KR100957200B1 - Production Method of Mono-Dispersion Bead Using Microfluidic Channel Structure, the Produced Bead by This Method, and Production Method of Microfluidic Chip - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법 및 미세유체 칩의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단순 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing), 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식 및 전단응력을 이용한 미세유체 방식(biasedshear force driven microflow)으로 이루어진 군중에서 선택된 방식에 의하여 제작된 미세유체 칩을 이용하여 균일한 단분산성의 비드를 합성하는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법, 상기 방법에 의하여 제조된 단분산성 비드, 및 미세 채널을 제작하는 단계; 반응물을 주입하는 단계; 및 생성된 부산물을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단분산형 바이오폴리머를 생성하는 미세유체 칩의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 단분산성의 비드의 합성방법은 생물공학 및 의약분야에 널리 사용 가능한 생물친화성 단분산성 하이드로젤 비드와 같은 단분산성 비드를 효과적으로 생산할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 마이크로 반응기와 같은 미세유체 칩을 제작하는데 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a method for synthesizing monodisperse beads and a method for manufacturing microfluidic chips using a microfluidic channel structure, and more particularly, simple microfluidic focusing, microfluidic focus containing a mixed channel. The microfluidic channel structure is characterized by synthesizing uniform monodisperse beads using a microfluidic chip manufactured by a method selected from the group consisting of a biased shear force driven microflow using a flow method and a shear stress. Preparing monodisperse beads, monodisperse beads prepared by the method, and microchannels; Injecting the reactants; And it relates to a method for producing a microfluidic chip for producing a monodisperse biopolymer, characterized in that it comprises the step of analyzing the generated by-products. The method for synthesizing monodisperse beads of the present invention can effectively produce monodisperse beads, such as biocompatible monodisperse hydrogel beads, which are widely used in the fields of biotechnology and medicine. It can be useful to make.

하이드로젤, 단분산성 비드, 미세유체, 마이크로 반응기 Hydrogels, monodisperse beads, microfluidics, micro reactors

Description

미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법, 상기 방법으로 합성된 비드 및 미세유체 칩의 제조방법{Production Method of Mono-Dispersion Bead Using Microfluidic Channel Structure, the Produced Bead by This Method, and Production Method of Microfluidic Chip}Production method of mono-dispersion beads using microfluidic channel structure, the produced beads by this method, and production method of Microfluidic Chip}

본 발명은 단순 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing), 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식 및 전단응력을 이용한 미세유체 방식(biasedshear force driven microflow)으로 이루어진 군중에서 선택된 방식에 의하여 제작된 미세유체 칩을 이용하여 균일한 단분산성의 비드를 합성하는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법, 상기 방법에 의하여 제조된 단분산성 비드, 및 미세유체 칩의 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides a microfluid produced by a method selected from the group consisting of a simple microflow focusing method, a microfluidic focus flow method including a mixed channel, and a biased shear force driven microflow method. A method for synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure comprising synthesizing uniform monodisperse beads using a chip, monodisperse beads prepared by the above method, and a method for manufacturing a microfluidic chip will be.

미세유체 칩(microfluidic chip)이란, 칩 내에 형성되어 있는 미세채널로 미량의 분석 대상 물질을 흘려보내면서, 그 안에 존재하는 각종 물질을 분석할 수 있는 칩을 의미한다. 상기 미세유체 칩은 랩온어칩(lab-on-a-chip, LOC : '칩 위의 실험실'이라는 의미)이라고 하여, 작은 칩 내에서 분석 대상 물질을 한 번에 분석할 수 있는 칩의 형태로 개발되고 있다. 미세유체 칩은 물질의 분석, 분리, 및 합성 등을 위하여 사용되고 있으며, 점차로 그 사용 분야가 확대되고 있다. 따라서, 상기 랩온어칩을 개발하기 위해서는 플라스틱이나 유리, 실리콘 등의 표면에 용액이 흐를 수 있는 미세 채널로 회로를 생성한 후, 시료의 전처리, 분리, 희석, 혼합, 생화학 반응, 검출 등을 하나의 칩에 소형화 및 집적화시킬 수 있어야만 한다. 따라서, 상기 랩온어칩에 있어서 미세유체 공학 기술의 중요성은 굉장히 크게 된다. 미세유체 칩은 포토리소그래피나 고온-엠보싱(hot-embossing), 몰딩 등의 미세가공 기술로 만들어진 미세채널 구조에 덮개를 덮어 미량의 유체를 보관(contain)하거나 조절(manipulate)할 수 있도록 한 칩으로 소모되는 시약의 양을 줄이고 분석시간을 짧게 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.A microfluidic chip refers to a chip capable of analyzing a variety of materials present therein while flowing a small amount of analyte into a microchannel formed in the chip. The microfluidic chip is called a lab-on-a-chip (LOC: 'lab on chip'), and is a chip that can analyze analytes at a time in a small chip. Is being developed. Microfluidic chips are being used for the analysis, separation, and synthesis of materials, and their fields of use are gradually expanding. Therefore, in order to develop the lab-on-a-chip, a circuit is formed into a microchannel through which a solution can flow on a surface of plastic, glass, silicon, and the like, and then pretreatment, separation, dilution, mixing, biochemical reaction, and detection of a sample are performed. It must be able to be miniaturized and integrated in the chip. Therefore, the importance of microfluidic engineering technology in the lab-on-a-chip becomes very large. Microfluidic chips are microchips made of micromachining techniques such as photolithography, hot-embossing, and molding to cover and cover or control a small amount of fluid. It has the advantage of reducing the amount of reagent consumed and shortening the analysis time.

특히, 중합효소 연쇄반응과 같이 DNA 변성(denaturation), 어닐링(annealing) 및 연장(extension) 반응에서 각각이 서로 다른 온도를 요구하는 경우에 온도 사이클을 반복적으로 수행하여 반응을 시키게 되는데, 이러한 경우 적은 반응 부피와 넓은 면적은 마이크로 챔버 내에 온도가 빠르게 전달되도록 하여 온도사이클에 요구되는 시간을 줄일 수 있다. PCR 반응을 실시간으로 검출하는 방법으로는 여러 가지가 가능하지만 현재 대부분의 경우 형광검출법을 사용한다. 이때 사용되는 방법은 PCR 반응으로 생성된 이중 나선(double stranded) DNA에 결합(binding)하여 형광을 향상시키는 SYBR Green I등의 염료(dye)를 이용하는 방법, PCR에 사용되는 프라이머(primer) 이외에 두 프라이머 사이에 결합할 수 있는 DNA 시퀀스(sequence)를 프로브(probe)로 사용하고, 이 프로브 양 끝에 형광단(fluorophore)과 발광억제단(quencher)을 결합시켜 DNA 합성에 사용되는 태그 폴리머라제(Taq polymerase)의 엑소뉴클레아제 활성(exonuclease activity)을 사용하여 프로브가 잘리면서, 형광단과 발광억제단 사이에 결합된 DNA가 잘리면서, 형광단과 발광억제단 사이의 결합이 절단되면서 형광이 나오는 것을 분석하는 TaqMan(R) 방법 등 다양한 방법이 개발되어 있다.In particular, when DNA denaturation, annealing, and extension reactions require different temperatures, such as polymerase chain reaction, the reactions are repeated by repeated temperature cycles. The reaction volume and large area allow for rapid temperature transfer within the microchamber, which reduces the time required for the temperature cycle. There are many ways to detect PCR reactions in real time, but most of them use fluorescence detection. The method used here is a method using a dye such as SYBR Green I which binds to double stranded DNA generated by a PCR reaction to improve fluorescence, and in addition to the primer used for PCR, A tag polymerase (Taq) is used for DNA synthesis by using a DNA sequence capable of binding between primers as a probe and binding a fluorophore and a quencher to both ends of the probe. Using the exonuclease activity of the polymerase, the probe is cut, and the DNA bound between the fluorophore and the luminescent inhibitor is cut, and the fluorescence is generated as the bond between the fluorophore and the luminescent inhibitor is cleaved. Various methods have been developed, such as the TaqMan (R) method.

미세유체 공학(microfluidics)은 미세 종합 분석시스템(μ-TAS: micro-total analysis system) 및 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 상용화에 기초가 되는 핵심 기술을 연구 개발하는 분야로서 활발한 연구 및 상품화가 진행되고 있다. 상기 미세 종합 분석시스템은 다수의 실험 단계들과 반응을 거치는 화학 및 생물학 실험과 분석이 한 실험대 위에 존재하는 한 유니트(unit)에서 종합적으로 구현되는 시스템이다. 상기 미세 종합 분석시스템은 시료 채취 영역, 미세유체 회로, 검출기 및 상기 시료 채취 영역, 미세유체 회로, 검출기를 제어하는 제어기(controller)로 구성된다. 그러나, 인간 유전체 프로젝트(human genome project) 이후로 상품화가 활발하게 진행된 마이크로어레이(microarray) 분야와는 달리 상기 미세유체 공학 분야는 최근 수년 동안 기술적 진보는 뚜렷하였음에도 불구하고, 상품화면에서는 아직 구체적이면서도 실제적인 영향력을 갖는 상품은 개발되지 못한 상태에 있다(D&MD Reports # 9082-Microbiotechnology, 2002).Microfluidics is an active field of research and development of key technologies that are the basis for the commercialization of micro-total analysis systems (μ-TAS) and lab-on-a-chip. Research and commercialization are in progress. The micro-combination analysis system is a system in which chemical and biological experiments and analyses, which undergo a plurality of experimental steps and reactions, are comprehensively implemented in a unit on a bench. The micro-combination analysis system includes a sampling area, a microfluidic circuit, a detector, and a controller for controlling the sampling area, a microfluidic circuit, and a detector. However, unlike the microarray field, which has been actively commercialized since the human genome project, the field of microfluidics has still been concrete and practical in the product scene, despite technological advances made in recent years. Products with significant influence have not been developed (D & MD Reports # 9082-Microbiotechnology, 2002).

