KR101231565B1 - Ｄｎａ－ 탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 ｄｎａ－ 탄소나노튜브 하이드로겔 파이버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 관한 것이다. 보다 상세하게는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시킴으로써 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는, DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 물성이 조절되어 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 인공조직, 과산화수소 센서 및 엑츄에터 등에 활용될 수 있다.

DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버, 칼슘이온, 기계적 강도, 팽윤도, 모듈러스, 인공조직, 과산화수소 센서, 엑츄에이터

Description

ＤＮＡ－ 탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 ＤＮＡ－ 탄소나노튜브 하이드로겔 파이버{PREPARATION METHOD OF DNA-CARBON NANOTUBE HYDROGEL FIBER AND DNA-CARBON NANOTUBE HYDROGEL FIBER THEREOF}

본 발명은 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시켜서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 관한 것이다.

최근 생명공학 분야 중에서도 조직의 치료 및 재생을 위한 조직공학(tissue engineering) 분야가 발달하고 있다. 조직공학(tissue engineering)이란 환자의 몸에서 필요한 조직을 채취하고 그 조직편으로부터 세포를 분리한 다음, 분리된 세포를 배양하여 필요한 양만큼 세포를 증식시키고 이 세포를 다공성을 가지는 생분해성 고분자 지지체에 심어서 일정기간 체외 배양한 뒤 이 하이브리드형 세포/고분자 구조물을 다시 인체 내에 이식하는 것을 말한다. 이식 후의 세포들은, 대부분의 조 직이나 장기의 경우, 신생 혈관이 형성될 때까지는 체액의 확산에 의해 산소와 영양분을 공급받는다. 그러다가 인체 내의 혈관이 자라서 세포 내로 들어오면, 혈액의 공급이 이루어지면서 세포들이 증식 및 분화하여 새로운 조직 및 장기를 형성하고 고분자 지지체는 그 동안 분해되어 없어지게 되는 기법을 응용하는 것이다.

따라서 이러한 조직공학 연구를 위해서는, 우선 생체 조직과 유사한 생분해성 고분자 지지체를 제조하는 일이 중요하다. 인체 조직의 재생을 위해 사용되는 지지체 재료의 주된 요건은, 조직세포가 재료 표면에 유착하여 3차원적 구조를 가지는 조직을 형성할 수 있도록, 기질 또는 지지체의 역할을 충분히 할 수 있는 기계적 강도를 가져야 한다. 또한 지지체는 이식된 세포와 숙주 세포 사이에 위치하는 중간 장벽으로서의 역할도 해야 하는데, 이를 위해서는 이식 후 혈액응고나 염증반응이 일어나지 않는 무독성의 생체적합성이 있어야 한다. 또한 이식된 세포가 새로운 체내 조직으로서 기능과 역할을 하게 되면, 지지체는 생체 내에서 완전히 분해되어 없어질 수 있는 생분해성을 지녀야 한다.

조직공학용 고분자 지지체는, 높은 밀도의 세포 점착이 일어날 수 있는 큰 표면적을 가지기 위하여 높은 다공도를 필요로 한다. 또한, 지지체가 생체 내로 이식된 이후에 혈관의 형성 및 영양분 성장인자, 호르몬 등의 물질 전달이 가능하도록 큰 기공과 기공간 상호 연결된 연속 구조(open cell structure)를 가질 필요가 있다. 그리고 지지체는, 배양되는 조직의 특성에 따라, 상기 다공도 및 기공의 형상 조절이 필요하다.

최근, 힘줄, 근육, 동맥, 피부 그리고 다른 장기와 같은 생체연조 직(biological soft tissue)을 모방하기 위한 여러 가지 물질들이 연구되고 있다. 생체연조직은 매우 부드러우면서도 기계적으로 강한 특성을 가진다. 현재까지는 이러한 생체연조직을, 합성물질을(synthetic material) 이용해서 모사하는 것은 어려운 실정이다.

다만, 합성물질인 나노 섬유를 이용하여 일정 형태와 강도를 가지는 복합지지체와 천연고분자의 탄성과 생물학적 기능을 가지는 조직공학용 지지체의 개발 등에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 탄성을 가지며 기계적 강도가 높은 생체 조직을 구현하기 위해서는, 기계적 강도를 조절할 수 있는 합성물질 복합체의 구현이 필요하다. 강화 하이드로겔과 같은 합성물질을 이용하여 인공조직이나 인공장기에 응용하는 연구가 진행되어 왔으나, 실제 다공성의 부드러운 물질은 매우 기계적으로 약한 특성을 가지고 있는 문제점이 있다.

