KR100723427B1

KR100723427B1 - 기판상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100723427B1
Application number: KR1020060042830A
Authority: KR
Inventors: 김귀현; 김병철; 정광호; 김수현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-05-30
Also published as: US7784911B2; US20070263037A1; JP5006692B2; EP1854537A1; JP2007304096A

Abstract

본 발명은

도전성 소재로 이루어지며, 상하방향으로 길게 배치되어 있으며, 생체분자 액적이 수용되는 수용부와, 상기 수용부와 연결되며 상기 생체분자 액적이 그 수용부의 외부로 토출되도록 그 수용부의 하단부에 형성된 토출구를 가지는 바늘 형상의 전계형성전극;

상기 전계형성전극의 하방에 배치되어 있고, 상기 전계형성전극의 토출구로부터 토출되는 생체분자 액적이 떨어져 부착되는 표적부를 가지며, 접지되어 있는, 기판의 상부표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판; 및

상기 전계형성전극에 전하가 충전되도록 그 전계형성전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 전계형성전극에 충전된 전하와 그 전하에 의해 상기 기판에 유도된 전하 사이에 발생된 힘에 의해 상기 생체분자 액적이 상기 기판의 표적부로 떨어지도록 하는 개방형 전압인가장치를 포함하는 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 제공한다.

Description

기판상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치 및 방법{Device and method for printing bio-drop on a substrate}

도 1은 종래의 일례에 따른 전기수력학적 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 프린팅 장치에 전압이 인가된 경우에 생성되는 전기장 분포를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 종래의 또 다른 일례에 따른 전기수력학적 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 4는 종래의 일례에 따른 전기전하집중현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 프린팅 장치에 전압이 인가된 경우에 전계형성전극에 충전되는 양전하 및 그 양전하에 의해 기판에 유도되는 음전하의 분포와, 토출구에 매달린 생체분자 액적에 작용하는 힘의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 6은 도 4에 도시된 프린팅 장치를 사용하여 생체분자 액적을 프린팅하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 도 4에 도시된 프린팅 장치를 사용하여 생체분자 액적을 기판 상에 떨어뜨리는 과정에서, 목 형상(Neck Shape)의 생체분자 액적에 작용하는 표면장력 들의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 개략적을 나타낸 도면이다.

도 9는 도 8에 도시된 기판의 평면도이다.

도 10a는 도 8에 도시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에 전압이 인가된 경우에 전계형성전극에 충전되는 양전하 및 그 양전하에 의해 기판에 유도되는 음전하의 분포와, 토출구에 매달린 생체분자 액적에 작용하는 힘의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 10b는 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치에서 생체분자 액적을 프린팅할 경우 안정적으로 생체분자 액적이 기판상에 프린팅되는 현상을 현미경으로 관찰하여 촬영한 사진이다.

도 11은 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여 생체분자 액적을 프린팅하는 과정을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 12는 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여 생체분자 액적을 기판 상에 떨어뜨리는 과정에서, 목 형상(Neck Shape)의 생체분자 액적에 작용하는 표면장력들의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 13a는 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치에서 생체분자 액적을 프린팅하고 있는 생체분자 액적 프린팅 장치의 토출구 및 기판을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 13b는 기판으로서 배지에 적신 폴리카보네이트 멤브레인 필터를 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치에서 생체분자 액적을 프린팅하고 있는 생체분자 액적 프린팅 장치의 토출구 및 기판을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 14a는 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여 연속적으로 48회 생체분자 액적을 100 μm 간격을 두고 프린팅하는 과정에서 구체적으로 하나의 생체분자 액적이 프린팅되는 과정을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 14b는 기판으로서 커버 글래스를 사용한 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여, 300 μm 간격을 두고 생체분자 액적을 프린팅하는 경우에 하나의 생체분자 액적이 프린팅되는 과정을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 15a는 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여 기판상에 생체분자 액적을 100 μm 간격으로 프린팅한 것을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 15b는 기판으로서 커버 글래스를 사용한 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여, 기판상에 생체분자 액적을 300 μm 간격으로 프린팅한 것을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 16은 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치 및 대조군으로서 커버 글래스를 사용한 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여 기판상에 생체분자 액적을 48 회 프린팅한 경우 프린팅된 각각의 액적의 직경의 크기를 측정하고, 평균값 및 변동계수(CV)를 산출하여 그래프로 나타낸 것이다.

도 17은 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여 액적의 직경의 크기가 40 μm 내지 80 μm가 되도록 하고, 액적 간의 거리를 100 μm로 하여 액적을 프린팅한 결과를 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진이다.

도 18a는 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여, 기판상에 생체분자 액적을 78 회 프린팅한 경우 프린팅된 각각의 액적의 직경의 크기를 측정하고 그 액적에 함유된 세포의 수를 계수한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 18b는 기판으로서 커버 글래스를 사용한 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하여, 기판상에 생체분자 액적을 78 회 프린팅한 경우 프린팅된 각각의 액적의 직경의 크기를 측정하고 그 액적에 함유된 세포의 수를 계수한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 19는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 생체분자 액적 또는 잉크를 프린팅하는 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 20은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 생체분자 액적 또는 잉크를 프린팅하는 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 20는 도 19에 도시된 장치를 사용하여 생체분자 액적 또는 잉크를 연속적으로 프린팅하는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...생체분자 액적 20...전계형성전극

21...전극리드선 22...수용부

23...토출구 30,60...기판

31...표적부 40...프린터 몸체

50...개방형 전압인가장치 61...평판부

62...돌출부 80...스테이지

100,200,300...전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치

본 발명은 기판상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치 및 기판상에 생체분자 액적을 프린팅하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 전기전하집중(Electric charge concentration) 현상을 이용하여 기판 상의 원하는 위치에 작은 부피 및 직경을 갖는 생체분자 액적을 좁은 간격으로 안정적으로 신속하게 프린팅할 수 있는 장치 및 기판 상의 원하는 위치에 작은 부피 및 직경을 갖는 생체분자 액적을 좁은 간격으로 안정적으로 신속하게 프린팅하는 방법에 관한 것이다.

인간　지놈　프로젝트의　경이적인　진행과 함께, 유전병의 진단, 치료 및 예방에 있어서 막대한 양의　유전자　정보를 신속히 제공할 수 있는 방법에 대한 요구가 크게 증가하였다. 그때까지　염기서열　분석법으로　사용되어　온　생 거(Sanger)의 방법은 DNA를 복제하는 중합효소연쇄반응(PCR; polymerase chain reaction)법의 개발 및 이의 자동화 등에 의해 꾸준히 발전하였음에도 불구하고, 과정이 번거롭고 많은 시간과 노력, 비용 및 고도의 숙련도를 필요로 하기 때문에,방대한 양의 유전자를 분석할 수 없어, 새로운 염기서열　분석 시스템이 끊임없이 모색되었다. 이러한 시대적　필요에 의해 지난 수년간 바이오칩(Biochip)의 제작 및 이용기술과 관련된 많은 부분에서 진보가 있었다.

바이오칩이란 실리콘, 표면개질유리，폴리프로필렌, 활성화 폴리아크릴아미드와 같은 고체 기판 표면에 핵산, 단백질, 세포 등의 생체분자들을 결합시켜 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 본포, 각종 반응 양상 등을 분석해낼 수 있는 생물학적 마이크로칩(Biological Microchip)을 말한다.

이러한 바이오칩에 분석하고자 하는 표적 물질을 반응시키면, 바이오칩에 부착되어 있는 프로브들과 표적 물질과 결합 상태를 이루게 되는데, 이를 광학적인 방법 또는 방사능 화학적 방법 등을 통해 관찰 해석함으로써 표적 물질을 분석할 수 있다. 예를 들면, 프로브 DNA가 부착된 DNA칩(DNA 마이크로어레이)에 분석하고자 하는 표적 DNA(target DNA) 단편을 결합시키면, 프로브들과 표적 DNA 단편상의 염기서열의 상보적인 정도에 따라 각기 다른 혼성화 결합(hybridization) 상태를 이루게 되는데, 이를 여러 가지 검출방법을 통해 관찰 해석함으로써 표적 DNA의 염기서열을 분석할 수 있다(sequencing by hybridization; SBH).

