KR101106023B1 - 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세 유체 칩에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 칩은 용액의 주입 속도를 조절하는 것에 따라 용액 주입 비율에 따른 농도를 형성하는 농도 형성 영역; 상기 농도 형성 영역의 후단에 위치하며, 주입된 용액 속에 존재하는 용질을 확산에 의해 혼합하는 확산 지배 혼합 영역; 및 상기 확산 지배 혼합 영역의 후단에 위치하는 관찰 영역을 포함한다. 상기 농도 형성 영역은 양쪽 단부가 제1 용액 주입구 및 확산 지배 혼합 영역에 각각 연결되는 제1 용액 주입 채널; 상기 제1 용액 주입 채널의 한쪽 옆에 형성되며, 양쪽 단부에는 제2 용액 주입구 및 제3 용액 주입구가 각각 연결되는 제2 용액 주입 채널; 상기 제1 용액 주입 채널의 다른 쪽 옆에 형성되며, 양쪽 단부에는 제4 용액 주입구 및 제5 용액 주입구가 각각 연결되는 제3 용액 주입 채널; 및 상기 제2 용액 주입 채널 및 제3 용액 주입 채널을 상기 제1 용액 주입 채널과 유체 역학적으로 연결하는 마이크로 터널을 포함한다.
미세 채널, 농도 구배, 시간 의존, 마이크로 터널, 소실 곡선

Description

시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩{MICROFLUIDIC DEVICE FOR GENERATION OF TIME-DEPENDENT CONCENTRATION}
본 발명은 미세 유체 칩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관찰 영역에 시간 의존형 농도 구배를 형성할 수 있는 미세 유체 칩에 관한 것이다.
대부분의 첨단 산업 분야에서 장비의 소형화, 휴대화 및 원격 조정화가 이루어지고 있는 추세에 따라 분석 장비 역시 소형화, 휴대화 및 원격 조정화를 가능하게 하는 방향으로 연구 개발이 진행되고 있다.
이에 따라, 근래에는 환경공학 기술, 생명공학 기술, 반도체 공정 기술, 전기화학 기술, 광학 기술 및 기계공학 기술 등을 조합하여 바이오 센서, 바이오 칩, 바이오 소자, 바이오 MEMS(micro electro-mechanical system) 등을 연구하는 분야가 관심의 대상이 되고 있다.
전술한 연구 분야에서는 미세 채널이 형성된 칩 내에 미량의 시료를 흘려보내거나 주입하여 분석하는 미세 유체 칩(microfluidic chip)을 사용하고 있는 데, 이 칩은 나노 리터 이하의 극미량의 시료만으로도 물질의 분리, 분석 및 합성이 가능하고, 기기의 초소형화, 사용 약물의 최소화 및 실험 결과의 신뢰도 극대화 등의 장점을 가지므로, 분자생물학, 의학, 약물 개발은 물론 제조업 및 통신 분야 등에서 각광받고 있다.
이러한 미세 유체 칩은 실험실의 모든 장치를 칩 위의 각 모듈로 집적하여 실험실에서 행해지던 특정 실험들을 미세 유체 칩 내에 집적시켜 수행할 수 있으므로, “칩 위의 실험실(lab-on-a-chip)"이라 불린다.
미세 유체 칩의 한 예로, N.L. Jeon에 의해 2000년에 개발된 고기능성 미세 유체 칩이 있다. 이 칩은 P. Yager에 의해 1997년에 개발된 T-센서의 기능을 활용하여 용액 흐름의 합류(merge)-혼합(mix)-분리(split)를 가능하게 한 것으로, 농도구배를 수학적으로 기술할 수 있어 세포의 주화성 실험에 많이 이용되었다.
여기에서, T-센서는 채널 안에서의 용질의 농도가 두 용액이 만나는 점을 기준으로 채널을 가로질러 확산지배적인 혼합으로 결정되는 원리를 적용한 것으로, 채널 안에 형성된 농도 분포는 용질의 확산계수, 두 흐름의 접촉부분에서부터의 거리, 채널의 폭과 높이 및 온도 등의 인자들에 영향을 받는다.
미세 유체 칩을 이용하면 각 채널 안에서 화학 물질의 농도를 다양하게 구현할 수 있다.