실제로 많은 생체 조직들은 보통 또는 큰 기계적 연성을 가지고 있기 때문에 합성물질들은 조직의 기계적 강도를 가지며 튼튼한 성질을 가질 수 있도록 만드는 것이 중요하다. 이러한 특성을 가지는 물질을 만들어 내는 것이 인공 조직 및 인공장기 연구에 있어서 극복해야 할 큰 과제이다.

본 발명자들은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 조직공학용 지지체를 제조하기 위해서 연구를 계속하였다. 그 결과 DNA가 랩핑(wrapping)된 탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조한 후, 상기 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시키는 경우, DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 물성을 조절할 수 있음을 발견하였다. 구체적으로 본 발명자들은, 상기 칼슘염 용액 내의 칼 슘 이온의 농도를 조절함으로써 DNA가 랩핑(wrapping)된 탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 물성을 조절할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 물성을 조절할 수 있는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 물성이 조절된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된, 부드러우면서도 기계적 강도가 우수한 인공조직을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기전도성이 우수한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된 과산화수소 센서를 제공하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 DNA를 탈이온수에 용해시킨 후, 탄소나노튜브를 첨가하여 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침적시키는 단계(단계 2)를 포함하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버 의 제조방법을 제공한다.

하기에서 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법을 상세하게 설명한다.

우선, DNA를 탈이온수에 용해시킨 후, 탄소나노튜브를 첨가하여 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조한다(단계 1).

통상적으로, 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT)란, 지구상에 다량으로 존재하는 탄소로 이루어진 탄소동소체이다. 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질이며, 튜브의 직경이 나노미터 (nm=10억 분의 1미터) 수준으로 극히 작은 영역의 물질을 의미한다.

본 발명에서 사용하는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.

DNA는 인산염 골격(phosphate backbone)의 넓은 면적이 물과 반응하고, DNA 내의 많은 염기들이 탄소나노튜브에 결합하여 DNA가 탄소나노튜브를 랩핑(wrapping)할 수 있다. 이러한 랩핑에 의하여 만들어지는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 그 내부에 일정한 간극을 가지게 되어, 탄소나노튜브의 번들링 현상을 제거할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 DNA는 1000 ~ 30,000 염기쌍의 이중 나선 구조를 가지는 DNA인 것이 바람직하나, 반드시 상기 수치에 제한되는 것은 아니다. 상기 DNA는 천연생물로부터 추출한 것을 사용하거나, 인공적으로 합성한 것을 사용할 수 있는 등 이용물질에 어떠한 제한도 없다. 본 발명에서는 연어 정자로부터 수득한 DNA를 사용하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 상기 단계 1에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 DNA를 탈이온수에 용해시킨 후, 탄소나노튜브를 첨가하여 초음파 처리하는 단계; 및 상기 초음파 처리한 DNA-탄소나노튜브 혼합 용액을 이온성 액체 및 에탄올이 함유된 응고욕에 투입한 후, 응고욕을 회전하여 응고시킴으로써 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조할 수 있다.

상기 단계 1에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조시 DNA가 용해된 탈이온수에 탄소나노튜브를 첨가한 후 초음파 처리를 함으로써 상기 용액에 탄소나노튜브를 잘 분산시킬 수 있다. 이때 DNA를 탈이온수에 0.3 내지 0.5 중량%로 용해시킨 다음, 상기 탄소나노튜브를 0.5 내지 0.7 중량%의 농도로 첨가하여 초음파 처리할 수 있다. 상기 초음파 처리는 1분 내지 1시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

이후, 초음파 처리한 DNA-탄소나노튜브 혼합 용액을 이온성 액체 및 에탄올이 함유된 응고욕에 투입한 후, 응고욕을 회전하여 응고시킴으로써 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조한다.

상기 이온성 액체는 친수성의 이온성 액체로서 DNA를 응축시켜 불용성의 하이드로겔을 형성시킬 수 있으며, 탄소나노튜브와 강하게 상호반응하여 DNA가 랩핑된 탄소나노튜브의 제조시 커플링제 역할을 할 수 있다.