이러한 바이오칩 또는 DNA 마이크로어레이를 제작하는데 사용되는 프린팅 장치의 일례는 대한민국 특허출원 제2005-40162호에 개시되어 있다. 도 1에 도시되 어 있는 바와 같이 상기 프린팅 장치(1)는, 도전성 소재로 이루어지며 상하방향으로 길게 배치되어 있으며 프로브(Probe) DNA, RNA, PNA(Peptide nucleic acid), LNA 등의 핵산(nucleic acid)류, 항원, 항체 등의 단백질(Protein)류, 올리고펩티드류, 인간세포, 동물세포, 식물세포 등의 세포류, 바이러스, 박테리아 등과 같은 생체분자 액적(10)이 수용되는 수용부(2)와, 상기 수용부(2)와 연결되며 상기 생체분자 액적이 그 수용부(2)의 외부로 토출되도록 그 수용부(2)의 하단부에 형성된 토출구(3)를 가지는 바늘 형상의 전계형성 제1전극(4)과, 상기 전계형성 제1전극(4)의 하방에 배치되어 있으며, 상기 전계형성 제1전극(4)의 토출구(3)로부터 토출되는 생체분자 액적이 떨어져 부착되는 표적부(5)를 가지는 기판(6)과, 상기 전계형성 제1전극(4)의 하방에 배치되어 있으며, 도전성 소재로 이루어지며, 상기 기판(6)에 부착되는 전계형성 제2전극(7)을 구비한다. 또한, 상기 전계형성 제1전극(4)과 상기 전계형성 제2전극(7)은 전극리드선(8)들에 의해 전압인가장치(9)에 연결되어 있어서, 그 전계형성 제1전극(4)과 전계형성 제2전극(7)으로 전압을 인가할 수 있도록 되어 있다.

상술한 바와 같이 구성된 프린팅 장치(1)에 있어서, 전압인가장치(9)를 구동하여 전계형성 제1전극(4) 및 전계형성 제2전극(7)에 직류전압 및 교류전압을 동시에 인가하면, 도 2에 도시된 바와 같이 그 전계형성 제1전극(4)과 전계형성 제2전극(7) 사이에 전기장이 발생되게 된다. 이와 같이 발생된 전기장 분포와, 자유계면을 갖는 상기 생체분자 액적(10) 및 대기의 전기 유전율 구배의 상호 작용으로 인하여 상기 생체분자 액적(10) 주위로부터 상기 생체분자 액적(10)쪽으로는 전기 력이 발생하게 되며, 이에 따라 토출구(3)에 매달려 있던 생체분자 액적(10)이 기판(6)의 표적부(5)로 떨어지게 된다.

그런데, 상술한 바와 같은 프린팅 장치(1)에 있어서, 기판이 도전성 소재로 이루어지거나 기판에 도전성 소재로 이루어진 전계형성 제2전극이 부착되어야만, 전계형성 제1전극과 기판 사이에 전기장을 형성시킬 수 있고 이에 따라 전기수력학적 현상을 발생시켜 생체분자 액적을 프린트할 수 있게 된다. 따라서, 기판의 재질 및 표면이 도전성을 가지도록 구성해야 한다는 불편함이 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 전계형성 제1전극과 전계형성 제2전극 사이의 전기장은 비균일하게 발생하게 되며, 이에 따라 생체분자 액적을 원하는 위치의 표적부에 떨어뜨리지 못하는 경우가 자주 발생하게 된다.

한편, 전계형성 제1전극과 전계형성 제2전극 사이의 간격이 일정 수준보다 가깝게 되면, 전기 방전(electric discharge)이 발생하게 되는데, 이러한 전기 방전은 표적부에 떨어지는 생체분자 액적의 생화학적 성질의 변형이나 액적의 크기 및 부피를 비균일하게 만들뿐 만 아니라, 기판의 표면구조나 성질을 변화시킬 수 있게 되므로, 전기 방전이 발생하지 않도록 전계형성 제1전극과 전계형성 제2전극 간의 간격이 조절되어야만 한다. 실제로, 기판이 PMMA로 코팅된 경우(코팅 두께 5㎛)에 있어서, 전계형성 제1전극과 전계형성 제2전극 사이의 간격이 750㎛ 이상이 되어야만 전기 방전이 발생하지 않게 된다. 따라서, 상기 전기 방전이 방지되는 프린팅 장치를 구성함에 있어서는, 그 전계형성 제1전극과 전계형성 제2전극 간의 간격을 일정 수준 이상으로 조절해야 한다는 측면에서 설계상의 제약이 뒤따르게 된다. 또한, 이와 같이 전계형성 제1전극과 전계형성 제2전극 간의 간격이 너무 멀게 하면 생체분자 액적을 원하는 위치의 표적부에 떨어뜨리기 어려운 문제가 발생한다.

상기 생체분자 액적을 프린팅하는 장치가 생체분자 액적을 원하는 위치의 표적부에 떨어뜨리기 어려운 문제를 해결하기 위하여, 제 2 전극으로서 고리 모양의 전극을 도입하여 고리 내에서만 전기장이 형성되도록 하는 도 3과 같은 장치가 개발되었다(Electric field driven jetting: an emerging approach for processing living cells, Biotechnol. J. 2006, 1, 86-94; Electric field driven jetting: Electrohydrodynamic Jet Processing: An Advanced Electric-Field-Driven Jetting Phenomenon for Processing Living Cells Small. 2006, 2, No. 2, 216-219; Electrohydrodynamic jetting of mouse neuronal cells, Biochemical journal, 2006 Jan 4). 이러한 장치는 제 1 전극에 해당하는 전기 스프레이 바늘로부터 제 2 전극인 고리 전극 내에만 생성된 전기장에 의해 제 1 전극에 해당하는 전기스프레이 바늘로부터 생체분자 액적이 분무되어 나오면 고리 전극 내부로만 분무된 생체분자가 떨어져 표적부에 도달하게 된다. 그러나, 이러한 장치는 비록 고리 전극 내부로만 생체분자 액적이 떨어진다고 하더라도 전기 방전의 발생을 막기 위해 전기 스프레이 바늘로부터 고리 전극 간의 거리가 일정 수준이상 떨어져야 하기 때문에, 기판 상의 원하는 위치의 표적부에 생체분자 액적을 프린팅할 수 없는 문제가 있다.

상기한 바와 같은 전기 수력학적 현상을 이용한 생체분자를 프린팅하는 장치 의 문제점을 해소하기 위해 대한민국 특허출원 2005-74496에서는 도 4에 나타낸 바와 같은 전기전하집중 현상을 이용하여 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 개발하였다. 이러한 장치는 우선 생체분자 액적(10a)을 공급한 후에, 개방형 전압인가장치(60a)로 전계형성전극(20a)에 직류전압과 교류전압을 동시에 인가하게 되면, 토출구(23a)에 매달려 있는 생체분자 액적(10)에는 양전하가 충전되게 되고, 이에 따라 접지되어 있는 기판(30a)에는 음전하가 유도되게 된다. 그리고, 상기 양전하와 음전하 사이에는 도 5에 도시된 바와 같이 전기장이 형성되게 된다. 이와 같이, 생체분자 액적(10a)에 양전하가 충전되고 이에 따라 그 생체분자 액적이 마주하고 있는 기판(30a)의 부분에 음전하가 유도되게 되면, 상기 양전하와 음전하 사이에 힘이 발생하게 된다. 여기서 음전하가 생체분자 액적의 하방에 유도되게 되므로, 상기 힘은 생체분자 액적의 하방으로 집중적으로 작용하게 된다. 그리고, 상기 힘에 의해 토출구(23a)에 매달려 있던 생체분자 액적은 도 6의 가운데 사진, 즉 도 7에 도시된 바와 같이 기판(30a)으로 흘러 내려 대략적으로 항아리형으로 변형되게 되고, 그 항아리형으로 변형된 생체분자 액적에는 목 형상(Neck Shape)이 형성되게 된다. 이와 같이 토출구에 매달려 있던 생체분자 액적이 기판(30a)으로 흘러 내려 도 7에 도시된 바와 같이 형성되게 되면, 그 생체분자 액적에 충전되어 있던 양전하가 기판의 음전하와 함께 소멸되게 되며, 이에 따라 힘이 줄어들게 된다. 즉, 토출구(23a)에 매달려 있던 생체분자 액적을 하방으로 끌어당기던 힘이 줄어들게 된다. 그리고, 상기 목 형상을 이루는 생체분자 액적과 기판(30a) 사이의 표면장력(A)와, 상기 목 형상을 이루는 생체분자 액적과 전계형성전극(20a) 사이에 형성 된 표면장력(B)은 도 7에 도시된 바와 같이 서로 반대방향으로 작용하게 된다. 이와 같이, 생체분자 액적에 충전되었던 전하가 소멸되게 되어 힘이 줄어들게 될 뿐만 아니라 생체분자 액적의 표면장력들(A,B)이 서로 반대방향으로 작용하게 되므로, 생체분자 액적은 그 목 형상 부분에서 분리되어 두 개의 생체분자 액적으로 분리되게 된다. 따라서, 기판(30a)에는 도 6의 마지막 사진에 도시된 바와 같이 생체분자 액적이 떨어져 부착되게 된다. 이러한 장치에서는 기판이 접지되도록 구성되어 있으므로, 그 기판을 구성함에 있어서 기판의 재질에 제한을 받지 않아도 된다. 또한, 생체분자 액적에 충전된 양전하에 의해 그 생체분자 액적과 마주하는 기판의 부분에 음전하가 유도되게 될 뿐만 아니라 전기수력학적 현상을 이용하는 경우에 비해 생체분자 액적에 더 많은 양전하가 충전되게 되므로, 생체분자 액적을 원하는 위치의 표적부에 떨어뜨려 부착할 수 있다. 또한, 힘이 매우 크게 작용하기 때문에 생체분자 액적을 종래에 비해 더 작은 크기 및 부피로 프린팅할 수 있었다. 또한, 기판이 접지되도록 구성되어 있으므로, 종래에 전기수력학적 현상을 이용하는 경우와는 달리 전기 방전(electric discharge)이 발생하지 않게 되며, 이에 따라 전계형성전극과 기판 간의 간격을 자유롭게 조절할 수 있게 되었다. 즉, 대한민국 특허출원 2005-74496에 개시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서는 전기전하집중 현상을 이용하여 생체분자 액적을 원하는 위치에 작은 크기 및 부피로 프린팅하는 것이 가능해졌다.

