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예희 경
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특 집 고분자하이드로젤을이용한바이오센서 고원건 1. 바이오센서바이오센서는특정한물질에대한인식기능을갖는생체감지물질을지지체에고정화시킨후, 이를전기적, 광학적변환기 (transducer) 와결합시켜생물학적상호작용및반응을전기적또는광학적신호로바꾸어줌으로써분석하고자하는물질을선택적으로감지할수있는제품이다 ( 그림 1).

1 특 집 고분자하이드로젤을이용한바이오센서 고원건 1. 바이오센서바이오센서는특정한물질에대한인식기능을갖는생체감지물질을지지체에고정화시킨후, 이를전기적, 광학적변환기 (transducer) 와결합시켜생물학적상호작용및반응을전기적또는광학적신호로바꾸어줌으로써분석하고자하는물질을선택적으로감지할수있는제품이다 ( 그림 1). 생체감지물질은분석물질을인식하여신호변환기가측정할수있는신호로전환시킬수있는생체분자로서, 특정물질과선택적으로반응및결합할수있는효소, 항체, 항원, 세포, 핵산, DNA, 랙턴, 호르몬리셉터 (hormonereceptor) 등이있으며, 신호변환방법으로는전기화학 (electrochemical), 전기, 형광, 발색, SPR(surface plasmon resonance), OCM(quartz crystal miccrobalance), 열센서등다양한물리화학적방법을사용할수있다. 바이오센서가기존의센서와구별되는점은생체물질의선택적인반응및결합을이용하는것이므로바이오센서의실용화에있어서가장중요한점은생체반응물질의고정화기술이라할수있다. 생체물질들은유리, 실리콘, 고분자, 금과같은지지체에고정되며고정화방법을크게두가지로분류하면공유결합과같은화학적방법과흡착및캡슐화와같은물리적방법으로나눌수있다. 성공적인바이오센서제작및향후연속감지, 현장진단, 실시간진단등바이오센서의시장을확대하기위해서는생체물질을고정시키는지지체는생체물질이오랜기간동안활성을유지시킬수있도록안정화시켜야하며우수한생체감응을유도하여야한다. 본고에서는최근각광받고있는고분자하이드로젤을이용한단백질, 세포와같은생체물질고정화및이를이용한바이오센서에대해설명하고자한다. 는영향을최소화할수있다. 특히그안전성이이미입증된 poly(ethylene glycol)(peg) 을재료로합성한고분자하이드로젤은인체적용시더욱우수한생체적합성을보여줄수있다. 이밖에하이드로젤은고분자네트워크구조에존재하는기능성그룹의종류에따라다양한기능을보여주는데, 이러한기능성그룹을하이드로젤에도입시키는방법은하이드로젤합성시사용하는단량체의종류를변화시킴에따라손쉽게이루어질수있다. 특정하이드로젤은도입되어지는기능성그룹의종류에따라서온도, ph, 화학물질과같은외부의화학적, 물리적자극에상당히뚜렷하고빠르게반응하는데이러한하이드로젤을지능형고분자하이드로젤 (intelligent polymer hydrogel or smart polymer hydrogel) 이라한다. 우수한생체적합성, 외부환경감응성, 그리고특정분자인지능력때문에지능형고분자하이드로젤은인공장기, 약물전달시스템 (DDS), 바이오센서, 그리고조직공학 (tissue engineering) 과같은바이오메디칼분야에서오래전부터많이사용되어지고있다. 3. 하이드로젤을이용한단백질바이오센서최근들어바이오센서의기능이단순한분석을뛰어넘어초고속진단및대량검색의기능이강조됨에따라바이오센서제조과정에서생물학, 화학, 의학, 전자, 물리, 컴퓨터, 기계공학등최첨단학문의관련기술이복합적으로융합되면서바이오센서가점점마이크로어레이를이용한바이오칩형태로소형화, 집적화되어가고있다. 현재선진국의바이오칩은대부분 DNA, RNA와같은핵산을분석 2. 고분자하이드로젤하이드로젤은불수용성의친수성 3차원고분자네트워크구조를가진물질로그림 2와같이수용액상에서다량의물을내부에함유하여팽윤할수있는특징을가지고있다. 그리고다량의물을함유한상태의하이드로젤은생체의조직 (tissue) 과매우유사한성질을보유하기때문에생체재료로사용할때주변의세포또는조직에미치 고원건 현재 연세대학교화학공학과 ( 학사 ) 연세대학교화학공학과 ( 공학석사 ) Penn State University( 공학박사 ) Stanford University 의과대학 (Post-Doc.) 연세대학교화학공학과조교수 Polymeric Hydrogels for Biosensor Application 연세대학교화학공학과 (Won-Gun Koh, Department of Chemical Engineering, Yonsei University, Sinchon-Dong, Seodaemoon-Gu, Seoul , Korea) wongun@yonsei.ac.kr 고분자과학과기술제 18 권 4 호 2007 년 8 월 331