상기 이온성 액체로는 예를 들어, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 브로마이 드(1-ethyl-3-methyl imidazolium bromide), 부틸메틸이미다졸리움 테르라플루오라이드(buthylmethylimidazolium tetrafluoride), 에틸메틸이미다졸리움 브로마이드(ethylmethylimidazolium bromide) 등과 같은 이미다졸리움계 이온성 액체를 사용할 수 있다.

상기 초음파 처리한 DNA-탄소나노튜브 혼합 용액에 상기 이온성 액체 및 극성의 양쪽성 이온용액이 포함된 응고액을 사용함으로써 DNA가 랩핑된 탄소나노튜브의 뭉침 현상을 유발할 수 있다. 상기 응고액에서 극성의 양쪽성 이온용액은 DNA의 가교결합 반응을 보조하는 역할을 한다. 상기 극성의 양쪽성 이온용액으로는 알코올 등을 사용할 수 있으며, 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다. DNA가 랩핑된 탄소나노튜브에서 DNA의 가교결합 반응을 통하여 밀도가 높은 탄소나노튜브의 구조를 만들 수 있으며, 뭉쳐진 탄소나노튜브가 네트워크를 효율적으로 형성함으로써 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조는 다음과 같다: 초음파 처리한 DNA-탄소나노튜브 혼합 용액을 작은 방사구를 통해 응고욕에 투입한 후 응고욕을 회전시키는 경우 상기 응고욕에 투입된 혼합 용액의 응고가 이루어지고, 이를 세척하고 건조하는 단계를 더 수행하여 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조할 수 있다.

상기 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조 과정에서 응고욕은 15 내지 25 rpm으로 회전하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로, 단계 1에서 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시켜, 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조할 수 있다(단계 2).

보다 구체적으로, 상술한 바와 같이 단계 1에서 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘 이온이 용해된 칼슘염 용액에 침지시키는 경우, 칼슘 이온(Ca^{2 +})이 DNA와 가교결합을 형성함으로써 DNA가 랩핑된 탄소나노튜브는 더 조밀해지고 더욱 강하게 연결된다.

단계 2에서는 DNA와 결합할 수 있는 2가 이상의 이온이 용해된 이온염용액을 제한 없이 사용하여 DNA와 가교결합을 형성함으로써, DNA가 랩핑된 탄소나노튜브의 구조를 더욱 조밀하고 강하게 연결할 수 있다. DNA와 결합할 수 있는 2가 이상의 이온염 용액에는 칼슘염 용액 또는 마그네슘염 용액 등이 있고, 칼슘염 용액이 바람직하다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는, 생물의 세포외 기질에서 콜라겐 섬유 그물망을 닮은 다공성 스폰지와 같은 구조로 형성된다. 즉 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 스폰지 파이버는, 칼슘 이온에 의해 가교결합된 DNA을 통해 강한 내구성을 가짐과 동시에 매우 부드러운 생체 조직과 같은 탄성을 나타내기 때문에 인공조직, 조직공학용 지지체 등으로서 사용하기에 적합한 물성을 가진다.

또한, 상기 단계 2에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시킬 때, 상기 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온의 농도를 조절함으로써, DNA-탄 소나노튜브 하이드로겔 파이버의 물성, 예를 들어, 팽윤도, 기계적 강도, 모듈러스 등을 변화시킬 수 있다.

구체적으로 상기 칼슘염 용액의 칼슘 이온 농도를 1 내지 100 mM 범위 내에서 변화시켜서 최종적으로 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 물성을 조절할 수 있다.

상기 단계 2에서 사용하는 칼슘염 용액에서 칼슘 이온의 농도가 높아질수록 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 팽윤도는 낮아질 수 있다. 구체적으로, 상기 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온의 농도가 1 내지 100 mM 범위에서 1 mM 이상으로 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 팽윤도는 낮아질 수 있다. 상기 칼슘 이온의 농도가 1 mM 미만인 범위 내에서도, 칼슘 이온의 농도가 증가하면 팽윤도가 낮아지는데, 1 mM 이상으로 농도가 높아질수록 팽윤도 저하 효과가 상대적으로 더 클 수 있다. 마찬가지로 상기 칼슘 이온의 농도가 100 mM 초과인 범위 내에서도, 칼슘 이온의 농도가 증가하면 팽윤도가 낮아지는데, 100 mM를 초과하여 농도가 높아질수록 팽윤도 저하 효과가 상대적으로 미미할 수 있다.