그러나, 고밀도의 바이오칩을 제조하기 위해서는 보다 작은 부피로 생체분자액적을 프린팅하는 방법이 필요하다. 특히 줄기세포를 포함한 세포의 상호작용을 연구하기 위해서 프린팅되는 액적당 6 개 이하의 세포를 포함할 정도로 작은 부피의 생체분자 액적을 프린팅할 수 있어야 한다. 또한, 줄기세포를 포함한 세포의 조직공학적 연구를 위해서는 세포를 1 개씩 프린팅해야 하는 경우도 존재하며, 이러한 경우 최소 간격으로 조절 가능하도록 소량의 액적을 프린팅하여야 한다. 또한, 이러한 생체분자 액적을 프린팅할 경우에는 상기한 바와 같은 액적의 크기도 중요하지만, 액적을 균일한 부피로 짧은 시간에 신속하게 프린팅하는 것이 바람직하다. 이와 함께, 액적 간의 간격을 좁게 하여 보다 고밀도로 프린팅할 수 있어야 한다.

상기 대한민국 특허출원 2005-74496에 개시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치는 전기전하집중 현상을 이용하여 종래의 전기수력학적 방법에 의한 생체분자 액적의 프린팅 보다는 생체분자 액적을 원하는 위치에 작은 크기 및 부피로 프린팅하는 것이 가능해졌으나, 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적이 안정적이지 않고, 흔들리는 현상이 발생되어 액적을 프린팅할 때, 생체분자 액적이 프린팅되는 위치를 제어하기 어려울 뿐만 아니라, 프린팅되는 액적의 부피를 제어할 수 없어, 원하는 위치에 균일한 부피로 프린팅하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 액적의 크기에 따라 액적 간의 간격을 최소화할 수 있는 정도에 한계가 있다. 뿐만 아니라, 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적이 안정적이지 않고, 흔들리는 현상에 의해 생체분자 액적을 프린팅하는 시간이 많이 소요되어 신속하게 액적을 프린팅하지 못하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 대한민국 특허출원 2005-74496에 개시된 생체분자 액 적을 프린팅하는 장치의 상기와 같은 문제점에 대해 연구한 결과, 생체분자 액적이 떨어져서 부착되는 표적부를 갖는 기판을 변경함으로써 생체분자 액적을 적은 부피로 좁은 간격으로 안정적으로 신속하게 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라, 액적의 부피를 균일하게 프린팅할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 생체분자 액적을 작은 부피로 좁은 간격으로 안정적으로 신속하게 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라, 액적의 부피를 균일하게 프린팅할 수 있는 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생체분자 액적을 작은 부피로 좁은 간격으로 안정적으로 신속하게 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라, 액적의 부피를 균일하게 프린팅하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 생체분자 액적을 프린팅하는 장치는,

상기 전계형성전극에 전하가 충전되도록 그 전계형성전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 전계형성전극에 충전된 전하와 그 전하에 의해 상기 기판에 유도된 전하 사이에 발생된 힘에 의해 상기 생체분자 액적이 상기 기판의 표적부로 떨어지도록 하는 개방형 전압인가장치를 포함한다.

상기 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 구성하는, 기판의 상부표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판으로는 대표적으로 아가로오스 겔 또는 물에 적신 멤브레인 필터가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 고체 기판으로서 사용될 수 있는 아가로오스 겔은 아가로오스를 0.1~15 중량% 함유할 수 있다.

상기 고체 기판으로서 사용될 수 있는 멤브레인 필터으로는 폴리카보네이트, 나일론, 셀룰로스아세테이트, 폴리에스테르설폰, 또는 테플론 멤브레인 필터가 사용될 수 있다. 또한 위와 동일한 재질의 메시(mesh)도 사용 가능하며, 40~500 μm 크기 범위의 메시가 사용될 수 잇다.

상기 생체분자는 핵산, 단백질, 올리고펩티드, 당류, 진핵세포, 줄기세포, 바이러스 및 박테리아로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 이용하면 생체분자의 액적이 기판 상에 50 μm 이하의 크기로 프린팅될 수 있다.

또한, 상기 생체분자 액적을 프린팅하는 장치는 전계형성전극의 토출구의 상방에 배치되어 있으며, 상기 전계형성전극을 지지하는 프린터 몸체를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전계형성전극과 개방형 전압인가장치는, 상기 전계형성전극의 상단부에 접속되어 있는 전극리드선에 의해 전기적으로 연결되어 있는 것이 바람직하다.

상기 개방형 전압인가장치는 상기 토출구에 매달려 있는 상기 생체분자 액적의 하방으로 전기장이 형성되도록 교류전압 또는 직류전압을 가할 수 있으나, 교류전압 또는 직류전압을 동시에 인가하는 것이 바람직하다. 상기 전계형성전극에는 5V 내지 100,000V의 상기 직류전압 및 5V 내지 100,000V의 상기 교류전압이 동시에 인가되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 전계형성전극에는 500V 내지 10,000V의 상기 직류전압 및 500V 내지 10,000V의 상기 교류전압이 동시에 인가될 수 있다.

또한, 상기 전계형성전극에는 10Hz 내지 1,000Hz의 상기 교류전압이 인가되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 전계형성전극에는 2000V의 상기 직류전압 및 500V 및 130Hz의 상기 교류전압이 동시에 인가될 수 있다.

또한, 상기 기판은 평판 형상의 평판부와, 상기 평판부로부터 상방으로 돌출된 다수의 돌출부를 가지며, 상기 각 돌출부가 상기 기판의 표적부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 기판은 상기 전계형성전극과 대략 직교하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전계형성전극은 도전성 금속, 도전성 폴리머, 및 ITO GLASS로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 전계형성전극의 토출구 부근은 소수성(hydrophobic) 처리된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 전계형성전극은 동일 피치로 복수 마련되어 있으며, 상기 기판에는 복수의 표적부가 마련되어 있으며, 그 표적부들은 상기 전계형성전극들과 각각 대응되도록 그 전계형성전극들과 동일 피치로 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

도전성 소재로 이루어지며, 생체분자 액적이 수용되는 수용부와, 상기 수용부와 연결되며 상기 생체분자 액적이 그 수용부의 외부로 토출되도록 그 수용부의 하단부에 형성된 토출구를 가지는 바늘 형상의 전계형성전극을 상하방향으로 길게 배치하는 전계형성전극 배치단계;

상기 전계형성전극의 토출구로부터 토출되는 생체분자 액적이 떨어져 부착되는 표적부를 가지며, 접지되어 있는, 기판의 상부표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판을 배치하는 단계;

상기 전계형성전극과 전기적으로 연결된 개방형 전압인가장치를 배치하는 개방형 전압인가장치 배치단계;

