고 있다.
생체유기물을 이용한 결정화 방법 중 가장 널리 사용되는 방법으로는 씨팅-드롭 증기 확산법과 행잉-드롭 증기 확산법이 있다. 이들 방법들은 소량의 생체고분자 시료를 이용하여 광범위한 스크리닝을 가능하게 하며 누구나 쉽게 적용할 수 있으므로 가장 널리 사용되고 있다.
행잉-드롭 증기 확산법은 생체고분자의 결정화에 가장 많이 사용되고 있는 방법으로서, 단백질 또는 DNA와 같은 생체고분자 용액과 침전제를 함유하는 결정화 용액을 혼합하여 커버글래스에 거치시킨 후 뒤집어 결정화 용액에 대하여 증기가 확산되도록 밀폐하는 방법이다. 이러한 방법에 의해 상기 용기에서 생체 고분자 혼합용액과 결정화 용액 간에 용매 또는 용매 혼합물의 증기 확산이 평형에 도달하게 되고, 생체고분자 혼합용액 중의 수분이 감소하며 거대분자와 침전제의 농도가 증가하고, 거대분자가 최적의 상태로 결정화된다. 이러한 행잉-드롭 증기 확산법은 생체고분자 결정화가 쉽게 진행되고, 단일 실험으로 많은 결정을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 밀폐를 위하여 진공그리스와 커버글래스의 사용을 동반해야 한다는 단점이 있다.
씨팅-드롭 증기 확산법은 씨팅-드롭 플레이트를 이용하는 방법으로, 상기 행잉-드롭 증기 확산법과 비교하여 시간과 비용을 절약할 수 있는 장점이 있지만, 생체고분자 혼합용액이 정립 위치에 놓여 지기 때문에 생성된 생체고분자 결정이 결정화 플레이트 표면에 부착되어 채취가 어렵거나 채취 시 손상을 입는다는 단점이 있다.(특허문헌 3)
이외에도 복수의 기공을 가지는 메조포러스 재료를 이용하여 기공 내에 생체물질을 담지 시켜 구조체를 제조하는 방법(특허문헌 1), 액상상태의 재료를 주형 표면에 흡착시켜서 박막으로 하고 주형을 제거함으로써 구조체를 제조하는 방법(특허문헌 2) 등이 있다.
상기와 같은 방법들은 그 제작방법에 있어 조건의 제한이 많고, 모양의 균일성과 생체 유기물의 활성을 보장받기 어렵고, 다양한 생체유기물에 적용함에 있어 그 한계가 명확하다는 단점이 있다.
또한 생체유기물을 활용한 센서 등에 있어서, 단일물질만으로 구조체를 구성하는 방법이 어려워 필연적으로 유ㆍ무기물 지지체, 용매 등을 포함해야 하며 그로 인하여 생체유기물의 민감도 및 특이성이 현저하게 감소 된다는 단점이 있었다.
따라서, 적용 가능한 생체유기물의 종류에 제한이 없고, 다양한 형태의 3차원 구조를 가지며, 단일공정으로 제조된 균일한 구조체를 확보하기 위한 생체유기물 구조체의 제조방법에 대한 개발이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 지지체나 템플레이트 없이 생체유기물만으로 다양한 형태의 3차원 구조를 가지는 생체유기물 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기의 제조방법에 의해 제조한 생체유기물 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 생체유기물 구조체를 포함하는 바이오센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 상기 생체유기물 구조체를 포함하는 액츄에이터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여,
(a) 생체유기물 용액을 미세모세관 형태의 노즐에 주입하는 단계;
(b) 상기 노즐을 기판의 표적위치에 접촉시켜 상기 용액의 메니스커스(Meniscus)를 형성하고 용매를 증발시키는 단계; 및
(c) 상기 기판 또는 노즐을 움직이면서 3차원 미세구조를 형성하는 단계;를 포함하는 생체유기물 구조체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 용액은 바이러스(Virus), 단백질(Protein), 당류(Polysaccharides), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA), 효소, 조효소, 항체, 미생물, 동ㆍ식물 세포 및 기관, 신경세포 및 거미줄 중에서 선택된 1종 이상의 생체유기물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 용액의 용매는 물(water), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 다이메틸설프옥사이드(dimethyl sulfoxide), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 또는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 생체유기물 구조체에 일정한 전기적, 화학적, 기계적 특성 등을 부여하기 위해 상기 생체유기물 외에 다른 유기분자, 무기물, 고분자 등을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 미세 구조체를 제조하는 방법에 사용되는 장치는 미세모세관 형태의 노즐, 미세모세관 이동제어장치, 기판 등으로 구성되어 있으며 추가적으로 이미지 센서를 장착한 디지털 카메라가 구비됨으로써, 실시간으로 장비를 제어할 수 있다.
