기능화된 표면을 가지는 실리카(silica) 나노입자는 각종 DNA와 화학물질을 동물의 세포나 피부로 전달 할 수 있다. 그러나 식물에 있어서는 세포벽에 의해 물질의 전달이 제한된다. 이러한 문제를 해결하기 위 하여 Iowa State University의 Torney 등은 구멍의 직경이 3nm인 벌집모양의 다공성 실리카 나노입자 (mesoporous silica nanoparticle, MSN)를 이용하여 식물세포로 DNA와 화학물질을 전달하는 연구를 실 시하였다. 이 연구팀은 유전체와 화학물질 유도체를 MSN에 채우고 그러한 분자들이 빠져나가지 않도록 금(Au) 나노입자로 표면을 입혔다. 이러한 MSN는 구멍의 크기를 다양하게 할 수 있고, 여러 가지 기능 의 화학물질을 전달할 수 있어, 식물에 관한 생물기술 에 필요한, 단백질, 뉴클레오티드, 화학물질 등의 표적 부위 수송기술에 새로운 가능성을 열어주고 있다.
기능화된 MSN의 구조는 다양한 분자 크기, 모양, 기능 등을 가진 여러 물질의 전달에 있어 유용한 구조 이다. 식물 세포를 위한 다른 많은 비다공성 물질들은 DNA 및 화학물질들을 전달할 때, 전달물질의 외부표 면으로 흡수되는 핵산으로 인한 제약이 있다. 다른 전 달방식인 미량주사법(microinjection)도 DNA의 전 달물질에 사용될 수 있으나, 이러한 방법은 적용될 수 있는 표적물질의 수가 많지 않고, 효율이 낮기 때문에 식물 세포에 적절하지 않다. 그러나 MSN 시스템의 경우, 화학물질이 다공질에 채워져 공유결합을 이루 어 화학물질의 누출과 핵산으로 인한 제약을 막을 수 있다. 또한 구멍에 포획된 분자들은 MSN의 표면에 달라붙어 공유결합을 쪼개는 화학물질인 트리거 (trigger)의 개시반응을 통해 방출되기 때문에 다양한 물질 전달에 적용될 수 있다. 트리거의 개시반응을 이
용한 MSN의 화학물질 방출 시스템은 disulphide와 dithiolthreitol(DTT)을 포유류 동물세포 내의 생물활 동에 필수적인 분자들을 분출하기 위해 게이트 개방 트리거(gate-opening trigger)가 사용된 연구가 있어 그 효과가 확인된 바 있다.
MSN이 다양한 식물세포들과 반응하는가를 보기 위해, 이 연구에서는 각각의 MSN 표면에 다른 작용 기(functional group)를 갖도록 합성하여 담배잎살
376 … NICE, 제25권 제4호, 2007
다공성 실리카 나노입자에 의한 식물세포로의 DNA 및 화학물질 전달
TEG
TEG Linker-MSNMSN
MSN
MSN
Gold MSN MSN
Plasmid DNA
Fluorescein
Cell membrane
Freed plasmid
HO
O O
O O-
O O
γ O
O S S S
S S S
=
=
=
=
=
= Si
Si
Si Si
Au
H N
H N NH
NH H
2N
β-oestradiol Type-I
Type-II
Type-II
Type-II Type-I
Type-IV
Type-IV
Type-I Type-II
Type-IV
그림 1. MSN을 이용한 엔도시토시스(endocytosis).
원형질체의 엔도시토시스(endocytosis)에 MSN을 이 용하였다. Type-ⅠMSN이 배양된 원형질체에는 나 노입자들이 달라붙지 않았다. 그러나 같은 조건에서 작용기가 triethylene glycol(TEG)인 Type-Ⅱ MSN 은 세포의 7±3%에서 성공적으로 흡수되었으며, 실 험기간 내내 엔도시토시스를 위한 전달물질로서의 역 할을 하였다[그림 1]. 이것은 전달물질의 나노입자표 면의 성질이 식물세포의 엔도시토시스에 중요한 역할 을 한다는 것을 시사한다. 엔도시토시스를 위한 전달 물질의 크기는 0.2~3.0µm이며 이는 엔도시토시스를
위한 MSN분자의 개수가 1~15개임을 나타낸다. 세 포당 전달물질의 수는 매우 다양하여 1개서부터 20개 가 넘는 것도 있다. 이것은 TEG가 입혀진 나노입자 가 식물세포의 엔도시토시스에 적용된 첫번째 사례이 다. 이 연구결과는, MSN이 식물세포에 대한 독성이 없기 때문에 MSN 시스템이 식물의 엔도시토시스 분 석에 쓰일 수 있으며, 세포생물학 연구에 새로운 장을 열어주는 계기가 될 것이다[Nature Nanotechnology, Vol. 2, p. 295(2007)].