생체분자 액적을 상기 전계형성전극의 수용부에 공급하는 생체분자 액적 공급단계; 및

상기 개방형 전압인가장치로부터 상기 전계형성전극에 전압을 인가하여 상기 생체분자 액적을 상기 기판의 표적부로 떨어뜨리는 생체분자 액적 분리단계를 포함하는 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 목적 및 이점은 하기 설명에 의해 보다 명확하게 나타날 것이다. 그러나, 첨부한 도면에 나타낸 구현예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 도면에 나타낸 구현예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 구현예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

도 8은 본 발명에 일 구현예에 따른 생체분자 액적 또는 잉크를 프린팅하는 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 기판의 평면도이며, 도 10a는 도 8에 도시된 프린팅 장치에 전압이 인가된 경우에 전계형성전극에 충전되는 양전하 및 그 양전하에 의해 기판에 유도되는 음전하의 분포와, 토출구에 매달린 생체분자 액적에 작용하는 힘의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 10b 는 도 8에 도시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서 생체분자 액적을 프린팅할 경우 안정적으로 생체분자 액적이 기판상에 프린팅되는 현상을 현미경으로 관찰하여 촬영한 사진이다. 도 11은 도 8에 도시된 프린팅 장치를 이용하여 생체분자 액적을 프린팅하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 8에 도시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 사용하여 생체분자 액적을 기판 상에 떨어뜨리는 과정에서, 목 형상(Neck Shape)의 생체분자 액적에 작용하는 표면장력들의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적(10)을 프린팅하는 장치(100)는 전계형성전극(20), 기판(30), 프린터 몸체(40), 및 개방형 전압인가장치(50)를 구비한다.

상기 전계형성전극(20)은 금, 백금, 구리 등과 같은 도전성 금속과, 전도성 폴리머와, ITO(Indium-Tin Oxide) GLASS, 카본나노튜브(carbon nano tube) 중 어느 하나로 이루어져 있거나, 상기 도전성 금속과, 전도성 폴리머와, ITO(Indium-Tin Oxide) GLASS, 카본나노튜브 중 적어도 두 가지로 이루어 질 수 있다. 상기 전계형성전극(20)은 일방향으로 길게 형성되어 있어 전체적으로 바늘 형상으로 되어 있으며, 상하방향으로 길게 배치되어 있다. 상기 전계형성전극(20)의 상단부에는 전극리드선(21)이 접속되어 있으며, 이 전극리드선(21)에 의해 상기 전계형성전극(20)과 후술하는 개방형 전압인가장치(50)는 서로 전기적으로 연결되어 있다.

상기 전계형성전극(20)은 수용부(22)와 토출구(23)를 구비한다.

상기 수용부(22)는 프로브(Probe) DNA, RNA, PNA(Peptide nucleic acid), LNA 등의 핵산(nucleic acid)류, 항원, 항체 등의 단백질(Protein)류, 올리고펩티드류, 당류, 인간세포, 동물세포, 식물세포, 줄기세포 등의 세포류, 바이러스, 박테리아 등과 같은 생체분자(biomolecule) 액적(10)이 수용되는 부분이다.

상기 토출구(23)는 상기 수용부(22)의 하단부에 형성되어 있으며 그 수용부(22)와 연결되어 있다. 상기 토출구(23)의 내경은 매우 작게 형성되어 있으므로, 외부에서 힘이 가해지지 않으면 생체분자 액적(10)이 표면장력에 의해 중력을 이기고 그 토출구(23)에 매달려 있게 된다. 상기 토출구(23)를 통해 상기 수용부(22)에 수용되어 있는 생체분자 및 마이크로 자기 비드를 포함하는 생체분자 액적(10)은 후술하는 전기전하집중 현상에 의해 그 수용부(22)의 외부로 토출 가능하다. 상기 토출구(23) 부근은 소수성(hydrophobic)으로 처리되어 있으므로, 상기 생체분자 액적(10)의 접촉각이 높아져 그 생체분자 액적(10)은 토출구(23) 옆으로 흐르지 않게 된다.

상기 기판(30)은 세포배양용 기판이거나, 바이오칩 또는 DNA 마이크로어레이를 구성한다. 상기 기판은, 본원발명의 목적인 생체분자 액적을 작은 부피로 좁은 간격으로 안정적으로 신속하게 프린팅하는 것 뿐만 아니라, 액적의 부피를 균일하게 프린팅하는 것을 가능하게 하기 위해, 기판의 상부표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 기판의 상부 표면에 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판이어야 한다. 이러한 고체 기판(30)은 수분 박막의 존재로 인해, 전압의 인가에 의해 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적에 형성되는 양전하에 의해 토출구에 가장 가까운 부위, 즉 토출구와 수직으로 만나는 기판상의 표적부(31)에 음전하가 집중 적으로 유도되는 것을 가능하게 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래의 대한민국 특허출원 2005-74496에 개시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서는 토출구(23a)에 매달려 있는 생체분자 액적이 흔들리는 현상으로 인해 생체분자 액적을 50 μm 이하의 직경을 가질 정도로 작은 부피로 균일한 부피를 갖도록 프린팅하는 것이 어려웠으며, 또한 좁은 간격으로 밀도 있게 프린팅하는 것이 어려웠다. 뿐만 아니라, 토출구(23a)에 매달려 있는 생체분자 액적이 흔들리는 현상으로 인해 액적을 신속하게 프린팅할 수 없었으며 시간이 많이 소요되었다. 이러한 대한민국 특허출원 2005-74496에 개시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치의 문제점은 주로 노출구(23a)에 매달려 있는 생체분자 액적이 전압의 인가시 불안정하게 흔들리는 현상에 기인한 것이다. 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적이 전압의 인가 시 흔들리는 현상은, 여러가지 요인이 있겠지만, 전압의 인가 시 토출구의 수직 하방에 존재하는 기판 상의 표적부 뿐만 아니라, 그 인근 부위에 고체 또는 액체 미립자가 존재할 경우 그 미립자 주위에도 상대 전하가 유도되는 현상이 하나의 큰 원인인 것으로 추정된다. 이러한 현상은 상기 미립자가 이물질일 경우 뿐만 아니라, 생체분자 액적을 매우 조밀하게 프린팅할 경우 바로 옆에 인접하는 생체분자 액적의 존재에 의해서도 일어날 수 있다. 이로 인해 대한민국 특허출원 2005-74496에 개시된 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 이용하면 생체분자 액적을 균일한 부피로 작은 직경을 가지면서 조밀하게 프린팅하는 것이 어려웠던 것이다.

본 발명에서는 기판(30)으로서 기판의 상부 표면에 수분 박막이 존재하는 고 체 기판을 도입함으로써 상기와 같은 문제점을 해결한 것이다. 기판의 상부 표면에 수분 박막이 존재하는 고체 기판으로는 하이드로겔과 같이 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하는 물질이 이용될 수 있다. 또한, 이러한 기판의 특징은 생체분자 액적이 프린팅되는 기판의 상부 표면에서만 만족하면 된다. 즉, 본 발명에서 사용될 수 있는 기판은 기판 상부 표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판이다. 이러한 기판은 생체분자 액적의 프린팅이 가능한 고체 기판으로서의 역할을 하면서도, 기판의 표면상에 수분 박막을 고정할 수 있다는 특징이 있다. 또한 이러한 고체기판의 고체 성분은 생체적합성 물질로 이루어져야 한다. 이러한 기판으로는 대표적으로, 아가로오스 겔을 포함한 하이드로겔, 물에 적신 멤브레인 필터 등이 있다. 아가로오스 겔은 아가로오스를 0.1~15 중량% 함유할 수 있으며, 이러한 범위를 넘을 경우에는 수분이 부족하여 본 발명의 효과가 얻어지지 않으며, 이러한 범위에 미치지 못할 경우에는 고체 형상을 유지하기 어렵거나 생체분자 액적을 프린팅할 수 있는 고체 기판으로서의 역할을 할 수 없는 문제가 있다.

상기 멤브레인 필터로는 폴리카보네이트, 나일론, 셀룰로스아세테이트, 폴리에스테르설폰, 또는 테플론 멤브레인 필터가 이용될 수 있다. 또한 위와 동일한 재질의 40~500um 크기를 갖는 메시도 사용 가능하다. 상기 멤브레인 필터나 메시에 적시는 물은 순수한 물일 수도 있으나, 바람직하게는 프린팅되는 생체분자의 생존에 적합한 배지인 것이 바람직하다.

