KR100566370B1 - Micropump utilizing gas generation and production method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LOC(Lab-On-a-Chip)를 포함하여 미세 구조물 내의 물질들을 운송하는데 사용되는 미세 펌프 및 소형 세포 배양기를 개시한 것으로, MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 공정을 포함한 일련의 처리로써 격리된 H2O2용액과 촉매로서의 MnO2로 구성된 산소 발생기 또는 NaHCO3를 가열하거나 HOC(COOH)(CH2 COOH)2와의 반응을 통하여 이산화탄소를 발생시키는 이산화탄소 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 산소 또는 이산화탄소 발생을 이용한 미세 펌프에 의해 발생되는 기체는 이후의 공정과 반응에 사용될 만큼 충분한 순도를 나타내며 저장기 내지는 미세채널 속에 있는 액체 시료를 밀어내기에 충분한 압력과 양을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 산소 또는 이산화탄소 발생을 이용한 미세 펌프는 이산화탄소의 공급 문제로 이동성에 크게 제한을 받는 소형 세포 배양기에 적용되어 휴대용 소형 세포 배양기를 현실화할 수 있다.The present invention discloses a micropump and a small cell incubator used to transport materials in a microstructure, including a lab-on-a-chip (LOC), and includes a series of micro-electro-mechanical systems (MEMS) processes. An oxygen generator consisting of an H 2 O 2 solution isolated from the treatment and MnO 2 as a catalyst or a carbon dioxide generator that generates carbon dioxide by heating NaHCO 3 or reacting with HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 . do. The gas generated by the micropump using oxygen or carbon dioxide generation according to the present invention exhibits sufficient purity to be used in subsequent processes and reactions and provides sufficient pressure and amount to repel liquid samples in reservoirs or microchannels. . In addition, the micropump using oxygen or carbon dioxide generation according to the present invention can be applied to a small cell incubator that is greatly limited in mobility due to the supply of carbon dioxide can realize a portable small cell incubator.
Description
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도,1 is a cross-sectional perspective view of a fine pump using gas generation according to a first embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 도 1의 A-A'선 단면도,2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention;
도 3A 내지 도 3F는 본 발명의 제 1실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 제조 공정도,3A to 3F are manufacturing process diagrams of a fine pump using gas generation according to the first embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도,4 is a sectional perspective view of a fine pump using gas generation according to a second embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 도 4의 B-B'선 단면도,5 is a cross-sectional view taken along line B-B 'of FIG. 4 according to a second embodiment of the present invention;
도 6A 내지 도 6E는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 제조 공정도,6A to 6E are manufacturing process diagrams of a fine pump using gas generation according to a second embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도,7 is a sectional perspective view of a fine pump using gas generation according to a third embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 도 7의 C-C'선 단면도,8 is a cross-sectional view taken along line C-C 'of FIG. 7 according to a third embodiment of the present invention;
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도,9 is a sectional perspective view of a fine pump using gas generation according to a fourth embodiment of the present invention;
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 도 9의 D-D'선 단면도,10 is a cross-sectional view taken along the line D-D 'of FIG. 9 according to the fourth embodiment of the present invention;
도 11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 소형 세포 배양기의 상부 단면 사시도,11 is a top cross-sectional perspective view of a small cell incubator using gas generation according to a fifth embodiment of the present invention,
도 12는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 소형 세포 배양기의 하부 단면 사시도, 12 is a bottom cross-sectional perspective view of a small cell incubator using gas generation according to a fifth embodiment of the present invention,
도 13는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 도 11의 E-E'선 단면도,13 is a cross-sectional view taken along the line E-E 'of FIG. 11 according to the fifth embodiment of the present invention;
도 14는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 소형 세포 배양기의 에어라인의 형상을 나타내는 개략도,14 is a schematic view showing the shape of an airline of a small cell incubator using gas generation according to a fifth embodiment of the present invention;
도 15는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 소형 세포 배양기의 미디어라인의 형상을 나타내는 개략도이다.15 is a schematic view showing the shape of a media line of a small cell incubator using gas generation according to a fifth embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> <Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
1 ; 실리콘 기판 2 ; SiO2 박막One ;
3 ; Si3N4 박막 4 ; H2O2 용액 저장공간
3; Si 3 N 4
5 ; MnO2 저장공간 6 ; 미세채널5; MnO 2 storage 6; Fine Channel
7 ; PDMS(polydimethyl siloxane) 8 ; 시료저장기7; Polydimethyl siloxane (PDMS) 8; Sample reservoir
9 ; 관로 10 ; 시료주입구9;
11 ; 유리판 12 ; 실리콘 기판11;
13 ; SU-8층 21 ; 유리판 13; SU-8
23 ; 열선 24 ; H2O2 용액 저장공간 23;
25 ; MnO2 가루와 섞은 파라핀 26 ; 미세채널 25; Paraffin 26 mixed with MnO 2 powder; Fine Channel
27 ; PDMS 28 ; 시료저장기 27; PDMS 28; Sample reservoir
29 ; 관로 30 ; 주입구 29;
51 ; 유리판 53 ; 열선 51;
54 ; NaHCO3 저장공간 56 ; 에어라인 54; NaHCO 3
57 ; PDMS 58 ; PDMS막 57; PDMS 58; PDMS membrane
59 ; PDMS덮개 61 ; 미디어라인59; PDMS
본 발명은 LOC를 포함하여 미세 구조물 내에서 사용되는 미세 펌프 및 소형 세포 배양기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 공정을 포함한 일련의 처리로써 소량의 기체를 발생시켜 뒤이은 화학반응이나 별도의 공정에 사용하는 기체 발생을 이용한 미세 펌프, 소형 세포 배양기 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to micropumps and small cell incubators used in microstructures, including LOCs, and more particularly to a small amount of gas generated by a series of treatments including a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) process. This relates to a micropump, a small cell incubator using gas generation used in a chemical reaction or a separate process, and a method for producing the same.
