KR100912531B1 - 필터칩 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세유체소자에 필터가 하이브리드 형태로 장착된 필터칩 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 필터를 안착시키기 위한 홈이 파인 하판 구조물을 형성하고, 상기 필터를 상기 홈에 안착시킨 후, 상기 필터로 유체를 주입하기 위한 유체주입구를 형성한 상판 구조물을 형성하고, 상기 홈의 상부 영역에 상판 구조물을 덮어 상기 하판 구조물과 접합시킴으로써 상기 필터칩을 형성하고, 상기 홈 및 상기 필터를 상기 유체주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상으로 형성하여 상기 유체가 필터를 진행하면서 급격한 모세관력 변화를 받도록 제조하는 것을 특징으로 하며, 이로써, 유체출구 부분의 모세관력을 증가시켜 보다 빠른 속도로 혈장을 분리할 수 있으므로 최대한 많은 양의 혈장을 얻을 수 있다.

필터칩, 하이브리드, 모세관력, 전혈, 혈장, 혈구.

Description

필터칩 및 그 제조 방법{Filter chip and Method for manufacturing filter chip}

본 발명은 필터칩 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 필터를 미세유체소자에 하이브리드 형태로 장착한 칩에서 빠른 속도로 혈장을 분리하기 위한 필터칩 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].

최근에는 현장에서 즉각 진료가 가능하도록 실시간으로 진료 기록ㆍ처방ㆍ검사 결과ㆍ투약 기록 등 임상 정보를 등록 및 조회할 수 있는 차세대 의료 정보 기술이 개발되고 있다. 이러한 기술로는 이동 전파 식별(Mobile RFID) 서비스 모델의 하나로 POC(Point of care) 진단 기술이 있다. 이는 환자의 진료 과정이 신속하게 이루어져야 한다는 기본적인 목적을 충실히 수행하기 위한 진료 정보 시스템의 하 나로서, 데스크톱 환경의 진료 시스템을 대체하는 것이 아니라 상호 보완적이며 유기적인 관계를 가지고 있다.

상기 POC 진단 기술은 혈액 또는 소변과 같은 생물학적 시료를 가지고 진단을 시행하는데, 이러한 생물학적 시료에 있는 세포와 입자물질은 평가소자에서 유체 흐름을 방해하므로 생물학적인 유체에서 농도를 알고자 하는 물질의 측정을 악화시킬 수 있다.

예를 들면, 혈액에서 적혈구는 분광기에 의한 측정을 방해할 수 있고, 헤마토크릿이 다를 때, 혈액의 주어진 부피액에 있는 플라즈마의 부피가 달라진다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 적혈구는 더 한정되고 균일한 시료를 확보하기 위해 플라스마에서 분리시켜야 한다.

다른 예로, 소변은 분광기에 의한 측정과 필터와 모세관을 통한 흐름에 영향을 미칠 수 있는 림프구(lympocytes)를 포함하고 있다. 그러므로 생물학적 시료로부터 세포, 입자 또는 데브리를 여과하기 위한 장치는 시료에 시행된 분석 절차의 품질을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 POC 진단 기술에 이용되는 필터는 크게 체(Sieve) 형태의 필터와 종이필터로 구분할 수 있다. 상기 체 형태의 필터는 필터의 구멍크기를 조절하여 구멍크기보다 작은 입자는 통과시키고, 큰 입자는 통과시키지 않는 방식으로 입자의 크기를 분별한다. 상기 종이필터는 미세입자 또는 혈구와 같이 일정한 부피가 있는 입자의 진행을 지연시켜 혈장과 같은 액체성분이 먼저 필터를 빠져나오도록 한다.

상기 체 형태의 필터는 반도체 또는 멤스(MEMS) 공정으로 제조되며, 소량의 혈액을 처리할 수 있는 능력을 갖고 있다. 그러나 상기 체 형태의 필터는 전혈을 사용할 경우 혈구가 필터 내부에 형성된 작은 구멍을 막아버리는 문제가 발생한다. 때문에 일정 비율만큼 버퍼 용액으로 희석하여 사용해야 하는 단점이 있어서 현재까지 진단칩에 적용되어 상용화되지 못하고 있다.

현재까지 진단칩과 분석시스템에 활용되는 필터는 유리섬유나 셀룰로오즈로 구성된 상기 종이필터(membrane filter)이다. 상기 종이필터는 스트립(strip) 형태의 진단 킷에 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 필터가 미세유체소자에 하이브리드 형태로 장착되어 제품으로 판매되고 있다. 이러한 하이브리드 형태의 일반적인 필터칩은 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 제조할 수 있다.