상기 기판(30)은 상기 전계형성전극(20)의 하방에 배치되어 있으며, 특히 상 기 전계형성전극(20)과 대략 직교하도록 배치되어 있다. 상기 기판(30)에는 표적부(31)가 형성되어 있다. 상기 표적부(31)에는 상기 전계형성전극(20)의 토출구(23)로부터 토출되는 생체분자 액적(10)이 떨어져 부착된다. 상기 기판(30)은 접지되어 있다.

상기 프린터 몸체(40)는 상기 전계형성전극(20)의 토출구(23)의 상방에 배치되어 있다. 상기 프린터 몸체(40)는 상기 전계형성전극(20)을 지지하며, 대표적으로 PMMA(polymethlymethacrylate)로 이루질 수 있다. 상기 프린터 몸체(40)는 별도의 구동장치(미도시)에 의해 x, y 및 z축으로 3차원 이동이 가능하다. 따라서, 상기 별도의 구동장치를 구동시켜 상기 프린터 몸체(40)에 지지되어 있는 상기 전계형성전극(20)을 상기 표적부(31) 상방으로 이동시켜 그 표적부(31)와 일정 거리로 이격되도록 배치시킬 수 있게 된다.

상기 개방형 전압인가장치(50)(open circuit)는 상기 전계형성전극(20)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 개방형 전압인가장치(50)는 상기 전극리드선(21)을 통해서 상기 전계형성전극(20)에 직류전압과 교류전압을 동시에 인가할 수 있다.

이러한 직류전압 및 교류전압의 인가에 의해서 상기 토출구(23)에 매달려 있는 상기 생체분자 액적(10)에 양전하가 충전되게 되며, 그 충전된 양전하에 의해 상기 기판(30)에는 음전하가 유도되게 된다. 따라서, 상기 양전하와 음전하 사이에는 도 10a에 도시된 바와 같은 전기장이 형성되게 된다. 그리고, 상기 전계형성전극(20)에 충전된 양전하와, 그 양전하에 의해 상기 기판(30)에 유도된 음전하 사이에 발생된 힘에 의해 상기 생체분자 액적(10)이 상기 기판(30)의 표적부(31)로 떨어지게 된다. 이때, 통상의 고체 기판에서는 앞서 설명한 바와 같이 기판상에 존재하는 고체 또는 액체 상태이 이물질 또는 이미 프린팅된 인접하는 생체분자 액적의 존재에 의해 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적이 흔들리는 현상이 발생되지만, 본원발명에서는 기판으로서 수분 박막이 존재하는 기판을 사용함으로써, 토출구와 수직방향으로 만나는 기판상의 부위 이외에 발생될 수 있는 상대 전하의 유도를 수분 박막의 존재에 의해 박만 전체에 균일하게 흩어지도록 하여, 기판상의 표적부에만 집중적으로 상대전하의 집중현상이 일어나도록 한다. 이에 대해서는 아래에서 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

전계형성전극의 토출구(23)에 존재하는 생체분자 액적(10)에 존재하는 힘의 관계를 도 10a에 나타내었다. 도 10a를 참조하면, 전계형성전극(20)에 전압이 인가되는 경우에, 상기 토출구(31)에 매달려 있는 생체분자 액적(10)에는 그 생체분자 액적(10)에 작용하는 중력(F_g)과, 생체분자 액적(10)의 표면에 작용하는 표면장력(F_c)과, 생체분자 액적(10)에 충전된 양전하와 그 양전하에 의해 기판(30)에 충전된 음전하 간의 힘(F_e)이 작용하게 됨을 알 수 있다. 그리고, 상기 중력(F_g)과, 표면장력(F_c)과, 힘(F_e)은 도 10a에 도시된 것과 같은 방향으로 작용하기 때문에, 상기 생체분자 액적이 하방으로 떨어지기 직전에 있어서 상기 중력(F_g)과, 표면장력(F_c)과, 힘(F_e)은 다음의 식(1)과 같은 힘의 평형 관계를 유지하게 된다.

중력(F_g) + 힘(F_e) = 표면장력(F_c).....식(1)

여기서, 중력(F_g) = ρg△V^drop(단, ρ는 생체분자 액적의 밀도이고, g는 중력가속도이며, △V^drop는 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적의 부피임)이고,

표면장력(F_c) = 2πRγ(단, R은 토출구의 반경이고, γ은 단위길이당 표면장력임)이며,

힘(F_e) = ρ_fE - E²∇ε/2(단, ρf는 생체분자 액적의 자유전하(free charge)이고, E는 전기장의 세기이며, ∇ε은 유전율임)이다. 여기서, 전기력은 전기영동력(ρ_fE)과 유전영동력(-E²∇ε/2)의 합으로 나타내진다.

상기 식(1)에서 중력(F_g)은 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적의 부피에 비례하며, 그 생체분자 액적의 부피는 매우 작으므로, 결국 식(1)에서 중력(F_g)은 무시할 수 있게 된다.

따라서, 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적(10)의 표면장력(F_c) 보다 큰 힘(F_e)을 발생시키게 되면, 그 힘에 의해 상기 식(1)의 평형관계가 깨지게 되며, 이에 따라 상기 생체분자 액적(10)을 상기 기판의 표적부(31)로 떨어뜨릴 수 있게 된다. 그리고, 토출구에 매달려 있는 생체분자 액적 표면 하단부에 집중된 전하(charge)에 의해서 상기 기판에는 상대 전하(counter-charge)가 유도되게 되며, 그 유도된 상대전하는 주로 그 생체분자 액적 표면 하단부와 마주하는 부분에 유도 되게 된다. 따라서, 생체분자 액적의 전하와 기판의 상대전하 사이에 힘이 발생하게 된다. 상기한 바와 같이 전기전하집중 현상에 의한 힘의 발생으로 인해 생체분자 액적이 기판상의 표면에 떨어지게 된다.

본 발명에서는 고체 기판으로서 수분 박막이 존재하는 기판을 사용함으로써 전기전하집중 현상에 의해 토출구(23)와 수직방향으로 만나는 기판 상의 표적부(31) 이외 부분에 유도될 수 있는 상대 전하의 집중을 균일하게 분산시킬 수 있다. 본원발명에서 수분 박막이 존재하는 고체 기판을 사용함으로써 상기와 같이 표적부(31) 이외의 부위에 상대 이온이 집중되는 현상을 막을 수 있는 것은, 액체에서의 전하 이동도가 고체에세의 전하 이동도보다 크기 때문이다. 수분 박막이 존재하는 고체 기판에서는 일시적으로 표적부(31) 이외의 부분에 상대 전하가 유도되었다고 하더라도, 토출구와 수직으로 만나는 표적부(31)와 같이 지속적으로 상대전하가 유도되는 부분 이외의 부분에 유도된 상대전하는 수분 박막에 의해 신속하게 균일하게 분산된다. 따라서, 전기전하집중현상에 의해 상대 전하가 유도되는 부분은 표적부(31)가 유일하게 되어, 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적은 흔들리지 않고 안정적으로 존재하게 되며, 따라서 생체분자 액적을 보다 작고 균일한 부피로 좁은 간격으로 신속하게 프린팅할 수 있는 것이다. 또한, 이러한 신속한 액적의 프린팅이 가능하여, 수용부(22)에 수용되어 있는 생체분자가 중력에 의해 수용부의 토출구 쪽으로 하강하는 현상이 현저히 감소하여, 종래의 수분 박막이 존재하지 않는 고체 기판을 사용하는 경우에 비해 프린팅되는 액적의 부피에 대한 액적 내에 존재하는 생체분자의 수에 있어서 상관관계가 높아지는 장점도 있다.

한편, 상기 개방형 전압인가장치(50)에 의해서 5V 내지 100,000V의 직류전압과, 5V 내지 100,000V와 10Hz 내지 1,000Hz의 교류전압이 동시에 인가되는 것이 바람직하며, 특히 500V 내지 10,000V의 직류전압과, 500V 내지 10,000V와 10Hz 내지 1,000Hz의 교류전압이 동시에 인가되는 것이 더욱 바람직하다. 상기와 같은 전압범위 및 주파수 범위를 벗어난 직류전압 및 교류전압을 인가하게 되면, 상기 생체분자 액적(10)에 적절한 크기의 힘을 작용시켜 그 생체분자 액적(10)을 상기 기판(30)에 효율적으로 떨어뜨릴 수 없게 되므로 바람직하지 않다. 그리고, 2000V의 상기 직류전압 및 500V 및 130Hz의 상기 교류전압이 인가되는 것이 가장 바람직하다.

