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영어

This paper demonstrates a microfluidic chip incorporating patterned hollow silica beads that can be effectively used for chemotaxis assay. The hollow silica bead has been exploited to develop a carrier for chemoattractant to induce cell migration. The microfluidic chip contains a patterned array of microfabricated docks which can hold only one bead per docking site. The hollow bead placed inside microfluidic chip releases chemotactic reagent (PDGF-BB) around its periphery in a controlled fashion which generates a signal for chemotatic migration of fibroblast cells. The number of cells migrated close to each bead has been assessed. On-chip cell migration assay showed a remarkable result proving the high efficiency and reliable accuracy in quantitative analysis. Therefore, the device could be extensively used in cell migration assay and other various studies related to cellular movements.

한국어

무기소재와 유기소재의 조합으로 이루어진 core-shell 형 태 또는 내부가 비어있는 구조를 갖는 복합재료 나노물질의 제조 방법이 개발되면서 다양한 형태의 유기/무기 하이브 리드 소재의 개발 및 활용에 대한 연구가 보고되었다. 나노 복합재료 물질은 다양한 물리 ․ 화학적 특성을 가지고 있어 촉매, 전자 재료, 자성 재료, 광학 재료 등에 사용되고 있으 며, 최근에는 의료, 약학 및 생화학 분야 등으로 그 사용 범위가 확대되고 있다 [1-10]. 유기 계면활성제나 양친족성 고분자는 친수성 부분과 소 수성 부분으로 이루어져 있어 수용액 내에서 구형, 층상형, 막대형 등의 미셀 구조를 이룬다. 수용액 내에서 계면활성 제 미셀의 바깥 부분에 위치한 친수성 부분에 실리케이트 등 무기물질이 상호작용함으로써 유기/무기 나노 복합재료가 형성된다. 특정한 구조에 대한 틀 (template)로 사용된 유기 물은 소성 또는 용매 추출로 제거되며, 그 결과 속이 빈 중공 (hollow) 물질을 얻을 수 있다. Emulsion법, nozzle-reactor법, sacrificial core법 등으로 일반적인 다공성 중공 미세구를 합성한다 [11-16]. Emulsion법으로 합성된 미세구는 화학적 으로 균일하며, 단일 조성 또는 복합 조성을 갖는 물질의 합 성이 가능하다. Nozzle-reactor법은 유리질의 무정형 중공 미세 구를 제작하는데 유용한 방법이다 [15]. 1050∼1500℃의 고온 에서 용융된 유리를 발포제와 함께 불어서 제조하거나, 젤화 (gelation), 분무건조 등에 의해 형성된 작은 방울이나 분말을 고온로에 통과시켜 내부에 빈 구멍을 만든다. Sacrificial core 법은 구형 고분자인 핵 (core) 주위에 물질을 도포한 후, 핵을 용매를 이용하여 추출하거나 열에 의해 분해시켜 중공 미세구 를 제작하는 방법이다 [16]. 이와 같은 다공성 중공 미세구는 약물전달체계 (drug delivery system, DDS), 화학약품 저장, 흡 착, 촉매, 이온교환수지, 미세반응기, 캡슐화 (encapsulation) 등 다양한 분야에 활용되고 있다 [11-16]. 무기물질이 상호작용함으로써 유기/무기 나노 복합재료가 형성된다. 특정한 구조에 대한 틀 (template)로 사용된 유기 물은 소성 또는 용매 추출로 제거되며, 그 결과 속이 빈 중공 (hollow) 물질을 얻을 수 있다. Emulsion법, nozzle-reactor법, sacrificial core법 등으로 일반적인 다공성 중공 미세구를 합성한다 [11-16]. Emulsion법으로 합성된 미세구는 화학적 으로 균일하며, 단일 조성 또는 복합 조성을 갖는 물질의 합 성이 가능하다. Nozzle-reactor법은 유리질의 무정형 중공 미세 구를 제작하는데 유용한 방법이다 [15]. 