상기 도 1의 (a) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 필터 형상은 사다리꼴 모양으로 만든다. 이러한 일반적인 필터칩은 하판 구조물(11)에 홈(10)을 파고, 상기 홈(10)에 필터(13)를 안착시킨 후, 그 위에 상판 구조물(12)을 덮어 형성한다. 그리고 이렇게 형성된 상기 필터칩에는 유체주입구(14) 및 유체출구(15)가 형성된다.

상기 필터칩을 사다리꼴 모양으로 형성하면, 상기 도 1의 (e)에 도시된 바와 같이, 모세관력은 유체가 흐르는 방향에 따라 점점 커지게 되며 모세관력의 변화율은 매우 작아진다. 이러한 필터칩에 전혈을 주입한 경우, 필터소재의 기본적인 물성에 의해 혈구와 혈장이 분리되는데, 혈액은 필터를 통과하면서 혈장이 혈구를 앞서게 되고, 필터의 마지막 부분(20)에 가까워질수록 혈구와 혈장간의 간격은 벌어지게 된다. 일단, 혈구와 혈장이 분리되어 경계가 생기면 혈구가 쉽게 혈장속으 로 파고드는 현상은 일어나지 않는다. 이러한 특성은 종이필터가 갖고 있는 장점이라 할 수 있다. 혈구와 혈장이 분리되는 순간 혈장은 빠른 속도로 빠져나와 연결된 유체소자로 유입되어야 한다.

그러나 혈구를 앞서 이동하는 혈장은 필터소재로 인해 일종의 유동 저항을 받아 쉽게 전진하지 못한다. 이로 인해 혈장이 일정시간동안 필터 내에 정체되는 현상이 생기고, 그만큼 분리시간이 지연되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제는 혈구와 혈장이 분리되는 위치부터 필터 끝단까지 친수성 처리를 하면 개선될 수 있지만, 필터소재를 표면 처리하여 모세 관력을 증가시키는 것은 혈장의 이동 속도를 빠르게 가져가는 것에는 한계가 있으며, 실제 효과도 미미하다.

다른 방법으로 필터의 끝부분(20)에 압력을 가하여 모세관력을 높이는 방법이 있는데, 이러한 방법을 사용하면, 필터에 유입되는 유체의 유속을 제어할 수 있고, 혈장이 압력을 받는 필터 끝부분(20)에 도달하면 강한 모세관력을 받아 빠르게 유체소자 쪽으로 이송될 수 있다. 하지만, 이러한 방법은 필터의 끝부분(20)을 더 세게 누르게 되면 필터 자체가 막힐 수 있고, 필터 끝부분(20)의 극히 일부에 압력을 가하기 때문에 혈장이 이 부분에 도달할 때까지는 유속변화에 별다른 효과를 주지 못하는 문제점이 있다. 또한, 압력을 주는 방식은 상판 구조물(12)과 하판 구조물(11)의 접합에 의해 이루어진다. 이때, 압력변화는 하판 구조물(11)의 설계에 따라 달라지며. 일반적으로 필터소재의 두께가 500um 내외이기 때문에 압력을 조절할 수 있는 범위도 필터 두께에 의해 제한된다는 단점을 갖고 있다.

최근 시장에서는 빠르고 정확한 진단을 할 수 있는 진단칩을 요구하고 있다. 이를 위해 체혈하고 진단칩에 주입한 이후의 모든 과정은 자동화되어야 함은 물론이고, 이 모든 과정이 빠른 시간 안에 이루어져야 한다. 이러한 관점에서 보았을 때, 전혈상태에서 혈장을 분리하는 시간은 매우 중요할 수 있다. 또한, 주입한 혈액에서 충분한 양의 혈장을 얻는 것도 중요한 이슈가 될 수 있다.

따라서 상술한 바와 같은 문제점 및 이와 같은 기술적 요구를 충족시키기 위해 본 발명은 필터가 미세유체소자에 하이브리드 형태로 장착된 칩에서 상기 필터의 물리적인 형상을 제어하여 유체출구 부분의 모세관력을 증가시켜 보다 빠른 속도로 혈장을 분리하여 최대한 많은 양의 혈장을 얻을 수 있도록 하는 필터칩 및 그 제조 방법을 제공한다.