이하, 본 발명의 일 구현예에 따른, 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치(100)를 사용하여 생체분자 액적(10)을 프린팅하는 과정의 일례를 도 11을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 구동장치를 구동하여 전계형성전극(20)이 지지되어 있는 프린터 몸체(40)를 기판(30)의 표적부(31) 상방으로 이동시킨다. 그 후에, 프로브(Probe) DNA, RNA, PNA(Peptide nucleic acid), LNA 등의 핵산(nucleic acid)류; 항원, 항체 등의 단백질(Protein)류; 올리고펩티드류; 당류; 인간세포, 줄기세포, 동물세포, 식물세포 등의 진핵세포류; 바이러스; 박테리아 등과 같은 생체분자 액적(10)를 전계형성전극(20)의 수용부(22)에 공급한다. 이 때 전계형성전극(20)은 그 하단부에 토출구(23)가 형성되어 있지만, 그 토출구(23)의 내경은 매우 작게 형성되어 있으므로, 외부에서 힘이 가해지지 않으면 생체분자 액적(10)이 표면장력에 의 해 중력을 이기고 토출구(23)에 매달려 있게 된다.

이와 같이 생체분자 액적(10)을 공급한 후에, 개방형 전압인가장치(50)로 전계형성전극(20)에 5V 내지 100,000V의 직류전압과, 5V 내지 100,000V와 10Hz 내지 1,000Hz의 교류전압을 동시에 인가하게 되면, 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적(10)에는 양전하가 충전되게 되고, 이에 따라 접지되어 있는 기판(30)에는 음전하가 유도되게 된다. 그리고, 상기 양전하와 음전하 사이에는 도 10a에 도시된 바와 같이 전기장이 형성되게 된다.

이와 같이, 생체분자 액적(10)에 양전하가 충전되고 이에 따라 그 생체분자 액적이 마주하고 있는 기판(30)의 부분에 음전하가 유도되게 되면, 상기 양전하와 음전하 사이에 힘이 발생하게 된다. 여기서 음전하가 생체분자 액적의 하방, 즉 표적부(31)에 유도되게 되므로, 상기 힘은 생체분자 액적의 하방으로 집중적으로 작용하게 된다. 이와 같이 하부가 액적의 하부가 좁아진 토출구(23)에 매달려 있던 생체분자 액적은 힘에 의해 도 11의 가운데 사진, 즉 도 12에 도시된 바와 같이 기판(30)으로 흘러 내려 대략적으로 항아리형으로 변형되게 되고, 그 항아리형으로 변형된 생체분자 액적에는 목 형상(Neck Shape)이 형성되게 된다. 이와 같이 토출구에 매달려 있던 생체분자 액적이 기판(30)으로 흘러 내려 도 12에 도시된 바와 같이 형성되게 되면, 그 생체분자 액적에 충전되어 있던 양전하가 기판의 음전하와 함께 소멸되게 되며, 이에 따라 힘이 줄어들게 된다. 즉, 토출구(23)에 매달려 있던 생체분자 액적을 하방으로 끌어당기던 힘이 줄어들게 된다. 그리고, 상기 목 형상을 이루는 생체분자 액적과 기판(30) 사이의 표면장력(A)와, 상기 목 형상을 이루는 생체분자 액적과 전계형성전극(20) 사이에 형성된 표면장력(B)은 도 12에 도시된 바와 같이 서로 반대방향으로 작용하게 된다. 이와 같이, 생체분자 액적에 충전되었던 전하가 소멸되게 되어 힘이 줄어들게 될 뿐만 아니라 생체분자 액적의 표면장력들(A,B)이 서로 반대방향으로 작용하게 되므로, 생체분자 액적은 그 목 형상 부분에서 분리되어 두 개의 생체분자 액적으로 분리되게 된다. 따라서, 기판(30)에는 도 11의 마지막 사진에 도시된 바와 같이 생체분자 액적이 떨어져 부착되게 된다.

이러한 과정에서, 본 발명에서는 기판(30)으로서 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판을 사용하므로, 표적부 이외의 기판상의 다른 부분에 고체 또는 액체 미립자에 의해 유도될 수 있는 상대 전하가 수분 박막의 전하 이동도가 높은 것으로 인해 집중되지 않고 분산된다. 이에 반해, 토출구와 수직으로 만나는 표적부에서는 지속직인 상대전하의 유도에 의해, 오직 표적부에만 상대 전하가 집중된다. 따라서, 상기 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적은 흔들리지 않고 안정적으로 존재할 수 있어, 그 부피를 일정하게 조절할 수 있으며, 프린팅되는 액적간의 부피차를 줄여 균일한 부피의 액적을 프린팅할 수 있다. 또한, 기판성의 원하는 표적부(31)에 적은 부피로 신속하게 프린팅할 수 있으며, 액적 간의 간격을 좁게 하여 기판상에 생체분자를 고밀도로 프린팅할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명 따른 수분 박막을 갖는 고체 기판을 갖는 생체분자 액적을 프린팅하는 장치가 수분 박막이 존재하지 않는 통상적인 고체기판을 사용하는 경우에 비해 액적을 작은 부피로 균일하게 좁은 간격으로 프린팅할 뿐만 아 니라, 안정적으로 신속하게 프린팅할 수 있다는 것을 입증하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.

실시예 1로서 수분 98 중량% 및 아가로오스 2 중량%를 함유하는 아가로오스 겔을 기판으로서 사용하였다. 아가로오로스 겔은 아가로오스(Sigma) 및 물을 상기 비율로 혼합하고, 가열 용해한 다음 상온에서 0.5 cm 두께의 판상으로 굳힘으로써 제조하였다. 실시예 2로서 폴리카보네이트 멤브레인 필터(GE osmonics)에 생체분자 액적 수용부(22)의 생체분자 액적을 구성하는 배지와 동일한 배지로 적신 것을 사용하였다. 대조군으로는 커버 글래스를 기판으로서 사용하였다.

앞서 설명한 도 8에 따른 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서, 직경이 0.46㎜인 전계형성전극(20)을 준비하고, 상기 기판(30)과 전계형성전극(20) 사이의 거리가 250 ㎛가 되도록 구성하였다. 수용부(22)에 수용되는 생체분자 액적으로는 A549(KOREAN CELL LINE BANK, KCLB10185) 세포를 10 x 10⁶ 세포/mL의 농도로 하여 RPMI, 10% FBS, 1XAntibiotics 중에서 제조하였다. 이와 같이 준비된 상태에서, 전계형성전극(20)에 3kV, 4kHz를 인가하고, 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적의 크기를 일정하게 하여 생체분자 액적을 기판(30) 상에 100 μm 간격으로 연속적으로 48회 프린팅 하였다.

기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 상기 실시예 1에 따른 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서 생체분자 액적을 프린팅하고 있는 생체분자 액적 프린팅 장치의 토출구 및 기판을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진을 도 13a에 나타 내었다. 기판으로서 폴리카보네이트 멤브레인을 사용한 상기 실시예 2에 따른 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서 생체분자 액적을 프린팅하고 있는 생체분자 액적 프린팅 장치의 토출구 및 기판을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진을 도 13a에 나타내었다. 도 13a 및 도 13b를 살펴보면, 생체분자 액적이 2% 아가로오스 겔 기판 및 폴리카보네이트 멤브레인 기판 상에 안정적으로 일정한 간격(100 μm)으로 50 μm 이하의 액적으로 프린팅되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 기판으로서 2% 아가로오스겔을 사용한 상기 실시예 1에 따른 생체분자 액적을 프린팅하는 장치에서, 연속적으로 48회 생체분자 액적을 프린팅하는 과정에서 구체적으로 생체분자 액적이 프린팅되는 과정을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진을 도 14a에 나타내었다. 도 14a에서는 도 13a에서 살펴본 바와 같이 생체분자 액적이 100 μm 간격으로 일정하게 프린팅되는 것을 다시 한번 확인할 수 있으며, 토출구(23)에 매달려 있는 액적이 흔들림이 없이 안정적으로 기판상에 프린팅되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 대한민국 특허출원 2005-74496의 생체분자 액적을 프린팅하는 장치를 사용하여 생체분자 액적을 프린팅하는 과정을 설명한 도 6의 경우와 비교해 보면, 도 14a의 토출구에 매달려있는 생체분자 액적이 도 6의 경우보다 더 좁은 단면적으로, 즉 더 날카롭게 기판상에 접촉하여 생체분자 액적이 기판상에 프린팅되는 것을 확인할 수 있다.