그림 1. 바이오센서의작동원리. 그림 2. 하이드로젤의물에의한팽창. Dried hydrogel Exposed water for 3 min Exposed water for 30 min 해인체내특이질병과질환을알아내는것이주종이며, 따라서바이오칩시장의대부분을연구용 DNA 칩이차지하고있다.

단백질칩은단백질만이갖는고도의선택성과칩이라는관점에서의초고속대량스크리닝기능이있기때문에단백질의분리, 확인, 정량및기능해석에이르는일련의단백질분석작업을칩위에서적은양의샘플로수행할수있다는잠재성이있다.

2 그림 1. 바이오센서의작동원리. 그림 2. 하이드로젤의물에의한팽창. Dried hydrogel Exposed water for 3 min Exposed water for 30 min 해인체내특이질병과질환을알아내는것이주종이며, 따라서바이오칩시장의대부분을연구용 DNA 칩이차지하고있다. 물론 DNA 정보가생명체에서일어나는모든활동을근본적으로지배하고있지만질병의발현과같은대부분의생명현상은단백질수준에서일어나며 clinical diagnostic testing 의 99% 는더직접적인결과를알수있는단백질과저분자물질수준에서일어난다. 따라서최근에는단백질수준에서생체현상을이해하기위한단백질칩의연구개발이활발하게이루어지고있다. 단백질칩은단백질만이갖는고도의선택성과칩이라는관점에서의초고속대량스크리닝기능이있기때문에단백질의분리, 확인, 정량및기능해석에이르는일련의단백질분석작업을칩위에서적은양의샘플로수행할수있다는잠재성이있다. 따라서단백질칩은질병의원인규명을유전자수준에서단백질수준까지확대규명하는 proteomics 연구분야와신약후보물질발굴, 신약효능검색등의신약개발분야, 그리고질병의진단및 biomarker 발굴등의진단분야와같이생명공학, 보건의료, 제약산업에서광범위하게활용될수있다. 단백질칩기술은칩의제조와관련된단백질마이크로어레이기술과어레이형태로고정화된단백질과반응물질과의상호반응정도를정략적으로검출하고비교하는분석기술로세분할수있으며, 성공적인단백질칩을제조하기위해서는가장먼저단백질의구조및기능을유지하면서수십에서수천종류에이르는단백질을기판위에어레이형태로집적시킨단백질마이크로어레이를제조하여야한다. 현재국내외로가장널리쓰이고있는단백질마이크로어레이제조방법은유리슬라이드를단백질과반응하여공유결합을할수있는작용기로코팅한후, DNA 칩제조에이용되는자동화된스팟팅 그림 3. 하이드로젤을이용한단백질고정화의필요성 (Zhang, Nature Materials, 2004). 로봇 (spotting robot) 으로단백질용액을유리슬라이드위에마이크로스팟팅 (microspotting) 하여제조하는방법이다. 이방법을이용하면비교적쉽게단백질마이크로어레이를제조할수있고경제적이라는장점은있으나, 각 spot 들사이의교차오염가능성이있고, 어레이제조시간이길다는단점이있다. 마이크로스팟팅외에최근들어서는 PDMS stamp를이용한 microcontact printing(μ-cp) 기법으로단백질마이크로어레이를제조하는방법이널리사용되고있다. 이방법은비교적짧은시간내에단백질마이크로어레이를제조할수있다는장점이있으나, 패턴의불규칙한전사로인한결함이자주발생하고, 템플레이트 (template) 가요구되는단점이있다. 이러한기존방법들의공통된문제점은단백질이단단한 2차원적고체표면에결합되어있어단백질의구조가변형되기쉽고, 공기중에서빠르게건조되어활성을잃기쉽다는점이다. 그림 3은 2004년 Nature Materials지에실린 MIT 대학의 Zhang 박사의글제목이다. 재밌는표현은단백질은물고기와같아서활성 332 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 4, August 2007