상기 노즐의 개구 지름은 10 ㎚ 내지 1 ㎜의 범위까지 사용될 수 있으며, 사용되는 생체유기물 용액의 조건과 만들어지는 구조체의 형태에 따라 다양하게 선택되어 사용될 수 있다.
상기 기판은 중심축을 중심으로 회전과 기울임이 가능한 것을 특징으로 하며, 미세모세관 이동제어장치의 이동 제한성을 보완하여 생체 유기물 미세 구조체의 복잡한 구조를 형성하는데 기여할 수 있다.
상기 노즐은 이동속도 및 이동방향의 조절이 가능한 것을 특징으로 하며, 이는 미세모세관 이동제어장치에 의해 이루어지며, 이동속도는 10 ㎚/sec 내지 100 ㎜/sec의 범위이고, 이동방향은 x, y, z축 방향인 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 생체유기물 구조체를 원하는 위치에 원하는 모양으로 개별적으로 제작할 수 있고, 이동속도와 방향에 따라 생체유기물 구조체의 직경과 모양이 결정된다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 상기의 제조방법에 의해 제조되는 생체유기물 구조체를 제공한다.
상기 제조방법에 따라 제조된 생체유기물 구조체의 직경은 수십 ㎚ 내지 수백 ㎛ 이상일 수 있고, 와이어 형태, 다리형태 등을 비롯한 복잡한 3차원 구조의 형태를 가질 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여, 상기의 제조방법에 의해 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
본 발명은 상기 네 번째 과제를 해결하기 위하여, 상기의 제조방법에 의해 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 액츄에이터를 제공한다.
본 발명에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법을 이용하면, 지지체나 템플레이트 없이 생체유기물만으로 복잡한 3차원 구조를 가지는 구조체의 제조가 가능한바, 생체유기물의 민감도 및 특이성을 유지할 수 있으며 단일공정에 의해 균일한 구조체를 확보할 수 있고, 생체유기물 구조체 제조에 필요한 시간과 비용을 절약할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 생체유기물 구조체는 생체유기물만으로 제조되므로 생체유기물 각각의 민감도 및 특이성이 높게 유지되며, 복잡한 3차원 구조를 가지는바 각각의 표적과 상호작용하는 활성 물질의 확인 및 개발에 결정적인 정보를 제공할 수 있으므로 바이오 센서, 액츄에이터, 생체분자를 기반으로 하는 섬유소재, 나노/마이크로사이즈 초정밀 기계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법에 관한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체유기물 구조체의 형성원리와 순서에 대한 모식도로서,
도 2의a는 노즐에서 기판으로의 생체유기물 용액 메니스커스가 형성되고 용매가 증발되어 기판과 생체유기물 구조체가 접착되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2의b는 상기 생체유기물 구조체 형성 이후에 노즐을 이동하여 생체유기물 구조체 위에 다시 메니스커스가 형성되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2의c는 상기 생체유기물 용액의 메니스커스 형성과 용매의 증발이 계속적으로 일어나 3차원의 생체유기물 구조체가 생성되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 바이오 센서의 작동원리에 대한 모식도로서,
도 3의a는 생체유기물 용액을 이용하여 제조된 생체유기물 구조체를 나타내는 모식도이다.
도 3의b는 생체유기물의 대상 물질이 구조체에 물리적ㆍ화학적으로 영향을 주고 있는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3의c는 생체유기물 구조체의 대상물질이 구조체에 영향을 주어 물리적ㆍ화학적ㆍ광학적ㆍ전기적으로 변화를 수반하게 된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 액츄에이터의 작동원리에 대한 모식도로서,
도 4의a는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 외부 자극에 의해 액츄에이팅되는 것을 나타낸 모식도이다.
