초록 ▼

1. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 전염/감염성 병원균 및 질병을 필요한 현장에서 신속/정밀하고 간편하게 진단이나 분석이 가능한 검출 진단 소자에 대한 요구가 지속되고 있으며, 새로운 주요 산업으로의 성장이 예상되고 있음
○ 현재 고민감도 현장형 진단 분석 소자의 실현을 위한 유력한 플랫폼 기술인 미세유로 플랫폼을 기반으로 다양한 연구 개발이 수행되어 기능/성능 및 효용성이 검증되고 있으나, 양산형 플랫폼 및 제조 기술의 부재가 상용화의 걸림돌이 되고 있음
○ 본 과제에서는, 주변 환경 및 신체의 유해물질을 현장에서

1. 연구개발의 목적 및 필요성
○ 전염/감염성 병원균 및 질병을 필요한 현장에서 신속/정밀하고 간편하게 진단이나 분석이 가능한 검출 진단 소자에 대한 요구가 지속되고 있으며, 새로운 주요 산업으로의 성장이 예상되고 있음
○ 현재 고민감도 현장형 진단 분석 소자의 실현을 위한 유력한 플랫폼 기술인 미세유로 플랫폼을 기반으로 다양한 연구 개발이 수행되어 기능/성능 및 효용성이 검증되고 있으나, 양산형 플랫폼 및 제조 기술의 부재가 상용화의 걸림돌이 되고 있음
○ 본 과제에서는, 주변 환경 및 신체의 유해물질을 현장에서 신속하게 검출할 수 있는 나노구조/소재 적용 진단 소자 플랫폼/플랫폼 대량 제조 기술 및 진단/분석 소자 응용 기술개발하고자 함

2. 연구개발의 내용 및 범위
○ 유해물질/검출물질의 반응(결합) 효율 향상 및 고강도 반응 신호 발현이 가능한 나노구조/소재 기반 바이오센서 기술 개발
- 공진파장 변화(Δλ)/(굴절률 변화(Δn)·반치폭) > 120의 성능지수의 나노 플라즈모닉 현장형 바이오센서 및 측정 시스템 기술 개발
- ΔPhoton/Photon_off > 0.3 (기존대비 50%감도향상) 성능의 나노입자 면역반응 응집 산란광 바이오센서 기술 및 소자형 시스템 기술 개발
- 50 nm급 나노웰 어레이 전극 (1000 x 1000개)을 이용, 생체물질을 진단할 수 있는 전기화학적 반응 기반 검출 기술 개발(협력)
○ 시료 전처리, 유동, 반응, 반응신호 처리 기능의 나노/마이크로 유로 및 전기적 구조 기반의 대량 제작이 가능한 플랫폼 기술 개발
- 전혈 20ul/min 및 음용수 2ml/min 처리 속도의 나노/마이크로 구조 기반 시료 전처리 소자 및 전처리 공정 최적화
- 혈장 수율(Plasma yield) > 70% 혈구/혈장 분리 나노/마이크로 구조 기반 소자 설계 및 분리 공정 기술 개발
- Enrichment 효율 > 70% 성능의 대상물질(세균, 바이러스, DNA/RNA) 농축 소자 설계 및 공정 기술 개발
- 광학적/전기적 신호 측정/처리 기능 구조 (> 10개, 구조체 최소 특성 크기 < 50um)가 내재된 플라스틱 플랫폼 개발
○ 유해물질 고민감도 검출 구조 및 진단 소자용 나노/마이크로 구조 플랫폼 대량 제조 공정기술
- 사이클 타임 < 60초, 수율 > 90%의 50nm~밀리미터 크기 표면 구조 및 광학적/전기적 기능 구조 기반 플라스틱 플랫폼 양산형 사출성형 기술 개발
- 50nm~밀리미터 크기 표면 구조, 면적 > 100mm x 100mm 내구성 금형코어/스탬퍼 가공 및 안정화 기술 개발
- 사이클타임 < 30초, 수율 > 90%의 진단소자 플랫폼 제작을 위한 나노/마이크로 채널 기판 부품의 기계적 패키징 양산화 기술 개발
- 플라스틱 기재 기반 전기회로 패터닝 양산형 공정 및 회로/기재 접착 특성 제어 안정화 기술 개발
- 미소토출기반 미세전극 제조 고효율 공정 기술 개발
○ 유해물질 검출을 위한 리셉터, 검출구조 및 플락스틱 기재 인테그레이션 양산형 공정 및 안정화 기술 개발
- 리셉터(항체/압타머 등)의 고정을 위한 플랫폼 표면 기능화 및 미세토출 공정 안정화 기술 개발
- 리셉터/플랫폼 인터페이싱 안정화 기술 개발(위탁)
- 나노 플라즈모닉 구조, 나노입자 면역반응 응집 산란광 및 전기화학적 반응 구조 등 검출부의 플라스틱 플랫폼 인테그레이션 양산형 공정 안정화 기술
○ 유해물질 검출 양산형 플랫폼 응용 기술 개발
- 유해물질 검출을 위한 리셉터 선정 및 검출 소자 특성 평가/분석(위탁)
- 세균(대장균) 검출 소자 개발 및 특성 구현(검출 농도 < 10³ CFU/mL)
- 질병 표지자 검출 소자 개발 및 특성 구현(심부정맥 혈전증 바이오 마커(Trombin) < 10ng/ml, 심근경색 진단 바이오마커(Myoglobin, cardiac trophonin T 등) 검출 농도 < 1ng/ml)