LOC(Lab-on-a-chip)는 광식각 및 에칭기술과 같은 마이크로머시닝 기술을 이용하여 수 ㎠ 크기의 유리나 플라스틱 혹은 실리콘 등으로 된 칩(chip) 위에 시료 분석에 필요한 장치(시료 전처리, 반응, 분리 및 검출장치 등)들을 집적시켜, 고속, 고효율로 자동 분석을 수행할 수 있도록 고안된 새로운 초소형 분석장치로서 μ-TAS(micro total analysis systems)가 대표적인 응용예이다. Lab-on-a-chip (LOC) is a device for sample analysis (sample pretreatment, reaction) on a chip made of glass, plastic or silicon of several cm2 size using micromachining techniques such as optical etching and etching techniques. Micro-total analysis systems (μ-TAS) are a typical application for micro-analysis, which is designed to integrate and separate and detect devices, and to perform automated analysis at high speed and efficiency.
LOC를 이용한 분리 분석은 극소량의 시료만으로도 실험이 수행될 수 있다는 점에서 다량의 시료 채취가 곤란한 의료, 진단 분야와 생물학적인 응용에 장점이 있다. 현재 아미노산 및 펩티드의 분리, DNA 염기서열 결정(sequencing), 면역 측정(immunoassay) 등 주로 생체 물질의 분석에 이용되고 있으나, 다른 연구분야에도 그 응용범위를 넓혀가고 있으며, 그 중에서도 현장에서의 실시간 분석이 요구되는 환경 오염물질 분리분석 분야나, 현장에서 바로 결과를 확인할 수 있는 이동식 소형 실험실의 기능을 수행할 수 있어서 차세대 진단, 측정 분야 및 다수의 분석시료들의 고속 분석이 필요한 신약 탐색분야 등에서의 응용이 주목받고 있다. Separation analysis using LOC has advantages in medical, diagnostic applications and biological applications where it is difficult to collect large amounts of samples, because experiments can be performed with only a few samples. Currently, it is mainly used for the analysis of biological materials such as separation of amino acids and peptides, DNA sequencing, immunoassay, etc., but it is also expanding the scope of application to other research fields, among others, real-time analysis in the field. It can be used in the field of separation and analysis of environmental pollutants required, or in the field of mobile small laboratory where results can be checked on-site, so that it can be applied to next-generation diagnosis, measurement field, and new drug search field requiring high-speed analysis of many analytes. This is attracting attention.
그런데, 이러한 LOC의 작동을 위해서는 칩 내의 물질들을 운송할 수 있는 외부 동력이 필요한데, 현재까지 개발된 운송 방법에는 전기삼투 및 전기영동 등의 전기적인 방법과 미세 모터를 사용한 펌프 방법 등이 있다. 상기한 종래의 운송 방법에서는 반드시 외부의 지속적인 동력원이 요구되어, 칩의 전체적인 크기가 커지거나 부가적인 기기가 수반된다는 단점이 있다. 따라서, LOC의 실질적인 상용화와 현장 적용을 위해서는 소형화된 동력원 및 펌프의 개발 내지는 기존 펌프에 대한 대체물 개발이 요구된다.However, the operation of the LOC requires an external power for transporting materials in the chip. The transport methods developed to date include electric methods such as electroosmosis and electrophoresis and pump methods using a fine motor. In the above conventional transportation method, an external continuous power source is required, so that the overall size of the chip is increased or additional equipment is involved. Therefore, the actual commercialization of LOC and field application requires the development of miniaturized power sources and pumps or the replacement of existing pumps.