을유지하기위해서는물이필요하며, 건조한상태에서는그들의기능을수행할수가없다는것이다. 그림 4와같이단백질은수용액상태에서는고유의 3차원구조를유지하면서존재하나 (a) 수분이없는고체표면위에고정될경우그들이가지고있는 3차원구조를잃고변형된다 (b).

따라서기존의 dry chip 형태의단백질칩에서는단백질이유리기판과같은단단한고체표면에고정되어단백질이가지고있는 3 차원구조가깨지거나단백질이기판표면에서건조되어활성을잃게되며다량의물을함유할수있는하이드로젤마이크로어레이내부에효소와같은단백질을고정하여단백질칩을제조할경우이러한문제를해결할수있다고강조하고있다.

현재대부분의하이드로젤마이크로어레이는기존의하이드로젤합성방법에포토리소그래피 (photolithography), 마이크로몰딩 (micromolding), 마이크로스팟팅 (microspotting) 과같은기술미세가공기술을결합하여제조된다.

Pishko 그룹과 Texas A&M Crooks 그룹에서는 poly(ethylene glycol)(peg) 양말단에 acrylate 작용기가결합된 PEG-diacrylate(DA) 를이용하여하이드로젤마이크로어레이를제조하였다.

3 을유지하기위해서는물이필요하며, 건조한상태에서는그들의기능을수행할수가없다는것이다. 그림 4와같이단백질은수용액상태에서는고유의 3차원구조를유지하면서존재하나 (a) 수분이없는고체표면위에고정될경우그들이가지고있는 3차원구조를잃고변형된다 (b). 하지만 (c) 와같이수분함유량이높은하이드로젤내부에단백질을고정할경우단백질은수용액상태와마찬가지로 3차원구조를유지하게된다. 따라서기존의 dry chip 형태의단백질칩에서는단백질이유리기판과같은단단한고체표면에고정되어단백질이가지고있는 3 차원구조가깨지거나단백질이기판표면에서건조되어활성을잃게되며다량의물을함유할수있는하이드로젤마이크로어레이내부에효소와같은단백질을고정하여단백질칩을제조할경우이러한문제를해결할수있다고강조하고있다. 하이드로젤은주로 poly (ethylene glycol), poly(vinyl alcohol), poly(acrylamide) 와같은합성고분자나 alginate, agarose, chitosan 과같은천연고분자로부터제조되고있으며, 그외에도자기조립형펩타이드나단백질을이용해서도제조될수있다. 