일례로, L.P. Lee 등은 농도 구배 형성장치와 구획을 갖는 세포 성장 기구를 결합한 고효율 미세 유체 칩을 개발하였다. 이 장치를 이용하면, 같은 농도에서 성장한 각 세포의 병행 실험이 가능하며, 서로 다른 농도에서 성장한 각 세포의 비교 실험이 가능하다.
다른 예로, F. Lin은 하나의 채널에서 고정된 하나의 농도 구배를 만드는 기존 칩 의 단점을 해결하기 위해, 기존의 채널에 혼합기 모듈(mixer module)을 적용하여 주사기 펌프의 유속을 조절하는 것에 의해 하나의 칩에서 여러 가지의 농도 구배를 구현할 수 있는 칩을 제작하였다. 이에 따라, 기존 칩의 장점을 유지하면서 하나의 칩으로 여러 가지 조건의 농도를 형성하는 것이 가능하게 되었다.
이러한 구성의 미세 유체 칩에 있어서, 채널 안에 형성된 농도 분포는 위에서 말한 바와 같이 용질의 확산계수, 두 흐름의 접촉부분에서부터의 거리, 채널의 폭과 높이 및 온도 등의 인자들에 영향을 받는다.
하지만 많은 화학 반응에서 고려되어야 할 또 하나의 변수는 시간에 의존하는 물리량의 변화에 대한 관찰이다.
약물 혹은 독성 물질이 혈관, 구강을 통하여 인체에 흡수(absorption)되면, 이 물질은 분포(distribution), 대사(metabolism) 및 배설(excretion)된다. 따라서 상기 물질의 혈중 농도의 변화는 일정하지 않으며, 시간 의존적으로 변하게 된다.
일반적으로, 물질의 소실(lose)은 다음과 같이 다양한 반응속도론적으로 기술할 수 있다.
일정 농도 유지 조건: Ct = Co
0차 반응 속도 소실 조건: Ct = -kt + Co
1차 반응 속도 소실 조건: Ct = Coe- kt
2차 반응 속도 소실 조건: Ct = Co/(1+Cokt)
상기 식에서, Ct는 시간 t에서의 농도를 의미하고, Co는 초기 농도를 의미하며, k는 속도 상수를 의미한다.
이 중에서 대표적인 소실 방식은 직선형과 지수형의 두 가지 종류로 나눌 수 있으며, 거의 모든 물질의 소실 과정은 지수형 소실을 나타낸다(도 1). 1차 반응 속도 소실 조건으로 표현한 식이 지수형 소실을 나타내는 것이다.
그리고 도 1에 도시한 바와 같이, 약물의 효과는 농도와는 다른 상관관계를 형성한다.
지금까지는 약물의 세포에 대한 연구가 실무율(all-or-none)을 적용하여 이루어졌다. 여기에서 실무율은 정해진 수의 세포를 배양하고, 일정한 양의 약물을 포함하고 있는 일정한 부피의 배지를 세포에 가한 후, 주어진 시간이 경과된 후에 결과를 분석하는 방법을 말한다.
그러나 살아있는 생체에서 약물의 소실과 효과는 실무율의 적용을 받지 않는 좀 더 복잡한 메커니즘에 의해 진행되는 바, 아직까지는 상기 메커니즘을 효과적으로 규명할 수 있는 장치 및 방법이 개발되지 못한 상황이다.
본 발명의 기술적 과제는 시간 의존형 농도 구배를 형성할 수 있는 미세 유체 칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 칩은 용액의 주입 속도를 조절하는 것에 따라 용액 주입 비율에 따른 농도를 형성하는 농도 형성 영역; 상기 농도 형성 영역의 후단에 위치하며, 주입된 용액 속에 존재하는 용질을 확산에 의해 혼합하는 확산 지배 혼합 영역; 및 상기 확산 지배 혼합 영역의 후단에 위치하는 관찰 영역을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세 유체 칩은 상기 관찰 영역의 후단에 위치하며 상기 관찰 영역을 통과한 용액을 배출하기 위한 용액 배출구와, 세포 실험을 위한 음성 대조 채널 및 양성 대조 채널을 더 포함할 수 있다.