또한, LOC의 첨단 분야인 셀칩(cell chip)이 휴대가 가능한 소형 세포 배양기로 발전하려면 온도와 pH 조절이 반드시 수반되어야 하는데, 온도 조절은 미세 열선을 통하여 가능하다. 그런데, 세포의 배양액은 배양액 속에 공급되는 이산화탄소의 작용에 의하여 pH가 조절된다. 따라서, 이산화탄소의 지속적인 공급이 반드시 요구되어, 기존의 거대 세포 배양기에는 반드시 수십 킬로그램이 나가는 압축 이산화탄소 가스통이 연결되어 있는 단점이 있다. 그러므로, 휴대용 소형 세포 배양기가 출현하려면 소형화된 이산화탄소 공급원의 개발이 선행되어야 한다.In addition, in order to develop a cell chip, which is an advanced field of LOC, into a portable cell incubator, temperature and pH control must be accompanied, and temperature control is possible through a fine heating wire. However, the pH of the culture medium of the cells is controlled by the action of carbon dioxide supplied into the culture medium. Therefore, the continuous supply of carbon dioxide is required, there is a disadvantage that the existing large cell incubator is connected to a compressed carbon dioxide gas cylinder that weighs several tens of kilograms. Therefore, the development of miniaturized carbon dioxide sources must precede the emergence of portable small cell incubators.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 H2O2 용액을 저장하기 위한 저장공간이 형성된 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판 상부에 형성된 SiO2/Si3N4 박막과, MnO2를 저장하기 위한 저장공간이 형성되며 관로에 의해 상기 저장공간과 연통되는 시료저장기, 시료주입구 및 미세채널이 형성되며, 상기 SiO2/Si3N4 박막 상부에 결합된 PDMS를 포함하는 기체 발생을 이용한 미세 펌프를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a silicon substrate having a storage space for storing a H 2 O 2 solution, a SiO 2 / Si 3 N 4 thin film formed on the silicon substrate, and a storage for storing MnO 2 . A space is formed and a sample reservoir, a sample inlet, and a microchannel communicating with the storage space are formed by a conduit, and a fine pump using gas generation including PDMS coupled to the SiO 2 / Si 3 N 4 thin film. to provide.
또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은 저장공간을 확보하기 위한 유리판과, 상기 저장공간 내에 형성되는 열선과, 상기 유리판 위에 결합되어 상기 저장공간을 형성하며 관로에 의해 상기 저장공간과 연통되는 에어라인이 형성된 PDMS와, 상기 PDMS위에 놓여지는 기체 투과성의 얇은 PDMS막과, 상기 PDMS막 위에 결합되는 배양액이 흘러가는 채널 및 세포의 배양면이 음각으로 형성된 PDMS덮개를 가지는 이산화탄소 공급기를 구비한 소형 세포 배양기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, a glass plate for securing a storage space, a heating wire formed in the storage space, and an air line coupled to the glass plate to form the storage space and communicate with the storage space by a pipeline A small cell incubator having the formed PDMS, a gas-permeable thin PDMS membrane placed on the PDMS, a channel through which the culture medium bound on the PDMS membrane flows, and a PDMS cover in which the culture surface of the cell is engraved To provide.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(실시예1)Example 1
도 1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 SiO2/Si3N4 박막으로 H2 O2 용액과 MnO2를 격리한 산소 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도 및 도 1의 A-A'선 단면도이다.1 and 2 are cross-sectional perspective views of a micropump using oxygen generation in which H 2 O 2 solution and MnO 2 are separated by a SiO 2 / Si 3 N 4 thin film according to the first embodiment of the present invention, and FIG. A 'cross section.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프는 SiO2/Si3N4 박막(2,3)이 형성된 실리콘 기판(1)에 H2O2 용액을 위한 저장공간(4)이 확보되고, MnO2를 저장할 공간(5), 미세채널(6), 시료저장기(8), 관로(9) 및 시료주입구(10) 등이 형성된 PDMS(polydimethyl siloxane)(7)가 덮혀진다. PDMS(7)의 외부에서 가벼운 물리적 충격이나 압력이 전달되면 SiO2/Si3N4 박막(2,3)이 여러 조각들로 파괴되고 상부에 있던 MnO
2가 하부의 H2O2 용액과 섞이게 된다. 이렇게 하여 발생된 산소 기체는 미세채널(6)을 통하여 방출되면서 이후의 반응에 사용되거나 앞쪽에 존재하는 액체 시료를 밀어내게 된다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the micropump using gas generation according to the first embodiment of the present invention is H 2 on the
도 1에 도시된 바와 같이, H2O2 용액 저장공간(4) 및 MnO2 저장공간(5)과 시료저장기(8) 사이에는 서로 연통되는 관로(9)가 형성되어 있으며, 시료저장기(8)의 일단에는 시료를 주입하기 위한 시료주입구(10)가 형성된다. 시료저장기(8) 이후로는 미세채널(6)이 형성되어 있다.As shown in FIG. 1, a
도 3A 내지 도 3F는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 제조공정도로서, 도 3A 내지 도 3C는 MnO2 저장공간(5), 미세채널(6), 시료저장기(8), 관로(9) 및 시료주입구(10) 등을 PDMS에 형성하는 공정을 나타내며, 도 3D 내지 도 3F는 실리콘 기판에 H2O2 용액 저장공간(4)을 형성하고 도 3C에서 준비된 PDMS를 덮는 공정을 도시한 것이다.3A to 3F are manufacturing process diagrams of the micropump using gas generation according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 3A to 3C are MnO 2 storage spaces 5,
도 3A 내지 도 3F에 따른 공정은 다음과 같이 진행된다.The process according to FIGS. 3A-3F proceeds as follows.