이에 비해, 커버 글래스를 기판으로서 사용한 대조군의 경우는 100 μm 간격으로 생체분자 액적이 프린팅되지 않았으며, 최소한 200 μm 간격을 두어야 이전의 프린팅된 인접한 액적과 혼합되지 않고 분리된 상태로 프린팅 가능하였으며, 프린 팅되는 생체분자 액적 간에 혼합되지 않고 안정적으로 액적을 프린팅하기 위해서는 300 μm 간격의 간격을 두어야 했다. 대조군의 경우에 300 μm 간격을 두고 생체분자 액적을 프린팅하는 경우에 하나의 생체분자 액적이 프린팅되는 과정을 현미경으로 관찰한 결과를 촬영한 사진을 도 14b에 나타내었다. 도 14b에 따르면, 생체분자 액적을 300 μm 간격을 두고 프린팅하려고 하자, 토출구에 매달려 있는 액적이 인접한 액적과 분리되지 못하고 액적이 인접한 액적 쪽으로 흔들려 인접한 액적과 일체가 되는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시예 1(2% 아가로오스 겔을 사용한 경우)의 경우와 대조군의 경우에 프린팅된 액적의 상태를 관찰하였다. 실시예 1의 경우에 기판상에 프린팅된 생체분자의 액적을 현미경으로 관찰하여 촬영한 사진을 도 15a에 나타내고, 대조군의 경우를 도 15b에 나타내었다. 도 15a에 따르면, 생체분자 액적이 100 μm 간격으로 일정하게 프린팅된 것을 확인 할 수 있었으며, 또한 생체분자 액적의 크기도 비교적 균일한 것으로 나타났다. 그러나, 도 15b에 따르면, 생체분자 액적을 300 μm 간격을 두고 프린팅 했음에도 불구하고 프린팅된 액적 간의 거리가 편차가 심하였으며, 액적의 크기도 균일하지 못하고 편차가 큰 것이 확인되었다.

상기 실시예 1의 경우에 프린팅된 액적이 대조군의 경우에 비해 액적의 부피가 균일한 지를 확인하기 위해, 각각의 경우에 프린팅된 액적의 직경의 크기를 측정하고, 평균값 및 변동계수(CV)를 산출하였다. 그 결과를 도 16에 나타내었다. 도 16의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 2% 아가로오스 기판을 사용한 경우는 평균 직경이 49.7 μm였으며, 커버 글래스 기판을 사용한 경우는 평균 직경이 112.2 μm로 나타나, 본 발명의 경우가 대조군에 비해 액적의 크기를 66.8% 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 2% 아가로오스 기판을 사용한 경우 커버 글래스 기판을 사용한 경우에 비해 변동계수가 큰 것으로 나타났지만 직경의 크기가 66.8% 감소한 것에 비해 변동계수가 크게 증가한 것은 아님을 알 수 있다.

본 발명의 실시예 1의 장치를 이용하여 생체분자 액적을 프린팅할 경우 직경을 50 μm 크기로 프린팅하면 액적 간의 간격을 100 μm 간격으로 유지할 수 있다는 것은 상기 실험으로 확인하였다. 이에, 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치가 프린팅되는 액적은 이미 프린팅 된 액적의 크기에 상관없이 프린팅되는 액적 간의 간격을 일정하게 100 μm로 할 수 있는지 여부에 대해 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.

상기 2% 아가로오스 겔을 기판으로 이용한 실시예 1의 생체분자 액적 프린팅장치를 이용하여 상기 실험조건과 동일한 조건으로 생체분자 액적을 프린팅하되, 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적의 크기를 다양하게 변화시켜, 프린팅되는 액적의 직경의 크기가 40 μm 내지 80 μm가 되도록 하고, 액적 간의 거리를 100 μm로 하여 액적을 프린팅 하였다. 생체분자 액적이 프린팅된 결과를 도 17에 나타내었다. 도 17에 따르면, 액적의 직경의 크기가 50 μm를 넘는 경우에도, 생체분자 액적이 액적의 직경의 크기에 상관 없이 100 μm 간격으로 프린팅되는 것을 확인할 수 있다.

다음에는, 본 발명에 따른 생체분자 액적 프린팅 장치가 프린팅하는 액적의 직경의 크기에 대한 액적에 함유되는 생체분자의 수의 상관성을 확인하기 위해 다 음과 같은 실험을 수행하였다.

상기 실시예 1 및 상기 대조군의 생체분자 액적 프린팅 장치를 이용하였으며, 수용부(22)에 수용되는 생체분자 액적으로는 A549 (KOREAN CELL LINE BANK, KCLB10185) 세포를 10 x 10⁶ 세포/mL의 농도로 하여 RPMI, 10% FBS, 1XAntibiotics 중에서 제조하였다. 이와 같이 준비된 상태에서, 전계형성전극(20)에 3kV, 4kHz를 인가하고, 토출구(23)에 매달려 있는 생체분자 액적의 크기를 일정하게 하여 생체분자 액적을 기판(30) 상에 100 μm 간격으로 연속적으로 73회 프린팅 하였다. 대조군의 경우는 액적 간의 간격을 300 μm로 하였다. 73회 프린팅한 시간을 측정하였으며, 기판상에 프린팅된 액적을 현미경으로 관찰하여, 프린팅된 액적의 직경의 크기를 측정하고 액적에 함유된 세포의 수를 계수하였다. 그리고, 그 결과에 대해 액적의 직경 크기에 대한 액적이 함유하고 있는 세포수에 대하여 회귀분석을 실시하여 R² 값을 구하고, 그 결과를 도 18a(실시예 1) 및 18b(대조군)에 나타내었다.

2% 아가로오스겔 기판을 사용한 실시예 1의 결과인 도 18a에 따르면, 액적의 직경이 최대 80 μm 미만인 것으로 나타났으며, R² 값이 0.7668로 나와 액적의 크기에 대한 액적이 함유하고 있는 세포의 수의 상관관계가 대조군보다 매우 높은 것으로 나타났다. 이에 반해, 커버 글래스 기판을 사용한 대조군의 경우에는 액적의 직경의 크기가 50 μm 내지 300 μm로 매우 광범위하게 퍼져 있어 액적이 그 부피에 있어서 편차가 매우 커서 균일성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, R² 값이 0.1154로 나와 액적의 크기에 대한 액적이 함유하고 있는 세포의 수의 상관관계가 실시예 1의 장치의 경우에 비해 현저히 낮은 것으로 나타났다. 73 회 프린팅하는 동안 소요된 시간은 실시예 1의 경우가 약 10 분 미만으로 나타나, 매우 신속하게 프린팅 가능한 것으로 밝혀졌다.

한편, 본 발명의 상기 일 구현예에서는 기판의 표면이 평평하게 형성되어 있으며 그 기판에는 하나의 표적부만이 형성되어 있으나, 기판(60)의 표면에 도 19에 도시된 바와 같이 다수의 돌출부(62)가 형성되도록 하고 그 돌출부(62)들이 표적부가 되도록 구성할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이 상기 기판(60)은 평판 형상의 평판부(61)와, 상기 평판부(61)로부터 상방으로 돌출된 다수의 돌출부(62)를 가진다. 상기 돌출부(62)들은 동일 피치로 배열되어 있다. 상기 각 돌출부(62)는 상기 전계형성전극의 토출구(23)로부터 토출되는 생체분자 액적(10)이 떨어져 부착되는 표적부이다. 그리고, 상기 기판(60)은 도 21에 나타낸 바와 같이 스테이지(stage)(80)에 설치되어 있으며, 이 스테이지는 컨베이어 등에 의해 이동될 수 있다.

이와 같이 구성된 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치(200)에 있어서는, 생체분자 액적(10)을 프린팅하고자 하는 돌출부(62)의 상방에 전계형성전극(20)이 위치하도록 별도의 구동장치를 구동시켜 프린터 몸체(40)를 이동시킨 후에, 전계형성전극(20)에 직류전압 및 교류전압을 인가하여 생체분자 액적(10)을 기판(60)의 돌출부(62)에 떨어뜨린다. 그리고, 다시 구동장치를 구동하여 프린터 몸체(40)를 이동시켜 다른 돌출부(62)의 상방에 전계형성 전극(20)이 위치하도록 하고, 다시 전계형성전극(20)에 직류전압 및 교류전압을 인가하여 생체분자 액적(10)을 프린팅하게 된다. 이와 같은 방식으로 프린터 몸체(40)를 움직여서 돌출부(62)들 모두에 대해 생체분자 액적(10)을 떨어뜨려 고정시킬 수 있게 된다.

