초록 ▼

연구의 목적 및 내용
● 나노기술(NT: 생체분자제어기술, 나노패턴제작기술), 바이오기술(BT: 생체분자 설계 및 제작 기술, 세포신호 검출기술), 전기신호처리 기술(줄기세포의 전기적신호 검출, 전기신호를 이용한 줄기세포 분화유도기술, 분화세포 분리기술)을 융합한 나노 신경줄기세포 전자칩을 개발함.
● 1단계 연구에서 다세포 수준의 세포 분화 기술을 발전시키고, 2단계에서 그래핀 유도 나노플라즈모닉 기술을 이용하여 단일 줄기세포의 분화도 및 생화학적 변화를 정밀 측정하는 기술을 확립함을 기반으로 세계에서 최초로 나노 신경

연구의 목적 및 내용
● 나노기술(NT: 생체분자제어기술, 나노패턴제작기술), 바이오기술(BT: 생체분자 설계 및 제작 기술, 세포신호 검출기술), 전기신호처리 기술(줄기세포의 전기적신호 검출, 전기신호를 이용한 줄기세포 분화유도기술, 분화세포 분리기술)을 융합한 나노 신경줄기세포 전자칩을 개발함.
● 1단계 연구에서 다세포 수준의 세포 분화 기술을 발전시키고, 2단계에서 그래핀 유도 나노플라즈모닉 기술을 이용하여 단일 줄기세포의 분화도 및 생화학적 변화를 정밀 측정하는 기술을 확립함을 기반으로 세계에서 최초로 나노 신경줄기세포 전자칩을 개발함.

연구결과
● 본 연구에서 제안한 “나노 신경줄기세포 전자칩”의 개발 연구를 수행하여 다음의 결과를 도출하였음.
[1단계] 다세포 수준의 나노 신경줄기세포 전자칩 제작 기술의 개발
(1) 신경세포 고정화에 최적인 60nm 패턴을 형성하여 신경줄기세포에 적합한 칩 플랫폼을 개발함.
(2) 칩상에서 분화세포와 미분화세포의 전기신호 검출 및 분석 기술을 개발함.
(3) 유체 속도 조절이 가능한 칩 제작 및 전기력 기반 세포 분리 기술을 통해 칩 상에서 분화세포와 미분화세포의 분리를 수행함.
(4) 전기적 측정 기반으로 신경줄기세포의 분화탐지, 분화유도, 분화세포 분리 기술을 하나의 칩 상에서 구현하였음.

[2단계] 그래핀-나노플라즈모닉 기반 단일 신경줄기세포 분석 기술 개발
(1) 표면증강라만신호 증폭에 최적화 된 그래핀-금 나노 복합체(60-250nm)를 개발함.
(2) 그래핀-금 나노 복합체를 이용한 단일 신경줄기세포 정밀 분석 기술을 개발함.
(3) 표면증강라만신호를 기반으로 단일 신경줄기세포의 분화 및 미분화 상태를 정밀 측정하는데 성공함.
● 최종적으로 전기 시스템을 기반으로 칩 상에서 신경줄기세포 분화 유도 / 분화도 측정 / 분화세포 분리가 가능한 나노 신경줄기세포 전자칩의 개발에 성공하였으며, 단일 신경줄기세포를 표면증강라만분석법을 이용하여 비파괴적 방식으로 분석할 수 있는 기술도 함께 개발하였음.

연구결과의 활용계획
● 나노 신경줄기세포 전자칩은 줄기세포로 부터 분화세포를 대량 생산할 수 있는 기술을 제시하여 줄기세포 기술의 발전에 기여함.
● 나노 신경줄기세포 전자칩 개발 시 칩 상에서 신경줄기세포를 이용한 고속/정밀 약물 검색 및 효능 평가가 가능하며, 질병의 조기 진단 및 치료를 동시에 가능하게 하는 진단용 칩으로의 응용이 가능함.
● 줄기세포 치료제 개발 연구에 적용하여 현재 가장 큰 난제인 분화 유도 과정에서 존재하는 미분화 세포를 효과적으로 제거하는 기술로 활용함.
● 제안되는 줄기세포칩 구성 기술은 다른 줄기세포에 적용 가능하므로 ips 줄기세포로부터 다양한 장기구성 세포들로 분화시켜 이들 세포들로 구성되는 장기칩 제작에 응용 가능함.

Abstract ▼

Purpose&contents
● The purpose of the project is that the development of fabrication technology for nanoscale electronic chip of neural stem cell. Nano Technology (NT: Technique to control biomolecules, Nanopatterning technique), Bio Technology (BT: Designing biomolecule technique, cell signal de

Purpose&contents
● The purpose of the project is that the development of fabrication technology for nanoscale electronic chip of neural stem cell. Nano Technology (NT: Technique to control biomolecules, Nanopatterning technique), Bio Technology (BT: Designing biomolecule technique, cell signal detection technique) and, Electric signal process technology (Electrical detection technique of stem cell, Electrical stem cell differentiation control technique, Stem cell separation technique) should be integrated to achieve this goal.
● The stem cell differentiation technology in bulk cell level was developed in the 1st research period and the graphene-nanoplasmonic technology capable of monitoring single neural stem cell differentiation and its biochemical changes were developed in 2nd research period. Finally, by combining all aforementioned technologies, nanoelectronic stem cell chip was successfully developed which has never been reported.

Result
■ The results achieved from our research proposal are written as below.
[1st step] Development of technology for the fabrication of nanoelectronic neural stem cell chip in bulk cell level
(1) Nanobiochip platfrom having 60nm-sized biomolecular nanopattern was developed that was proven to be suitable for neural stem cell cultivation.
(2) Chip-based electrical technologies capable of distinguishing undifferentiated and differentiated neural stem cells were developed.
(3) Fluid-controllable chip and dielectrophoresis-based cell separation technology were developed to separate the undifferentiated and differentiated neural stem cells on the fabricated cell chip.
(4) All aforementioned electrical technologies were combined into one chip capable of monitoring stem cell differentiation, directing neuronal differentiation of neural stem cells and the separating differentiated neuronal cells from undifferentiated neural stem cells.

[2nd step] Development of technology for the analysis of single neural stem cell based on graphene-nanoplasmonics
(1) Graphene-encapsulated gold nanostructures (60nm-250nm) optimized for the enhancement of Raman signals were successfully developed.
(2) Technology capable of precise analysis of single neural stem cells was developed using graphene-encapsulated gold nanostructures.
(3) The differentiated/undifferentiated state of single neural stem cells were successfully determined based on surface-enhanced Raman spectroscopy.

Expected Contribution
● Nanoscale electronic chip of neural stem cell contribute to development of stem cell technology by suggesting the mass production technology of differentiated neural stem cell.
● Nanoscale electronic chip of neural stem cell can be applied to high throughput drug screening and diagnosis chip which is feasible early detection and treatment simultaneously.
● Nanoscale electronic chip of neural stem cell can be applied to undifferentiated stem cell elimination technique in differentiation guidance process of stem cell medicine which is biggest problem in stem cell medicine therapy.
● Since the proposed stem cell chip technology can be broadly applied to other types of stem cells, it can be potentially utilized to fabricate organ-on-a-chip composed of different types of cells derived from multiple organs that can be achieved from iPS cells.