3. 연구개발성과
□ 최종 연구목표 대비 진척도
○ 단계목표
o 나노 플라즈모닉 현장형 바이오센서 및 측정 시스템 개발
- 성능지수: 공진파장 변화(Δλ)/(굴절률 변화(Δn)·반치폭) > 100
o 나노입자 면역반응 응집 산란광 바이오센서 기술 및 소자형 시스템 개발
- ΔPhoton/Photon_off > 0.2
o 나노웰 어레이 전극 및 전기화학적 반응 기반 바이오 센서 개발
- 나노웰 크기 및 어레이: 100 nm급 & 3000 x 3000개 (협력)

○ 단계실적
o 성능지수 > 100 [공진파장 변화(Δλ)/ (굴절률 변화(Δn)·반치폭)]의 나노 플라즈모닉 검출 구조 제작
- 나노임플린트 및 template stripping 방법을 이용하여 나노플라즈모닉 바이오센서 제작
- 항원/항체 부착에 대한 나노플라즈모닉 바이오센서 성능 평가
- spectrometer를 배제한 단일파장 레이저를 적용한 현장형 광 측정 시스템 설계
o 나노입자 면역반응 응집 산란광 바이오 센서 기술 및 소자형 시스템 개발
- 100nm급 PS입자/트롬빈 리셉터면역입자의 트롬빈에 의한 응집반응 유도 산란광 검출 (ΔPhoton/Photonoff > 0.2)
o 플라스틱 기재 기반 나노웰/전기화학반응 진단소자 개발
- 플라스틱/Au 증착 및 전기화학적 반응에 대한 계면 안정화
- 양산형의 경제적 소자 개발을 위한 나노웰/전극 구조 설계
- 플라스틱/Au 전극 구조에 대한 전기화학적 반응 특성 평가
- 100 nm 급 3,000x3,000 나노웰 어레이 플라스틱/Au 전극 제작

○ 단계목표
o 미세유로 기반 양산형 혈액 전처리 소자 프로토타입 설계, 제작 및 특성 평가
- 혈액 용해 소자, 혈구/혈장 분리 소자,박테리아 부리 소자
- 처리속도: 전혈 10ul/min 및 음용수 1ml/min
- 혈구/혈장 분리: 혈장 수율(Plasma yield) > 60%
- Enrichment 효율 > 60% (대상물질:세균, 바이러스, DNA/RNA)
o 미세유로/전기적 구조 일체형 진단 소자플라스틱 플랫폼 설계 및 특성 평가
- 광학적/전기적 신호 측정/처리 기능 구조 10개 이상