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 25, No. 4, 2007 … 377
유기 트랜지스터와 플라스틱 MEMS를 결합한 광역 무선 송전 시스템
전기소자와 관련된 분야에서는 친환경적 발전 시스 템(ecologically friendly power-generation systems) 과 극저에너지 소비 회로(ultralow-power consuming circuits)의 개발 등 전기에너지와 관련된 심각한 문제 에 대면하여 있다. 또한, 안전하고 편리한 일상생활을 위해서 사용될 센서 네트워크 같은 전기소자에 대한 새로운 송전 방식의 개발도 요구되고 있다. 최근 들어 유기물질의 합성 및 제조법의 다양화로 인해 유기 반 도체 기술이 고속 성장하면서 이를 이용한 무선 송전 시스템에 대한 연구 역시 깊이 있게 진행되고 있다.
이러한 유기 반도체에 대한 집중적인 연구로 인해 이 동성(mobility)이 좋고 성능이 우수한 p형 유기 전계 효과 트랜지스터가 개발되었으며, 안정성이 우수한 n 형 유기 트랜지스터까지 개발되어 이들을 결합한 고 성능의 유기 CMOS 회로 역시 보고되었다. 유기 CMOS의 개발은 첨단 유기 디스플레이에 주로 응용 되어 왔으나 University of Tokyo의 Sekitani 등은 이 를 차세대 로봇의 인조피부나 판형 이미지 스캐너에 주로 사용되는 광역 플렉시블 센서(flexible sensor)와
엑츄에이터(actuator)에 적용하여 무선 송전 시스템 을 개발하고자 하였다. 하지만 이러한 유기 트랜지스 터 만으로는 고출력을 얻기가 불가능하여 위 연구팀 은 최신식의 프린팅 기술과 플라스틱 MEMS기술을 결합하여 광역 판형 무선 송전 시스템을 제작하였다.
이렇게 제작한 송전판의 유효 면적은 21×21cm
2
, 판의 두께와 무게는 각각 1mm와 50g이며 이 판의 선택적 송전으로 인하여 81.4%결합 효율을 얻을 수 있었다.전체 셀의 시스템은 [그림 1(A)]에서 보여지는 바 와 같이 송전판과 position sensing을 결합한 8×8 array로 이루어져 있다. [그림 1(B)]와 [그림 1(C)]
는 위 셀을 이루고 있는 유기 트랜지스터와 플라스틱 MEMS의 단면과 회로를 나타낸 그림이다. 위 디바이 스의 채널은 폴리이미드 필름을 이용하여 형성되었으 며, position-sensing coil array 판은 스크린 프린팅 방 법에 의하여 제작되었다. 위와 같이 제작된 셀의 송전 시스템을 이용한 예를 [그림 2]에 나타내었는데, 그림 과 같이 21개의 발광소자로 꾸며진 크리스마스 트리 를 셀과 접촉시켰을 때 소자로의 송전이 이루어짐을
알 수 있으며 이러한 시스템을 이용하여 전기 를 보다 편리하게 이용할 수 있다.
이러한 광역 판형 무선 송전 시스템의 개발 로 인하여 수천와트의 전기 에너지가 connector 없이 무선 송전됨에 따라 전기에너 지를 좀 더 손 쉽게 이용할 수 있을 뿐 아니라 전기저항을 최소화함에 따라 전기에너지의 손 실 역시 크게 줄일 수 있다. 또한 현재 송전방 법에 비하여 상대적으로 비용도 크게 절감될 것으로 전망하고 있으며 이러한 점은 다가올 에너지 문제를 해결하는데 있어서 큰 역할을 할 것으로 보인다. [Nature Materials, Vol. 2, p. 413(2007)]