미세유체 공학 분야에서 선두 그룹으로 알려진 Caliper Technology사와, Cepheid사와, Fluidigm사 등의 회사들 각각은 자사의 특정 플랫폼(platform) 기술을 기반으로 하여 기술을 개발함과 동시에, 상품성 및 시장성을 적정하게 갖춘 상품들을 개발하고 있다. 별도의 펌프나 밸브 없이도 용액의 흐름을 제어할 수 있는 기술로서, 동전기학(動電氣學, electrokinetic) 미세유체 기술이 제안된 바 있다(Anal. Chem. 64, 1926, 1992). Caliper Technology사는 이러한 동전기학의 일종인 전기영동 분리(electrophoretic separation) 기술을 이용하여 최근 DNA, RNA, 단백질을 크기별로 분리할 수 있는 분석 방식을 개발하였다(Anal. Chem. 73: 1207-1212, 2001; Electrophoresis 21: 128-134, 2001; Lab Chip 2: 42N-47N, 2002; Anal. Biochem. 316: 92-102, 2003). 그러나, 상기 전기영동 분리 기술을 사용한 분석 방식은 유체 조절시 다수의 전극들과 수 ㎸를 부여할 수 있는 고전압의 전원 공급기(power supply)가 필요로 된다는 문제점이 있다.Companies such as Caliper Technology, Cepheid, and Fluidigm, known as the leading group in microfluidics, have developed technologies based on their specific platform technologies, while maintaining the appropriate marketability and marketability. Developing products As a technique capable of controlling the flow of a solution without a separate pump or valve, an electrokinetic microfluidic technique has been proposed (Anal. Chem. 64, 1926, 1992). Caliper Technology Inc. has recently developed an analytical method for separating DNA, RNA, and proteins by size using electrophoretic separation, a kind of electrokinetics (Anal. Chem. 73: 1207-1212, 2001). Electrophoresis 21: 128-134, 2001; Lab Chip 2: 42N-47N, 2002; Anal.Biochem. 316: 92-102, 2003). However, the analysis method using the electrophoretic separation technique has a problem in that a high voltage power supply capable of providing a plurality of electrodes and several kHz when controlling the fluid is required.

그리고, 미세유체 채널 내에서의 층류(laminar flow)로 인한 분자 확산(diffusion) 현상을 사용하는 기술이 개발된바 있다. Micronics사는 이 기술을 사용하여 혈액을 직접 분석할 수 있는 방식을 개발하였고, 신용 카드 크기의 플라스틱에 미세유체 회로를 집적하여 확산을 이용한 혈구와 혈장의 분리로 혈장 내의 효소, 단백질, 전해질, 약리 물질 등을 분리 분석하였다(Biomedical Microdevices 3: 267-274, 2001).In addition, techniques have been developed that use molecular diffusion (diffusion) due to laminar flow in microfluidic channels. Micronics has developed a way to analyze blood directly using this technology, and by integrating microfluidic circuits in credit card-sized plastics to separate blood cells and plasma using diffusion, enzymes, proteins, electrolytes and pharmacological substances in plasma And the like (Biomedical Microdevices 3: 267-274, 2001).

이외에도 Tecan사와 Gyros사의 원심력을 이용한 방식(Biotechniques 26: 758-767, 1999)과 UCLA 등에서 개발 중인 전기적 적심(electro-wetting) 방식 등의 바이오 유체(bio fluidics) 제어 방식들이 존재한다(Journal of MEMS 12, 70-80, 2003).In addition, there are biofluid control methods such as Tecan and Gyros' centrifugal force method (Biotechniques 26: 758-767, 1999) and electrowetting method developed by UCLA (Journal of MEMS 12). , 70-80, 2003).

한편, 일반적으로 바이오 관련 물질의 미세유체 제어 방식은 시료의 전처리 과정(일 예로, DNA를 생체로부터 분리하여 정제 및 증폭하는 과정과, 항원 및 항체간의 면역 반응에 있어서 반응 및 세척 과정 등) 및 일련의 분석 과정들을 제어하는 데 있어 매우 중요한 요소로 작용한다. Cepheid사는 미세유체 기술을 이용한 시료 전처리 장치들을 다양하게 개발하였으며, 특히, DNA의 PCR(polymerase chain reaction) 장치와, DNA 농축과 미생물 용해(lysis) 및 미생물 시료 전처리 등을 수행하는 휴대용 분석 시스템을 개발한 바 있다(Clin. Chem. 47: 1917-1918, 2001; μ-TAS 2001: 670-672, 2001; Anal. Chem. 73: 286-289, 2001). Cepheid사는 상기 PCR 장치와 휴대용 분석 시스템에 칩 내부의 유체 조절을 위해 별도로 장착된 외부의 막(membrane) 밸브와 다이어프램 (diaphragm) 펌프를 사용하였다.On the other hand, in general, microfluidic control methods of bio-related materials include pretreatment of samples (eg, separation and purification of DNA from living organisms, reaction and washing in immune reactions between antigens and antibodies), and serialization. It is a very important factor in controlling the analysis process. Cepheid has developed a variety of sample pretreatment devices using microfluidic technology. In particular, it has developed a polymerase chain reaction (PCR) device for DNA and a portable analysis system for DNA concentration, microbial lysis, and microbial sample preparation. (Clin. Chem. 47: 1917-1918, 2001; μ-TAS 2001: 670-672, 2001; Anal. Chem. 73: 286-289, 2001). Cepheid Inc. used an external membrane valve and diaphragm pump separately mounted to control the fluid inside the chip in the PCR device and portable assay system.

한편, Fluidigm사는 플라스틱을 재질로한 다층형 소프트리소그래피 (multilayer soft lithography) 방식을 사용하여 유체가 흐르는 채널과 공기가 흐르는 채널을 교차시킨 다층 구조의 채널을 이용한 미세유체 칩을 개발한 바 있다(Science 288:113-116, 2000; Science 290: 1536-1539, 2002). Fluidigm사는 상기 다층 구조의 채널을 이용한 미세유체 칩을 단백질 결정 생성 장치(protein crystallizer) 및 면역분석 방식 등에 활용하고 있다(PNAS 99: 16531-16536, 2002; Anal. Chem. 75: 3581-3586, 2003; Nature Biotechnology 21: 1179-1183, 2003). 또한, Fluidigm사는 상기 미세유체 칩을 연결하는 인터페이싱(interfacing) 문제를 해결하고(Anal. Chem. 75: 4718-4723, 2003), 반응 결과의 측정을 위해서 외부의 광학 검출기를 별도로 구비하여 사용하고 있다.Meanwhile, Fluidigm has developed a microfluidic chip using a multi-layered channel in which a fluid flow channel and an air flow channel intersect using a plastic soft layered lithography method (Science). 288: 113-116, 2000; Science 290: 1536-1539, 2002). Fluidigm is using the microfluidic chip using the multi-layered channel as a protein crystallizer and immunoassay method (PNAS 99: 16531-16536, 2002; Anal. Chem. 75: 3581-3586, 2003). Nature Biotechnology 21: 1179-1183, 2003). In addition, Fluidigm solves the interfacing problem of connecting the microfluidic chip (Anal. Chem. 75: 4718-4723, 2003), and uses an external optical detector separately for measuring the reaction result. .

상기에서 설명한 바와 같이, 현재까지 개발된 다양한 미세유체 제어 방식들과, 상기 미세유체 제어 방식들을 사용하여 제작된 상품들의 경우, 상기 미세유체 공학 분야가 아닌 다른 분야에서의 기존 분석 방식들과 비교하여 볼 때 효율성과 정확성 및 상품 경쟁력 등의 측면에서 아직도 개선의 여지가 많이 남아 있다. 특히, 다양한 시료 군들을 처리하는데 있어 기존의 미세유체 칩의 활용은 극히 제한적이었다.As described above, various microfluidic control schemes developed to date and products manufactured using the microfluidic control schemes are compared with existing analytical methods in fields other than the microfluidics field. In terms of efficiency, accuracy and product competitiveness, there is still much room for improvement. In particular, the use of existing microfluidic chips in processing various sample groups has been extremely limited.

이렇게 미세유체 칩의 활용이 극히 제한적인 이유는 미지의 시료들을 검사, 측정 및 분석하는 데 있어서 상기 시료들 각각이 가지는 특성이 상이하기 때문이다. 즉, 비교적 농도가 짙은 시료의 경우 분석 검출기의 농도 측정 범위를 초과하기 때문에, 반드시 시료를 적정 비율로 희석시켜 상기 분석 검출기의 농도 측정 범위 내에 존재하도록 해야만 한다는 문제점이 있었다. 따라서, 미세유체 칩을 적극적으로 활용하기 위한 방안에 대한 필요성이 대두되고 있다.The use of the microfluidic chip is extremely limited because the characteristics of each of the samples are different in inspecting, measuring, and analyzing unknown samples. That is, since a sample having a relatively high concentration exceeds the concentration measuring range of the analysis detector, there is a problem in that the sample must be diluted at an appropriate ratio to exist within the concentration measuring range of the analysis detector. Therefore, there is a need for a method for actively utilizing microfluidic chips.

한편, 하이드로젤은 다량의 수분과 유전자, 펩타이드, 단백질 및 세포 등을 쉽게 함유할 수 있는 3차원 입체 구조를 지닌 친수성 고분자이다. 특히, 구형의 하이드로젤 비드는 고유의 생체친화성 및 친수성 성질로 인해 바이오센서, 조영제, 약물전달기구, 세포전달체, 및 세포 혹은 조직의 이식에 매우 활용가치가 높은 재 료로 알려져 있다. 이런 응용분야에 있어서, 단분산성 하이드로젤 비드는 우수한 신호 검출, 분석 및 모델링 등으로 인해 큰 장점을 지니고 있어, 입자의 크기를 조절할 수 있으면서 단분산성 입자를 생산할 수 있는 기술이 절대적으로 요구되고 있다. Hydrogels, on the other hand, are hydrophilic polymers with three-dimensional conformation that can easily contain large amounts of water and genes, peptides, proteins and cells. In particular, spherical hydrogel beads are known to be highly valuable materials for the implantation of biosensors, contrast agents, drug delivery devices, cell carriers, and cells or tissues due to their inherent biocompatibility and hydrophilic properties. In such applications, monodisperse hydrogel beads have great advantages due to excellent signal detection, analysis, and modeling, and there is an absolute need for a technology capable of producing monodisperse particles while controlling particle size.

종래의 하이드로젤 비드나 폴리머 비드의 생성 방법(유화중합에 의한 폴리머 비드의 제조방법(2006.12.15), 특허출원 제2000-0056980호; 수용성 키토산 다공성 비드 캡슐과 그의 제조방법(2002.04.04), 특허출원 제2002-0018477호; 알긴산을 이용한 서방성 의약 전달 시스템용 알긴산 비드(bead) 및 그 제조방법(1997.07.09), 특허출원 제1997-0031780호)은 시린지를 이용하거나 유화중합 방법을 사용하여 분산도(polydispersity)가 매우 높은 다분산성 비드를 생산한 것으로, 단분산성 비드를 생산한 것은 아니다.Method for producing conventional hydrogel beads or polymer beads (Method for producing polymer beads by emulsion polymerization (Dec. 15, 2006), Patent application No. 2000-0056980; Water-soluble chitosan porous bead capsule and method for producing same (2002.04.04), Patent Application No. 2002-0018477; Alginate bead for sustained-release drug delivery system using alginic acid and its manufacturing method (1997.07.09), Patent application No. 1997-0031780 use a syringe or emulsion polymerization method Therefore, it produced polydisperse beads with very high polydispersity, but did not produce monodisperse beads.