도 4의b는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 외부 자기장에 의해 구부러짐과 퍼짐을 반복하는 것을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 4의c는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 공기 중의 수분에 의해 구부러지는 모습을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 주사전자현미경(SEM)과 광학현미경을 이용하여 촬영한 사진으로서,
도 5의a는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 울타리, 다리, 'ㄱ'자 형태 및 균일한 크기의 미세 와이어 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의b는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 일직선 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의c는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 호리병 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의d는 본 발명의 제조방법에 따라 기판 위에 생체유기물 구조체를 제조하는 것을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 의자 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 '月'자 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그물 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 당류(Polysaccharide), 단백질(Protein), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA) 생체유기물 구조체를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체유기물 구조체의 형성원리와 순서에 대한 모식도로서,
도 2의a는 노즐에서 기판으로의 생체유기물 용액 메니스커스가 형성되고 용매가 증발되어 기판과 생체유기물 구조체가 접착되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2의b는 상기 생체유기물 구조체 형성 이후에 노즐을 이동하여 생체유기물 구조체 위에 다시 메니스커스가 형성되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2의c는 상기 생체유기물 용액의 메니스커스 형성과 용매의 증발이 계속적으로 일어나 3차원의 생체유기물 구조체가 생성되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 바이오 센서의 작동원리에 대한 모식도로서,
도 3의a는 생체유기물 용액을 이용하여 제조된 생체유기물 구조체를 나타내는 모식도이다.
도 3의b는 생체유기물의 대상 물질이 구조체에 물리적ㆍ화학적으로 영향을 주고 있는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3의c는 생체유기물 구조체의 대상물질이 구조체에 영향을 주어 물리적ㆍ화학적ㆍ광학적ㆍ전기적으로 변화를 수반하게 된 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 액츄에이터의 작동원리에 대한 모식도로서,
도 4의a는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 외부 자극에 의해 액츄에이팅되는 것을 나타낸 모식도이다.
도 4의b는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 외부 자기장에 의해 구부러짐과 퍼짐을 반복하는 것을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 4의c는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 공기 중의 수분에 의해 구부러지는 모습을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 주사전자현미경(SEM)과 광학현미경을 이용하여 촬영한 사진으로서,
도 5의a는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 울타리, 다리, 'ㄱ'자 형태 및 균일한 크기의 미세 와이어 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의b는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 일직선 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의c는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 호리병 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의d는 본 발명의 제조방법에 따라 기판 위에 생체유기물 구조체를 제조하는 것을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 의자 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 '月'자 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그물 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 당류(Polysaccharide), 단백질(Protein), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA) 생체유기물 구조체를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
종래 생체유기물 구조체를 제조하는 방법은 생체유기물을 용매에 분산시켜 사용하거나 템플레이트에 생체유기물을 도포 또는 배열하는 방법, 액상상태의 재료를 주형 표면에 흡착시켜서 박막으로 하고 주형을 제거함으로써 구조체를 제조하는 방법, 지지체를 이용하여 생체유기물을 담지 또는 결합시키는 방법 등이 있었다.
그러나 상기와 같은 방법들은 그 제작방법에 있어 조건의 제한이 많고, 모양의 균일성과 생체 유기물의 활성을 보장받기 어렵고, 다양한 생체유기물에 적용함에 있어 그 한계가 명확하다는 단점이 있다.
또한 생체유기물을 활용한 센서 등에 있어서, 단일물질만으로 구조체를 구성하는 방법이 어려워 필연적으로 유ㆍ무기물 지지체, 용매 등을 포함해야 하며 그로 인하여 생체유기물의 민감도 및 특이성이 현저하게 감소 된다는 단점이 있었다.
따라서, 적용 가능한 생체유기물의 종류에 제한이 없고, 다양한 형태의 3차원 구조를 가지며, 단일공정으로 제조된 균일한 구조체를 확보하기 위한 생체유기물 구조체의 제조방법에 대한 개발이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법을 이용하면, 지지체나 템플레이트 없이 생체유기물만으로 복잡한 3차원 구조를 가지는 구조체의 제조가 가능한바, 생체유기물의 민감도 및 특이성을 유지할 수 있으며 단일공정에 의해 균일한 구조체를 확보할 수 있다.