또한, 상기 칼슘염 용액에서 칼슘 이온의 농도가 높아질수록 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도는 높아질 수 있다. 구체적으로, 상기 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온의 농도가 1 내지 100 mM 범위에서 1 mM 이상으로 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도는 높아질 수 있다. 상기 칼슘 이온의 농도가 1 mM 미만인 범위 내에서도, 칼슘 이온 의 농도가 증가하면 기계적 강도가 높아지는데, 1 mM 이상으로 농도가 높아질수록 기계적 강도 증가 효과가 상대적으로 더 클 수 있다. 마찬가지로 상기 칼슘 이온의 농도가 100 mM 초과인 범위 내에서도, 칼슘 이온의 농도가 증가하면 기계적 강도가 낮아지는데, 100 mM를 초과하여 농도가 높아질수록 기계적 강도 증가 효과가 상대적으로 미미할 수 있다.

상기 칼슘염 용액에서 칼슘 이온의 농도가 높아질수록 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 모듈러스는 높아질 수 있다. 구체적으로, 상기 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온의 농도가 1 내지 100 mM 범위에서 1 mM 이상으로 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 모듈러스는 높아질 수 있다. 상기 칼슘 이온의 농도가 1 mM 미만인 범위 내에서도, 칼슘 이온의 농도가 증가하면 모듈러스가 높아지는데, 1 mM 이상으로 농도가 높아질수록 모듈러스 증가 효과가 상대적으로 더 클 수 있다. 마찬가지로 상기 칼슘 이온의 농도가 100 mM 초과인 범위 내에서도, 칼슘 이온의 농도가 증가하면 모듈러스가 낮아지는데, 100 mM를 초과하여 농도가 높아질수록 모듈러스 증가 효과가 상대적으로 미미할 수 있다.

위와 같이 물성이 조절될 수 있는 이유는, DNA가 랩핑된 탄소나노튜브를 칼슘염 용액에 침지시키는 경우, DNA는 가교결합을 형성하여 더 조밀해지고 더 강하게 연결된다. 이는 Ca²⁺ 이온과 (DNA의) PO₂ ^- 사이의 이온결합이 이루어지기 때문이 라고 생각된다(하기 실시예 1 및 도 3 참조). 이와 같이, DNA의 가교밀도가 높아짐으로써 DNA가 랩핑된 탄소나노튜브는 더욱 조밀하게 네트워크를 형성할 수 있다. 조밀하게 네트워킹되어 강하게 연결된 DNA-탄소나노튜브는 수분 침투가 적어져 팽윤도는 낮아지고 기계적 강도나 모듈러스는 증가하게 되는 것이다. 따라서 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온(Ca^{2 +})의 농도가 증가하면, DNA는 가교결합을 형성하여 더 조밀하게 더 강하게 연결되므로, DNA가 랩핑된 탄소나노튜브의 팽윤도는 떨어지고, 기계적 강도 및 모듈러스는 증가하게 된다.

본 발명에서는 DNA가 랩핑된 탄소나노튜브의 물성을 조절하기 위하여 DNA와 결합할 수 있는 2가 이상의 이온이 용해된 용액을 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 칼슘염 용액을 들 수 있으며, 칼슘 이온이 용해된 용액으로서 염화칼슘 용액 등을 사용할 수 있다.

본 발명은 강한 내구성을 가지는 동시에 매우 부드러운 생체 조직과 같은 탄성을 나타내는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된 인공조직을 제공한다.

또한 본 발명은 뛰어난 전기 전도성을 가지는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된 과산화수소 센서를 제공한다.

또한 본 발명은 전기적 자극에 변형을 일으키는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된 엑츄에이터를 제공한다.