또한, 공개된 문헌(J. Amer. Chem. Soc, Zhang et al., 128, 12205 -12210, 2006)은 단분산성의 하이드로젤 비드를 생성하고는 있지만, 기본적으로 유체초점 흐름 방식을 채택하였으며 연속상에 반응 에이젼트(CaI)를 소량 희석하여 계면간의 확산에 의해 생산한 것으로 확산에 의존하여 반응이 진행되어 반응속도가 매우 느린 단점이 있다. 또한, 기존의 Talu 등의 연구에서는 가교제인 칼슘을 분산상에 투입하여 확산에 의한 하이드로젤을 형성하는 방법을 제시하였으나 생산성 및 기계적 물성이 매우 취약한 문제점을 나타내었다. In addition, published publications (J. Amer. Chem. Soc, Zhang et al., 128, 12205 -12210, 2006) produce monodisperse hydrogel beads, but basically employ a fluid-focused flow method and continuously Diluting a small amount of the reaction agent (CaI) in the phase is produced by the diffusion between interfaces, the reaction proceeds depending on the diffusion has a very slow reaction rate. In addition, the existing Talu et al. Studies proposed a method of forming a hydrogel by diffusion by adding a crosslinking agent calcium to the dispersion phase, but showed a very weak productivity and mechanical properties.

이와 같이, 일반적으로 마이크로 크기의 하이드로젤은 이멀젼 중합방법으로 합성되어 오고 있다. 그러나, 입자의 크기를 쉽게 조절 가능하며 단분산성 입자를 얻기는 매우 어려운 것이 현실이다. As such, micro-sized hydrogels have generally been synthesized by emulsion polymerization. However, the reality is that the size of the particles can be easily adjusted and it is very difficult to obtain monodisperse particles.

이에, 본 발명자들은 보다 효과적으로 단분산성 입자를 제조하고자 노력하던 중, 미세유체 시스템을 이용하여 마이크론 크기의 단분산성 입자를 손쉽게 제조 및 생산할 수 있었다. 보다 구체적으로, 미세유체 시스템을 이용한 하이드로젤 입자는 사용되는 고분자의 점성이 매우 커서 미세 반응기를 이용한 실시간 합성에 있어서 매우 큰 어려움이 있으므로, 본 발명자들은 다양한 미세 채널 구조를 통해 최적의 생산 공정을 지닐 수 있는 구조의 효과를 찾고자 노력하였다.Thus, the inventors of the present invention, while trying to more effectively produce monodisperse particles, was able to easily produce and produce micron-sized monodisperse particles using a microfluidic system. More specifically, since the hydrogel particles using the microfluidic system have a very high viscosity due to the high viscosity of the polymer used, the present inventors have an optimal production process through various microchannel structures. I tried to find the effect of the structure.

그 결과, 다양한 구조를 가지는 미세채널을 시도하여 안정적인 기계적 물성과 다양한 입자 크기를 간편하게 조절할 수 있으면서 동시에 단분산성 하이드로젤 입자를 생성하는 최적의 미세 유체 채널의 구조, 즉 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 사용함으로써 작고 안정된 에멀젼 형성을 통해 균일한 단분산성의 비드를 합성하고, 이를 바탕으로 사면이 동일한 성질을 가지면서 튼튼한 미세유체 칩을 제작함으로써 본 발명을 완성하였다.As a result, the microfluidic method using an optimal microfluidic channel structure, that is, a shear stress, can be used to easily control stable mechanical properties and various particle sizes while simultaneously producing monodisperse hydrogel particles. The present invention was completed by synthesizing uniform monodisperse beads through the formation of a small and stable emulsion, and producing a robust microfluidic chip having the same properties as the slope.

본 발명의 목적은 종래의 벌크 에멀젼 중합법을 이용한 입자 제조방법의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 미세유체 채널에서 미세유체를 이용하여 실시간으로 손쉽게 단분산성 고분자 하이드로젤 비드를 합성하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problems of the conventional method for producing particles using the bulk emulsion polymerization method, to provide a method for easily synthesizing monodisperse polymer hydrogel beads in real time using microfluidic in the microfluidic channel will be.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의하여 제조된 단분산성 고분자 하이드로젤 비드를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a monodisperse polymer hydrogel bead prepared by the above method.

본 발명의 또 다른 목적은 미세유체 칩의 제조방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a microfluidic chip.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 단순 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing), 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식 및 전단응력을 이용한 미세유체 방식(biasedshear force driven microflow)으로 이루어진 군중에서 선택된 방식에 의하여 제작된 미세유체 칩을 이용하여 균일한 단분산성의 비드를 합성하는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is selected from the group consisting of a simple microflow focusing method, a microfluidic focus flow method containing a mixed channel and a biased shear force driven microflow method. Provided is a method for synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure, which comprises synthesizing uniform monodisperse beads using a microfluidic chip manufactured by the method.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 단분산성 비드를 제공한다.The present invention also provides monodisperse beads prepared by the above method.

또한, 본 발명은 미세유체 칩의 제작방법에 있어서, ⅰ) 채널 표면이 동일한 소수성의 특징을 가지면서 반응물주입으로 인한 압력강하에 견디도록 미세 채널을 제작하는 단계; ⅱ) 미세채널의 주입구로 반응물을 주입하는 단계; 및 ⅲ) 미세채널로부터 생성된 부산물을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단분산형 바이오폴리머를 생성하는 미세유체 칩의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a microfluidic chip, i) manufacturing a microchannel to withstand the pressure drop due to reactant injection while the channel surface has the same hydrophobic character; Ii) injecting the reactants into the inlet of the microchannels; And iii) analyzing the by-products generated from the microchannels.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

먼저, 본원발명에 사용되는 다양한 용어에 대한 정의내지 설명은 다음과 같다.First, definitions and explanations of various terms used in the present invention are as follows.

먼저, 채널 구조에 대하여 설명하면 다음과 같다.First, the channel structure will be described.

도 14는 단순 미세유체 초점 흐름 방식을 이용한 미세유체 채널 구조를 나타낸다. 이때, 채널의 높이는 50 ㎛이다. 미세유체 초점 흐름 방식은 채널 양쪽에서 흐르는 헥사데칸(섞이지 않는 상)을 이용하여 수용액상의 두 개의 반응물인 칼슘과 알지네이트 이멀젼을 연속적으로 형성할 수 있다. 하지만 미세유체 채널의 특징인 층류흐름으로 인해 반응물 계면에서의 확산에 의존한 반응임으로 생성되는 알지네이트의 기계적 강도가 좋지가 않다.14 shows a microfluidic channel structure using a simple microfluidic focal flow method. At this time, the height of the channel is 50 μm. The microfluidic focal flow method uses hexadecane (unmixed) flowing in both channels to form two reactants in aqueous phase, calcium and alginate emulsions in series. However, due to the laminar flow characteristic of the microfluidic channel, the mechanical strength of the alginate produced is not good because it is a reaction dependent on diffusion at the reactant interface.

도 15는 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식을 이용한 미세유체 채널 구조를 나타낸다. 이때, 채널의 높이는 50 ㎛이다. 혼합채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식으로 혼합의 효율을 높이기 위하여 추가적으로 구부러진 형태의 채널을 형성한다. 구조적인 변화와 반응시간을 증가시켰지만 단분산성 알지네이트 비드 합성하기 위한 충분한 혼합, 즉 강한 난류를 이멀젼 내부에 형성시킬 수가 없어서 상기 단순 미세유체 초점 흐름 방식과 유사한 결과를 얻었다.15 shows a microfluidic channel structure using a microfluidic focal flow method containing a mixed channel. At this time, the height of the channel is 50 μm. The microfluidic focal flow method containing the mixing channel forms an additional curved channel to increase the efficiency of the mixing. Although structural changes and reaction times were increased, sufficient mixing to synthesize monodisperse alginate beads, i.e. strong turbulence could not be formed inside the emulsion, yielding similar results to the simple microfluidic focal flow method.

도 16은 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 사용한 미세유체 채널 구조를 나타낸다. 이때, 채널의 높이 및 폭은 50 ㎛이다. 전단응력을 이용한 미세유체 방식은 앞선 미세유체 초점방식과 다르게 한쪽의 헥사데칸을 이용하여 이멀젼을 형성하도록 하였다. 형성되는 이멀젼은 구부러진 채널의 구조를 통과하면서 벽과 채널의 벽과 마찰면적이 달라지게 된다. 이에 강한 난류가 내부에 형성이 되어 혼합 효율을 극대화되고 원하는 알지네이트 비드를 형성할 수 있었다. 혼합 원리는 하기에서 설명한다.16 shows a microfluidic channel structure using a microfluidic method using shear stress. At this time, the height and width of the channel is 50 μm. The microfluidic method using the shear stress was used to form an emulsion using one hexadecane, unlike the previous microfluidic focusing method. The resulting emulsion passes through the structure of the bent channel, and the friction area with the wall and the wall of the channel is different. Strong turbulence was formed therein to maximize mixing efficiency and form desired alginate beads. The mixing principle is explained below.

본원발명에 사용되는 급속반응은 다음과 같다.Rapid reactions used in the present invention are as follows.

유체의 거동은 레이놀즈 수(Re)로 정의 되는데 일반적으로 미세유체 채널에서의 유체 흐름은 해당값이 1보다 작아 층류가 형성이 된다. 하기 도 17(a) 에 기재된 바와 같이, 미세채널에 반응물 A, B를 나란히 주입한다고 가정하면, 결국에 미세채널 내에서의 혼합은 이와 같은 유체의 거동으로 인해 접촉면에서 확산에 의존하게 되어 매우 느리고 효율 또한 매우 낮다. The behavior of the fluid is defined as the Reynolds number (Re). In general, the fluid flow in the microfluidic channel is less than 1, resulting in laminar flow. As shown in Figure 17 (a) below, assuming that the reactants A, B are injected side by side in the microchannels, eventually the mixing in the microchannels is very slow due to the behavior of the fluid, depending on the diffusion at the contact surface. The efficiency is also very low.