하기 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법에 관한 모식도이다.
본 발명에 따른 생체유기물 구조체의 제조방법은 (a) 생체유기물 용액을 미세모세관 형태의 노즐에 주입하는 단계; (b) 상기 노즐을 기판의 표적위치에 접촉시켜 상기 용액의 메니스커스(Meniscus)를 형성하고 용매를 증발시키는 단계; 및
(c) 상기 기판 또는 노즐을 움직이면서 3차원 미세구조를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 생체유기물 용액은 바이러스(Virus), 단백질(Protein), 당류(Polysaccharides), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA), 효소, 조효소, 항체, 미생물, 동ㆍ식물 세포 및 기관, 신경세포 및 거미줄 중에서 선택된 1종 이상의 생체유기물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 용액의 용매는 물(water), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 다이메틸설프옥사이드(dimethyl sulfoxide), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 또는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 생체유기물 구조체에 일정한 전기적, 화학적, 기계적 특성 등을 부여하기 위해 상기 생체유기물 외에 다른 유기분자, 무기물, 고분자 등을 포함하는 것일 수 있다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 미세 구조체를 제조하는 방법에 사용되는 장치는 미세모세관 형태의 노즐, 미세모세관 이동제어장치, 기판 등으로 구성되어 있으며 추가적으로 이미지 센서를 장착한 디지털 카메라가 구비됨으로써, 실시간으로 장비를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 미세모세관 형태 노즐의 개구 지름은 10 ㎚ 내지 1 ㎜의 범위까지 사용될 수 있으며, 사용되는 생체유기물 용액의 조건과 만들어지는 구조체의 형태에 따라 다양하게 선택되어 사용될 수 있다.
상기 기판은 중심축을 중심으로 회전과 기울임이 가능한 것을 특징으로 하며, 미세모세관 이동제어장치의 이동 제한성을 보완하여 생체 유기물 미세 구조체의 복잡한 구조를 형성하는데 기여할 수 있다.
상기 노즐은 이동속도 및 이동방향의 조절이 가능한 것을 특징으로 하며, 이는 미세모세관 이동제어장치에 의해 이루어지는데, 이동속도는 10 ㎚/sec 내지 100 ㎜/sec의 범위이고, 이동방향은 x, y, z축 방향인 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 생체유기물 구조체를 원하는 위치에 원하는 모양으로 개별적으로 제작할 수 있고, 이동속도와 방향에 따라 생체유기물 구조체의 직경과 모양이 결정된다.
결과적으로 상기 기판과 노즐의 움직임에 의해 수십 ㎚ 에서 수백 ㎛ 의 직경을 가지며, 울타리, 다리, 'ㄱ'자 형태 및 균일한 크기의 미세 와이어 형태 등 복잡한 3차원 구조를 가진 생체유기물 구조체를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체유기물 구조체의 형성원리와 순서에 대한 모식도로서,
도 2의a는 노즐에서 기판으로의 생체유기물 용액 메니스커스가 형성되고 용매가 증발되어 기판과 생체유기물 구조체가 접착되는 모식도이다.
도 2의a를 참조하면, 상기 (a) 단계에 따라 생체유기물 용액을 미세모세관 형태의 노즐에 주입하고 나면 (b) 단계에 따라 노즐에서 기판으로 생체유기물 용액을 배출하면 기판 상에 생체유기물 용액 메니스커스가 형성되고 상기 용매는 증발되어 기판과 생체유기물 구조체가 접착되는 것을 확인할 수 있다.
도 2의b는 상기 생체유기물 구조체 형성 이후에 노즐을 이동하여 생체유기물 구조체 위에 다시 메니스커스가 형성되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2의c는 상기 생체유기물 용액의 메니스커스 형성과 용매의 증발이 계속적으로 일어나 3차원의 생체유기물 구조체가 생성되는 것을 나타내는 모식도이다.