(a) 도 3A에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(12)에 음성 감광재인 SU-8을 회전도포하고 패터닝하여 약 65 ㎛ 두께의 층을 형성한다.(a) As shown in FIG. 3A, SU-8, a negative photosensitive material, is spin-coated and patterned on the
(b) 도 3B에 도시된 바와 같이, 그 위에 SU-8으로 (a)와 동일한 공정을 반복하여 층을 올림으로써 MnO2를 위한 공간을 형성한다. (b) As shown in FIG. 3B, a space for MnO 2 is formed by repeating the same process as (a) with SU-8 thereon to raise the layer thereon.
(c) 도 3C에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(12) 및 패턴된 SU-8층(13)위에 PDMS를 붓고 굳힌다.(c) PMS is poured and solidified onto the
(d) 도 3D에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(1)의 위와 아랫면에 SiO2막(2)과 Si3N4막(3)을 차례로 형성한다.(d) As shown in FIG. 3D, SiO 2 film 2 and Si 3 N 4 film 3 are sequentially formed on and under the
(e) 도 3E에 도시된 바와 같이, 상기 SiO2/Si3N4박막(2,3)이 형성된 실리콘 기판의 아랫면에 HMDS(hexamethyldisilazane)와 AZ 9260 포토레지스트(photoresist)를 차례로 회전도포하고 식각될 부분을 마스크를 사용하여 자외선 노광하고 현상한다. 그리고 나서, RIE (reactive ion etching) 방법으로 Si3N4막을 제거하고, BHF(Buffered HF)용액으로 SiO2막을 제거한다. 실리콘 에칭 액인 TMAH(tetramethylammonium hydroxide)로 식각하여 H2O2 용액 저장공간(4)을 확보하고 여기에 비닐막이나 유리판(11)을 부착한다.(e) As shown in FIG. 3E, HMDS (hexamethyldisilazane) and AZ 9260 photoresist are sequentially applied to the bottom surface of the silicon substrate on which the SiO 2 / Si 3 N 4 thin films 2 and 3 are formed, and then etched. The part to be exposed is subjected to ultraviolet exposure using a mask and developed. Then, the Si 3 N 4 film is removed by reactive ion etching (RIE), and the SiO 2 film is removed with a buffered HF (BHF) solution. It is etched with tetramethylammonium hydroxide (TMAH), a silicon etching solution, to secure the H 2 O 2
(f) 도 3F에 도시된 바와 같이, (c)에서 준비된 PDMS를 실리콘 기판과 SU-8 패턴으로부터 떼어내어 (e)에서 준비된 기판에 덮어 기체 발생을 이용한 미세 펌프를 완성한다. (f) As shown in FIG. 3F, the PDMS prepared in (c) is removed from the silicon substrate and the SU-8 pattern and covered with the substrate prepared in (e) to complete a fine pump using gas generation.
(실시예2)Example 2
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 파라핀을 이용하여 H2O2 용액과 MnO2를 격리하는 구조가 적용된 산소 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도 및 도 4의 B-B'선 단면도이다.4 and 5 are cross-sectional perspective views of the micropump using oxygen generation to which the structure for isolating H 2 O 2 solution and MnO 2 using paraffin according to the second embodiment of the present invention and B-B 'of FIG. Line cross section.