이를 극복하기 위하여, 해당 반응물과 섞이지 않는 유체를 이용하여 연속적으로 이멀젼을 형성한 후 한정된 공간 내에서 난류를 유도하여 반응물간 혼합이 된다. 도 17(b)에 기재된 바와 같이 반응물 A, B는 오일을 만나기 이전까지는 혼합이 진행되지 않다가, 이멀젼으로 형성이 된 후 가)-라) 형태로 구부러진 채널형태를 지나가면서 매우 빠르게 혼합이 이루어지게 된다. 벽과 마찰하는 이멀젼은 이동하는 방향과 반대로 내부에서 흐름이 진행이 되는데, 가)와 다)의 경우는 양쪽 모두 닿게 되어 동시에 혼합이 진행이 되어 혼합이 상대적으로 느리다. 하지만 나)와 라)의 경우에는 한쪽에 비해 다른 한쪽의 접촉면이 매우 낮아 반응물 간의 교차 혼합이 가능하게 된다. 이와 같은 구간의 반복은 매우 빠른 혼합이 진행되도록 한다.In order to overcome this, the emulsion is continuously formed by using a fluid that is not mixed with the reactants, and then turbulent flow is induced in a limited space to mix the reactants. As shown in FIG. 17 (b), the reactants A and B do not proceed until they meet the oil, but after being formed into an emulsion, a) and d) pass through the bent channel form very quickly. Will be done. The emulsion that rubs against the wall flows inwardly as opposed to the direction of movement. In the case of a) and c), both emulsions are touched and the mixing proceeds at the same time, resulting in relatively slow mixing. However, in case of b) and d), the contact surface of the other side is very low compared to the one side, which enables cross-mixing of the reactants. Repetition of such intervals allows for very fast mixing.

본원발명에 이용되는 바이오폴리머의 개념은 다음과 같다. 바이오폴리머는 생체 적합성 및 생분해성의 특징을 가지는 고분자 물질 또는 자연에서 직접 추출하여 얻을 수 있는 것을 말한다. 알지네이트나 카라기난 등을 그 예로 들 수 있으며 이는 약물전달이나 미용, 식품첨가제를 만드는데 이용될 수 있다.The concept of the biopolymer used in the present invention is as follows. Biopolymer refers to a polymer material having biocompatibility and biodegradability or that can be directly extracted from nature. For example, alginate or carrageenan can be used for drug delivery, cosmetics, and food additives.

본원발명에 사용된 구체적인 미세유체 칩의 제작은 도면 11에서 기재된 바와 같다. 보다 구체적으로, 우선 유리기판을 유기용매를 이용하여 세척을 한 후 그 위에 PDMS를 스핀코팅(6000 rpm, 60초)을 한다. 코팅된 표면은 오븐에서 부분적으로 경화(50분, 65℃)를 시켜 점착성이 생기게 유도한다. 유체가 흐를 수 있는 채널이 포함된 PDMS 몰드(포토리소그래피를 통해 얻어진 실리콘 마스터에 PDMS를 경화시킨 후 떼어내면 채널이 포함된 PDMS 몰드를 얻을 수 있다)는 점착성을 가지는 표면위에 올려지게 되고 오븐에서 추가적으로 경화(2시간, 65℃)를 시켜 완전하게 접착된 미세유체 채널이 형성됨으로써 미세유체 칩을 제작할 수 있다.Fabrication of specific microfluidic chips used in the present invention is as described in FIG. More specifically, first, the glass substrate is washed with an organic solvent, and then PDMS is spin coated (6000 rpm, 60 seconds) thereon. The coated surface is partially cured in the oven (50 minutes, 65 ° C.) to induce stickiness. PDMS molds containing channels through which fluid can flow (curing PDMS on a silicon master obtained through photolithography and then peeled off to obtain PDMS molds containing channels) are placed on a sticky surface and additionally in an oven The microfluidic chip can be manufactured by curing (2 hours, 65 ° C.) to form a completely adhered microfluidic channel.

본 발명은 단순 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing), 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식 및 전단응력을 이용한 미세유체 방식(biasedshear force driven microflow)으로 이루어진 군중에서 선택된 방식에 의하여 제작된 미세유체 칩을 이용하여 균일한 단분산성의 비드를 합성하는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법을 제공한다.The present invention provides a microfluid produced by a method selected from the group consisting of a simple microflow focusing method, a microfluidic focus flow method including a mixed channel, and a biased shear force driven microflow method. Provided is a method for synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure, which comprises synthesizing uniform monodisperse beads using a chip.

본 발명의 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법에 있어 서, 상기 방식은 전단응력을 이용한 미세유체 방식인 것이 바람직하다.In the method for synthesizing monodisperse beads using the microfluidic channel structure of the present invention, the method is preferably a microfluidic method using shear stress.

또한, 본 발명의 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법에 있어서, 상기 단분산성 비드는 하이드로젤 비드인 것이 바람직하고, 상기 하이드로젤은 가교제인 칼슘과 반응한 알지네이트 고분자 젤인 것이 보다 바람직하며, 이때 상기 하이드로젤 비드의 합성은 헥사데칸(hexadecane)을 먼저 미세유체 칩의 주입구에 주입한 후, 알지네이트(alginate)와 칼슘클로라이드(CaCl2)를 주입하고, 이들의 반응에 의해 합성되는 것이 가장 바람직하다.In addition, in the method for synthesizing monodisperse beads using the microfluidic channel structure of the present invention, the monodisperse beads are preferably hydrogel beads, and the hydrogel is more preferably an alginate polymer gel reacted with calcium as a crosslinking agent. In this case, the synthesis of the hydrogel bead is first injected with hexadecane (hexadecane) in the inlet of the microfluidic chip, and then injected with alginate and calcium chloride (CaCl 2 ), it is synthesized by their reaction Most preferred.

또한, 본 발명의 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법에 있어서, 상기 합성방법은 급속반응에 의하여 비드의 채널 내의 유착을 막는 것이 바람직하고, 또한, 상기 미세유체 채널은 채널 표면이 동일한 소수성의 특징을 가지면서 반응물 주입으로 인한 압력강하에 견디는 특성을 갖는 것이 바람직하고, 아울러, 상기 미세유체 칩은 사면이 동일한 소수성을 가진 것이 바람직하다.In addition, in the method of synthesizing monodisperse beads using the microfluidic channel structure of the present invention, the synthesis method preferably prevents adhesion of the beads in the channel by rapid reaction, and the microfluidic channel has a channel surface. It is desirable to have the same hydrophobicity and to withstand the pressure drop due to reactant injection, and the microfluidic chip preferably has the same hydrophobicity on four sides.

또한, 본 발명의 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법에 있어서, 상기 미세유체 칩은 ⅰ) 유리기판을 유기용매를 이용하여 세척을 한 후 그 위에 PDMS를 스핀코팅하는 단계; ⅱ) 상기 코팅된 표면을 경화시켜 점착성을 유도하는 단계; ⅲ) 상기 점착성을 가지는 표면 위에 유체가 흐를 수 있는 채널이 포함된 PDMS 몰드를 올려놓는 단계; 및 ⅳ) 상기 몰드를 추가적으로 경화시켜 완전하게 접착된 미세유체 채널이 형성되는 단계로 제작되는 것이 바람직하고, 이때 상기 채널이 포함된 PDMS 몰드는 포토리소그래피를 통해 얻어진 실리콘 마스터에 PDMS를 경화시켜 제작되는 것이 보다 바람직하다.In addition, in the method of synthesizing monodisperse beads using the microfluidic channel structure of the present invention, the microfluidic chip may comprise the steps of: i) washing the glass substrate with an organic solvent and spin coating the PDMS thereon; Ii) curing the coated surface to induce adhesion; Iii) placing a PDMS mold including a channel through which fluid can flow on the tacky surface; And iii) further curing the mold to form a fully bonded microfluidic channel, wherein the PDMS mold including the channel is made by curing PDMS on a silicon master obtained through photolithography. It is more preferable.

본 발명의 단분산성의 비드의 합성방법의 특징은 확산에 의존하여 반응이 진행될 경우 반응속도가 매우 느리므로, 전단응력을 이용한 시스템에서 급속하게 구부러진 채널을 사용하여 마이크로초(ms) 단위 내에 완전한 혼합이 이루어져 반응속도를 증가시키는 것이다.The characteristic of the method of synthesizing monodisperse beads of the present invention is that the reaction rate is very slow when the reaction proceeds depending on the diffusion, so that the mixture is completely mixed in microseconds using a rapidly bent channel in a shear stress system. This is to increase the reaction rate.

본 발명은 단순 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing 1 : 도 2), 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing 2 : 도 3) 및 전단응력을 이용한 미세유체 방식(biasedshear force driven microflow 3 : 도 4)의 서로 다른 미세 유체 구조를 가지는 마이크로 반응기를 이용하여 합성되는 고분자 하이드로젤 비드의 특성 파악 및 단분산성 고분자 하이드로젤 비드에 대한 새로운 합성법을 개발함으로써 합성된 하이드로젤 비드의 융합(merging, coalescence)을 방지하고, 생성된 비드의 입자 크기가 매우 균일하며 생성된 입자의 기계적 강도가 우수한 물성을 갖는 비드 합성을 쉽게 구현할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a simple microfluidic focus flow method (microflow focusing 1: FIG. 2), a microfluidic focus flow method containing a mixed channel (microflow focusing 2: FIG. 3), and a microfluidic method using shear stress (biasedshear force driven microflow 3). : Characterization of polymer hydrogel beads synthesized using microreactors having different microfluidic structures of FIG. 4) and fusion of hydrogel beads synthesized by developing a new synthesis method for monodisperse polymer hydrogel beads The present invention provides a method for preventing bead synthesis and easily implementing bead synthesis having a very uniform physical particle size of the beads and excellent mechanical strength of the particles.

본 발명이 목적하는 단분산성 마이크로 하이드로젤 비드를 생성하기 위해서는 동일한 표면 특성을 가진 미세반응기를 제작하는 것이 필요하고, 아울러 본 발명자들은 실시예를 통하여 최적의 마이크로 채널의 구조 및 표면 특성을 밝혀내고, 이를 이용하여 생산속도의 증가와 분산도를 최대한 낮추어 경제적, 시간적인 절약을 통해 높은 효율의 비드를 얻을 수 있었다.In order to produce the monodisperse micro hydrogel beads of the present invention, it is necessary to fabricate a microreactor having the same surface properties, and the present inventors have found the structure and surface properties of the optimum microchannel through the examples, By using this, it was possible to obtain beads of high efficiency through economical and time saving by increasing production speed and dispersing as much as possible.

상기 하이드로젤 비드를 생성하기 위한 채널 내에서의 두 개의 반응물의 반응메카니즘은 도 12로 간단히 나타낼 수 있다. 본 발명에서 사용된 하이드로젤인 알지네이트는 가교제인 칼슘과 반응하여 고분자 젤을 형성한다(도 12).The reaction mechanism of the two reactants in the channel for producing the hydrogel beads can be briefly shown in FIG. 12. Alginate, a hydrogel used in the present invention, reacts with calcium, which is a crosslinking agent, to form a polymer gel (FIG. 12).

