NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 36, No. 3, 2018 … 317
연구실 소개
연구실 소개
금오공과대학교 메디컬IT융합공학과 바이오센 서 연구실은 탄소 소재 표면에 인위적 세포 배열(cell array) 및 단일 셀 배열(single cell array) 관련 기술을 개발하고 있다. 또한 카본 전극을 이용한 인체 삽입 형 고감도 바이오센서 개발을 목표로 그래핀 전극을 중심으로 관련 연구를 진행하고 있다.
주요연구분야
1) 세포 배열(cell array) 기술 개발
피부 부착형 또는 인체 삽입형 바이오센서를 개 발하기 위해서는 재질의 우수한 생체적합성은 필수 적인 요소이다. 그래핀(graphene)은 탄소 원자들이 sp2 결합으로 이루어진 2차원 벌집 형태의 평면 구조 로 2004년 흑연 가루로부터 그래핀을 박리하면서 그 래핀의 존재가 알려졌다. 그래핀 재질에 관한 연구 가 진행되면서 그래핀의 뛰어난 특성들이 점차 확인 되고 있으며 이를 적용하기 위한 다양한 연구가 진 행되고 있다.
금오공과대학교 메디컬IT융합공학과 바이오센서 연구실에서는 신경세포(neuron cell)를 대상으로 그래 핀 재질의 생체적합성(biocompatibility)을 평가했으 며 세포 흡착 및 배양 특성을 제어하기 위한 연구를 진행하고 있다. 세포는 배양되는 기판의 표면 전하 (surface charge), 거칠기(roughness), 형태(topography)
및 습윤성(wettability) 등에 의해 성장과 흡착에 많은 영향을 받는다. 탄소 1층으로 이루어진 그래핀 표면 에서 세포 배양 특성을 평가한 결과 일반적으로 세 포 배양에 널리 사용되고 있는 세포 배양 기판(Cell culture plate, CCPs) 대비 그래핀 표면에서의 세포의 형태는 유사하며 CCPs와 비교하여 약 80% 이상의 세포 생존성(cell viability)을 확인하였다. 또한 그래 핀 표면에서의 세포 생존성은 그래핀이 전사되는 기
금오공과대학교 바이오센서 연구실
(Biosensor Engineering Laboratory, Kumoh National Institute of Technology)
송광섭
메디컬IT융합공학과 바이오센서 연구실 [email protected]
그림 1. 그래핀 및 기타 기판에서 배양된 세포 형태 및 세포 생존 성 확인.
318 … NICE, 제36권 제3호, 2018
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판(substrate)에 의존하는 특성을 규명하였다.
또한 세포 및 바이오 물질은 사용되는 기판 표면 의 원자 구조에 따라 세포 흡착(adsorption) 및 바이 오 물질 고정(immobilization) 특성이 달라진다. 본 연 구실에서는 세포 흡착과 분화 관련 연구를 수행하 기 위한 방법의 하나로 그래핀 표면 원자 구조를 개 질(modification)하고 이를 이용하여 세포 흡착과 분 화를 제어하고 있다. 그래핀 표면 개질 방법으로는 플라즈마(plasma) 장비를 이용하고 있다. 플라즈마 장비를 이용한 표면 개질은 그래핀 표면을 산소화 (oxygenation)하고 산소화된 그래핀 표면에 바이오 물질과 결합할 수 있는 기능기를 형성하여 세포 흡 착을 강하게 유도한다. 반면 불소화(fluorination)된 그래핀 표면은 소수성으로 세포 및 생화학 분자 흡 착을 억제한다. 이러한 그래핀 표면 개질을 통해 세 포 성장 환경을 제어하는 기술을 개발하고 있다.