○ 단계실적
o 미세유로 기반 양산형 혈액 전처리 소자 설계 및 특성 평가
- 혈액시료 처리 속도: > 10ul/min
- 혈구 분리수율: > 60%
- Enrichment 효율: > 60%
o 미세유로/전기적 구조 일체형 진단 소자 플라스틱 플랫폼 설계 및 특성 평가
- 산란광 신호 유도 및 검출을 위한 LED/PD 내재형 플라스틱 미세유로 플랫폼 제작 (전기/광학적 구조: 10개)

○ 단계목표
o 나노/마이크로 복합구조 사출성형용 내구성 금형 코어/스탬퍼 가공
- 복합구조 크기: 100nm~밀리미터
- 가공 면적: > 50mm x 50mm
o 미세유로/전기적 구조 일체형 플라스틱 플랫폼 사출성형 기술 개발
- 사이클 타임 < 90초
- 수율 > 80%
o 미세유로 기반 진단 소자 패키징 기술개발
- 사이클타임 < 60초
- 수율 > 80%
o 플라스틱 기재 기반 전기회로 패터닝 기술 개발
- 회로/기재 접착/내구 특성 최적화 및 양산형 공정 기술 개발 방향 도출
- 미소토출기반 미세전극 응용 신호처리 기능 구현 및 특성 평가/분석

○ 단계실적
o 나노/마이크로 복합구조 사출성형 용 내구성 금형 코어/스탬퍼 가공
- 내구성 금형강에 대한 마이크로/나노 복합구조 가공 (100um ~ 100nm)
- 가공 면적: 50mm x 50mm
o 미세유로/전기적 구조 일체형 플라스틱 플랫폼 사출성형 기술 개발
- LED/전극 구조 내재형 플라스틱 기판 사출성형 사이클타임 < 80초 및 수율 > 80%
o 미세유로 기반 진단 소자 패키징 기술개발
- 접착 필름 기반 미세유로 패키징 (사이클 타임 < 60초, 수율 > 80%)
- 비융착 개폐형 패키징 (패키징 소요 시간 < 60초, 수율 > 80%)
o 플라스틱 기재 기반 전기회로 패터닝 기술 개발
- 미소토출기반 미세전극 패터닝을 위한 플랫폼 설계 도출(노즐 지름: 19 um, 챔버 길이: 840 um , 리스트릭터 길이: 123um)
- 안정적 고속 전극 패터닝 미소 토출을 위한 공정 조건 최적화 완료(안정적 토출을 위한 시 전압 파형: , 안정적 토출을 위한 노즐 형상: 16 um(노즐 입구반경), 8 um(노즐 출구 반경)
- 미소토출기반 미세전극 패터닝제작 완료 (전극 최소선폭: 50 um)

○ 단계목표
o 리셉터(항체/압타머 등)/플라스틱 플랫폼 인테그레이션
- 리셉터/플라스틱 플랫폼 인터페이싱 공정 최적화 (위탁)
- 리셉터 고정을 위한 플랫폼 표면 기능화 및 미세토출 공정 최적화
o 플라스틱 플랫폼 기반 트랜듀서 구현 및 안정화
- 플라스틱 기판 기반의 나노 플라즈모닉 구조 구현 공정 및 신호 발현 기초실험 및 특성 분석
- 전기화학 반응 기반 검출부의 양산형 성형 공정을 고려한 검출 구조 및 소재 기초 설계
- 면역나노입자의 분산, 유동, 응집 균일화/ 안정화 및 외란 방지를 위한 플랫폼 구조 및 나노입자 적용 프로토콜 도출을 위한 기초 실험 및 특성 분석

○ 단계실적
o 리셉터(항체/압타머 등)/플라스틱 플랫폼 인테그레이션
- PS 나노입자 표면에 대한 압타머 부착 공정 최적화
- Au 표면에 대한 압타머 부착 공정 최적화
- 바이오 물질 미세토출 공정 안정화를 위한 구조/유동 해석 완료 및 안정화 조건 도출
o 플라스틱 플랫폼 기반 트랜듀서 구현 및 안정화
- 플라즈모닉 패턴 형상 Au 전극 구조의 전기화학반응 기반 양산형 검출 구조설계
- 전기화학반응 안정화를 위한 플라스틱/Au 계면 구조 (Ti 층 적용 및 두께) 및 공정 (증착 속도, 시간, 온도 등) 최적화
- 플라스틱/Au 기재에 대한 리셉터 부착을 위한 표면 처리 프로토콜 최적화를 통한 Au 층 박리 방지
- 면역나노입자 크기 및 바이러스 농도별 응집 특성 평가

