Lithium niobate를 활용한 Surface acoustic wave 바이오센서의 개발 및 나노구조상 MG-63 세포의 골분화 거동 연구

Abstract

Surface acoustic wave (SAW)는 진동파가 압전물질의 탄성에 의해 표면을 따라 이동하는 것으로 이를 이용한 다양한 기술적인 응용이 가능하다. 특히, 100 MHz에서 수 GHz에 이르는 범위에서의 신호 특성은 용액상에서 바이오 물질을 검출하는 센서로 활용할 수 있다. 본 연구에서는 압전물질인 64˚ Y-X LiNbO3를 이용하여 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)를 waveguide로 하는 반사식 SAW sensor를 설계하였다. UV/O 처리를 통한 LiNbO3 표면의 활성화를 통해 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)를 성공적으로 도입할 수 있었고, 이를 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 및 접촉각 측정, 그리고 형광물질인 fluorescein isothiocyanate (FITC)의 표지를 통해 확인할 수 있었다. APTES를 이용한 표면의 개질은 PMMA 박막과 LiNbO3 표면과의 접착력을 효과적으로 개선할 수 있었다. 그리고 두께 변화에 따른 주파수 측정을 통해 우리가 설계한 SAW 소자에 최적화된 PMMA 박막의 두께를 찾을 수 있었다. 박막을 통한 공명 현상을 이용해 전압 감쇠를 극복한 SAW 소자는 용액상에서 질량에 반응해 뛰어난 신호 감도를 나타냈다. 한편, 재료에 따른 세포의 반응은 조직공학과 재생의학의 응용 연구에서 중요하다. 재료 상에서 세포의 접착, 증식, 그리고 분화능과 같은 거동은 재료 표면의 젖음성, 화학성분, 전하, 강도, 그리고 표면 거칠기와 같은 재료 표면의 특성에 좌우된다. 본 연구에서, 우리는 서로 다른 입자 직경(60, 300, 700 nm)을 갖는 실리카 랭뮤어-블로제트 (LB) 박막 위에서 배양된 MG-63 골유사 세포의 거동을 연구하였다. 세포 접착과 증식에 미치는 실리카 LB 박막의 영향은 위상차 현미경 이미지로 평가하였고, 표면 거칠기에 따른 MG-63의 분화능은 alkaline phosphatase (ALP)와 osteocalcin (OCN)을 포함한 유전자 발현을 통해 평가하였다. 그 결과 세포 접착 및 증식은 실리카 입자의 구조에 의해 배양 초기에 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 유전자 발현 확인에서는 특정 크기의 실리카 LB 기판이 MG-63 세포의 ALP 활성도를 향상시키는 결과가 나타났다. 이러한 결과는 실리카 LB 기판의 표면 형상이 MG-63 세포의 유전자 표현형에 중요한 역할을 수행한다는 것을 보여준다.