신경세포 배열 기술은 신경계 손상 환자에게 새로 운 신경 이식을 통해 손상된 신경을 재생하는 재생의 학의 한 기법으로 활용될 수 있다. 연구실에서는 플 라즈마 장비를 이용하여 불소 또는 산소 기능화 패 턴 처리를 통해 세포 흡착 및 성장 영역을 제어할 수 있는 그래핀 기판을 개발하고 있다. 선택적 세포 흡 착과 성장 방향 제어를 통해 신경 세포를 배양함으 로써 손상된 신경조직을 재생 시킬 수 분야에 활용될 수 있을 것으로 예상한다. 본 연구를 통해 개발한 그 래핀 표면에서의 세포 성장 제어 기술은 기존 세포 배열 기술 연구에서 널리 사용되는 포토리소그래피
(photolithography), 이온 주입(ion implantation)과 같은 방법들에 비해 저렴하며 제조 공정이 단순하여 활용 가능성이 높을 것으로 사료된다.
또한 그래핀 표면의 정밀 제어를 통해 단일 세포 배열 기술을 개발하고 있다. 이러한 세포 배양 기술 을 확장하여 세포 검출 그래핀 센서를 제작하기 위 해 배양된 단일 세포의 생물학적, 화학적 변화를 전 기적 신호 관측을 통해 세포 단계에서의 질병을 진 단할 수 있는 바이오센서 개발을 목표로 하고 있다.
2) 그래핀 바이오센서
바이오센서는 특정 인자를 감지하기 위하여 다 양한 종류의 생체 감지 물질(bioreceptor)을 이용하여 해당 인자를 검출할 수 있는 센서로 그 활용 범위는 의료, 환경 모니터링, 식품 등 다양하다. 특히 의료 분야에서 바이오센서의 역할은 매우 높으며 수요 또
그림 3. 표면 기능화에 따른 세포 초기 흡착 차이 비교.
그림 2. 플라즈마 및 UV 장비를 이용한 탄소 전극 표면 개질.
그림 4. 플라즈마 장비를 이용한 선택적 그래핀 표면 기능화.
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한 가파르게 증가하고 있다. 이러한 의료분야에 사 용되는 바이오센서는 높은 민감도가 요구된다.
연구실에서는 그래핀 전극을 이용한 바이오센서 개발 일환으로 그래핀이 가지는 생체 적합성, 화학 적/물리적 안정성, 표면 개질 특성 및 민감한 전기적 특성을 바탕으로 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET) 형태의 바이오센서 개발 연구가 진행 되고 있다. 그래핀 FET를 이용한 바이오센서는 그래 핀 FET의 게이트 표면에서 일어나는 전기적 변화를 측정하는 방법이다. 그래핀 표면 기능화 공정을 통 하여 특정 인자와 반응하는 다양한 종류의 DNA, 압 타머, 항체 등을 고정시키고 특정 인자와 반응을 통 해 발생하는 전기적 신호 변화를 측정하여 해당 인 자를 정량적으로 검출 할 수 있다. 그래핀 FET의 특 성을 이용하여 이온 용액속 수소(H+) 이온 농도를 검출할 수 있는 그래핀 pH 센서 개발을 진행하였으 며, pH 농도가 변함에 따라 그래핀 FET의 특성곡선 의 변화를 확인하였다. 또한 특정 이온만 통과 할 수 있는 이온 감응막(ion sensitive membrane)을 제조하 여 그래핀 FET 채널 영역에 도포함으로써, 포타슘
(K+) 및 소듐(Na+) 이온의 농도에 따른 그래핀 FET 의 특성 곡선 변화 관측하여 K+ 및 Na+ 농도를 정량 적 검출할 수 있는 그래핀 FET 바이오센서를 개발하 고 있다.
그래핀 표면을 개질하고 기능화 하여 간암 표지 자인 alpha-fetoprotein(AFP)을 검출할 수 있는 항체 를 고정 시킨 후 AFP 농도를 정량적 검출할 수 있는 그래핀 AFP 검출 센서를 개발하기 위하여 관련 연 구를 진행하고 있다. 현재에는 간함 환자 혈장 샘플 에서 AFP 농도를 정량적으로 검출할 수 있는 그래핀 FET 바이오센서 개발에 많은 노력을 기울이고 있으 며 나아가 그래핀을 이용 다양한 바이오센서 개발을 위한 관련 연구를 진행하고 있다.
그림 5. 그래핀 표면에서 형광 염색 처리된 세포의 다양한 배열 이미지.
그림 6. 그래핀 바이오센서를 이용한 간암 환자 혈장내 AFP 검출.