상기 농도 형성 영역은 양쪽 단부가 제1 용액 주입구 및 확산 지배 혼합 영역에 각각 연결되는 제1 용액 주입 채널; 상기 제1 용액 주입 채널의 한쪽 옆에 형성되며, 양쪽 단부에는 제2 용액 주입구 및 제3 용액 주입구가 각각 연결되는 제2 용액 주입 채널; 상기 제1 용액 주입 채널의 다른 쪽 옆에 형성되며, 양쪽 단부에는 제4 용액 주입구 및 제5 용액 주입구가 각각 연결되는 제3 용액 주입 채널; 및 상기 제2 용액 주입 채널 및 제3 용액 주입 채널을 상기 제1 용액 주입 채널과 유체 역학적으로 연결하는 마이크로 터널을 포함한다.
여기에서, 제2 용액 주입구 및 제3 용액 주입구를 통해 주입되는 용액의 부피의 합과 제4 용액 주입구 및 제5 용액 주입구를 통해 주입되는 용액의 부피의 합은 항상 동일하게 유지된다.
제1 용액 주입구는 제2 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구를 통해 용액이 주입되는 동안 닫힘 상태로 유지되며, 제1 용액 주입구를 통해 세정액이 주입되는 동안에는 제2 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구가 닫힘 상태로 유지된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구 중 어느 하나에는 목적 용액이 주입되고, 나머지 3개의 용액 주입구에는 완충 용액이 주입된다. 예컨대, 목적 용액은 제2 용액 주입구를 통해 주입되고, 완충 용액은 제3 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구를 통해 주입된다.
이러한 구성의 미세 유체 칩은 제2 용액 주입구를 통해 주입되는 목적 용액의 주입량과 상기 제3 용액 주입구를 통해 주입되는 완충 용액의 주입량의 비를 조절하는 것에 따라 용액 주입 채널에 형성되는 용액의 혼합비를 조절할 수 있다.
이때, 목적 용액과 완충 용액의 주입비는 미리 설정된 프로그램에 따라 작동하는 주사기 펌프에 의해 조절할 수 있다.
미세 유체 칩은 관찰 영역에 세포를 주입하기 위한 세포 주입구를 더 포함할 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 관찰 영역에서 배양된 세포를 상기 확산 지배 영역을 통과한 용액으로 처리하여 시간 의존 함수로 상기 세포의 거동을 관찰할 수 있다.
확산 지배 혼합 영역은 지그재그 형태로 형성된 혼합 채널을 포함하며, 관찰 영역은 상기 혼합 채널의 한쪽 단부에 연결된 관찰 채널을 포함한다.
이러한 구성의 미세 유체 칩은 농도 형성 용액의 용액 주입구를 통해 주입되는 용액의 주입량을 조절하여 용액 주입비를 제어하는 것에 따라 상황에 따른 다양한 조건의 농도를 구현할 수 있어 시간 의존형 농도 구배를 실험하는 것이 가능하다.
따라서 약물의 효과를 시간에 대한 함수로 표시할 수 있으므로, 세포에 대한 약물 투여 방식에서 기존의 실무율 방식으로 실험을 수행한 경우와 비교하여 상당히 생체 모방적인 실험을 수행할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 자세하게 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 참조번호를 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 칩의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 칩(100)은 농도 형성 영 역(10), 확산 지배 혼합 영역(30), 관찰 영역(50)을 포함한다.
농도 형성 영역(10)은 용액의 주입 속도를 조절함으로써 용액의 주입비에 따른 농도를 조절하기 위한 영역으로서, 복수의 용액 주입 채널(CH1 내지 CH3) 및 용액 주입구(I1 내지 I5)를 포함한다.
보다 구체적으로, 농도 형성 영역(10)은 한쪽 단부가 확산 지배 혼합 영역(30)에 연결된 제1 용액 주입 채널(CH1)과, 제1 용액 주입 채널(CH1)의 한쪽 옆에 형성되는 제2 용액 주입 채널(CH2) 및 제1 용액 주입 채널(CH1)의 다른 쪽 옆에 형성되는 제3 용액 주입 채널(CH3)을 구비한다.