현재대부분의하이드로젤마이크로어레이는기존의하이드로젤합성방법에포토리소그래피 (photolithography), 마이크로몰딩 (micromolding), 마이크로스팟팅 (microspotting) 과같은기술미세가공기술을결합하여제조된다. 마이크로어레이를구성하는하이드로젤구조물은 3차원구조를가진나노혹은마이크로미 터크기로제조될수있고, 최근들어서는이러한하이드로젤구조물내부에단백질과같은생리활성물질을탑재시켜고밀도로집적화된마이크로어레이형태의바이오칩을제조하고자하는노력들이진행되고있다. Penn State Univ. Pishko 그룹과 Texas A&M Crooks 그룹에서는 poly(ethylene glycol)(peg) 양말단에 acrylate 작용기가결합된 PEG-diacrylate(DA) 를이용하여하이드로젤마이크로어레이를제조하였다. PEG-DA 는두개의 acrylate 기를가지므로개시제에의해자유라디칼중합이일어날경우 3차원구조의하이드로젤로가교된다. DMPA 와같이 UV 에의해라디칼을형성하는물질을개시제로이용할경우, PEG-DA 용액은 negative photoresist 와같은성질을가지게되어광개시제와 PEG-DA 용액이코팅된유리나실리콘기판을 photomasks를이용하여 UV로조사하게되면그림 5에보이듯여러가지모양과크기를지닌 3차원구조의하이드로젤마이크로패턴을제조할수있다. 제조된하이드로젤마이크로패턴의물리 / 화학적성질들은 PEG 의분자량을변화시키면서조절할수있다. 예로써 PEG 575로제조된하이드로젤은수분함유량이약 60% 인반면 PEG 20000으로제조된하이드로젤은수분함유량이 95% 에이른다. 이처럼높은수분함유량으로인해효소를비롯한다양한단백질이 (b) (a) (c) 그림 4. 주위환경에따른단백질의구조변화 (Zhang, Nature Materials, 2004). 그림 5. Photolithography 를이용해제조된 PEG 하이드로젤마이크로패턴. 고분자과학과기술제 18 권 4 호 2007 년 8 월 333

Acryloyl group: copolymerized with PEG-DA NHS group: Conjugate protein 그림 6. Acryloyl-PEG-NHS 를이용한효소고정화방법. 하이드로젤내부에구조및활성을유지한체고정될수있다. 효소를포함하는하이드로젤마이크로어레이는 PEG-DA, 광개시제용액에효소용액을첨가한전구용액을포토마스크를통해광가교시켜제조한다.