본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 외부에서 전류를 인가받은 열선으로 파라핀을 녹여서 MnO2가 H2O2 용액 중으로 방출되면 산소 기체가 발생하며, 이는 미세채널 속의 유체를 밀어서 이동시킨다. 일단 H2O2 용액 중으로 방출된 MnO2는 전류가 차단된 이후에도 계속 H2O2 용액 중에 남아서 반응을 지속시킨다. According to the second embodiment of the present invention, when paraffin is melted by an externally applied heating wire, oxygen gas is generated when MnO 2 is released into the H 2 O 2 solution, which pushes and moves the fluid in the microchannel. Once released into the H 2 O 2 solution, MnO 2 remains in the H 2 O 2 solution to continue the reaction even after the current is interrupted.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프는 유리판(21) 위에 H2O2 용액을 위한 저장공간(24)이 확보되고, 저장공간(24) 내에 열선(23)이 병렬형 또는 요철형으로 배열되며, 그 위에 MnO2 가루와 섞은 파라핀(25)이 형성되어 있다. 그 바깥쪽에는 저장공간(24)을 형성하며, 미세채널(26), 시료저장기(28), 관로(29) 및 주입구(30)가 형성된 PDMS(27)가 덮혀있다. 4 and 5, in the micro pump using gas generation according to the second embodiment of the present invention, the
도 4에서 저장공간(24)과 시료저장기(28) 사이에는 서로 연통되는 관로(29)가 형성되어 있으며, H2O2 용액 저장공간(24) 및 시료저장기(28) 일단에는 H2
O2 및 시료를 주입하기 위한 주입구(30)가 각각 형성되어 있다. 시료저장기(28) 이후로는 미세채널(26)이 형성되어 있다. 제 2 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프의 전체 크기는 대략 2 ㎝ x 1 ㎝ (가로 x 세로) 이다.In FIG. 4, a
도 6A 내지 도 6E는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 파라핀을 이용하여 H2O2 용액과 MnO2를 격리한 산소 발생을 이용한 미세 펌프의 제조공정을 도시한 것이다.6A to 6E illustrate a manufacturing process of a micropump using oxygen generation in which H 2 O 2 solution and MnO 2 are separated using paraffin according to the second embodiment of the present invention.
도 6A 내지 도 6E에 따른 공정은 다음과 같이 진행된다.The process according to FIGS. 6A-6E proceeds as follows.
(a) 도 6A에 도시된 바와 같이, 유리판(21) 위에 열선을 형성하기 위해 알루미늄층을 약 0.2 ㎛의 두께로 열증착한다. 열선은 약 2 ㎜ x 2 ㎜의 면적 안에 30 ㎛의 선폭으로 형성된다.(a) As shown in Fig. 6A, an aluminum layer is thermally deposited to a thickness of about 0.2 mu m to form a hot wire on the
(b) 도 6B에 도시된 바와 같이, HMDS와 AZ 5214 포토레지스트(photoresist)를 차례로 회전 도포한 후에, 열선 무늬 마스크를 사용하여 자외선 노광한다. 열선(23) 외 부분의 알루미늄을 식각한 후에 아세톤으로 포토레지스트를 제거한다.(B) As shown in FIG. 6B, after HMDS and AZ 5214 photoresist are sequentially applied in rotation, ultraviolet rays are exposed using a hot-wire pattern mask. After etching aluminum outside the
(c) 도 6C에 도시된 바와 같이, H2O2 용액과 MnO2의 저장공간 형성을 위해 PDMS를 부착한다.(c) As shown in FIG. 6C, PDMS is attached to form a storage space of H 2 O 2 solution and MnO 2 .
(d) 도 6D에 도시된 바와 같이, 파라핀을 녹여 MnO2 가루와 섞고, 약 2 ㎕를 저장공간에 주입하여 층(25)을 형성한다.(d) As shown in FIG. 6D, paraffin is dissolved and mixed with MnO 2 powder, and about 2 μl is injected into the storage space to form a
(e) 도 6E에 도시된 바와 같이, 미세채널 등이 형성된 PDMS(27)를 덮고 H2O2 용액 약 5 ㎕를 주입하여 산소 발생기를 완성한다.(e) As shown in FIG. 6E, the oxygen generator is completed by covering 5 μl of a H 2 O 2 solution covering the
(실시예3)Example 3
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 NaHCO3를 사용하는 이산화탄소 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도 및 도 7의 C-C'선 단면도이다.7 and 8 are cross-sectional perspective views of a fine pump using carbon dioxide generation using NaHCO 3 and a cross-sectional view taken along line C-C 'of FIG. 7 according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 제 3 실시예에 따르면, NaHCO3는 외부에서 전류를 인가받은 미세 열선에 의해 가열되어 다음 화학식에 의해 Na2CO3와 물 및 이산화탄소로 분해된다. According to a third embodiment of the present invention, NaHCO 3 is heated by a micro heating wire applied with an external current and decomposed into Na 2 CO 3 and water and carbon dioxide by the following formula.
