The photoresists are being extensively used for a wide variety of applications including the microelectronic device fabrication as an advanced technique and the bio-microdevices fabrication as a new pioneer field. The biotechnology and biomedical studies especially related to bio-microdevices such as a biochip, biosensor, and biopattern have been important to satisfy the eco-friendly and nontoxic requirements. Therefore we designed and synthesized the biocompatible, aqueous processible, and nontoxic photoresists able to be utilized to bioresist field. Our designed polymers were composed of different monomer ratios of photosensitive and bioapplicable DOBEMA, biocompatible and hydorphilic PEGMA, and MMA. Water solubility of these poly(DOBEMA-co-PEGMA-co-MMA)s is controlled by changing the mole fraction of PEGMA and switched to their dissolving properties by a photochemical reaction of photosensitive DOBEMA. Upon UV light irradiation, the diazoketo-functionalized groups in the polymer are dicomposed, released to nontoxic nitrogen molecules as byproduct, and then changed to carboxylic groups due to undergoing Wolff rearrangement. As the DUV-irradiated polymers comprising hydrophilic PEGMA became more hydrophilc by carboxylic acid groups created through Wolff rearrangement, these were well dissolved in base solution. However, in deionized water, they were insoluble despite the higher hydrophilicity, but swollen. This insolubility indicates that the hydrogen bonding forces between the carboxylic acids and the ethylene glycol segments in and on the polymer chains are not dissociatted in deionized water. The energy of this attraction is as high as the same to the weakest among all the covalent bonds, and occurs with multiple interactions between polymers or within a polymer. Therefore when used with deionized water as developer, the poly(DOBEMA-co-PEGMA-co-MMA) is obtained with negative pattern which remained in the irradiated region because of hydrogen bonds between the photogenerated carboxylic acids and ethylene glycol segments in polymer matrix. From this polymer we obtained a $2\microm$ line and space patterning SEM image. Our synthesized polymer has the potential applicable for biomolecular patterning study because of its nontoxic, biocompatible, and aqueous processible merits.
Secondly, for the biopatterning study, the biotin is very important biomolecule to enable the biorecognition technique to strongly bond with the target proteins such as an avidin and a streptavidin due to a mutual affinity, but its derivatives are very expensive in comparison with a D-biotin. Moreover, the surface functionalization process such as silylation using aminopropyltrimethoxy silane (APTS) on a substrate needs to make the biotinylated SAM that is applicable to the study of the micro- and nano-scale bioarray systems. After the amine-SAM processing, a covalently bonding process using a NHS-biotin derivative should be carried out to make the biotin surface on a substrate. Hereby it was synthesized for new biotin derivative that can be directly biotinylated onto glass or silicon wafer without amine functionalization process. Our synthesized biomolecule has two functional groups with a biorecongnizing site as a biotin head and the anchoring site as trimethoxy silyl groups. We successfully synthesized the new D-biotin trimethoxylsilyl propyl ester material and demonstrated to be able to use it to make a biotinylated surface by SAM process. After biotinylation on a substrate, the aqueous processible and photosensitive polymer demonstrated through the above first study was spun on it. After photolithographic process, unexposed polymer was developed by water to bare a biotinylated surface. Then, the patterned biotinylation sample was immersed in SAv-Rh (0.1 mg/mL) solution of PBS pH 7.4. A dye-labeled streptavidin was selectively immobilized with biotin head by their affinity. We confirmed the patterned protein immobilization result by using LSCM equipment, and successfully obtained the patterned protein image.
Thirdly, we designed and synthesized a pH-sensitive photoresist controllable in a physiological pH range from 6.0 to 8.0 to study about multiple protein patterning fabrication on the biotinylated SAM glass surface. The biotinylated SAM glasses were prepared by using our synthesized D-biotin trimethoxysilyl propyl ester material. The pH-sensitive copolymer was composed of the photosensitive DOBEMA, acidic MAA, and hydrophilic PEGMA. Monomer composition of the pH-sensitive DMP-1 photoresist successfully synthesized was DOBEMA 52 mol%, MMA 34 mol%, and PEGMA 14 mol%. This copolymer is soluble in weak base pH 8 PBS solution, but insoluble in neutral pH water or weak acid condition, pH 6.4 PBS. However, when exposed to UV source, a diazoketo-functionalized group was switched to carboxylic acid group by undergoing Wolf rearrangement, which was demonstrated for this phenomenon to our previous reports. Then, the exposed region was dissolved in a pH range from subacid 6.0 to more than 7 because of increasing carboxylic acid group. The pH-sensitive copolymer was spin-coated on biotinylated glass surface, and then the $40 mJ/cm^2$ exposed region in deep UV light was removed in developer of pH 6.4 PBS solution where the unexposed region was insoluble. The SAv-Rh dissolved in the same value pH 6.4 was immobilized on a biotin layer, and then the remaining unexposed region was dissolved in second developer of a pH 8 PBS of which the mild condition do not denaturalize a protein. The SAv-FITC dissolved in pH 7.4 PBS solution was second immobilized on the second revealed biotin layer. We successfully performed the dual protein patterning and demonstrated their possibility as obtaining the images by using LSCM.