4 Acryloyl group: copolymerized with PEG-DA NHS group: Conjugate protein 그림 6. Acryloyl-PEG-NHS 를이용한효소고정화방법. 하이드로젤내부에구조및활성을유지한체고정될수있다. 효소를포함하는하이드로젤마이크로어레이는 PEG-DA, 광개시제용액에효소용액을첨가한전구용액을포토마스크를통해광가교시켜제조한다. 이때효소는가교가일어나면서물리적으로하이드로젤내부에고정되는데, 이러한물리적 encapsulation 의문제는시간이지남에따라효소가하이드로젤내부에서확산되어빠져나온다는점이다. 이를극복하기위해물리적 encapsulation 에 acryloyl-peg-nhydroxysuccinimide(acryloyl-peg-nhs) 와같은 bifunctional linker를이용해화학적고정화방법을결합시킬수있다. 이경우효소와같은단백질은한쪽의 NHS 그룹과결합하고, 다른쪽아크릴그룹은라디칼중합에참여하여 PEG 하이드로젤에화학적으로결합하여아래그림과같이효소가하이드로젤 chain 에화학적으로결합된체하이드로젤내부에고정된다 ( 그림 6). 하이드로젤의투명한특성은다양한광학적분석방법을가능하게하는데, 효소가결합된하이드로젤에형광물질을첨가할경우하이드로젤내부에서일어나는생화학반응들을감지할수있게된다. Pishko 그룹은하이드로젤마이크로어레이에고정된여러가지효소들과기질들과의반응을 SNAFL 을이용해서분석하였다. SNAFL 은 ph 민감성형광물질로서산성과염기성조건에서다른 excitation 및 emission peak를지니므로 dual emission과 dual excitation 성질을가지고있다. 즉, 그림 7(a) 에서보듯이 ph 8 이하에서는 510 nm과 545 nm에서최적의 excitation 및 emission 스펙트럼을보이나, ph 8 이상에서는최적의 excitation 및 emission 이각각 545 nm와 645 nm으로이동하게된다. 이때두가지 emission intensity의비율 (545 nm에서의 intensity/645 nm에서의 intensity) 을 ph 에따라측정할경우, 그림 7(b) 에서보듯이 emission 비율이 ph에선형적으로변화하는것을알수있었다. 그림 8 은하이드로젤에고정된 SNAFL 의 ph에따른형광변화를보여주고있다. 그림 8에서보듯이 ph 5의버퍼용액과반응시 SNAFL 은강한연두색, 약한붉은색을나타내나 ph 12 에서는 emission peak 가이동하여강한빨간색, 약한연두색을띠게되는것을확인할수있었다. 많은효소들이기질과반응하여 ph 변화를일으키는데그대표적인예가 glucose oxidase, urease, alkaline phosphatase 등이다. Glucose oxidase와 alkaline phosphatase 의경우각각 glucose 및 p-nitrophenylphosphate(pnpp) 와반응하여 gluconic acid와 phosphoric acid를생성하여주변 ph를낮추고, urease 의경우 urea와반응하여 NH + 3 를생성하여주변 ph를높이므로결과적으로 ph 민감성형광물질인 SNAFL 의 emission intensity 의비율변화를일으키므로그것을측정하여타겟물질을감지할수있다. Crooks 그룹은 Amplex Red 라는시약을이용해글루코오스농 그림 7. SNAFL 의 excitation 및 emission 스펙트럼 (a) 과 ph 에따른 emission intensity 의비율변화 (b). ph 5 ph 12 Emission at 545 nm Emission at 645 nm 그림 8. 하이드로젤에고정된 SNAFL 의 ph 에따른광학적특성변화. 그림 9. Amplex red 와 H 2 O 2 의반응. 도를미세유체시스템내부에제조된하이드로젤을이용해서감지하였다. 그림 9와같이 horseradish peroxidase(hrp) 의존재하에 Amplex Red 는 H 2 O 2 와 1:1로반응하여 resorufin 이라는붉은색의형광산화물을생성한다. 글루코오스와 glulose oxidase 가반응할경우 H 2 O 2 가생성되므로, 글루코오스농도가높을수록더많은 H 2 O 2 가생성되어 resorufin 의방출강도가더강해지게되며, 미세채널을이용할경우한번에여러농도의글루코오스를측정할수있다 ( 그림 10). 334 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 4, August 2007

시스템이나생화학무기및병원균의검출에대한잠재적응용가능성으로인해최근들어동물세포를이용한바이오센서를중심으로활발한연구가진행되고있다. 세포센서는센서에고정화된세포들이신약과같은분석물질과반응한후생기는세포의여러가지대사작용 (metabolism) 및생존력 (viability) 의변화를전기화학혹은광학적인방법으로검출및분석하게된다.