2NaHCO3 (s) -> Na2CO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g)2 NaHCO 3 ( s )-> Na 2 CO 3 ( s ) + H 2 O ( l ) + CO 2 ( g )
이렇게 발생된 이산화탄소는 저장기나 미세채널 속에 있는 유체를 밀어내어 이동시킨다. The generated carbon dioxide pushes and moves the fluid in the reservoir or microchannel.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프는 유리판(31) 위에 알루미늄 등의 금속 박막을 이용하여 미세 열선(33)이 형성되고, PDMS를 사용하여 NaHCO3의 저장공간(34)이 확보되며, NaHCO3를 이 공간에 넣은 후에 미세채널(36), 시료저장기(38), 관로(39), 주입구(40) 등이 형성된 PDMS(37)가 덮혀진다. As shown in FIG. 7 and FIG. 8, in the micro pump using gas generation according to the third embodiment of the present invention, a fine
본 발명의 제 3 실시예에 따른 NaHCO3를 사용하는 이산화탄소 발생을 이용한 미세 펌프의 제조공정은 도 6A 내지 도 6E에 나타난 제 2 실시예에 따른 파라핀을 이용하여 H2O2 용액과 MnO2를 격리하는 구조가 적용된 산소 발생을 이용한 미세 펌프의 제조공정과 동일하나, MnO2 가루와 섞은 파라핀(25)층이 형성되는 과정이 생략되며 H2O2 용액대신에 NaHCO3가 주입되는 점이 상이하다.In the manufacturing process of the micropump using carbon dioxide generation using NaHCO 3 according to the third embodiment of the present invention, H 2 O 2 solution and MnO 2 are prepared using paraffins according to the second embodiment shown in FIGS. 6A to 6E. It is the same as the manufacturing process of the micropump using oxygen generation with the isolation structure, but the process of forming the paraffin (25) layer mixed with MnO 2 powder is omitted, and NaHCO 3 is injected instead of H 2 O 2 solution. .
(실시예4)Example 4
도 9 및 도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 NaHCO3와 HOC(COOH)(CH2COOH)2의 혼합물 및 미세 물방울을 사용하여 제작된 이산화 탄소 발생을 이용한 미세 펌프의 단면 사시도 및 도 9의 D-D'선 단면도이다.9 and 10 are cross-sectional perspective views and views of a micropump using carbon dioxide generation produced using a mixture of NaHCO 3 and HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 and fine water droplets according to a fourth embodiment of the present invention. 9 is a sectional view taken along the line D-D '.
본 발명의 제 4 실시예에 따르면, NaHCO3와 HOC(COOH)(CH2COOH)2의 혼합물은 그 상태로는 안정하나, 여기에 물이 가해지면서 HOC(COOH)(CH2COOH)2가 수용액 상태로 존재하면 다음 화학식에서처럼 NaHCO3와 반응하여 HOC(COOH)(CH2COONa)2 와 물 및 이산화탄소를 발생하게 된다.According to the fourth embodiment of the present invention, the mixture of NaHCO 3 and HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 is stable in its state, but HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 is added as water is added thereto. When present in aqueous solution, it reacts with NaHCO 3 to generate HOC (COOH) (CH 2 COONa) 2 , water and carbon dioxide as shown in the following chemical formula.
3 NaHCO3 (s) + HOC(COOH)(CH2COOH)2 (s)3 NaHCO 3 ( s ) + HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 ( s )
-> HOC(COOH)(CH2COONa)2 (s) + 3 H2O (l) + 3 CO2 (g)-> HOC (COOH) (CH 2 COONa) 2 ( s ) + 3 H 2 O ( l ) + 3 CO 2 ( g )
이렇게 발생된 이산화탄소는 저장기나 미세채널 속에 있는 유체를 밀어내어 이동시킨다. The generated carbon dioxide pushes and moves the fluid in the reservoir or microchannel.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프는 유리판(41) 위에 알루미늄 등의 금속 박막을 이용하여 미 세 열선(43)이 형성되고, PDMS를 사용하여 NaHCO3와 HOC(COOH)(CH2COOH)2의 혼합물 및 물방울 저장공간(44)이 확보된다. 파라필름(Parafilm, 제조사 : Pechiney Plastic Packaging, Chicago, 방수 방습의 필름으로 열을 가하면 쉽게 녹음)으로 쌓여진 작은 물방울(45)을 열선(43) 위에 올려놓고 NaHCO3와 HOC(COOH)(CH2COOH)2
의 혼합물을 추가한 후에 미세채널(46), 시료저장기(48), 관로(49) 및 주입구(50) 등이 형성된 PDMS(47)를 덮는다. 이후 미세 열선(43)으로 가열하면 파라필름이 녹으면서 물방울(45)이 터져 물이 방출되고 HOC(COOH)(CH2COOH)2와 NaHCO3의 반응이 시작되고 이산화탄소가 발생한다. 9 and 10, in the fine pump using gas generation according to the fourth embodiment of the present invention, a fine
본 발명의 제 4 실시예에 따른 NaHCO3와 HOC(COOH)(CH2COOH)2의 혼합물 및 미세 물방울을 사용하여 제작된 이산화탄소 발생을 이용한 미세 펌프의 제조공정은 도 6A 내지 도 6E에 나타난 제 2 실시예에 따른 파라핀을 이용하여 H2O2 용액과 MnO2를 격리하는 구조가 적용된 산소 발생을 이용한 미세 펌프의 제조공정과 동일하나, MnO2 가루와 섞은 파라핀(25)층이 형성되는 과정이 생략되고 그 대신에 물방울(45)이 놓여지며, H2O2 용액대신에 NaHCO3와 HOC(COOH)(CH2