본 발명에 따른 효과적인 하이드로젤 비드의 생성방법은 채널 구조에 따른 최적화된 혼합과 유착방지를 통해 이루어질 수 있으며, 기본적으로 마이크로 디바이스의 본딩 방법에 의하여 견고함과 안정된 반응물의 주입에 의해 원하는 생성물로 균일하고 안정된 비드를 형성시킬 수 있다.The method for producing an effective hydrogel bead according to the present invention can be achieved through optimized mixing and prevention of coalescence according to the channel structure, and it is basically uniform to a desired product by injection of a solid and stable reactant by a bonding method of a micro device. And stable beads can be formed.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 단분산성 비드를 제공한다.The present invention also provides monodisperse beads prepared by the above method.

또한, 본 발명은 미세유체 칩의 제작방법에 있어서, ⅰ) 채널 표면이 동일한 소수성의 특징을 가지면서 반응물주입으로 인한 압력강하에 견디도록 미세 채널을 제작하는 단계; ⅱ) 미세채널의 주입구로 반응물을 주입하는 단계; 및 ⅲ) 미세채널로부터 생성된 부산물을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단분산형 바이오폴리머를 생성하는 미세유체 칩의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a microfluidic chip, i) manufacturing a microchannel to withstand the pressure drop due to reactant injection while the channel surface has the same hydrophobic character; Ii) injecting the reactants into the inlet of the microchannels; And iii) analyzing the by-products generated from the microchannels.

본 발명의 미세유체 칩의 제작과정은 다음과 같다. 미세유체 칩을 제작하기 위해서는 PDMS 몰드를 준비하고, 칩의 바닥면으로 사용될 유리를 클리닝한다. PDMS 몰드는 사진 식각(photolithography)을 통해 채널이 형성된 실리콘 마스터에 PDMS 전중합체(prepolymer)와 경화제를 10 : 1의 비율로 섞은 후에 65℃에서 2시간 정도 열적 경화 후에 실리콘 마스터로부터 분리를 통해 얻을 수 있다(도 1 및 도 11)The manufacturing process of the microfluidic chip of the present invention is as follows. In order to manufacture the microfluidic chip, a PDMS mold is prepared and the glass to be used as the bottom surface of the chip is cleaned. The PDMS mold can be obtained by mixing PDMS prepolymer and curing agent in a ratio of 10: 1 to the silicon master with channels formed by photolithography and separating from the silicon master after thermal curing at 65 ° C. for 2 hours. 1 and 11

클리닝을 마친 유리 기판을 PDMS 전중합체로 스핀코팅(spincoating) 한 후에 65℃에서 50분간 열적경화를 시킨다. 해당시간 동안에 PDMS는 완전히 경화되지 않고 표면이 점착성을 띄게 된다. 앞서 제작한 채널이 포함된 PDMS는 점착성을 가지는 유리 표면과 접합되고, 다시 2시간 동안 완전히 경화시켜 하나의 마이크로 유체 칩을 완성할 수 있다.The cleaned glass substrate is spincoated with PDMS prepolymer and thermally cured at 65 ° C. for 50 minutes. During that time, the PDMS will not fully cure and the surface will be tacky. The PDMS containing the previously prepared channels can be bonded to the tacky glass surface and completely cured for 2 hours to complete one microfluidic chip.

본 발명의 칩을 위한 도면제작에 있어서, 본 발명의 마이크로 채널 구조는 오토캐드 프로그램이 사용된다. 도 2 내지 도 4는 본 발명에서 사용된 각각의 마이크로 채널의 구조로서 미세유체 채널구조가 단분산형 하이드로젤 비드를 형성하는데 어떤 영향을 미치는지를 알려준다. 도 2 및 도 3은 미세유체 초점 흐름 방식을 이용한 것으로, 도 2는 반응 구간이 직선 형태의 구조를 가지고 있으며 도 3은 동일한 폭의 직선형태를 굽은 형태로 변형시킨 구조를 가지고 있다. 도 4는 전단 응력을 이용한 미세 유체 흐름 방식으로 층류로 흐르는 두 개의 반응물이 섞이지 않는 연속상의 전단력으로 구형태의 물방울을 형성하여 한정된 공간 내에서 재순환을 통해 매우 빠른 반응을 유도하기 위해 제작되었다. 본 발명에서 사용된 모든 마이크로 칩은 소수성(hexadecane)의 연속상주입을 위한 통로와 친수성의 반응물 (알지네이트, 칼슘클로라이드)의 주입을 위한 통로로 구성되어 있다.In the drawing for the chip of the present invention, the microchannel structure of the present invention uses an autocad program. 2 to 4 show the effect of microfluidic channel structure on monodisperse hydrogel beads as the structure of each microchannel used in the present invention. 2 and 3 is a microfluidic focal flow method, Figure 2 has a structure in which the reaction section is a linear structure, Figure 3 has a structure in which a straight line of the same width is transformed into a curved shape. FIG. 4 is designed to induce a very fast reaction through recirculation within a limited space by forming a spherical droplet with a continuous shear force in which two reactants flowing in a laminar flow in a microfluidic flow method using a shear stress do not mix. All microchips used in the present invention consist of a passage for continuous phase injection of hexadecane and a passage for injection of hydrophilic reactants (alginate, calcium chloride).

본 발명의 유체 주입방법에 있어서, 소수성과 친수성의 두 섞이지 않는 유체는 마이크로 시린지 펌프(Harvard apparatus PHD 2000, U.S.A.)를 사용하여 각각 주입되었다. 1 ㎖ 용량의 일회용 주사기에는 친수성 성질을 가진 두 개의 반응물인 알지네이트(alginate)와 칼슘클로라이드(CaCl2) 및 소수성의 헥사데칸(hexadecane)을 넣고 타이곤 튜브(Tygon tube)를 이용하여 각각의 용액을 마이크로 칩에 주입시켰다. 알지네이트와 칼슘클로라이드는 분산상으로써 개별적으로 두 개의 주입구를 통해 주입되고 소수성의 용액(hexadecane)은 연속상으로 남은 주입구로 주입된다(도 13). In the fluid injection method of the present invention, both hydrophobic and hydrophilic non-mixing fluids were respectively injected using a micro syringe pump (Harvard apparatus PHD 2000, USA). Disposable syringe of 1 ml volume contains two hydrophilic reactants, alginate, calcium chloride (CaCl 2 ) and hydrophobic hexadecane, and each solution is micro-treated using a Tygon tube. The chip was injected. Alginate and calcium chloride are injected separately through two inlets as a dispersed phase and hydrophobic solution (hexadecane) is injected into the remaining inlets in the continuous phase (FIG. 13).

본 발명의 비드 분석방법에 있어서, 형성된 비드의 형태의 관찰은 컬러 CCD카메라가 장착된 현미경(NIKON, SMZ800, Japan)을 사용하였다. 생성된 비드 크기의 분포를 확인하여 위하여, Image J와 Image Pro(Media cybermetic)를 사용하였다. 비드 크기 분포는 표준편차를 평균크기로 나눈 값으로 정의되는 CV(coefficient of variation)로 계산되었다.In the bead analysis method of the present invention, the observation of the formed beads was performed using a microscope (NIKON, SMZ800, Japan) equipped with a color CCD camera. Image J and Image Pro (Media cybermetic) were used to confirm the distribution of generated bead sizes. Bead size distribution was calculated as the coefficient of variation (CV), defined as the standard deviation divided by the mean size.

본 발명자들은 본 발명에 사용된 점착성을 이용한 본딩 방법을 이용하여 미세유체 칩을 제작하였다. 먼저 유리기판을 이소프로필, 아세톤, 에탄올로 각각 클 리닝 과정을 거치고 난 후에 PDMS 전중합체를 스핀코팅(spin-coating)하여 후에 채널이 포함된 PDMS와의 결합시 케필러리 힘에 의해 채널이 막힘을 방지함에 의하여, PDMS는 열적 경화를 거치지만 완전히 경화되지 않아 점착성의 얇은 막을 형성하게 되고, 미체유체 구조를 가진 PDMS는 해당 점착성 표면과 접합하여 전면이 소수성을 띄는 하나의 미세유체 칩이 완성된다. 상기 제작한 미세유체 칩에 시린지 펌프를 이용하여 유속을 조절하면서 반응에 필요한 유체를 주입한다. 미세유체 칩과 시린지 펌프의 연결은 형성된 주입구에 직접 연결하여 주입된 유체의 압력이 새지 않도록 하며 유체의 주입은 연속상인 헥사데칸(hexadecane)이 채널 내에 먼저 흘러들도록 하여 반응물인 알지네이트와 칼슘클로라이드의 채널내 흡착을 최대한 막아 하이드로젤 비드가 형성되는데 있어 생기는 변수를 막는다.The present inventors manufactured the microfluidic chip using the bonding method using the adhesive used in the present invention. First, the glass substrate is cleaned with isopropyl, acetone, and ethanol, respectively. After spin-coating the PDMS prepolymer, the channel is blocked by the capillary force when combined with the PDMS including the channel. By preventing, the PDMS undergoes thermal curing but not fully cured to form a tacky thin film, and the PDMS having a fluid-fluid structure is bonded to the tacky surface to complete a microfluidic chip having hydrophobic front surface. Injecting the fluid required for the reaction while adjusting the flow rate using the syringe pump to the prepared microfluidic chip. The connection between the microfluidic chip and the syringe pump is directly connected to the formed inlet port so that the pressure of the injected fluid does not leak. By blocking the adsorption as much as possible to prevent the variables caused in the formation of hydrogel beads.

단분산성 하이드로젤 비드를 신속하면서 안정한 형태로 형성하는데 있어 사용된 미세유체 채널의 구조가 미치는 영향에 대해 알아보기 위하여, 시린지 펌프를 사용하여 필요한 반응물과 소수성의 유체를 주입한다. 유체가 주입되어 소수성 유체의 전단련에 의해 비드가 형성이 되고, 안정된 형태로 지속되었을 때를 기준으로 안정된 비드 생성 영역을 지정하고 각 해당 채널 구조에 따라 차이점 및 문제점을 발견하여 최적의 채널구조를 찾는다.To determine the effect of the structure of the microfluidic channel used to form monodisperse hydrogel beads in a rapid and stable form, a syringe pump is used to inject the required reactants and hydrophobic fluid. When the fluid is injected and beads are formed by shearing hydrophobic fluids, a stable bead generation region is designated based on the time when the hydrophobic fluid is maintained in a stable form. Find.