5 그림 10. 미세유체시스템과결합된하이드로젤마이크로어레이를이용한글루코오스센서. 4. 하이드로젤을이용한세포센서시스템 세포센서 (cell-based biosensor) 는살아있는세포를생체감지 물질 (biorecognition molecule) 로이용하여다양한계측대상물 질 (analyte) 들을검출할수있는바이오센서로서초고속신약진단 (high-throughput drug screening) 시스템이나생화학무기및병원균의검출에대한잠재적응용가능성으로인해최근들어동물세포를이용한바이오센서를중심으로활발한연구가진행되고있다. 세포센서는센서에고정화된세포들이신약과같은분석물질과반응한후생기는세포의여러가지대사작용 (metabolism) 및생존력 (viability) 의변화를전기화학혹은광학적인방법으로검출및분석하게된다. 효소 (enzyme) 나항체 (antibody) 를이용한바이오센서와는달리세포센서는특정한한물질과만반응하는특이성은없으나세포들의신진대사및생존력의변화를모니터링함으로서다양한물질들을고감도로검출할수있으며, 생명체의가장기본단위인살아있는세포를이용함으로독성물질, 병원균, 신약등과같은개체대상물질들에대한분석적인정보외에도그들이실제생명체의생리현상에미치는영향에대한정보를제공해줄있다. 따라서세포센서는독물학 (toxicology) 및신약의효능을평가하는데있어실제동물을이용한값비싼임상실험의필요성을최소화시킬수있는잠재력을지니고있다. 현재까지세포센서를이용한대부분의분석은 96 well plate 혹은 384 well plate 와같이보다고밀도로집적화된 well plate 포맷을이용해행하여져오고있으나, 최근들어서는바이오칩연구가활발히이루어지면서세포센서또한마이크로어레이를이용한바이오칩형태로제조하고자하는연구가활발히진행되고있다. 마이크로어레 이형태의세포센서를제조하기위해가장먼저선행되어야할연구는세포의상태를모니터링할수있도록각각의세포들을마이크로미터크기의개별적인공간에정확하게고정시키는것인데, 이를위해많은연구들이 cell patterning 이라는분야에서행하여지고있다. Cell patterning 은마이크로미터수준으로여러세포들을특정한위치에고정시켜패턴닝된세포어레이를만드는작업으로서세포-세포, 세포- 표면, 세포-매트릭스사이의상호작용과같은기본적인세포생물학을연구하는데필요한모델시스템을제공해줄수있을뿐만아니라세포센서를제조하는데도필요한기술이다. 이러한마이크로패턴닝화된세포어레이는기존의 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을바이오 / 의료분야의 needs에맞게적용하여제조되는데현재까지는금속이나플라스틱과같은 2차원표면을 photolithography와 soft lithography를이용하여마이크로패턴닝한후패턴닝된표면위에서세포의선택적부착 (adhesion) 및성장 (growth) 을제어하여세포어레이를만드는방법이가장널리사용되고있다. 하지만이러한 2차원시스템에서는 non-adherent 세포들을고정화시키기가어렵다는단점이있다. 또한세포들이실제동물신체내에서는 2차원표면이아닌단백질, 다당류등을포함한 extracellular matrix(ecm) 로구성된 3차원구조의하이드로젤내부에고정되어성장하므로, 2차원시스템에고정된세포들은실제와는다른부자연스러운환경에존재하게된다. 예를들어그림 11과같이 2차원배양혹은세포의크기보다훨씬더큰기공구조에서는세포막의일부리셉터만이바인딩하여세포가납작하게 spreading 되지만하이드로젤의나노기공구조는세포의크기보다큰기공구조에비해세포막리셉터들에게더많은바인딩사이트를제공하여세포가 3차원적으로 spreading 할수있게해준다. 따라서 2차원시스템에고정된세포들의신약과같은개체대상물질과의반응은실제신체내에존재하는세포들의반응과는크게다를수있어부정확한정보를제공해주게될가능성이매우높아진다. 최근들어하이드로젤을이용한세포배양시스템개발이 MIT, 콜로라도대학등을중심으로활발히이루어지고있으며, 3차원배양을위한펩타이드하이드로젤이 BD Bioscience 에서 PuraMatrix 라는이름으로상용화되었다. 3차원하이드로젤을이용할경우 2차원배양시스템에서종양세포와같이비정상적으로증식하던 human 그림 11. Scaffold 에따른세포의 adhesion 및 spreading. 고분자과학과기술제 18 권 4 호 2007 년 8 월 335

breast epithelial cell 이정상적으로성장하여전형적인가슴조직을형성한다고보고되었으며, embryonic stem cell 의경우 3차원배양시스템에서훨씬더효과적으로분화된다는사실이보고되었다.