COOH)2의 혼합물이 주입되는 점이 상이하다.The manufacturing process of the micropump using carbon dioxide generation using a mixture of NaHCO 3 and HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 and fine water droplets according to the fourth embodiment of the present invention is shown in FIGS. 6A to 6E. Process of forming a fine layer of paraffin (25) mixed with MnO 2 powder is the same as the manufacturing process of the micropump using oxygen generation applied to the structure to isolate the H 2 O 2 solution and MnO 2 using paraffin according to the second embodiment Is omitted and a
(실시예5)Example 5
도 11 내지 13은 본 발명의 제 5 실시예에 따라 이산화탄소 공급원을 구비한 소형 세포 배양기의 상부 및 하부 단면 사시도 및 도 11의 E-E'선 단면도이다. 11-13 are top and bottom cross-sectional perspective views of a small cell incubator with a carbon dioxide source according to a fifth embodiment of the present invention, and a cross-sectional view taken along line E-E 'of FIG.
본 발명의 제 5 실시예에 따르면, NaHCO3의 열분해에 의해 발생한 이산화탄소가 에어라인(air line)(미세채널)(56)을 통해 흐르는 동안 그 위에 형성된 얇은 PDMS막(58)을 투과하여 상부에 놓인 세포 배양액에 CO2를 공급하여 pH 조절을 가능하게 한다.According to the fifth embodiment of the present invention, carbon dioxide generated by pyrolysis of NaHCO 3 is passed through a
도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 소형 세포 배양기는 유리판(51) 위에 알루미늄 등의 금속 박막을 이용하여 미세 열선(53)이 형성되고, PDMS를 사용하여 NaHCO3 저장공간(54)이 확보된다. 그 위에 에어라인(56)이 형성된 PDMS(57)를 얹고 NaHCO3를 주입한다. 그 다음 투과성의 얇은 PDMS막(58)이 얹혀진 후 미디어라인(media line)이 음각으로 형성된 PDMS덮개(59)를 덮어 소형 세포 배양기가 완성된다. 이렇게 완성된 소형 세포 배양기에 미디어 입구를 통해 배양액과 세포를 주입한 후에 미세 열선에 전류를 공급하여 NaHCO3를 분해하여 이산화탄소를 공급한다. 이 때 미세 열선에 공급하는 전류를 조절함으로써 공급되는 이산화탄소의 양을 조절할 수 있다. 11 to 13, the small cell incubator using gas generation according to the fifth embodiment of the present invention has a fine
본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 소형 세포 배양기의 제작 공정은 다음과 같다. The manufacturing process of the small cell incubator using gas generation according to the fifth embodiment of the present invention is as follows.
(a) 유리판(51) 위에 알루미늄을 약 0.2 ㎛의 두께로 열증착한다.(a) Aluminum is thermally deposited on the
(b) HMDS와 AZ 5214 포토레지스트를 차례로 회전도포한 후에, 열선 무늬 마스크를 사용하여 자외선 노광한다. 열선(53) 외 부분의 알루미늄을 식각한 후에 아세톤으로 포토레지스트를 제거한다.(b) After rotationally applying the HMDS and the AZ 5214 photoresist, they are exposed to ultraviolet rays using a hot-wire pattern mask. After etching aluminum outside the
(c) NaHCO3을 저장하기 위한 저장공간(54)을 확보하기 위하여 PDMS를 부착한다.(c) Attach PDMS to secure
(d) 웨이퍼(wafer)에 SU-8을 회전도포한 후에 자외선 노광하고 현상하여, 도 14의 형상을 갖는 에어라인(56)의 틀을 양각으로 제작한다.(d) After SU-8 is rotated on the wafer, ultraviolet light is exposed and developed to form an embossed frame of the
(e) (d)에서 준비된 틀에 PDMS를 붓고 고형화하여 에어라인(56)이 음각으로 형성된 PDMS(57)를 제작하여 (c)에서 준비된 구조 위에 덮는다.(e) Pour the PDMS into the mold prepared in (d) and solidify it to produce a
(f) PDMS를 웨이퍼(wafer)에 붓고 회전도포한 후에 섭씨 70도 이상에서 3시간 이상 보관하여 굳힌다. (이를 통하여 300 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하의 두께로 PDMS막(58)이 형성된다.)(f) After PDMS is poured onto the wafer and spun on, it is hardened by storing it for more than 3 hours at 70 degrees Celsius or more. (Through this, the
(g) (e)에서 준비된 구조에 NaHCO3를 주입한 후에 (f)에서 준비된 PDMS막(58)을 덮는다.(g) After NaHCO 3 is injected into the structure prepared in (e), the
(h) 도 15의 형상을 갖는 마스크를 사용하여 (d) 및 (e)와 동일한 과정을 수행하여 배양액이 흘러가는 채널 및 세포의 배양면(미디어라인)(61)이 음각으로 형성된 PDMS덮개(59)를 제작한다.(h) PDMS cover in which the culture surface (media line) 61 of the channel and the cell through which the culture fluid flows is engraved by performing the same process as in (d) and (e) using the mask having the shape of FIG. 59).