제2 용액 주입 채널(CH2)의 양쪽 단부에는 제2 용액 주입구(I2)와 제3 용액 주입구(I3)가 각각 연결되며, 제2 용액 주입 채널(CH2)은 마이크로 터널(12)에 의해 제1 용액 주입 채널(CH1)과 유체 역학적으로 연결된다.
그리고 제3 용액 주입 채널(CH3)의 양쪽 단부에는 제4 용액 주입구(I4)와 제5 용액 주입구(I5)가 각각 연결되며, 제3 용액 주입 채널(CH3)은 제2 용액 주입 채널(CH2)과 마찬가지로 마이크로 터널(12)에 의해 제1 용액 주입 채널(CH1)과 유체 역학적으로 연결된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 용액 주입 채널(CH1) 내지 제3 용액 주입 채널(CH3)은 가로, 세로, 높이가 각각 1.0mm, 11.0mm, 0.1mm로 형성되고, 제2 용액 주입 채널(CH2)과 제3 용액 주입 채널(CH3)을 제1 용액 주입 채널(CH1)에 수직으로 연결하는 마이크로 터널(12)은 유체 흐름에 대한 큰 저항을 갖도록 매우 작은 크기, 예컨대 가로, 세로, 높이가 각각 0.01mm, 0.4mm, 0.004mm로 형성된다.
그리고 마이크로 터널(12) 간의 간격은 0.06mm로 형성된다. 따라서 제2 용액 주입 채널(CH2)과 제3 용액 주입 채널(CH3)은 각각 120개의 마이크로 터널(12)에 의해 제1 용액 주입 채널(CH1)과 연결된다.
확산 지배 혼합 영역(30)은 층류(laminar flow) 유체 속에 존재하는 용질을 확산에 의해 혼합하기 위한 영역으로서, 주입된 유체 속의 용질들이 완전히 혼합될 수 있도록 지그재그 형태로 구성된 혼합 채널(32)을 구비한다. 이때, 혼합 채널(32)은 제1 용액 주입 채널(CH1)의 출구와 연결된다.
혼합 채널(32)의 출구는 관찰 영역(50)의 관찰 채널(52)에 연결되고, 관찰 채널(52)의 출구는 용액 배출구(60)에 연결된다. 용액 배출구(60)는 산소나 이산화탄소를 확산에 의해 세포 배양 위치에 원활하게 공급할 수 있도록 크게(지름 8㎜ 이상) 형성한다.
그리고 세포를 배양 영역에만 선택적으로 부착하는 것이 가능하도록 하기 위하여, 관찰 채널(50)에는 세포 주입구(70)가 연결된다. 따라서 세포 주입구(70)를 통해 주입된 세포는 관찰 채널(52)에 부착되어 배양된다.
한편, 농도 형성 영역(10)의 양쪽에는 세포 실험의 결과 비교를 위한 음성 대조 채널(CH4)과 양성 대조 채널(CH5)이 위치하며, 각 채널(CH4, CH5)의 단부에는 주입구(I6)와 배출구(62)가 각각 형성된다.
구체적으로 도시하지는 않았지만, 전술한 구성의 미세 유체 칩(100)은 서로 결합된 상부 몰드와 유리 기판으로 이루어질 수 있고, 상부 몰드는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane) 몰드로 이루어질 수 있으며, 미세 유체 칩(100)은 아래에 설명하는 방법에 따라 제조할 수 있다.
먼저, 캐드 파일로부터 고해상도 프린터로 마스크를 제조하고, 실리콘 웨이퍼에 SU-8 5를 도포한 후 상기 마스크를 사용하여 양각의 패턴을 형성한다.
이어서, 제작한 웨이퍼에 다시 SU-8 50을 도포하고 건조한 후, 마스크를 사용하여 감광제와 1:1 접촉 포토리소그래피 방식으로 실리콘 웨이퍼 위에 패턴된 감광제로 이중층 양각 거푸집을 제조한다.
음각된 채널을 갖는 PDMS는 거푸집으로부터 PDMS 주물 방식에 의해 제작한다. 즉, Sylgard 184 PDMS 전구체와 경화제를 12:1의 질량비로 섞어 거푸집에 부은 후, 70℃의 온도로 오븐에서 4시간 가열 및 경화하여 제작한다.