세포를포함한하이드로젤마이크로패턴을제조하기위해서는 acrylated PEG 과광개시제를포함하고있는수용액에세포를첨가하고, 이용액을이용해실리콘과같은기판표면을코팅한후, photomask 를통하여 UV를비춘다.

그림 13(a) 는지름이 600 μm인하이드로젤마이크로패턴내부에고정된세포들의광학현미경사진이며, 그림 13(b) 는세포를함유하고있는지름 50 μm 의하이드로젤마이크로패턴을보여주는 SEM 사진이다. PEG 하이드로젤의투명한특성으로하이드로젤내부에고정된세포는광학현미경으로관찰이 가능하다.

이와같이세포를 3차원구조의하이드로젤내부에고정시킬때가장중요한점은 UV 에의한가교과정동안세포가생존력및기능을유지하고있어야한다는점이다. 세포의생존력은다양한방법에의해측정될수있는데, 그중한방법이 Live/Dead Viability/ Cytotoxicity fluorescence assay이다.

6 breast epithelial cell 이정상적으로성장하여전형적인가슴조직을형성한다고보고되었으며, embryonic stem cell 의경우 3차원배양시스템에서훨씬더효과적으로분화된다는사실이보고되었다. MIT 의 Bhatia, Langer 그룹및 PennState Pishko 그룹에서는 3차원구조의하이드로젤마이크로패턴내부에세포를고정하는즉, cell encapsulation 기술과미세가공기술을결합하여새로운 cell patterning 방법을개발하여세포센서로의응용가능성을연구하였다. 세포를포함한하이드로젤마이크로패턴을제조하기위해서는 acrylated PEG 과광개시제를포함하고있는수용액에세포를첨가하고, 이용액을이용해실리콘과같은기판표면을코팅한후, photomask 를통하여 UV를비춘다. 이때 UV에의한자유라디칼중합 (free radical polymerization) 에의한가교및 gelation 이일어나면서하이드로젤이제조되고그와동시에세포들이자연스럽게 3차원구조의하이드로젤내부에고정되고, 최종적으로가교가일어나지않은부분을제거함으로서원하는세포패턴을얻게된다 ( 그림 12). 그림 13은이러한방법으로제조된원통형구조의하이드로젤마이크로패턴을보여준다. 그림 13(a) 는지름이 600 μm인하이드로젤마이크로패턴내부에고정된세포들의광학현미경사진이며, 그림 13(b) 는세포를함유하고있는지름 50 μm 의하이드로젤마이크로패턴을보여주는 SEM 사진이다. PEG 하이드로젤의투명한특성으로하이드로젤내부에고정된세포는광학현미경으로관찰이 가능하다. SEM 으로는하이드로젤내부에세포의존재유무를확인할방법이없으나그림 13(b) 에서보듯이형광현미경으로세포의유무를확인할수있었다. 세포를포함하고있는하이드로젤마이크로패턴은미세유체채널내부에서도제조될수있으며, 그림 13(c) 은 PDMS 로제조된미세유체채널에세포를포함하고있는하이드로젤의제조과정을보여준다. 이와같이세포를 3차원구조의하이드로젤내부에고정시킬때가장중요한점은 UV 에의한가교과정동안세포가생존력및기능을유지하고있어야한다는점이다. 세포의생존력은다양한방법에의해측정될수있는데, 그중한방법이 Live/Dead Viability/ Cytotoxicity fluorescence assay이다. 이 assay는 SYTO 10과 Dead Red 라는두가지형광물질을이용하는데, 형광현미경으로관찰시에죽은세포는빨간색으로살아있는세포는녹색으로나타나게된다. 그림 14(a) 는 600 μm 지름을가진하이드로젤내부에세포들을고정시킨후행한 Live/Dead fluorescent viability assay를보여주는그림이다. 그림에서보이듯이대부분의세포들이하이드로젤제조후에도생존력을유지하고있음을알수있다. 그림 14(b) 는이러한 viability assay 를이용하여독성물질을검출하는예를보여준다. 이경우하이드로젤내부에고정된세포를 sodium azide 용액과반응시킨후세포의생존력을확인해보았는데, 그림 14(b) 에보이듯이 sodium azide 에의해대부분의세포가하이드로젤내부 cell 365 nm UV Light 그림 12. 세포를함유하고있는하이드로젤마이크로패턴제조과정. (a) (b) (c) (a) (b) (c) 그림 13. 하이드로젤마이크로패턴내부에고정화된동물세포. 336 Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 4, August 2007