Finally, photosensitive monomer, DOBEMA, was successfully graft-polymerized on the PTFE film activated by ion irradiation. The peroxide groups were effectively formed on the PTFE surface by ion irradiation; the peroxide concentration depended on the ion fluence. The maximum grafting degree was obtained when the PTFE film was irradiated at the fluence of $5\times10^{14} ions/cm^2$. Photosensitive polymer brushes grafted on the PTFE films were used for the immobilization of biomolecules. The diazoketo functional groups in the grafted photosensitive polymer brushes undergo Wolff rearrangement upon UV light irradiation and were converted into bioapplicable carboxylic groups. Amine-biotin was immobilized on the generated carboxylic groups of the PTFE surface by the amide bond formation. Biotin-streptavidin specific binding affinity ensures the successful protein patterning. With this approach, well-defined $5\microm$ patterns of the streptavidin were obtained.
본 연구는 반도체 소자 또는 신규 개척 분야인 바이오소자를 제작하는데 사용되는 포토레지스트에 관한 것이다. 특히 바이오 소자를 이용한 생물학 연구는 친환경적이고 독성이 적은 환경에서 수행되어야 하는 민감한 연구라 할 수 있겠다. 그래서 바이오적합하고 수용성 공정이 가능하면서 공정 수행중에 독성이 발생하지 않는 바이오레지스트를 연구하여 바이오물질중의 하나인 단백질, 특히 Streptavidin을 원하는 위치에 고정하는 패턴 형성 기술에 응용하고자 하였다.
첫번째로 바이오적합하고 수용액 공정이 가능한 바이오레지스트용 고분자를 합성하였다. 이 바이오레지스트는 광민감성 단량체 2-(2-다이아조-3-옥소-부티릴록시)에틸 메타크릴레이트, 친수성 단량체 폴리에틸렌글리콜 메타크릴레이트, 그리고 소량의 메틸메타크릴레이트 단량체를 포함한 랜덤코폴리머이다. 합성된 코폴리머는 폴리에틸렌글리콜 메타크릴레이트 단량체의 몰분율 정도에 따라 물에 대한 용해성이 달라짐을 알 수 있었다. 그리고 원자외선을 조사하여 광민감한 2-(2-다이아조-3-옥소-부티릴록시)에틸 메타크릴레이트를 다른 형태의 화합물로 변하여 합성된 코폴리머의 용해도 특성을 변경하고자 하였다. 원자외선이 조사되면 디아조케토 그룹을 함유한 코폴리머는 비독성의 질소 분자만 분해되어 사라지고 Wolff 재배열 메커니즘에 따라 주변에 있는 수분과 반응하여 카르복실기가 형성하게 된다. 그래서 원자외선 노광된 폴리머가 염기수용액에 대해 용해성을 갖게 된다. 그러나 비이온계 물에서는 노광된 폴리머가 녹지않게 되는데, 그 이유는 카르복실기의 수소와 폴리에틸렌글리콜기에 있는 산소가 서로 수소결합을 이루어 비이온계 물에서는 폴리머 사슬간 또는 분자간의 해리가 되지 않으므로 원자외선 빛에 노출된 영역이 녹지 않게 되는 것이다. 합성된 바이오레지스트에 대한 리소그라피 평가 결과 $25 mJ\cdot cm^{-2}$ 노광에서 $2\mum$ 패턴을 얻을 수 있었으며, 현상액으로 물을 사용하는 바이오적합한 레지스트임을 확인하였다.
다음으로 바이오레지스트를 이용하여 단백질 패턴 형성에 관한 연구를 하기 위하여 바이오인지할 수 있는 물질을 재료 표면 위에 도포되어 있어야 한다. 그래서 바이오인지 분자중 하나인 바이오틴을 유리표면이나 실리콘 웨이퍼 표면에 자기조립 단분자층을 형성하는 기술이 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 자기조립단분자층 형성용으로 사용되는 바이오틴 유도체들은 소량 판매에 높은 가격대를 형성하고 있다. 그리고 이들 바이오틴 유도체들을 이용한 자기조립단분자층을 형성하기 위해서 몇 번의 실험 과정을 필요로 하는데, 우선 재료 표면 위를 활성화시켜야 하며, 두번째로 바이오틴 유도체를 그 위에 자기 조립시키는 공정을 수행하여야 한다. 그래서 이번 연구에서는 자기조립단분자층 형성함에 있어서 두가지 공정을 한번으로 줄일 수 있는 새로운 바이오틴 유도체를 합성하고자 하였다. 새롭게 합성된 바이오틴 유도체는 바이오인지 기능을 하는 바이오틴기와 표면에 자기조립이 가능한 트리메톡시실릴기를 포함하는 새로운 바이오틴 유도체를 합성하였다. 합성된 바이오틴 유도체를 자기조립단분자층을 형성한 다음에 바이오레지스트를 그 위에 스핀코팅을 하여 광조사 패턴 공정을 수행하였다. 비노광 부위를 물로 씻어 낸 다음에 pH 7.4 완충용액에 녹아있는 단백질 SAv-Rh(0.1 mg/mL) 용액에 패턴형성된 샘플을 1시간 동안 침지시켜 SAv-Rh를 드러난 바이오틴 층에 고정화 하여 흡착시켰다. 단백질 흡착 패턴 형성은 LSCM 분석장비를 통하여 확인하였고, 그 이미지를 얻었다.