본 발명은 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시켜 제조함으로써, 물성이 조절이 가능한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법을 제공한다. 상기 방법에 의해 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 인공조직, 과산화수소 센서, 엑츄에이터 등으로 활용될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 이 기술분야의 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

< 실시예 >

실시예 1

탈이온수에 연어 정자로부터 수득한 DNA(ca. 20,000bp,Sigma-Aldrich사 (미국,세인트루이스)에서 구입하여 사용함)를 2% w/w 함량으로 용해시킨 후 단일벽 탄소나노튜브(Carbon Nanotechnologies Co., USA)를 첨가하여 겔 형태의 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합 용액에 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 브로마이드(Solvent-Innovation Co.(독일, 쾰른))를 한 방울씩 첨가하여 최종 농도가 약 5% w/w가 되도록 첨가하였다. 상기 혼합 용액을 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 브로마이드와 에탄 올이 9:1 중량비로 포함된 응고욕에 직경이 1 mm인 니들을 통해 1.5 mLmin^-1의 속도로 주입하였고, 이후 응고욕을 15 rpm으로 회전시키고 30분동안 응고시켰다. 응고된 파이버를 에탄올과 탈이온수로 세척하고 건조하여 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조하였고 이를 주사전자현미경으로 촬영하여 도 1의 (a)에 나타내었다. 이후 이와 같이 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 염화칼슘 용액(칼슘이온 농도 100 mM)에 침지시킨 후, 이를 꺼내어 세척하고 건조하여 본 발명의 본 발명의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조하였고, 이를 주사전자현미경으로 촬영하여 도 1의 (b)에 나타내었다.

도 1의 (a) 및 도 1의 (b)에 나타난 바와 같이, 칼슘 이온이 포함된 용액으로 처리된 본 발명의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 경우 나노 파이버의 직경이 감소한 것을 알 수 있고 다공성이 보다 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 생체의 세포외 기질에 존재하는 콜라겐 파이버의 구조와 매우 유사함을 알 수 있다.

또한, 본 실시예 1에서 제조한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 표면에 대해 주사전자현미경으로 촬영하여 도 2에 나타내었고, DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 대해 전자 에너지 손실 분광 분석기(EELS)에 의해 측정한 엘리멘탈 맵(elemental map)을 도 3에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 다공성 네트워크 구조를 가짐을 알 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에서 칼슘 이온(Ca^{2 +})과 인산 이온(PO₂ ^-)의 분산도는 거의 일치함을 알 수 있고, 이러한 칼슘 이온(Ca^{2 +})과 인산 이온(PO₂ ^-)과 결합에 의해 DNA의 이온성 가교결합이 일어남을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 각각 묶고, 꼬고, 서로 엮어서 제조한 상태를 촬영한 주사전자현미경 사진이다. 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 부드러울 뿐만 아니라 기계적 강도가 향상되어 끊어짐 없이 묶고, 꼬고, 서로 엮은 상태로 제조할 수 있다. 따라서 본 발명의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 각각 묶고, 꼬고, 서로 엮어서 인공조직, 조직공학용 지지체를 제조할 경우 다공도를 나노 스케일 및 마이크로 스케일로 조절할 수 있다.

< 실험예 1> DNA -탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 대한 칼슘 이온 첨가효과 측정 실험

DNA로 랩핑된 탄소나노튜브에 대한 칼슘 이온(Ca^{2 +})의 첨가 효과를 용액상 cryo-TEM에 의해 평가하였다. 실시예 1에서 수행한 바와 같이 DNA와 탄소나노튜브가 용해된 혼합용액을 제조한 후, 상기 용액에 칼슘 이온의 농도가 각각 0, 20 μM 및 1 mM인 용액을 첨가하여 최종 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 대해 cryo-TEM을 측정하여 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 형성된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버 다발들의 직경 및 밀도는 첨가된 칼슘 이온의 농도에 의존하는 것을 알 수 있으며, 농도가 낮을수록 더 큰 직경의 다발을 생성하 였다. 본 실험예 1로부터 칼슘 이온(Ca^{2 +})이 높은 농도로 포함된 용액으로 DNA-탄소나노튜브를 처리하는 경우, DNA의 가교밀도가 높아져 본 발명의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 더욱 조밀하게 네트워크를 형성하는 것을 알 수 있다.

< 실험예 2> 칼슘 이온의 농도를 조절하여 처리함으로써 제조된 DNA -탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 수분 흡수율 측정

DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를, 칼슘이온 농도가 각각 100 mM, 10 mM 및 1 mM 인 염화칼슘 용액으로 각각 처리한 후, 각각에 대해 수분 흡수율(팽윤비)을 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6에서 상기 수분 흡수율은 상기 염화칼슘 용액으로 처리된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 대해 팽윤 전과 팽윤 후 증가한 무게를 측정하고 이를 수치화하여 나타내었다.