상기 이러한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 필터칩은, 필터; 상기 필터를 안착시키기 위한 홈이 형성된 하판 구조물; 및 상기 하판 구조물의 상부 영역을 덮는 상판 구조물; 유체를 주입하기 위해 상기 상판 구조물의 일영역에 형성된 유체주입구; 및 상기 유체를 내보내기 위해 상기 유체주입구의 반대 측의 상기 하판 구조물의 측면을 상대 측면 보다 낮게 형성된 유체출구를 포함하며, 상기 홈 및 상기 필터는 상기 유체가 필터를 진행하면서 급격한 모세관력 변화를 받도록 상기 유 체주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 필터칩 제조 방법은, 필터를 안착시키기 위한 홈이 파인 하판 구조물을 형성하는 단계; 상기 필터를 상기 홈에 안착시키는 단계; 및 상기 필터로 유체를 주입하기 위한 유체주입구를 형성한 상판 구조물을 형성하는 단계; 상기 홈의 상부 영역에 상판 구조물을 덮어 상기 하판 구조물과 접합시킴으로써 상기 필터로 주입된 유체를 내보내기 위한 유체출구를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 홈 및 상기 필터를 상기 유체주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상으로 형성하여 상기 유체가 필터를 진행하면서 급격한 모세관력 변화를 받도록 제조되는 것을 특징으로 하는 필터칩 제조 방법.

따라서 본 발명은 유체주입구에서 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 필터칩을 제조함으로써, 유체출구 부분의 모세관력을 증가시켜 보다 빠른 속도로 혈장을 분리할 수 있으므로 최대한 많은 양의 혈장을 얻을 수 있으며, 진단 또는 분석에 저해되는 혈구, 미세입자 등을 제거하는 과정이 필요한 진단칩이나 분석시스템에 유용하게 이용될 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 실시예에서는 필터가 미세유체소자에 하이브리드 형태로 장착된 구조로서, 종이 필터를 예를 들어 설명하기로 한다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 종이 필터는 직사각형 또는 사다리꼴 모양으로 제작하는 것을 벗어나 필터의 출구부분으로 갈수록 폭이 좁아지는 방식을 취하여 유체가 필터를 진행할수록 보다 큰 모세관력을 받도록 필터칩으로 구성한다.

그러면 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 필터칩의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 필터칩의 구조를 도시한 도면이다. 여기서 상기 도 2의 (a)는 하판 구조물의 평면도를, (b)는 하판 구조물의 단면도를, (c)는 상판 및 하판 구조물이 결합된 평면도를, (d)는 상판 및 하판 구조물이 결합된 단면도를 나타낸다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 필터칩은 크게 하판 구조물(110)과, 상판 구조물(120)과, 종이필터(130)로 구성될 수 있다.

상기 하판 구조물(110)에는 상기 종이필터(130)를 장착할 수 있는 홈이 형성된다. 이에 따라 상기 필터칩은 하판 구조물(110)에 상기 종이필터(130)를 안착시키고, 상판 구조물(120)을 덮어 상/하판을 접합하는 방식으로 제조될 수 있다. 이러한 상/하판 접합에는 초음파 용착이나 레이저 용착을 이용할 수 있다.

상기 필터칩은 유체주입구와 유체출구가 형성되며, 상기 유체출구는 미세유 체소자와 연결되어 있는 하이브리드 형태이다.

상기 종이필터(130)는 3차원적으로 서로 연결되는 공간을 갖고 있는 다공성 물질로 형성될 수 있는데, 이러한 다공성 물질은 모세관 효과로 인해 시료가 공급되는 부분에서 출구부분으로 가면서 혈구와 혈장을 분리하게 된다. 상기 종이필터(130)는 이러한 다공성 물질 외에도 유리섬유, 셀룰로오즈 또는 펄프, 필터 페이퍼 등의 물질로 만들어진 부직포로 형성될 수 있다.

구체적으로 설명하면, 상기 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 하판 구조물(110)에 홈(111)을 만들고, 상기 도 2의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 홈(111)에 종이필터(130)를 안착시킨 후, 상기 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 상판 구조물(120)을 덮어 필터칩을 완성한다. 이때, 상기 상판 구조물(120)은 상기 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 유체주입구(140)와 유체출구(150)가 형성되도록 덮는다.

상기 유체 주입구(140)로 종이필터에 혈액을 주입하면, 필터 전체 길이의 3분의 2가 되는 지점에서 혈구와 혈장이 분리된다. 이 부분부터 필터 끝단까지 강한 모세관력을 유도하면 분리된 혈장이 보다 빠른 속도로 이송될 수 있다. 첨부된 도 3과 같이 필터길이의 2분의 1이 되는 지점에 불연속적인 모세관력의 변화는 필터 성능을 극대화할 수 있다. 종이필터의 물성에 의해 혈구와 혈장이 분리되고 난 후에 강한 모세관력을 갖는 부분을 만난 혈장은 보다 빠른 속도로 필터를 빠져나올 수 있게 된다.