4시간 후 주형에서 PDMS를 떼어내어 유체와 세포 주입에 필요한 주입구를 만들고, PDMS 주물과 유리 기판을 5분간 공기 플라즈마 처리하여 산화시킨 후 두 층을 결합시킨다. 이러한 방법에 따르면 전술한 미세 유체 칩(100)을 제작할 수 있다.
이하, 상기한 구성의 미세 유체 칩(100)을 이용하여 시간 의존형 농도 구배를 형성하는 방법에 대해 설명한다.
제1 용액 주입 채널(CH1)에 연결된 제1 용액 주입구(I1)는 채널 세척용으로 사용되며, 일반적으로는 닫힘 상태(closed state)를 유지한다.
제2 용액 주입구(I2) 내지 제5 용액 주입구(I5)를 통해서는 각각 v2, v3, v4,v5의 주입 속도(㎕/min)로 용액이 주입되며, 제2 용액 주입구(I2)와 제4 용액 주입구(I4)에 주입되는 시간당 용액의 부피의 합(v2+v4)은 제3 용액 주입구(I3)와 제5 용액 주 입구(I5)에 주입되는 시간당 용액의 부피의 합(v3+v5)과 동일하게 유지된다.
따라서 제2 용액 주입구(I2)에 목적 용액을 주입하고, 나머지 주입구(I3 내지 I5)에 완충 용액을 주입하며, 제2 용액 주입구(I2)와 제4 용액 주입구(I4)의 주입량의 비를 다르게 하면, 제1 용액 주입 채널(CH1)에 형성되는 용액의 혼합비를 다르게 할 수 있다.
예를 들어, 제2 용액 주입구(I2)에 주입되는 용액의 농도를 C2이라고 하면, 제1 용액 주입 채널(CH1)의 출구에서 얻어지는 용액의 이론적인 농도(Cideal)는 다음과 같다.
Cideal = (C2× v2) / (v2+v3+v4+v5)
그런데 (v2+v4) = (v3+v5)이므로, Cideal = (C2× v2) / 2(v2+v4)이다.
이하에서는 시간 의존형 농도 구배를 형성하는 실험예를 설명한다.
제1 용액 주입구(I1)를 닫힘 상태로 유지한 상태에서, 제2 용액 주입구(I2)에 pH 8.3 0.10M 탄산소듐 완충 용액으로 제조한 50μM의 녹색 형광 물질(fluorescein sodium salt)을 주입하고, 제3 용액 주입구(I3) 내지 제5 용액 주입구(I5)에 pH 8.3 0.10M 탄산소듐 완충 용액을 250 ㎕ 기체 밀봉 주사기를 이용하여 주입하였다.
프로그램화 된 주사기 펌프(KDS 230P)에 의하여 각각 실험을 실시하였다. 실험을 실시함에 있어서, 전체 용액의 유입량은 100 내지 2,000㎕에서 설정할 수 있고, 관찰 영역(50)에서의 유체의 속도는 0.1 내지 2.0 ㎕/min으로 설정할 수 있으며, 주 입 속도비(v2/(v2+v4))는 1.0 이하의 범위에서 조절할 수 있다.
본 실험에 있어서, 일반적인 전체 주입 속도는 2.0 ㎕/min로 유지하였으며, 프로그램화 된 주사기 펌프는 KD Scientific Inc. 또는 Harvard Inc.에서 제공하는 주사기 펌프를 사용하였다.
도 4는 프로그램의 변화에 따른 농도의 안정화 지연 시간을 측정한 것이다. 주사기 펌프에서 유속을 변경한 후, 형광 현미경을 사용하여 관찰 채널(52)을 1분 간격으로 촬영하여 형광 세기가 어떻게 변하는지 확인한 결과, 농도 형성 영역(10)을 거쳐 관찰 영역(50)까지 유체가 주입되는데 걸리는 시간은 대략 2분인 것으로 확인되었다.
농도 형성 영역(10)에서 관찰 영역(50)까지의 채널에 의한 부피가 약 1㎕이므로, 사용한 유속에 의하면 30초 정도 지연 시간이 예상되지만, 실제 용액의 농도 안정화 지연 시간은 이동 시간보다 조금 더 길게 측정되었다.