도 6에서 검정원들, 흰 원들 및 검정 사각형들은 각각 100 mM, 10 mM 및 1 mM 농도의 염화칼슘 용액으로 처리한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 수분 흡수율을 나타낸 것이다. 도 6에서 알 수 있듯이, 높은 농도의 칼슘 이온 용액으로 처리한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 수분 흡수율이 제일 낮음을 알 수 있다. 이는 높은 농도의 칼슘 이온 용액으로 처리한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 보다 조밀하게 가교된 망상조직을 형성하여 팽윤도가 낮기 때문이다. 본 실험예 2로부터 칼슘 이온이 포함된 용액으로 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 처리하는 경우, 사용하는 용액의 칼슘 이온 농도를 조절하여 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 수분 흡수율 및 팽윤도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.

< 실험예 3> 칼슘 이온의 농도를 조절하여 처리함으로써 제조된 DNA -탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도 측정

본 실험예 3에서는 칼슘 이온의 농도를 조절하여 처리함으로써 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 제조된 하이드로겔 파이버의 기계적 강도는 Aurora Scientific 사(캐나다)의 듀얼모드 레버암 시스템(Dual-Mode lever arm system)을 이용하여 측정되었다. 하이드로겔 파이버의 한쪽을 고정시킨 후, 레버암 시스템과 연결된 반대쪽하이드로겔 파이버에 레버암 시스템을 이용하여 응력(stress)을 가하여 인가된 응력 대비 하이드로겔 파이버의 변형(strain)를 측정하였다. 기계적 강도 실험에 의한 하이드로겔 파이버의 영 모듈러스는 초반 응력 대비 변형의 기울기를 바탕으로 계산되었다. 본 실험예 3에서 기계적 강도는 물질 내에 저장된 에너지를 의미하며, 파단점 (응력-변형 곡선 아래 부분)까지 인성(toughness)을 계산하였다. 저장된 에너지의 일부는 탄성 과정에 의해 회복되므로, 인성은 파단 과정 동안 흩어진 에너지를 나타낸다. 본 실험예 3에서는 저장된 에너지(기계적 강도)를 "인성"으로 계산하였고, 이 변수가 물질의 기계적 강도와 매우 많이 관련되어 있기 때문에 선택하였다. 본 연구자들은 선형 응력-변형 관계를 U=1/2σ.ε=1/2E.ε²=1/2σ²/E (식 중, σ 및 ε는 각각 파손 응력 및 변형율, 그리고 E 는 영 모듈러스(Young’s modulus)임)로 보고, 인성을 계산하였다. 인성의 단위는 kJ/m³ 이다. 또한, 파단시의 응력인 인장강도의 단위는 kPa이다.

본 발명에 따른 칼슘염 용액으로 처리한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버와 탄소나노튜브를 사용하지 않은 DNA 겔 섬유들에 대한 기계적 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

상기 칼슘염 용액으로 처리한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조는, 칼슘 이온의 농도(1, 10 및 100 Mm)만 다르게 한 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하였다. 비교예의 탄소나노튜브를 사용하지 않는 DNA 겔 파이버의 제조는, 탄소나노튜브를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 처리하는 칼슘 이온의 농도는 각각 1, 10 및 100 Mm로 하였다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 등량의 칼슘 이온 용액으로 처리한 본 발명의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도 및 모듈러스 모두 DNA 겔 파이버 보다 현저히 증가되었음을 알 수 있다.

또한 상기 표 1을 통해, 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 칼슘 이온의 농도를 조절하여 최종적으로 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 물성을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 이용하여 원하는 생체조직에 맞는 인공조직이나 인공장기에 사용할 조직공학용 지지체를 제조할 수 있다.

< 실험예 4> DNA -탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 전기전도성 측정

본 실험예 4에서는, 실시예 1에 따라 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 H₂O₂ 검출용 바이오 센서로서의 용도를 전기화학적으로 평가하였다.

과산화물 용액에 애노드(anodic) 전위를 인가하면 하기 반응식 1에 따라 H₂O₂ 산화가 일어난다:

H₂O₂ → O₂ + 2H⁺ + 2e^- _.