(i) (h)에서 준비된 PDMS덮개(59)를 (g)에서 완성된 구조에 덮어 소형 세포 배양기를 완성한다.(i) The PDMS cover 59 prepared in (h) is covered with the structure completed in (g) to complete a small cell incubator.
이때, 부착 배양이 요구되는 세포의 배양에 이용할 경우 세포가 닿을 면에 poly-L-lysine 용액을 상온에서 10여분 이상 처리하여 세포의 흡착을 유도하는 과 정을 (g) 직후에 추가할 수 있다. At this time, when used for the culture of cells requiring adhesion culture, the process of inducing the adsorption of cells by adding a poly-L-lysine solution at room temperature for at least 10 minutes to the surface where the cells reach may be added immediately after (g). .
본 실시예에서는 이산화탄소 공급원을 구비한 세포 배양기를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 기체 발생을 이용한 세포 배양기는 이산화탄소 공급원과 동시에 산소 공급원도 구비할 수 있으며, 이 경우 별도의 산소공급원을 요하는 환경에서의 실험에 이용될 수 있다. In the present embodiment, a cell incubator having a carbon dioxide source has been described, but a cell incubator using gas generation according to a fifth embodiment of the present invention may have an oxygen source at the same time as a carbon dioxide source, and in this case, separate oxygen It can be used for experiments in environments that require a source.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.In the above description, it should be understood that those skilled in the art can only make modifications and changes to the present invention without changing the gist of the present invention as it merely illustrates a preferred embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 기체 발생을 이용한 미세 펌프 및 소형 세포 배양기에 의해 발생된 기체는 이후의 공정과 반응에 사용될 만큼 충분한 순도를 나타내며 저장기 내지는 미세채널 속에 있는 액체 시료를 밀어내기에 충분한 압력과 양을 제공한다. 이때, 30%(w/w) 농도의 H2O2 용액을 사용할 경우, H2O2 용액의 100 배가 넘는 부피의 산소가 발생하며, 사용되는 촉매의 양에 따라 산소발생 시간은 수 분에서 수십 분까지 조절될 수 있다. 또한, 저렴하고 간단하게 제작될 수 있어서 일회용 사용에 적합하고, 외부 기기에 대한 의존도가 매우 낮아서 다수의 다른 LOC나 소형기기에 용이하게 집적될 수 있다. 게다가, 부산물이 물과 산소로서 환경 친화적이며 생체호환성을 나타낸다는 장점도 갖고 있다. 또한, 이산화탄소 발생기의 경우에는 이산화탄소의 공급 문제로 이동성에 크게 제한을 받는 소형 세포 배양기에 적용되어 휴대용 소형 세포 배양기를 현실화할 수 있다. The gas generated by the micropump and small cell incubator using gas generation in accordance with the present invention exhibits sufficient purity to be used in subsequent processes and reactions and provides sufficient pressure and amount to push the liquid sample in the reservoir or microchannel. to provide. At this time, when using a H 2 O 2 solution of 30% (w / w) concentration, oxygen of more than 100 times the volume of H 2 O 2 solution is generated, depending on the amount of catalyst used, the oxygen generation time is in minutes It can be adjusted up to several tens of minutes. In addition, it can be manufactured inexpensively and simply so that it is suitable for single-use use, and its dependence on external devices is very low so that it can be easily integrated into many other LOCs or small devices. In addition, the by-products have the advantage of being environmentally friendly and biocompatible as water and oxygen. In addition, in the case of the carbon dioxide generator is applied to a small cell incubator that is greatly limited in mobility due to the supply problem of carbon dioxide can realize a portable small cell incubator.
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