도 2의b와 도 2의c를 참조하면, 상기 (b) 단계 이후에 노즐을 미세모세관 이동제어장치에 의해 이동시키면 상기 (b) 단계에서 생성된 생체유기물 구조체 위에 다시 생체유기물 용액 메니스커스가 형성되는 것을 알 수 있고 또한 용매의 증발이 계속적으로 일어나게 되는바 미세모세관 형태의 노즐을 잡아당기는 속도에 의해 메니스커스 지름의 변화가 생기며, 노즐을 당기는 속도가 증가할수록 메니스커스의 지름은 작아지는 반면에 메니스커스의 표면적은 상대적으로 증가하여 용매의 증발이 가속화 되며, 결과적으로는 생체유기물 구조체의 지름이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 상기 기판과 노즐의 움직임에 의해 수십 ㎚ 에서 수백 ㎛ 의 직경을 가지며, 울타리, 다리, 'ㄱ'자 형태 및 균일한 크기의 미세 와이어 형태 등 복잡한 3차원 구조를 가진 생체유기물 구조체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 생체유기물은 생체유기물만으로 제조되어 높은 민감도 및 특이성을 지니며, 복잡한 3차원 구조를 가지는바 생체유기물 각각의 표적과 상호작용하는 활성 물질의 확인 및 개발에 결정적인 정보를 제공할 수 있으므로 바이오 센서, 액츄에이터, 생체분자를 기반으로 하는 섬유소재, 나노/마이크로사이즈 초정밀 기계 등으로 이용할 수 있다.
이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예
1 : 바이러스 생체유기물 구조체의 제조
본 발명의 제조방법에 따라 생체유기물 구조체를 제조하였다. 생체유기물로는 M-13 선형 바이러스를 사용하였고 물을 용매로 하여 15 ㎎/㎖ 의 생체유기물 용액을 제조하였다. 이를 개구 지름이 1 ㎛인 미세모세관 형태의 노즐에 주입한 후 노즐의 이동속도를 2 ㎛/sec으로 하여 백금이 도금된 유리기판 위에 상기 노즐 및 기판을 움직여 3차원 구조의 생체유기물 구조체를 제조하였다.
실시예
2 : 다당류 생체유기물 구조체의 제조
상기 실시예 1의 제조방법과 같은 방법을 사용하되, 생체유기물로 다당류(Polysaccharide)를 사용하여 다당류 생체유기물 구조체를 제조하였다.
실시예
3 : 단백질 생체유기물 구조체의 제조
상기 실시예 1의 제조방법과 같은 방법을 사용하되, 생체유기물로 단백질(Protein)을 사용하여 단백질 생체유기물 구조체를 제조하였다.
실시예
4 : 디엔에이(
DNA
) 생체유기물 구조체의 제조
상기 실시예 1의 제조방법과 같은 방법을 사용하되, 생체유기물로 디엔에이(DNA)를 사용하여 디엔에이 생체유기물 구조체를 제조하였다.
실시예
5 :
알엔에이
(
RNA
) 생체유기물 구조체의 제조
상기 실시예 1의 제조방법과 같은 방법을 사용하되, 생체유기물로 알엔에이(RNA)를 사용하여 알엔에이 생체유기물 구조체를 제조하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 주사전자현미경(SEM)과 광학현미경을 이용하여 촬영한 사진으로서,
도 5의a는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 울타리, 다리, 'ㄱ'자 형태 및 균일한 크기의 미세 와이어 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의b는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 일직선 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의c는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 호리병 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5의d는 본 발명의 제조방법에 따라 기판 위에 생체유기물 구조체를 제조하는 것을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 의자 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 '月'자 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그물 형태의 생체유기물 구조체를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 당류(Polysaccharide), 단백질(Protein), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA) 생체유기물 구조체를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 사진이다.
상기의 제조방법에 따라 제조한 생체유기물 구조체는 도 5 내지 8에 나타난 바와 같이 생체유기물만으로 제조가 가능하고, 다양하고 복잡한 형태의 3차원 구조를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 생체유기물 구조체는 바이러스(Virus)를 비롯하여 당류(Polysaccharide), 단백질(Protein), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA)를 생체유기물로 하여 제조가 가능하며 각각의 생체유기물만으로 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
시험예
1 : 생체유기물 구조체를 포함하는 센서의 작동원리 시험
상기 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체의 생체유기물에 특이적으로 결합하거나 영향을 끼치는 대상물질을 이용하여 센서로의 작동원리를 평가하였다. 생체유기물로는 암 탐지 유전자를 포함한 바이러스를 사용하였고, 물을 용매로 하여 15 ㎎/㎖의 생체유기물 용액을 제조하였다. 이를 개구 지름이 1 ㎛인 미세 모세관 형태의 노즐에 주입한 후 노즐의 이동속도를 2 ㎛/sec으로 하여 백금이 도금된 유리기판 위에 상기 노즐 및 기판을 움직여 3차원 구조의 생체유기물 구조체를 제조한 후, 대상 물질(암세포)에 노출시켜 구조체에 영향을 끼침을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 바이오 센서의 작동원리에 대한 모식도로서,
도 3의a는 생체유기물 용액을 이용하여 제조된 생체유기물 구조체를 나타내는 모식도이다.