세 번째 연구는 바이오레지스트로써 산소이온농도에 민감한 레지스트를 설계하여 합성하고자 하였다. 그래서 그 민감성을 이용하여 단백질의 듀얼 패터닝을 구현하고자 하였다. 우선 유리 표면을 바이오틴 층으로 형성한 다음에 그 위해 합성된 바이오레지스트를 도포하고, 원자외선 노광에 의해 1차 패터닝을 하여 첫 번째 단백질을 고정화 한 다음에, 비노광 부위를 약염기인 pH 8 완충용액으로 제거한 후에 나머지 바이오틴 영역을 드러내어 두 번째 단백질을 고정화 함으로써 다중 패터닝을 얻고자 하였다. 합성된 산소이온농도 민감한 바이오레지스트는 단량체 2-(2-다이아조-3-옥소-부티릴록시)에틸 메타크릴레이트 52 mol%, 친수성 단량체 폴리에틸렌글리콜 메타크릴레이트 14 mol%, 그리고 폴리머에 약산성기를 도입하기 위해서 34 mol%의 메틸메타크릴릭산 단량체를 조합하여 합성하였다. 합성된 코폴리머는 비이온계 물과 약산성기의 물에는 녹지 않음을 확인하였다. 그리고 합성된 고분자를 원자외선에 노출된 경우에는 약산성에 쉽게 녹는 물질로 바뀌었다. 이는 비수용성의 단량체 2-(2-다이아조-3-옥소-부티릴록시)에틸 메타크릴레이트에 있는 다이아조케토기가 수용성의 카르복실산으로 바뀌면서 수소결합에 관여하지 않은 자유 카르복실산 그룹이 늘어나면서 약산성 수용액에 잘 해리되는 용해특성을 갖게 되는 것으로 판단된다. 이러한 특성을 이용하여 수소이온농도 민감 고분자를 유리표면 위에 형성된 바이오틴층에 스핀코팅을 하여 $40 mJ/cm^2$ 으로 1차 노광을 하였으며, 약산인 pH 6.4 완충용액에서 노광부위를 제거시켜 바이오틴 층이 드러나게 하였다. pH 6.4 완충용액에 들어있는 SAv-Rh 단백질을 바이오틴 층이 드러난 곳에 고정화하였으며, 나머지 미노광 부위의 고분자를 약염기 완충용액 (pH 8)에서 제거한 후에 두번째 SAv-FITC 단백질을 새로이 드러난 바이오틴 층에 고정화하였다. 마지막으로 LSCM 장비를 이용하여 얻어진 이중 단백질 패턴을 확인하였고, 그 이미지를 얻었다.
그 다음 연구로는 광민감성 단량체인 DOBEMA를 이온 조사로 활성화된 PTFE 필름 표면에 그라프트 시켰다. 활성화된 PTFE 필름은 과산화기가 형성되어 있기 때문에 과산화물의 열분해로 인하여 라디칼이 형성되고, 그 라디칼이 단량체의 이중결합을 공격하여 그라프트 공중합이 일어나게 되는 것이다. PTFE 필름에 이온 조사하는 세기가 $5 \times 10^{14} ions/cm^2$ 일 때 PFTE 표면의 탄화정도도 심하지 않았고, 그리고 가장 많은 과산화물이 형성되었으며, 그로 인해 가장 높은 그라프팅 밀도를 갖게 됨을 알게 되었다. 이온빔에 의해 PTFE 필름 표면이 활성화 되었고, 광민감성 DOBEMA 분자로 그라프트 중합을 시도하였으며 형성된 고분자 브러쉬에 선택적으로 원자외선에 노출된 영역에만 바이오분자를 고정화 시켰다. 원자외선에 노출된 영역에만 선택적으로 고정화 되는 이유는 DOBEMA는 광반응에 의해서 카르복실기가 형성되기 때문에 NHS/EDC 커플링 반응을 시키므로써 amine-biotin을 흡착시킬 수 있기 관능기로 전환이 가능하다. 그래서 바이오틴-스트렙타비딘 인지 특성을 이용하여 원하는 단백질 패턴을 형성할 수 있게 된다. PTFE 필름 표면에 결합된 광민감성 폴리머브러쉬 위에 광식각기술을 통하여 $5\microm$ 라인 단백질 패턴을 형성시켰으며, 그에 대한 이미지를 얻을 수 있었다.