○ 단계목표
o LED/PD/전극 내재형 플라스틱 미세유로 플랫폼 적용 조류독감 바이러스 검출 산란광 소자 프로토타입 제작
- 검출 성능 < 10⁴ EID₅₀/mL
o 질병 표지자 검출 소자
- 질병 표지자(trombin, myoglobin, cardiac trophonin T 등)의 리셉터 검출한계농도 평가 및 반응 특성 분석

○ 단계실적
o 면역입자 응집반응 산란광 기반 조류독감 바이러스 검출 소자 제작 및 특성평가
- 면역입자: 300nm, 380nm 입자
- 조류독감 바이러스 압타머
- 미세유로: 100um x 1mm x 40mm
- 항원 검출 성능 > 10⁴ EID₅₀/ml
- 바이러스 농도별 응집 반응 및 산란광 발현 특성 평가/분석
o 리포좀/리셉터 복합체 응용 trombin 검출
- 100nm PS 입자/리셉터 면역입자 응집 산란광 기반 6.25nM의 Trombin 검출

4. 연구개발성과의 활용계획
ㅇ 다양한 진단 기술에서 플랫폼 혹은 부품/모듈로서 활용되는 플라스틱 미세유체소자에 대한 수요에 대응하기 위하여 설계/제조 기술 및 이를 통해 제작된 미세유체소자 제품을 연구소 기업을 통하여 시장에 상용 공급함
ㅇ 연구소 기업과의 민간수탁 과제 계약을 통하여 미세유체소자 기술을 기반으로 한 연구소 기업의 사업화에 요구되는 기술을 적극적으로 지원하는 등 상용제품 개발을 위하여 협력하고 있음
ㅇ 최근 불특성 다수에 대하여 집단적으로 피해를 유발하여 사회적 경제적 혼란을 가중시키는 코로나 등의 감염병, 동식물 전염병, 식중독 사고 등의 방지 및 효과적인 대응을 통한 사회 경제적 안정화를 위한 핵심 기술로의 활용이 가능하며, 이를 실현하기 위하여 연구소 기업 및 기술 수요 기업과의 국가연구개발사업 혹은 투자기반의 개발 과제를 통한 협력을 추진함
ㅇ 암 조기 진단 키트 상용화를 추진 중인 진단/바이오 전문 기업과의 국가연구개발 사업 공동 수행을 통하여 해당 진단 기술에 최적화된 미세유체소자 기술 개발 및 상용화 제품 개발을 수행하고 있으며 위한 국가연구개발 사업을 수행 중이며, 본 기술의 상용화 및 확산을 위하여 이러한 기술 개발 과제를 국가연구개발사업 혹은 민간 개발 프로젝트를 적극적으로 발굴하고 참여할 계획임
ㅇ 또한 유사한 미세유체소자의 응용이 가능한 고효율의 약물전달 소재 등으로의 수요가 증가하고 있는 리포좀 등 유기나노소재, 세포 및 오가노이드 배양 등 미래의 치료 및 건강관리를 위한 핵심 기술로의 응용을 추진하고 있음
ㅇ 이와 같은 기술 실용화 및 확산 활동을 통하여 신기술 영역인 현장형 진단 관련 의료/바이오,기계/재료/전기전자 및 제조기술의 융합을 기반으로한 기술 선도 및 국내 기술 인프라 강화를 통한 신산업에 대한 경쟁력 확보를 위하여 활용하고자 함

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

1. Purpose and necessity of R&D
○ Demands for point-of-care (POC) devices that can quickly, accurately, and easily diagnose and analyze contagious pathogens and infectious diseases on site have been growing.
○ Although extensive research and development have been conducted based on the micro-e

1. Purpose and necessity of R&D
○ Demands for point-of-care (POC) devices that can quickly, accurately, and easily diagnose and analyze contagious pathogens and infectious diseases on site have been growing.
○ Although extensive research and development have been conducted based on the micro-euro platform, which is a powerful platform technology for realizing the on-site diagnostic analysis device, the absence of mass-production platforms and manufacturing technologies has hindered commercialization.
○ In this project, we are going to develop nanostructure/material-based POC device platforms that can quickly detect harmful substances in the surrounding environment and body, their manufacturing technologies, and diagnostic/analytical device application technologies.