안정된 하이드로젤 비드를 형성하기 위한 최적의 상태를 결정하기 위해 다양한 유체 유속에서 분산상의 분율의 영향을 조사한 결과, 단순 미체유체 초점 흐름 방식은 하이드로젤 비드가 특정 영역에서만 안정된 형태로 형성된다(도 5 참조). 연속상의 유속이 증가함에 따라 안정한 비드를 형성하기 위한 구역이 커지고, 연속상의 유속이 감소하게 되면 분산상의 유체가 층류로 흐르거나 물방울을 형성하기 힘들다. 단순 미체유체 초점 흐름 방식은 연속적으로 하이드로젤 비드를 형성할 수 있지만 알지네이트와 칼슘클로라이드의 두 개의 반응물 사이에 충분한 혼합이 이루어지지 않는다. 두 반응물의 경계가 명확한 하이드로젤 비드의 형태를 보여주고 이는 혼합이 제대로 이루어지지 않았음을 나타낸다(도 6 참조). 혼합이 제대로 되지 않은 하이드로젤 비드가 출구에서 기계적 강도가 약한 비드 상호 간의 유착에 의해 다양한 크기로 존재한다(도 7 참조). 단순 미체유체 초점 흐름 방식 채널구조에서는 칼슘클로라이드는 오직 확산에 의존하여 알지네이트와 반응하게 된다. 확산에 의존하는 반응을 위해서는 반응 시간을 늘려야 하며 이는 보다 긴 채널이 요구된다. 상기 도 7은 불균일한 비드의 이미지를 통하여 미세유체 초점 흐름방식의 문제점을 보여주고 있다. 아울러, 상기 채널방식은 단지 채널 내부의 확산에만 의존하는 반응임을 현미경 사진을 통해서 확인할 수 있다(도 18 참조). 즉, 도 18은 반응물에 염료를 첨가하여 시각적으로 증명한 것으로 두 개의 반응물은 확산에만 의존하여 반응이 진행됨에 따라 반응속도가 매우 낮다. 따라서, 형성된 이멀젼은 시간이 지남에도 불구하고 두 개의 반응물 사이에서 균일하게 섞이지 않고 분리된 형태로 유지됨을 나타낸다.As a result of investigating the influence of the fraction of the dispersed phase at various fluid flow rates to determine the optimum state for forming stable hydrogel beads, the simple microfluidic focal flow method results in the hydrogel beads being formed in a stable form only in certain regions (FIG. 5). Reference). As the flow velocity of the continuous phase increases, the area for forming stable beads increases, and when the flow velocity of the continuous phase decreases, it is difficult for the fluid of the dispersed phase to flow in laminar flow or to form droplets. The simple microfluidic focal flow method can form hydrogel beads continuously but there is not enough mixing between the two reactants of alginate and calcium chloride. The boundary between the two reactants shows the shape of a hydrogel bead clearly indicating that mixing was not done properly (see FIG. 6). Inadequate hydrogel beads are present in various sizes due to coalescence between the beads with weak mechanical strength at the exit (see FIG. 7). In the simple microfluidic focal flow channel structure, calcium chloride only reacts with alginate depending on diffusion. Diffusion-dependent reactions require longer reaction times, which require longer channels. 7 illustrates a problem of the microfluidic focal flow method through an image of non-uniform beads. In addition, it can be confirmed through the micrograph that the channel method is a reaction that depends only on the diffusion inside the channel (see FIG. 18). That is, FIG. 18 is visually proved by adding a dye to the reactants, and the two reactants have a very low reaction rate as the reaction proceeds depending only on diffusion. Thus, the emulsion formed indicates that it does not mix uniformly between the two reactants over time and remains in a separated form.

혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식은 이전에 사용된 단순 미세유체 초점 흐름방식에 보다 효과적인 혼합을 위해 구부러진 구간을 추가한 것이다. 알지네이트와 칼슘클로라이드 사이의 혼합 효율이 개선되지만, 완전하게 반응이 이루어지지 않은 하이드로젤은 넓은 구부러진 구간에서 합쳐진다(도 8 참조). 채널 내에서 비드가 유착되는 이유는 첫째, 채널 내에서 거동하는 비드의 유속이 빨라지게 되면, 채널 공간 내에서 무작위적으로 거동하게 되고 채널 내에 생기는 압력강하가 비드가 누적이 되는 것을 야기시키므로, 누적된 비드의 무작위한 거동으로 채널 내에서의 유착이 발생된다. 둘째, 생성된 하이드로젤 비드 움직임의 변동은 채널 구조적으로 충돌가능성을 증가시킨다. 셋째, 혼합채널의 추가에도 불구하고 충분하게 혼합이 되지 않아 기계적 강도가 떨어지기 때문이다. The microfluidic focal flow method with mixed channels adds a bent section for more effective mixing to the previously used simple microfluidic focal flow method. The mixing efficiency between alginate and calcium chloride is improved, but the hydrogels that are not completely reacted merge in a wide bent section (see FIG. 8). The reason why beads are adhered in the channel is, firstly, that the faster the flow rate of the beads behaving in the channel, the more randomly they behave in the channel space and the pressure drop in the channel causes the beads to accumulate. The random behavior of the beads thus produced results in coalescence in the channel. Second, fluctuations in the generated hydrogel bead movement increase the likelihood of collision in the channel structure. Third, despite the addition of the mixing channel is not enough mixing because the mechanical strength falls.

미세 유체 초점 방식에서 발견된 문제점은 계면에서의 확산에 의존하여 혼합 효율이 낮고 채널 내에 존재하는 압력강하로 인해 유착이 발생한다는 것이다. 이전에 사용된 두 개의 채널구조와 달리 전단응력을 이용한 미세유체 방식은 혼합과 유착의 문제가 발생하지 않는다. 친수성의 하이드로젤의 형태는 소수성 연속상의 전단력에 의해 수직방향으로 형성이 된다(도 9a 참조). 형성되는 하이드로젤은 채널 내에서 재순환에 의한 급속한 혼합이 이루어진다. 이전의 혼합채널을 함유한 미세유체 초점흐름에 비해서 좁은 채널구조는 혼합 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 충분하게 혼합되어 유착을 막을 수 있다. 출구에서 얻은 하이드로젤을 보여주는 현미경 사진은 하이드로젤 간의 유착이 발생하지 않았음을 보여준다(도 9b 참조). 출구에서 얻은 하이드로젤을 크기와 분산도를 측정한 결과, 해당 분산도는 매우 낮아 단분산성이고 기계적 강도도 우수하다(도 10 참조).The problem found in the microfluidic focus method is that the mixing efficiency is low and adhesion occurs due to the pressure drop present in the channel depending on the diffusion at the interface. Unlike the two channel structures previously used, the microfluidic method using shear stress does not cause the problem of mixing and coalescence. The hydrophilic hydrogel is formed in the vertical direction by the shear force of the hydrophobic continuous phase (see FIG. 9A). The hydrogel formed is rapidly mixed by recycling in the channel. Compared to the microfluidic focal flow containing the previous mixing channel, the narrow channel structure not only increases the mixing efficiency but also can be sufficiently mixed to prevent coalescence. Micrograph showing the hydrogel obtained at the exit shows that no coalescence between hydrogels occurred (see FIG. 9B). As a result of measuring the size and the dispersion of the hydrogel obtained from the outlet, the dispersion was very low, monodispersed and excellent in mechanical strength (see FIG. 10).

이상 설명한 바와 같이, 일반적으로 마이크로 비드를 형성하는데 있어 사용되는 것은 미세유체 초점흐름 방식이지만, 하이드로젤 비드를 형성하기 위해서는 계면에서의 확산에 의존만으로는 불가능하다. 따라서, 본 발명은 이를 해결하기 위하여 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 채택하고 채널 내에서의 급속한 혼합을 통해 유착을 방지하여 단분산성의 하이드로젤 비드를 생산할 수 있는 채널 구조를 구축할 수 있었다.As described above, the microfluidic focal flow method is generally used to form microbeads, but it is impossible to rely on diffusion at an interface to form hydrogel beads. Therefore, in order to solve this problem, the present invention was able to construct a channel structure that can produce monodisperse hydrogel beads by adopting a microfluidic method using shear stress and preventing adhesion through rapid mixing in a channel.

본 발명의 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법은 생물공학 및 의약분야에 널리 사용 가능한 생물친화성 단분산성 하이드젤 비드와 같은 단분산성 비드를 효과적으로 생산할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 미세 채널을 지닌 마이크로 반응기와 같은 미세유체 칩을 제작하는데 유용하게 이용될 수 있다.The method for synthesizing monodisperse beads using the microfluidic channel structure of the present invention can effectively produce monodisperse beads such as biocompatible monodisperse hydrogel beads which can be widely used in biotechnology and medicine. It can be usefully used to fabricate microfluidic chips, such as micro reactors.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples and may be changed to other embodiments equivalent to substitutions and equivalents without departing from the technical spirit of the present invention. Will be apparent to those of ordinary skill in the art.

<실시예 1> 미세유체 칩의 제작Example 1 Fabrication of Microfluidic Chips

본 발명자들은 본 발명에 사용된 점착성을 이용한 본딩 방법을 이용하여 미세유체 칩을 제작하였다. 먼저 바닥면으로 활용될 유리기판을 가로 X 세로(2.5 ㎝ X 5.0 ㎝)로 자르고, 이소프로필(isopropyl), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol)로 각각 5분씩의 클리닝 과정을 실시한 후에 PDMS 전중합체(prepolymer)로 6000 rpm에 1분간 스핀코팅(spin-coating)하였다. 상기 과정은 채널이 포함된 PDMS와의 결합시 케필러리 힘에 의해 채널이 막힘을 방지하기 위함이다. 이에 의하여, PDMS는 65℃에서 50분간 열적 경화를 거치지만 완전히 경화되지 않아 점착성의 얇은 막을 형성하게 되었다. 미체유체 구조를 가진 PDMS는 해당 점착성 표면과 접합하여 전면이 소수성을 띄는 하나의 미세유체 칩이 완성되었다(도 11).The present inventors manufactured the microfluidic chip using the bonding method using the adhesive used in the present invention. First, the glass substrate to be used as the bottom surface is cut to length X length (2.5 cm X 5.0 cm), and each 5 minutes cleaning process with isopropyl, acetone, and ethanol is followed by PDMS prepolymer. (prepolymer) was spin-coated (spin-coating) at 6000 rpm for 1 minute. This process is to prevent the blockage of the channel by the capillary force when combined with the PDMS containing the channel. As a result, the PDMS was thermally cured at 65 ° C. for 50 minutes but was not completely cured to form a tacky thin film. PDMS having a microfluidic structure was bonded to the adhesive surface to complete a microfluidic chip having a hydrophobic front surface (FIG. 11).