다음은 형광 현미경을 사용하여 미세 채널 안에서의 용액의 화학적 특성과 유체 역학적 특성을 규명하였다. 도 5에 도시한 표와 같이 6가지의 조건에서 실시하였다.
각 수행 조건에서 얻어진 관찰 영역의 형광 세기를 도 6에 도시하였다. 실험값은 프로그램 변화로 인하여 시간 지연이 없다고 가정한 경우의 이론적인 농도와 지연 시간 정도의 차이로, 농도 프로파일은 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 도 6의 그래프에서, 실선은 프로그램 변화로 인하여 시간 지연이 없다고 가정한 경우의 이론적인 농도이며, 점선은 실험값이다.
도 7에 도시한 프로그램에 따라 용액을 주입하면서 형광 현미경을 사용하여 관찰 영역(50)을 일정 시간 동안 촬영하여 각 사진을 분석하고 형광 세기의 변화를 측정하였다. 측정 결과에 따르면, 주사기 펌프에 설정한 그래프와 유사하게 시간 의존 단일 지수형 소실 곡선과 연속 지수형 소실 곡선의 형성을 알 수 있는 형광 세기 분포도를 얻을 수 있었다. 이를 도 8에 도시하였다. 도 8의 그래프에서, 실선은 프로그램 변화로 인하여 시간 지연이 없다고 가정한 경우의 이론적인 농도이며, 점선은 실험값이다.
미세 유체 칩(100)을 제작한 후, 세포 주입구(70)를 통해 관찰 영역(50)에 세포(Balbc/3T3 섬유아세포)를 주입하여 배양하였다(주입 세포 밀도: 107개/㎕. 성장 후 세포수: 1,000개/㎟). 음성 대조 채널(CH4)과 양성 대조 채널(CH5)에도 주입구(I6)를 통해 세포를 주입하여 배양하였다.
제3 용액 주입구(I3)에 300μM CdCl2/배지를 주입하여 시간 의존 노출을 유도하고, 상기 대조 채널들(CH4, CH5)에는 배지만을 주입하거나 51.0μM CdCl2/배지를 주사기를 연결하여 주입하였다.
농도 형성 영역(10)의 약물(Cd2 +)의 농도는 약물의 소실 곡선을 유지하도록 주사기 펌프의 프로그램을 설정하고, 대조 채널(CH4, CH5)은 2㎕/min의 유속으로 일정하게 주입되도록 설정하여 3시간 동안 주입하였다.
주입하는 동안 관찰 영역(50)을 2분 간격으로 촬영하였고, 주입 종료 후 활성산 소(ROS) 검출 방법으로 세포를 염색하여 상태를 관찰 및 촬영하여 분석한 것을 도 9에 도시하였다.
이러한 구성에 의하면, 도 10에 도시한 바와 같이 연속적인 지수형 소실을 갖는 펄스형 약물 투여 곡선을 구현할 수 있으므로, 약물의 지속적인 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 칩은 용액 주입구를 통해 주입되는 용액의 주입량을 조절하여 용액 주입비를 제어함으로써 상황에 따른 다양한 조건의 농도를 구현할 수 있어 시간 의존형 농도 실험을 수행할 수 있다. 따라서 세포에 대한 약물 투여 방식에서, 기존의 실무율 방식으로 실험을 수행한 경우에 비해 상당히 생체 모방적인 실험을 수행할 수 있으며, 시간에 대한 약물의 효과가 지수 함수 소실 곡선을 갖는 처리 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 약물의 지수형 소실 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 칩의 개략 구성도이다.
도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도 4는 용액 주입 속도비의 제어를 통하여 농도 변화를 모니터링하기 위한 실험 조건을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 프로그램으로 제어된 주입비에 의한 관찰 영역의 농도 안정화 지연 시간을 측정을 위한 도표 및 측정 결과 그래프이다.
도 7은 지수형 소실 곡선을 얻기 위한 주사기 펌프의 프로그램을 도시한 것이다.
도 8은 시간 의존형 단일 지수형 소실 곡선과 연속 지수형 소실 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 9는 시간 의존형 함수로 약물(Cd2 +)에 노출된 세포(Balbc/3T3 섬유아세포)의 거동을 나타내는 사진이다.