2. Contents and scope of R&D
○ Development of nanostructures/material-based biosensor technology that can improve the efficiency of reactions of analytes-detection materials and express high-strength response signals
- Development of nanoplasmonic biosensors that can be used on site and measurement system technology of performance index (Δλ/Δn·FWHM) of 120
- Development of nanoparticle immuno-responsive agglutination light scatering bio-sensor mechasnims and systems with ΔPhot_on/Photon_off > 0.3 (50% improvement in sensitivity relative to the current technologies)
- Develop electrochemical reaction-based detection technology that can diagnose biomaterials using 50 nm nanowell array electrodes (1000 x 1000)
○ Development of platform technology that enables mass-production based on nano/microfluidics and electrical structures with sample pre-treatment, flow, reaction, and response signal processing capabilities
- Optimization of pre-treatment devices and processes based on nano/microstructure with the throughput of 20ul/min for whole blood and 2ml/min for drinking water samples
- Developemnt of nano/microstructure-based blood cell/ plasma separation devices and processes for plasma yield > 70%
- Development of target material (bacterial, virus, DNA/RNA) enrichment devices and process technologies with enrichment efficiency > 70%
- Development of a plastic platform embedded with an optical/electrical signal measurement/processing structures (number of components > 10, minimum structural characteristic size < 50um).
○ Mass manufacturing technologies of nano/micro-structure platforms and highly sensitive harmful substance detection structures
- Development of mass-producible injection molding technology for plastic platforms based on 50nm~millimeter surface structures and optical/electrical functional structures (cycle time <60 seconds, yield > 90%)
- Development of machining and stabilization technologies for durable mold cores and stampers with a 50 nm- to a few millimeter-scale surface structures over the areas of 100 x 100 mm²
- Development of scalalbe mechanical packaging technologies for nano/micro-channel substrates and parts for diagnostic device platform (cycle time < 30 seconds, yield >90%)
- Development of a technology for stabilizing control of the mass-production process and adhesion characteristics of circuits and materials based on plastic substrates
- Development of high-efficiency processes for microelectrode patterning based on micro-droplet injection
○ Development of manufacturing processes and stabilization technologies of receptor, detection structures, and plastic entity integration for hazardous substance detection
- Development of functionalization mechanisms of platform surfaces and stabilization techniques of micro-droplet injection process for the receptor (antibodies/abtamer, etc.) attachment
- Development of a technology for stabilizing receptor-platform interfacing
- Stabilization of the manufacturing processes of plastic platform intergration of the detection unit, including nano-plasmonic structure, nano-particle immuno-response agglutination scattering light and electrochemical reaction structures
○ Development of scalable platforms for harmful substance detection
- Selection of receptors for the detection of hazardous substances and the evaluation/analysis of detection devices
- Development of bacteria (colon) detection devices (LOD < 10³ CFU/mL)
- Development of disease marker detection devices (LOD < 10ng/ml for Trombin and 1ng/ml for myocardial infarction diagnostic biomarker (e.g., Myoglobin, cardiac trophonin T, etc.))

(source : Summary 10p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• ( 1 ) 단계 보고서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 1. 연구개발의 목적 ... 14
• 2. 연구개발의 필요성 및 범위 ... 14
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 19
• 1. 해외 기술개발 동향 ... 19
• 2. 국내 기술개발 동향 ... 27
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 33
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 72
• 1. 목표달성도 종합 ... 72
• 2. 관련분야에의 기여 ... 91
• 제5장 연구개발성과의 활용계획 ... 92
• 제6장 연구시설·장비 현황 ... 93
• 제7장 참고 문헌 ... 93
• 끝페이지 ... 95