1050∼1500℃의 고온 에서 용융된 유리를 발포제와 함께 불어서 제조하거나, 젤화 (gelation), 분무건조 등에 의해 형성된 작은 방울이나 분말을 고온로에 통과시켜 내부에 빈 구멍을 만든다. Sacrificial core 법은 구형 고분자인 핵 (core) 주위에 물질을 도포한 후, 핵을 용매를 이용하여 추출하거나 열에 의해 분해시켜 중공 미세구 를 제작하는 방법이다 [16]. 이와 같은 다공성 중공 미세구는 약물전달체계 (drug delivery system, DDS), 화학약품 저장, 흡 착, 촉매, 이온교환수지, 미세반응기, 캡슐화 (encapsulation) 등 다양한 분야에 활용되고 있다 [11-16]. 주화성 (chemotaxis)은 세포가 특정 약물의 농도 구배 (concentration gradient)를 인식하여 약물의 높은 농도를 향하여 이동하는 현상을 일컫는다. 주화성은 생체 내에서 세 포 이동의 주요한 기작으로 평가되고 있기 때문에 세포생물 학, 미생물학, 면역학 등 많은 분야에서 폭 넓게 연구되어 왔다[17-20]. 일반적으로 세포의 주화성 실험을 위하여 세포 주변에 화학 약물의 농도 구배를 제어하기 위한 다양한 방법 들이 사용되어 왔다. 대표적인 상업적 세포 주화성 시험 기 구로는 Boyden chamber, Zigmond chamber, Dunn chamber, Under-agarose assay, Micropipette-based assay 등이 있 다 [21-25]. 주화성 시험 기구를 사용하여 박테리아의 주화성 연구, 주화성을 이용한 암세포의 전이과정 억제 기작에 대한 연구, 상처 치유 과정에 대한 기작 연구, 호중구 (neutrophil) 의 주화성 연구등이 활발하게 이루어지고 있다 [17-29]. 미세유체칩 (microfluidic chip)은 기기의 초소형화, 사용 약물의 최소화, 실험결과의 신뢰도 극대화 등을 바탕으로 분자생물학, 의학 등 분야에서 각광받고 있는 실험 기구이 다 [26-36]. 이와 같은 미세유체칩은 분석에 필요한 여러 가지 장치를 아주 작은 칩 위에 집적시킨 마이크로프로세서이 며, 채널이 형성된 칩 내에 미량의 시료를 주입하여 분석하는 방법으로 나노리터 (nL) 이하의 극미량의 시료만으로 물질 의 분리, 분석을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 미세유체 제어기술을 이용하여 칩 위에 2차원으로 실험장치들을 집적 화시킬 수 있다. 이는 μ-TAS (micro total analysis systems) 의 기본개념이며, 나노리터 또는 피코리터 (pL) 수준의 극 소량의 유체를 다양한 장치를 이용하여 제어함으로써 칩에 제작된 수십만 개의 작은 구획 (compartment)에 각각 다르게 제어된 화학적 환경을 형성할 수 있다 [30-36]. 따라서 화학 분야는 물론 세포생물학을 위한 다양한 미세환경 변화 조건 을 아주 쉽게 형성할 수 있어 고효율 측정, 분석 및 평가에 활용도가 매우 높은 기술이다. Zigmond chamber, Dunn chamber의 경우에는 약물이 저장된 장소와 세포의 이동을 평가하는 장소 사이의 거리가 짧아야 확산이 잘 일어난다. 또한 아가로즈젤이나 콜라겐 젤을 사용하는 경우에는 약물의 이동 속도가 매우 느려 주 화성 실험에 긴 시간이 요구된다. 미세유체 채널과 주사기 펌프 (syringe pump)를 사용한 주화성 기구는 매우 안정적 인 농도 구배를 형성하고 실시간 모니터링이 가능한 반면, 사용하기 복잡한 주사기 펌프를 사용해야 한다는 것과 주사 기 속에 주입된 배지가 외부환경으로부터 고립되어 시간에 따라 배양조건 (특히, 배지의 pH)이 달라질 수 있는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 미세유체칩의 장점과 고전적인 주화성 기구들의 장점을 취해 간단하지만 효율적인 주화성 시험 기구를 개발하고자 하였다. 다공성 중공 실리카 미세구 를 합성하여 미세유체칩의 채널 내의 특정위치에 고정시키고, 중공에 담지된 약물 (PDGF-BB)의 서방 (slow-release)으로 인 하여 미세구 주변에 배양된 BALB/3T3 섬유아세포 (fibroblast) 가 주화성 이동을 할 수 있도록 고안하였다. 이동하는 세포 의 궤적 (trajectory)을 실시간으로 관찰하여 정성 및 정량적 인 주화성을 평가하였다.