정상상태(steady-state) 전류를 측정하여 센서 작동용 작업 전위를 선택하였다. 도 7은 Ag/AgCl 기준전극에 대해 소정의 전위에서 수득된, DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 두 개의 전류 반응을 나타낸 것이다. 도 7에 나타난 바와 같 이, 5mM H₂O₂ 용액 중에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버 전극을 사용하여 증가하는 애노드 전위에서 비교적 큰 전류가 검출되었다. 상기 결과로부터 본 발명에 따라 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 과산화수소 센서로 사용될 수 있음을 알 수 있다.

과산화수소는 정상적인 심장 기능에 중요한 역할을 하는 물질로서, 심장질환의 발생과 밀접한 관련이 있다. 따라서 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를, 심장 근육의 반응과 매치되는 센서로 이용할 수 있음을 알 수 있다.

이상 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 DNA가 랩핑된 탄소나노튜브, DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 생체 조식의 세포외 기질에 존재하는 콜라겐 파이버의 구조와 매우 유사하여 인공조직으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 전기 전도성을 가지고 있기 때문에 과산화수소 센서, 엑츄에이터 및 에너지 저장 물질 등에 이용될 수 있다.

도 1의 (a)는 본 발명의 실시예 1에서 염화칼슘 용액으로 처리하기 이전의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이며, 도 1의 (b)는 상기 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 염화칼슘 용액(100 mM)에 침지시킨 후, 세척하고 건조하여 제조한 본 발명의 본 발명의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 표면에 대해 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버에 대해 전자 에너지 손실 분광 분석기(EELS)에 의해 측정한 엘리멘탈 맵(elemental map)이다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 각각 묶고, 꼬고, 서로 엮어서 제조한 상태를 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 실험예 1에서 칼슘 이온의 농도가 각각 0, 20 μM 및 1 mM인 용액으로 처리하여 최종 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버들에 대해 cryo-TEM을 측정한 사진이다.

도 6은 본 발명의 실험예 2에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를, 100 mM, 10 mM 및 1 mM 농도의 염화칼슘 용액으로 각각 처리한 후 수분 흡수율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실험예 4에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버 전극에 대해 두 종류의 용액 내에서 애노드 전류를 가하여 얻은 두 개의 전류 반응을 나타내는 그래프이다.

Claims (15)

1. DNA를 탈이온수에 용해시킨 후, 탄소나노튜브를 첨가하여 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조하는 단계(단계 1); 및

   상기 단계 1에서 제조된 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시키는 단계(단계 2);

   를 포함하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 단계 2에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 칼슘염 용액에 침지시킬 때 상기 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온의 농도를 조절함으로써, 상기 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 팽윤도, 기계적 강도 또는 모듈러스를 조절하여 제조하는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 칼슘 이온의 농도가 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 팽윤도는 낮아지는 것을 특징으로 하는, DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 칼슘 이온의 농도가 1 mM 이상으로 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 팽윤도는 낮아지는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 칼슘 이온의 농도가 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도는 높아지는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 칼슘 이온의 농도가 1 mM 이상으로 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 기계적 강도는 높아지는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 칼슘 이온의 농도가 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 모듈러스는 높아지는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 칼슘 이온의 농도가 1 mM 이상으로 높아질수록 상기 제조되는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 모듈러스는 높아지는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 칼슘염 용액 내의 칼슘 이온의 농도는 1 내지 100 mM인 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 단계 1에서 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버는 DNA를 탈이온수에 용해시킨 후, 탄소나노튜브를 첨가하여 초음파 처리하는 단계; 및 상기 초음파 처 리한 DNA-탄소나노튜브 혼합 용액을 이온성 액체 및 에탄올이 함유된 응고욕에 투입하여 응고욕을 회전시킨 후, 이를 응고시켜 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 제조하는 단계를 수행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 이온성 액체는 이미다졸리움계 이온성 액체인 것을 특징으로 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 이미다졸리움계 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 브로마이드, 부틸메틸이미다졸리움 테르라플루오라이드 또는 에틸메틸이미다졸리움 브로마이드인 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버의 제조방법.
13. 청구항 1 내지 청구항 12항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는, 탄소나노튜브 둘레에 DNA가 랩핑되는 것을 특징으로 하는 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버.
14. 청구항 13의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된 인공조직.
15. 청구항 13의 DNA-탄소나노튜브 하이드로겔 파이버를 사용하여 제조된 과산화수소 센서.

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