보다 구체적으로, 도면 11에 기재된 바와 같이, 우선 유리기판을 유기용매를 이용하여 세척을 한 후 그 위에 PDMS를 스핀코팅(6000 rpm, 60초)을 하였다. 코팅된 표면은 오븐에서 부분적으로 경화(50분, 65℃)를 시켜 점착성이 생기게 유도하였다. 유체가 흐를 수 있는 채널이 포함된 PDMS 몰드(포토리소그래피를 통해 얻어진 실리콘 마스터에 PDMS를 경화시킨 후 떼어내면 채널이 포함된 PDMS 몰드를 얻을 수 있다)는 점착성을 가지는 표면위에 올려지게 되고 오븐에서 추가적으로 경화(2시간, 65℃)를 시켜 완전하게 접착된 미세유체 채널이 형성된 미세유칩을 제작하였다.More specifically, as shown in FIG. 11, first, the glass substrate was washed with an organic solvent, and then PDMS was spin coated (6000 rpm, 60 seconds) thereon. The coated surface was partially cured in the oven (50 minutes, 65 ° C.) to induce stickiness. PDMS molds containing channels through which fluid can flow (curing PDMS on a silicon master obtained through photolithography and then peeled off to obtain PDMS molds containing channels) are placed on a sticky surface and additionally in an oven Curing (2 hours, 65 ℃) to produce a microfluidic chip in which a microfluidic channel adhered completely.

<실시예 2> 반응에 필요한 유체의 시린지 펌프를 이용한 주입Example 2 Injection of Fluid Required for Reaction with a Syringe Pump

상기 실시예 1에서 제작한 미세유체 칩을 컬러 CCD 카메라가 장착된 현미경(NIKON, SMZ800, Japan)에 올려놓고, 시린지 펌프를 이용하여 유속을 조절하면서 반응에 필요한 유체를 주입하였다. 미세유체 칩과 시린지 펌프의 연결은 타이곤튜브(Tygon tube)를 사용하여 시린지 바늘을 형성된 주입구에 직접 연결하여 주입된 유체의 압력이 새지 않도록 하였다. 유체의 주입은 연속상인 헥사데칸(hexadecane)이 채널 내에 먼저 흘러들도록 하여 반응물인 알지네이트와 칼슘클로라이드의 채널내 흡착을 최대한 막아 하이드로젤 비드가 형성되는데 있어 생기는 변수를 막았다.The microfluidic chip prepared in Example 1 was placed on a microscope equipped with a color CCD camera (NIKON, SMZ800, Japan), and the fluid required for the reaction was injected while controlling the flow rate using a syringe pump. The connection of the microfluidic chip and the syringe pump was made by using a Tygon tube to connect the syringe needle directly to the formed inlet so that the pressure of the injected fluid did not leak. The injection of fluid allowed the continuous phase hexadecane to flow into the channel first to prevent the adsorption of reactants alginate and calcium chloride into the channel to prevent the variables caused in the formation of hydrogel beads.

<실시예 3> 단분산성 하이드로젤 비드 형성을 위한 최적의 채널구조Example 3 Optimal Channel Structure for Monodisperse Hydrogel Bead Formation

단분산성 하이드로젤 비드를 신속하면서 안정한 형태로 형성하는데 있어 사용된 미세유체 채널의 구조가 미치는 영향에 대해 알아보기 위하여, 시린지 펌프를 사용하여 필요한 반응물과 소수성의 유체를 주입하였다. 채널 내의 비드가 형성되는 메커니즘과 형태를 알아보기 위하여, 미세유체 칩을 현미경 위에 올려놓았다. 유체가 주입되어 소수성 유체의 전단련에 의해 비드가 형성이 되고, 안정된 형태로 5분 이상 지속되었을 때를 기준으로 안정된 비드 생성 영역을 지정하고 각 해당 채널 구조에 따라 차이점 및 문제점을 발견하였으며, 이를 바탕으로 최적의 채널구조를 찾았다.In order to investigate the effect of the structure of the microfluidic channel used to form monodisperse hydrogel beads in a rapid and stable form, a syringe pump was used to inject the required reactants and hydrophobic fluids. To determine the mechanism and shape of the beads in the channels, the microfluidic chip was placed on a microscope. When the fluid was injected and beads were formed by shearing of hydrophobic fluids, a stable bead generation region was designated based on the time when it lasted for more than 5 minutes in a stable form, and found differences and problems according to the respective channel structures. The optimal channel structure was found.

<실시예 4> 단순 미체유체 초점 흐름 방식Example 4 Simple Fluid Flow Focus Flow Method

상기 실시예 1에서 제조된 다양한 채널 구조를 가진 미세유체 칩 내에 시린지 펌프를 이용하여 반응물을 주입하였다. 본 발명에서 처음 제시되는 단순 미세유체 초점 흐름 방식은 안정된 물방울을 형성하는데 있어 매우 용이한 것으로 알려져 있다. 안정된 하이드로젤 비드를 형성하기 위한 최적의 상태를 결정하기 위해 다양한 유체 유속에서 분산상의 분율(분산상의 부피유속/(분산상의 부피유속 + 연속상의 부피유속))의 영향을 조사하였다. 도 5는 하이드로젤 비드가 특정 영역에서만 안정된 형태로 형성된다는 것을 보여주고 있는 그래프이다. 도 5에서 보여지는 바와 같이 안정된 구간(I)과 불안정한 구간(II)의 전형적인 두 가지 형태로 나눌 수 있다. 예를 들어, 높은 분산상 분율(>0.6)과 낮은 분산상의 분율(<0.2)에서는 계면간의 불균형, 점도, 젖음성으로 인해 안정한 하이드로젤 비드를 생성할 수 없다. 하지만 분율이 0.2-0.6의 구간에서는 안정한 하이드로젤 비드를 얻기 위한 최적값이 된다. 연속상의 유속이 증가함에 따라 안정한 비드를 형성하기 위한 구역이 커짐을 알 수 있다. 반대로 연속상의 유속이 감소하게 되면 분산상의 유체가 층류로 흐르거나 물방울을 형성하기 힘들어진다. The reactant was injected into the microfluidic chip having various channel structures prepared in Example 1 using a syringe pump. The simple microfluidic focal flow method first proposed in the present invention is known to be very easy to form stable water droplets. The influence of the fraction of the dispersed phase (volume of the dispersed phase / (volume of the dispersed phase + volume of the continuous phase)) at various fluid flow rates was investigated to determine the optimal state for forming stable hydrogel beads. 5 is a graph showing that the hydrogel beads are formed in a stable form only in a specific region. As shown in FIG. 5, the present invention can be divided into two types, a stable section I and an unstable section II. For example, at high dispersion phase fractions (> 0.6) and low dispersion phase fractions (<0.2), stable hydrogel beads cannot be produced due to the imbalance, viscosity, and wettability between interfaces. However, in the range of 0.2-0.6, the fraction is the optimal value for obtaining stable hydrogel beads. It can be seen that as the flow velocity of the continuous phase increases, the zone for forming stable beads increases. On the contrary, when the flow velocity of the continuous phase decreases, it becomes difficult for the fluid in the dispersed phase to flow in laminar flow or to form water droplets.

단순 미세유체 초점 흐름방식을 통해 연속적으로 하이드로젤 비드를 형성할 수 있지만, 알지네이트와 칼슘클로라이드의 두 개의 반응물 사이에 충분한 혼합이 이루어지지 않는다(도 5). 도 6 및 도 7은 이를 단적으로 보여주고 있는 예로써, 도 6은 채널 내에서의 두 반응물의 경계가 명확한 하이드로젤 비드의 형태를 보여주고, 이는 혼합이 제대로 이루어지지 않았음을 보여준다. 도 7은 혼합이 제대로 되지 않은 하이드로젤 비드가 출구에서 기계적 강도가 약한 비드 상호 간의 유착에 의해 다양한 크기로 존재함을 보여주고 있다. 결국 도 2의 단순 미세유체 초점 흐름방식의 채널구조에서는 칼슘클로라이드는 오직 확산에 의존하여 알지네이트와 반응하게 된다. 확산에 의존하는 반응을 위해서는 반응 시간을 늘려야 하며 이는 보다 긴 채널이 요구된다.The hydrogel beads can be formed continuously through a simple microfluidic focal flow, but there is not enough mixing between the two reactants of alginate and calcium chloride (FIG. 5). 6 and 7 illustrate this in a simple manner, and FIG. 6 shows the shape of the hydrogel beads having clear boundaries between two reactants in the channel, which shows that mixing was not performed properly. FIG. 7 shows that poorly mixed hydrogel beads exist in various sizes due to adhesion between the beads having weak mechanical strength at the outlet. As a result, in the simple microfluidic focal flow channel structure of FIG. 2, calcium chloride reacts with alginate only depending on diffusion. Diffusion-dependent reactions require longer reaction times, which require longer channels.

<실시예 5> 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식Example 5 Microfluidic Focal Flow Method Containing Mixed Channels

혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식은 이전에 사용된 단순 미세유체 초점 흐름방식에 보다 효과적인 혼합을 위해 구부러진 구간을 추가한 것이다(도 3). 비록 알지네이트와 칼슘클로라이드 사이의 혼합 효율이 보다 개선되었을지라도, 완전하게 반응이 이루어지지 않은 하이드로젤은 넓은 구부러진 구간에서 합쳐지게 된다(도 8). 채널 내에서 비드가 유착이 이루어지는 이유를 세가지로 나누어 살펴볼 수 있다. 첫 번째는 채널 내에서 거동하는 비드의 유속이 빨라지게 되면, 채널 공간 내에서 무작위적으로 거동하게 된다. 또한, 채널 내에 생기는 압력강하는 비드가 누적이 되는 것을 야기시킨다. 결국 누적된 비드의 무작위한 거동은 채널 내에서의 유착을 발생시키게 된다. 두 번째로 생성된 하이드로젤 비드 움직임의 변동은 채널 구조적으로 충돌가능성을 증가시키게 된다. 세 번째로 혼합채널을 추가 했음에도 불구하고 이전의 채널과 동일하게 충분하게 혼합이 되지 않아 기계적 강도가 떨어지게 된다. The microfluidic focal flow method containing the mixing channel adds a bent section for more effective mixing to the previously used simple microfluidic focal flow method (FIG. 3). Although the mixing efficiency between alginate and calcium chloride was improved further, the hydrogels that were not completely reacted merged over a wide bent section (FIG. 8). There are three reasons why beads can coalesce in a channel. The first is that the faster the flow rate of the beads behaving in the channel, the random behavior in the channel space. In addition, the pressure drop occurring in the channel causes the beads to accumulate. Eventually, the random behavior of the accumulated beads causes adhesion within the channel. The second generated variation in hydrogel bead movement increases the likelihood of collision in the channel structure. Thirdly, although the mixing channel is added, the mechanical strength is lowered because the mixing is not enough as the previous channel.