도 3의b는 생체유기물의 대상 물질이 구조체에 물리적ㆍ화학적으로 영향을 주고 있는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3의c는 생체유기물 구조체의 대상물질이 구조체에 영향을 주어 물리적ㆍ화학적ㆍ광학적ㆍ전기적으로 변화를 수반하게 된 상태를 나타내는 모식도이다.
상기의 시험예 및 도면에 나타난 결과를 통해 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 생체유기물 구조체는 대상물질의 물리적ㆍ화학적ㆍ전기적 신호를 인식할 수 있다는 점을 확인할 수 있는바, 생체유기물 구조체를 이용한 바이오 센서로 활용될 수 있음을 알 수 있다.
시험예
2 : 생체유기물 구조체를 포함하는
액츄에이터의
작동원리 시험
상기 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체의 주위에 25 V의 외부 전압을 유도하여 상기 생체유기물 구조체가 외부 자기장에 의해 구부러짐과 퍼짐을 반복하는 실험을 진행하였다. 또한 공기 중에 존재하는 수분에 의하여 생체유기물 구조체가 구부러짐과 퍼짐을 반복하는 실험을 진행하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 생체유기물 구조체를 포함하는 액츄에이터의 작동원리에 대한 모식도로서,
도 4의a는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 외부 자극에 의해 액츄에이팅되는 것을 나타낸 모식도이다.
도 4의b는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 외부 자기장에 의해 구부러짐과 퍼짐을 반복하는 것을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 4의c는 본 발명에 따른 생체유기물 구조체가 공기 중의 수분에 의해 구부러지는 모습을 나타낸 광학현미경 사진이다.
상기의 시험예 및 도면에 나타난 결과를 통해 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 생체유기물 구조체는 생체유기물의 대상물질에 대하여 물리적ㆍ화학적ㆍ전기적 변화를 수반함과 동시에 구조체를 구부리거나, 진동하는 등의 액츄에이팅을 수반할 수 있는바 액츄에이터로 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- (a) 생체유기물 용액을 미세모세관 형태의 노즐에 주입하는 단계;
(b) 상기 노즐을 기판의 표적위치에 접촉시켜 상기 용액의 메니스커스(Meniscus)를 형성하고 용매를 증발시키는 단계; 및
(c) 상기 기판 또는 노즐을 움직이면서 3차원 미세구조를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 기판은 중심축을 중심으로 회전과 기울임이 가능하고, 상기 노즐은 이동속도 및 이동방향의 조절이 가능하며,
상기 노즐의 이동속도는 10 ㎚/sec 내지 100 ㎜/sec의 범위이고, 상기 노즐의 이동방향은 x, y, z축 방향이며,
상기 노즐의 이동속도를 조절하여 생체유기물 구조체의 지름을 조절하는 것을 특징으로 하는 생체유기물 구조체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 용액은 바이러스(Virus), 단백질(Protein), 당류(Polysaccharides), 디엔에이(DNA), 알엔에이(RNA), 효소, 조효소, 항체, 미생물, 동ㆍ식물 세포 및 기관, 신경세포 및 거미줄 중에서 선택된 1종 이상의 생체유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체유기물 구조체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 용액의 용매는 물(water), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 다이메틸설프옥사이드(dimethyl sulfoxide), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 또는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생체유기물 구조체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 노즐의 개구 지름이 10 ㎚ 내지 1 ㎜의 범위인 것을 특징으로 하는 생체유기물 구조체의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조되는 생체유기물 구조체.
- 제8항에 따른 생체유기물 구조체를 포함하는 바이오센서.
- 제8항에 따른 생체유기물 구조체를 포함하는 액츄에이터.
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