이와 같이 돌출부(62)들 모두에 생체분자 액적(10)을 프린팅하여 바이오칩 또는 DNA 마이크로어레이를 제작하여, 그 바이오칩 또는 DNA 마이크로어레이에 분석하고자 하는 표적 DNA(target DNA) 단편을 결합시키면, 돌출부(62)들은 오목한 부분에 의해 서로 격리되어 있으므로, 실험자는 각 돌출부(62)에 형성된 혼성화 결합만을 광학적인 방법 또는 방사능 화학적 방법 등을 통해 관찰할 수 있게 되어, 더 정확하게 표적 DNA의 염기서열을 분석할 수 있게 된다.

한편, 도 19에 도시된 본 발명의 다른 구현예에 있어서는 전계형성전극이 하나 마련되어 있으며 그 전계형성전극이 별도의 구동장치에 의해 3차원으로 움직여서 기판의 각 돌출부에 생체분자 액적을 프린트하도록 구성되어 있으나, 도 20에 도시되어 있는 바와 같이 전계형성전극(20)을 기판(60)의 각 돌출부(62)에 대응되도록 복수 마련하여 구성할 수도 있다. 이와 같이 구성된 상기 전계형성전극(20)들은 기판(60)의 돌출부(62)들과 동일한 피치로 배열되어 있으며, 이에 따라 각 돌출부(62)는 각 전계형성전극(20)과 대응되게 된다. 그리고, 상기 전계형성전극(20)들은 서로 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 상기 각 전계형성전극(20)은 전극리드선(21)과 전기적으로 연결되어 있으며, 이 전극리드선(21)은 개방형 전압인가장치(50)와 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 개방형 전압인가장치(50)를 구동하게 되면, 전계형성전극(20)들 모두에 전압이 인가되게 된다.

이와 같이 구성된 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치(300)에 있어서는, 다른 종류의 생체분자 액적을 동시에 프린팅하고자 할 때에 특히 유익하게 된다. 도 21은 도 20에 도시된 장치를 사용하여 기판(60)에 생체분자 액적을 프린팅하는 모습을 도시한 도면으로서, 전기전하집중 현상을 이용하여 여러 장의 실리콘 기판, 즉 바이오칩 또는 DNA 마이크로어레이를 제작하는 상태를 도시하고 있다. 도 21에 도시된 바와 같이 하나의 실리콘 기판(60)에 생체분자 프린팅이 끝나면, 자동으로 기판(60)을 지지하는 스테이지(80)가 이동하게 되며 이에 따라 다른 기판(60)에 연속적으로 생체분자 액적을 프린팅할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 구현예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 구현예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

예컨대, 본 구현예에서는 프린터 몸체가 구비되어 있으나, 프린터 몸체가 구비되지 않을 수도 있다.

또한, 본 구현예에서는 전계형성전극에 교류전압과 직류전압이 동시에 인가되도록 구성되어 있으나, 교류전압만 인가되거나 직류전압만이 인가되도록 할 수도 있다.

또한, 본 구현예에서는 생체분자 액적에 양전하가 충전되고 기판에 음전하가 유도되도록 구성되어 있으나, 생체분자 액적에 음전하를 충전시키고 그 충전된 음 전하에 의해 그 생체분자 액적과 마주하는 기판의 부분에 양전하가 유도되도록 구성할 수 있으며, 이와 같이 구성되어도 음전하와 양전하 사이에는 힘이 발생되게 되므로 이 힘에 의해 생체분자 액적을 기판으로 떨어뜨릴 수 있게 된다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 전기전하집중 현상을 이용한 생체분자 액적 프린팅 장치에 기판으로서 기판의 상부 표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 기판의 상부 표면에 수분 박막이 존재하는 고체 기판을 도입함으로써, 생체분자 액적을 작고 균일한 부피로 좁은 간격으로 안정적으로 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라, 생체분자액적을 프린팅하는데 소요되는 시간 또한 현저히 단축시킬 수 있다.

Claims

도전성 소재로 이루어지며, 상하방향으로 길게 배치되어 있으며, 생체분자 액적이 수용되는 수용부와, 상기 수용부와 연결되며 상기 생체분자 액적이 그 수용부의 외부로 토출되도록 그 수용부의 하단부에 형성된 토출구를 가지는 바늘 형상의 전계형성전극;

상기 전계형성전극의 하방에 배치되어 있고, 상기 전계형성전극의 토출구로부터 토출되는 생체분자 액적이 떨어져 부착되는 표적부를 가지며, 접지되어 있는, 기판의 상부표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판; 및

상기 전계형성전극에 전하가 충전되도록 그 전계형성전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 전계형성전극에 충전된 전하와 그 전하에 의해 상기 기판에 유도된 전하 사이에 발생된 힘에 의해 상기 생체분자 액적이 상기 기판의 표적부로 떨어지도록 하는 개방형 전압인가장치를 포함하는 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 고체 기판은 아가로오스 겔 또는 물에 적신 멤브레인 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 아가로오스 겔의 아가로오스 함량은 0.1~15 중량%인 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 멤브레인 필터는 폴리카보네이트, 나일론, 셀룰로오스아세테이트, 폴리에스테르설폰, 또는 테플론 멤브레인 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 고체 기판은 물에 적신 40~500 μm 크기의 메시(mesh) 인 것을 특징으로 하는 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 메시는 폴리카보네이트, 나일론, 셀룰로스아세테이트, 폴리에스테르설폰, 또는 테플론 메시인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 생체분자는 핵산, 단백질, 올리고펩티드, 당류, 진핵세포, 줄기세포, 바이러스 및 박테리아로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 생체분자의 액적이 기판 상에 직경 50 μm 이하의 크기로 프린팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전계형성전극의 토출구의 상방에 배치되어 있으며, 상기 전계형성전극을 지지하는 프린터 몸체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전계형성전극과 개방형 전압인가장치는, 상기 전계형성전극의 상단부에 접속되어 있는 전극리드선에 의해 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 개방형 전압인가장치는 상기 토출구에 매달려 있는 상기 생체분자 액적의 하방으로 전기장이 형성되도록 교류전압 및 직류전압을 동시에 인가하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11항에 있어서, 상기 전계형성전극에는 5V 내지 100,000V의 상기 직류전압 및 5V 내지 100,000V의 상기 교류전압이 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 12항에 있어서, 상기 전계형성전극에는 500V 내지 10,000V의 상기 직류전압 및 500V 내지 10,000V의 상기 교류전압이 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11항에 있어서, 상기 전계형성전극에는 10Hz 내지 1,000Hz의 상기 교류전 압이 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14항에 있어서, 상기 전계형성전극에는 2000V의 상기 직류전압 및 500V 및 130Hz의 상기 교류전압이 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 평판 형상의 평판부와, 상기 평판부로부터 상방으로 돌출된 다수의 돌출부를 가지며,

상기 각 돌출부가 상기 기판의 표적부인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 상기 전계형성전극과 직교하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전계형성전극은 도전성 금속, 도전성 폴리머 및 ITO GLASS로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전계형성전극의 토출구 부근은 소수성(hydrophobic) 처리된 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 전계형성전극은 동일 피치로 복수 마련되어 있으며,

상기 기판에는 복수의 표적부가 마련되어 있으며, 그 표적부들은 상기 전계형성전극들과 각각 대응되도록 그 전계형성전극들과 동일 피치로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
도전성 소재로 이루어지며, 생체분자 액적이 수용되는 수용부와, 상기 수용부와 연결되며 상기 생체분자 액적이 그 수용부의 외부로 토출되도록 그 수용부의 하단부에 형성된 토출구를 가지는 바늘 형상의 전계형성전극을 상하방향으로 길게 배치하는 전계형성전극 배치단계;

상기 전계형성전극의 토출구로부터 토출되는 생체분자 액적이 떨어져 부착되는 표적부를 가지며, 접지되어 있는, 기판의 상부표면에 물이 고체 성분 중에 분산되어 분포하여 수분 박막이 형성되어 있는 고체 기판을 배치하는 단계;

상기 전계형성전극과 전기적으로 연결된 개방형 전압인가장치를 배치하는 개방형 전압인가장치 배치단계;

생체분자 액적을 상기 전계형성전극의 수용부에 공급하는 생체분자 액적 공급단계; 및

상기 개방형 전압인가장치로부터 상기 전계형성전극에 전압을 인가하여 상기 생체분자 액적을 상기 기판의 표적부로 떨어뜨리는 생체분자 액적 분리단계를 포함하는 전기전하집중 현상을 이용하여 기판 상에 생체분자 액적을 프린팅하는 방법.