<실시예 6> 전단응력을 이용한 미세유체 방식Example 6 Microfluidic Method Using Shear Stress

미세 유체 초점 방식에서 발견된 문제점은 계면에서의 확산에 의존하여 혼합 효율이 낮고 채널 내에 존재하는 압력강하로 인해 유착이 발생한다는 것이다. 이전에 사용된 두 개의 채널구조에서 보였던 문제점을 보완한 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 통해 이전 두 가지에서 거론 되었던 혼합과 유착의 문제를 해결하였다. 친수성의 하이드로젤의 형태는 소수성 연속상의 전단력에 의해 수직방향으로 형성이 된다(도 9a). 형성되는 하이드로젤은 채널 내에서 재순환에 의한 급속한 혼합이 이루어진다. 이전의 혼합채널을 함유한 미세유체 초점흐름에 비해서 좁은 채널구조는 혼합 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 충분하게 혼합되어 유착을 막을 수 있다. 도 9는 출구에서 얻은 하이드로젤을 보여주는 현미경 사진이며 이는 하이드로젤 간의 유착이 발생하지 않았음을 보여주고 있다(도 9b). 출구에서 얻은 하이드로젤을 이미지 분석 프로그램을 이용하여 크기를 측정하였으며 분산도를 측정하였다(도 10). 그 결과, 해당 분산도는 2.5% 이하의 값을 얻었으며 매우 단분산성임을 알 수 있고 기계적 강도도 우수함을 확인하였다.The problem found in the microfluidic focus method is that the mixing efficiency is low and adhesion occurs due to the pressure drop present in the channel depending on the diffusion at the interface. The microfluidic method using the shear stress that solves the problems seen in the two channel structures used previously solves the problems of mixing and coalescence discussed in the previous two. The hydrophilic hydrogel is formed in the vertical direction by the shear force of the hydrophobic continuous phase (FIG. 9A). The hydrogel formed is rapidly mixed by recycling in the channel. Compared to the microfluidic focal flow containing the previous mixing channel, the narrow channel structure not only increases the mixing efficiency but also can be sufficiently mixed to prevent coalescence. FIG. 9 is a micrograph showing the hydrogel obtained at the exit, which shows that no coalescence between hydrogels occurred (FIG. 9B). The hydrogel obtained at the exit was sized using an image analysis program and the dispersion degree was measured (FIG. 10). As a result, the degree of dispersion obtained a value of 2.5% or less, it can be seen that it is very monodisperse and also excellent mechanical strength.

이상 설명한 바와 같이, 일반적으로 마이크로 비드를 형성하는데 있어 사용되는 것은 미세유체 초점흐름 방식이지만, 하이드로젤 비드를 형성하기 위해서는 계면에서의 확산에 의존하는 것만으로는 불가능하다. 따라서, 본 발명은 이를 해결하기 위하여 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 채택하고 채널 내에서의 급속한 혼합을 통해 유착을 방지하여 단분산성의 하이드로젤 비드를 생산할 수 있는 채널 구조를 구축할 수 있었다.As described above, the microfluidic focal flow method is generally used to form microbeads, but it is not possible to rely on diffusion at the interface to form hydrogel beads. Therefore, in order to solve this problem, the present invention was able to construct a channel structure that can produce monodisperse hydrogel beads by adopting a microfluidic method using shear stress and preventing adhesion through rapid mixing in a channel.

도 1은 본 발명에 사용된 미세유체 칩의 실제 사진이다.1 is an actual photograph of a microfluidic chip used in the present invention.

도 2는 단순 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing 1)의 캐드도면 사진이다.2 is a CAD drawing photograph of a simple microfluidic focusing method (microflow focusing 1).

도 3은 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식(microflow focusing 2)의 캐드도면 사진이다.FIG. 3 is a CAD drawing photograph of a microfluidic focusing method 2 containing mixed channels.

도 4는 전단응력을 이용한 미세유체 방식(biasedshear force driven microflow 3)의 캐드도면 사진이다.4 is a CAD drawing photograph of a microsedshear force driven microflow 3 using shear stress.

도 5는 단순 미세유체 초점 흐름 방식을 사용하는 경우에 안정된 비드가 생성되는 영역을 보여주는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing a region where stable beads are generated when the simple microfluidic focal flow method is used.

도 6은 단순 미세유체 초점 흐름 방식을 사용하는 경우에 생성되는 비드의 형태를 보여주는 현미경 사진이다. Figure 6 is a micrograph showing the shape of the beads produced when using the simple microfluidic focal flow method.

도 7은 단순 미세유체 초점 흐름 방식을 사용하는 경우의 문제점을 나타낸 채널 출구에서의 현미경 사진이다.FIG. 7 is a micrograph at the channel exit showing problems when using the simple microfluidic focal flow method. FIG.

도 8은 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식을 사용하는 경우에 나타나는 문제를 보여주는 현미경 사진이다.FIG. 8 is a micrograph showing the problem seen when using a microfluidic focal flow method containing mixed channels.

도 9는 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 사용하는 경우에 채널 내의 비드 형태와 출구에서 얻어진 비드를 나타내는 현미경 사진이다. Figure 9 is a micrograph showing the bead shape in the channel and the beads obtained at the exit when using the microfluidic method using the shear stress.

도 10은 출구에서 얻어진 비드를 이미지 프로그램를 이용하여 길이를 측정한 후 분산도(polydispersity)를 측정한 그래프이다. FIG. 10 is a graph measuring polydispersity after measuring the length of the beads obtained at the exit using an image program.

도 11은 본 발명에서 제작된 미세유체 칩의 제작과정을 간략하게 나타낸 것이다. Figure 11 briefly shows the manufacturing process of the microfluidic chip produced in the present invention.

도 12는 본 발명에서 사용된 하이드로젤 비드를 생성하기 위한 채널 내에서의 두 개의 반응물의 반응 메카니즘으로, 본 발명에서 사용된 하이드로젤인 알지네이트가 가교제인 칼슘과 반응하여 고분자 젤을 형성하는 과정을 나타낸 화학식이다. 12 is a reaction mechanism of two reactants in a channel for producing a hydrogel bead used in the present invention, wherein the hydrogel alginate used in the present invention reacts with calcium as a crosslinking agent to form a polymer gel. Formula shown.

도 13은 본 발명에서 제작된 미세유체 칩내에 반응물을 주입하는 방법을 나타낸 단면도이다.13 is a cross-sectional view showing a method of injecting a reactant into the microfluidic chip manufactured in the present invention.

도 14는 단순 미세유체 초점 흐름 방식을 사용한 미세유체 채널 구조이다.14 is a microfluidic channel structure using a simple microfluidic focal flow method.

도 15는 혼합 채널을 함유한 미세유체 초점 흐름 방식을 사용한 미세유체 채널 구조이다.15 is a microfluidic channel structure using a microfluidic focal flow method with mixed channels.

도 16은 전단응력을 이용한 미세유체 방식을 사용한 미세유체 채널 구조이다.16 is a microfluidic channel structure using a microfluidic method using shear stress.

도 17은 본원발명에 사용된 급속반응을 설명하는 도식도로, 이때, (a)는 미세채널에 반응물 A, B를 주입하는 단계를, (b)는 해당 반응물과 섞이지 않는 유체를 이용하여 연속적으로 이멀젼을 형성한 후 한정된 공간 내에서 난류를 유도하여 반응물간 혼합되는 정도를 나타낸다.Figure 17 is a schematic diagram illustrating the rapid reaction used in the present invention, wherein (a) is a step of injecting reactants A, B into the microchannel, (b) is continuously using a fluid that does not mix with the reactants After forming an emulsion, turbulence is induced within a defined space to indicate the degree of mixing between reactants.

도 18은 채널 내부의 확산에만 의존하는 반응인 단순미세유체 초점 흐름방식을 사용하는 경우의 문제점을 나타낸 채널내의 현미경사진이다.FIG. 18 is a micrograph in a channel showing the problem of using a simple microfluidic focal flow method, which is a reaction that depends only on diffusion within the channel.

Claims (12)

ⅰ) 유리기판을 유기용매를 이용하여 세척을 한 후 그 위에 PDMS를 스핀코팅하는 단계;Iii) washing the glass substrate with an organic solvent and spin coating the PDMS thereon; ⅱ) 상기 코팅된 표면을 경화시켜 점착성을 유도하는 단계;Ii) curing the coated surface to induce adhesion; ⅲ) 상기 점착성을 가지는 표면 위에 유체가 흐를 수 있는 채널이 포함된 PDMS 몰드를 올려놓는 단계; 및 Iii) placing a PDMS mold including a channel through which fluid can flow on the tacky surface; And ⅳ) 상기 몰드를 추가적으로 경화시켜 완전하게 접착된 미세유체 채널이 형성되는 단계;를 포함하는 방법에 의하여 제작된 미세유체 칩을 이용하여 균일한 단분산성 비드를 합성하는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성 비드의 합성방법.Iv) additionally curing the mold to form a fully adhered microfluidic channel; a microfluidic channel structure comprising synthesizing uniform monodisperse beads using a microfluidic chip manufactured by the method comprising Synthesis method of monodisperse beads using. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 단분산성 비드는 하이드로젤 비드인 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성 비드의 합성방법.The monodisperse beads are hydrogel beads, the method of synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 하이드로젤은 가교제인 칼슘과 반응한 알지네이트 고분자 젤인 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법.The hydrogel is a method of synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure, characterized in that the alginate polymer gel reacted with calcium as a crosslinking agent. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 하이드로젤 비드의 합성은 헥사데칸(hexadecane)을 먼저 미세유체 칩의 주입구에 주입한 후, 알지네이트(alginate)와 칼슘클로라이드(CaCl2)를 주입하고, 이들의 반응에 의해 합성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법.Synthesis of the hydrogel beads is first injected with hexadecane (hexadecane) in the inlet of the microfluidic chip, and then injected with alginate (alginate) and calcium chloride (CaCl 2 ), characterized in that synthesized by their reaction Synthesis method of monodisperse beads using microfluidic channel structure. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 미세유체 채널은 채널 표면이 동일한 소수성의 특징을 가지면서 반응물 주입으로 인한 압력강하에 견디는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법. The microfluidic channel has the same hydrophobic characteristics as the surface of the channel has a characteristic of withstanding the pressure drop due to the injection of reactants, characterized in that the monodisperse beads using a microfluidic channel structure. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 미세유체 칩은 사면이 동일한 소수성을 가진 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성의 비드의 합성방법.The microfluidic chip has a method of synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure, characterized in that the slope has the same hydrophobicity. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 채널이 포함된 PDMS 몰드는 포토리소그래피를 통해 얻어진 실리콘 마스터에 PDMS를 경화시켜 제작되는 것을 특징으로 하는 미세유체 채널 구조를 이용한 단분산성 비드의 합성방법.The PDMS mold containing the channel is a method of synthesizing monodisperse beads using a microfluidic channel structure, characterized in that the PDMS is produced by curing the PDMS on the silicon master obtained through photolithography. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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