세포의 viability를측정하여 1차적으로신약후보들을스크리닝할수있다면 ( 이상적인경우항암제는암세포만죽이고다른건강한세포에는최소한의영향만을줘야함 ) 값비싸고노동 / 시간소비적인동물실험을최소화할수있을것이다. 5. 맺음말 (a) (b) 그림 14. 하이드로젤마이크로어레이에고정된세포의 viability 테스트. 에서죽어있음을알수있다.

한가지약을만들기위해서는엄청나게많은양의신약후보군이제조되기때문에이들의효용성을일일이다동물실험을통해증명하기란쉽지않다.

7 세포의 viability를측정하여 1차적으로신약후보들을스크리닝할수있다면 ( 이상적인경우항암제는암세포만죽이고다른건강한세포에는최소한의영향만을줘야함 ) 값비싸고노동 / 시간소비적인동물실험을최소화할수있을것이다. 5. 맺음말 (a) (b) 그림 14. 하이드로젤마이크로어레이에고정된세포의 viability 테스트. 에서죽어있음을알수있다. 즉, 어떤물질과의반응에따른세포의생존력변화를이용해그물질의독성및인체에미치는영향을다양한 assay 를이용해확인할수있다. 이와같은시스템은다양한분석시스템에적용될수있으며, 최근들어서는신약검진시스템에적용하고자하는노력이활발히일어나고있다. 예를들어제약회사가신규항암제를개발하고자한다고생각하자. 한가지약을만들기위해서는엄청나게많은양의신약후보군이제조되기때문에이들의효용성을일일이다동물실험을통해증명하기란쉽지않다. 동물실험의전단계로써칩위에암세포를포함한여러세포가고정된어레이를제조하고신약후보물질을미세유체채널을통해주입시킨후, 기존의하이드로젤연구가주로약물전달과조직공학에초점이맞추어져있었으나, 최근들어서는마이크로 / 나노가공기술과결합하여 Bio-MEMs, 미세종합분석시스템 (μ-tas) 을이용한바이오센서등으로그응용범위를더욱넓혀가고있는시점에서본고에서는고분자하이드로젤을이용한바이오센서에대해단백질및세포칩위주로간략하게소개하였다. 이글에서는주로광학적방법을이용한분석기술에초점이맞춰져있으나전도성물질을하이드로젤에결합시켜전기화학적으로분석하는방법또한널리개발되고있다. 앞으로의학, 공학, 생명과학등다른여러학문들간의효율적인협동연구에의해고분자하이드로젤의응용은더욱활발해질것으로기대되어진다. 참고문헌 1. A. Revzin, R. J. Russell, V. K. Yadavalli, W. Koh, C. Deister, D. D. Hile, M. B. Mellott, and M. V. Pishko, Langmuir, 17, 5440 (2001). 2. W. Koh, A. Revzin, and M. V. Pishko, Langmuir, 18, 2459 (2002) 3. V. A. Liu and S. N. Bhatia, Biomedical Microdevices, 4, 257 (2002). 4. W. Zhan, G. H. Seong, and R. M. Crooks, Analytical Chemistry, 74, 4647 (2002). 5. S. Zhang, Nature Materials, 3, 7 (2004). 6. J. Heo and R. M. Crooks, Analytical Chemistry, 77, 6843 (2005). 고분자과학과기술제 18 권 4 호 2007 년 8 월 337

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