한편, 필터가 안착되는 상/하판 구조물(120, 110)의 표면은 친수성이 큰 것 이 바람직하다. 상/하판 구조물(120, 110)의 친수성 정도에 따라 분리속도에 차이를 갖는다. 소수성 표면에 대해 친수성 표면의 접촉각 차이가 30도 정도 날 경우 혈구와 혈장이 분리되는 속도는 10배 이상 차이가 날 수 있다.

상기 필터칩은 상기 도 2의 (a) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 필터 전체길이의 반이되는 위치부터 종이필터(130)의 폭이 급격하게 줄어들도록 형성한다. 즉, 상기 홈(111) 및 상기 필터(130)는 상기 유체가 필터를 진행하면서 급격한 모세관력 변화를 받도록 상기 유체주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상으로 형성된다. 이때, 상기 상판 구조물(120)도 이러한 형상으로 형성되어 상기 홈(111)을 덮어 상기 하판 구조물(110)과 결합된다.

이와 같이 형성된 필터칩에서 상기 종이필터(130)에 유체를 주입하면, 주입된 유체는 상기 도 3에 도시된 바와 같이, A 영역을 지날때까지는 별다른 모세관력 변화를 받지 못하다가 A 영역을 벗어나 B영역으로 들어가게 되면 급격한 모세관력 변화를 겪게 된다. 따라서 필터 주입구(140)에 전혈을 주입하면 A 영역을 통과하면서 혈구와 혈장이 분리된다. 분리된 혈장은 혈구를 앞서 이동하게 되어 A 영역의 마지막 부분에 도달하고, B영역을 만나면서 급격한 모세관력 변화를 겪게 된다. 때문에 분리된 혈장은 일정 구간에서 정체되는 일이 없어지게 되므로 분리된 혈장은 매우 빠른 속도로 필터를 빠져나와 유체소자로 유입되게 된다.

한편, 주입되는 혈액의 양과 필터소재의 특성에 따라 혈구와 혈장이 분리되는 양상이 달라질 수 있고, 이에 따른 필터 형상에도 변화를 줄 필요가 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 필터칩은 첨부된 도 4의 (a) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, 상기 도 2에 도시된 필터칩 형상 외에도 급격한 모세관력을 유도할 수 있는 다양한 형상으로 구성할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 발명청구의 범위뿐 만 아니라 이 발명청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 필터칩의 구조 및 모세관력 변화를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 필터칩의 구조를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 필터칩에서 유체 진행방향에 따른 모세 관력 변화 그래프를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 필터칩의 다른 필터 형상의 예들을 도시한 도면.

Claims (6)

1. 필터;

   상기 필터를 안착시키기 위한 홈이 형성된 하판 구조물; 및

   상기 하판 구조물의 상부 영역을 덮는 상판 구조물;

   유체를 주입하기 위해 상기 상판 구조물의 일영역에 형성된 유체주입구; 및

   상기 유체를 내보내기 위해 상기 유체주입구의 반대 측의 상기 하판 구조물의 측면을 상대 측면 보다 낮게 형성된 유체출구를 포함하며,

   상기 홈 및 상기 필터는 상기 유체가 필터를 진행하면서 급격한 모세관력 변화를 받도록 상기 유체주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 필터칩.
2. 제1항에 있어서,

   상기 필터는 상기 유체 주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 모세관력이 증가되며, 일정 영역을 지나면 주입된 전혈의 혈구와 혈장을 분리함을 특징으로 하는 필터칩.
3. 제2항에 있어서,

   상기 필터는 종이필터로서, 유리섬유, 셀룰로우즈 또는 펄프, 필터 페이퍼 및 다공성 물질 중 하나로 형성됨을 특징으로 하는 필터칩.
4. 필터를 안착시키기 위한 홈이 파인 하판 구조물을 형성하는 단계;

   상기 필터를 상기 홈에 안착시키는 단계; 및

   상기 필터로 유체를 주입하기 위한 유체주입구를 형성한 상판 구조물을 형성하는 단계;

   상기 홈의 상부 영역에 상판 구조물을 덮어 상기 하판 구조물과 접합시킴으로써 상기 필터로 주입된 유체를 내보내기 위한 유체출구를 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 홈 및 상기 필터를 상기 유체주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 좁아지는 형상으로 형성하여 상기 유체가 필터를 진행하면서 급격한 모세관력 변화를 받도록 제조되는 것을 특징으로 하는 필터칩 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 필터는 상기 유체 주입구에서 상기 유체출구로 갈수록 모세관력이 증가되며, 일정 영역을 지나면 주입된 전혈의 혈구와 혈장을 분리함을 특징으로 하는 필터칩 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 필터는 종이필터로서, 유리섬유, 셀룰로우즈 또는 펄프, 필터 페이퍼 및 다공성 물질 중 하나로 형성함을 특징으로 하는 필터칩 제조 방법.

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