도 10은 펄스형 약물의 주입과 연속적인 지수형 소실 곡선 및 약물의 효과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 미세 유체 칩 10: 농도 형성 영역
12: 마이크로 터널 30: 확산 지배 혼합 영역
32: 혼합 채널 50: 관찰 영역
52: 관찰 채널 60: 용액 배출구
62: 배출구 70: 세포 주입구
CH1 내지 CH3: 제1 내지 제3 용액 주입 채널
CH4: 음성 대조 채널 CH5: 양성 대조 채널
I1 내지 I5: 용액 주입구 I6: 주입구

Claims (15)

  1. 용액의 주입 속도를 조절하는 것에 따라 용액 주입 비율에 따른 농도를 형성하는 농도 형성 영역;
    상기 농도 형성 영역의 후단에 위치하며, 주입된 용액 속에 존재하는 용질을 확산에 의해 혼합하는 확산 지배 혼합 영역;
    상기 확산 지배 혼합 영역의 후단에 위치하는 관찰 영역; 및
    상기 농도 형성 영역의 양쪽에 위치하며, 세포 실험을 위한 음성 대조 채널 및 양성 대조 채널을 포함하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  2. 제1항에서,
    상기 관찰 영역의 후단에 위치하며, 상기 관찰 영역을 통과한 용액을 배출하기 위한 용액 배출구를 더 포함하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  3. 삭제
  4. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에서, 상기 농도 형성 영역은,
    양쪽 단부가 제1 용액 주입구 및 확산 지배 혼합 영역에 각각 연결되는 제1 용액 주입 채널;
    상기 제1 용액 주입 채널의 한쪽 옆에 형성되며, 양쪽 단부에는 제2 용액 주입구 및 제3 용액 주입구가 각각 연결되는 제2 용액 주입 채널;
    상기 제1 용액 주입 채널의 다른 쪽 옆에 형성되며, 양쪽 단부에는 제4 용액 주입구 및 제5 용액 주입구가 각각 연결되는 제3 용액 주입 채널; 및
    상기 제2 용액 주입 채널 및 제3 용액 주입 채널을 상기 제1 용액 주입 채널과 유체 역학적으로 연결하는 마이크로 터널
    을 포함하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 용액 주입구 및 제3 용액 주입구를 통해 주입되는 용액의 부피의 합과 상기 제4 용액 주입구 및 제5 용액 주입구를 통해 주입되는 용액의 부피의 합은 항상 동일한 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구를 통해 용액이 주입되는 동안 상기 제1 용액 주입구는 닫힘 상태로 유지되는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  7. 제5항에서,
    상기 제1 용액 주입구를 통해 세정액이 주입되는 동안 상기 제2 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구는 닫힘 상태로 유지되는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  8. 제5항에서,
    상기 제2 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구 중 어느 하나에는 목적 용액이 주입되고, 나머지 3개의 용액 주입구에는 완충 용액이 주입되는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  9. 제8항에서,
    상기 목적 용액은 제2 용액 주입구를 통해 주입되고, 상기 완충 용액은 제3 용액 주입구 내지 제5 용액 주입구를 통해 주입되는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  10. 제9항에서,
    상기 제2 용액 주입구를 통해 주입되는 목적 용액의 주입량과 상기 제3 용액 주입구를 통해 주입되는 완충 용액의 주입량의 비를 조절하여 상기 용액 주입 채널에 형성되는 용액의 혼합비를 조절하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  11. 제10항에서,
    상기 목적 용액과 완충 용액의 주입비는 미리 설정된 프로그램에 따라 작동하는 주사기 펌프에 의해 조절되는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  12. 제4항에서,
    상기 관찰 영역에 세포를 주입하기 위한 세포 주입구를 더 포함하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  13. 제12항에서,
    상기 관찰 영역에서 배양된 세포를 상기 확산 지배 영역을 통과한 용액으로 처리하여 시간 의존 함수로 상기 세포의 거동을 관찰하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  14. 제4항에서,
    상기 확산 지배 혼합 영역은 지그재그 형태로 형성된 혼합 채널을 포함하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
  15. 제4항에서,
    상기 관찰 영역은 상기 혼합 채널의 한쪽 단부에 연결된 관찰 채널을 포함하는 시간 의존형 농도 구배 형성용 미세 유체 칩.
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