KR101140486B1 - 활성 미생물 집적기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 꼬리 달린 활성 미생물이 집적될 공간인 중앙집적 공간부와, 상기 중앙집적 공간부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 상기 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제1유입채널부들, 및 상기 각 제1유입채널부 상에서 상기 중앙집적 공간부를 향하여 경사각을 갖도록 연결되어, 상기 제1유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 상기 활성 미생물이 상기 중앙집적 공간부 내로 향하도록 유도하는 복수 개의 제1가지채널부들을 포함하는 활성 미생물 집적기를 제공한다.
상기 활성 미생물 집적기에 따르면, 중앙집적 공간부의 둘레에 방사형으로 연결된 유입채널부 상에 가지채널부를 경사각 있게 연결함에 따라, 유입채널부로 유입된 꼬리 달린 활성 미생물의 이동을 중앙집적 공간부 내로 유도하여 활성 미생물을 효과적으로 집적시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

활성 미생물 집적기{Microfluidic concentrator}

본 발명은 활성 미생물 집적기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 꼬리 달린 활성 미생물을 중앙집적 공간부 내에 집적시킬 수 있는 활성 미생물 집적기에 관한 것이다.

미세유체 디바이스(Microfluidics Device)는 마이크로미터 길이를 갖는 다양한 미생물의 생존을 연구하는데 매우 유용하게 사용되어 왔다. 이동성을 갖는 활성 미생물 특히, 꼬리 달린 활성 미생물은 마이크로 채널 내에서 추진력을 갖고 유영한다. 이러한 활성 미생물의 이동성을 이용한다면 이들을 특정 채널 상에 집적화시킬 수 있게 된다.

본 발명은 꼬리 달린 활성 미생물을 중앙집적 공간부 내에 집적시킬 수 있는 활성 미생물 집적기를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 꼬리 달린 활성 미생물이 집적될 공간인 중앙집적 공간부와, 상기 중앙집적 공간부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 상기 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제1유입채널부들, 및 상기 각 제1유입채널부 상에서 상기 중앙집적 공간부를 향하여 경사각을 갖도록 연결되어, 상기 제1유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 상기 활성 미생물이 상기 중앙집적 공간부 내로 향하도록 유도하는 복수 개의 제1가지채널부들을 포함하는 활성 미생물 집적기를 제공한다.

여기서, 상기 제1가지채널부들은, 상기 제1유입채널부의 길이방향에 대해 좌우 대칭형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1유입채널부의 폭은 상기 중앙집적 공간부를 향할수록 좁아지도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 활성 미생물 집적기는, 상기 제1유입채널부들의 단부 사이를 연결하여 제1폐루프를 형성하고, 외부로부터 유입된 활성 미생물이 상기 제1폐루프를 따라 이동하면서 상기 제1유입채널부들 내로 향하도록 유도하는 제1둘레채널부와, 상기 제1둘레채널부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제2유입채널부들, 및 상기 제2유입채널부 상에서 상기 중앙집적 공간부를 향하여 경사각을 갖도록 연결되고, 상기 제2유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 활성 미생물이 상기 제1둘레채널부 내로 향하도록 유도하는 복수 개의 제2가지채널부들을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1둘레채널부는, 상기 제1유입채널부들의 단부와 연결되는 부분이 내측으로 오목하게 들어가도록 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2유입채널부들은, 상기 제1둘레채널부의 둘레에 연결되되, 상기 제1유입채널부들과 어긋난 위치에 연결되어 있을 수 있다.

또한, 상기 활성 미생물 집적기는, 상기 제2유입채널부들의 단부 사이를 연결하여 제2폐루프를 형성하고, 외부로부터 유입된 활성 미생물이 상기 제2폐루프를 따라 이동하면서 상기 제2유입채널부들 내로 향하도록 유도하는 제2둘레채널부와, 상기 제2둘레채널부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제3유입채널부들, 및 상기 제3유입채널부 상에서 상기 중앙집적 공간부를 향하여 경사각을 갖도록 연결되고, 상기 제3유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 활성 미생물이 상기 제2둘레채널부 내로 향하도록 유도하는 복수 개의 제3가지채널부들을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1둘레채널부 및 상기 제2둘레채널부는 원형의 폐루프일 수 있다.

본 발명에 따른 활성 미생물 집적기에 따르면, 중앙집적 공간부의 둘레에 방사형으로 연결된 유입채널부 상에 가지채널부를 경사각 있게 연결함에 따라, 유입채널부로 유입된 꼬리 달린 활성 미생물의 이동을 중앙집적 공간부 내로 유도하여 활성 미생물을 효과적으로 집적시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 활성 미생물 집적기의 평단면도이다.
도 2는 도 1의 일부분을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 복수 배열 상태를 나타내는 평단면도이다.
도 4는 GFP로 표현되는 대장균의 집적상태를 나타내는 형광 이미지이다.
도 5는 도 1의 복수 배열 상태를 구현한 SEM 이미지 및 형광 이미지이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 활성 미생물 집적기의 평단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 활성 미생물 집적기(100)는 중앙집적 공간부(110), 복수 개의 제1유입채널부들(120), 복수 개의 제1가지채널부들(130)을 포함한다. 이러한 활성 미생물 집적기(100)는 꼬리 달린 활성 미생물의 이동을 중앙집적 공간부(110)로 유도하여 활성 미생물을 집적화할 수 있다.

상기 중앙집적 공간부(110)는 상기 활성 미생물이 집적될 공간에 해당된다. 이러한 중앙집적 공간부(110)는 상기 집적이 용이하도록 원형으로 형성되는데, 그 형태가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1유입채널부들(120)은 상기 중앙집적 공간부(110)의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 그 연장된 단부를 통해 상기 활성 미생물이 유입된다.

상기 제1가지채널부들(130)은 상기 각 제1유입채널부(120) 상에서 상기 중앙집적 공간부(110)를 향하여 경사각을 갖도록 연결되어 있다. 이러한 제1가지채널부들(130)은 상기 제1유입채널부(120)의 연장된 단부를 통해 유입된 상기 활성 미생물이 상기 중앙집적 공간부(110) 내로 향하도록 유도하는 역할을 한다.

도 2는 도 1의 일부분을 나타낸 사시도이다. 이러한 도 2는 집적기의 상면 부분이 외부로 개방된 형태를 도시하고 있다. 이러한 집적기(100)의 상면 부분은 내부 공간이 보호되도록 별도의 덮개 등으로 커버될 수도 있다.

도 2에는 상기 제1가지채널부들(130)에 의해 유도되는 활성 미생물의 유동 경로가 화살표로 표시되어 있다. 화살표 방향을 참조하면, 상기 활성 미생물은 상기 제1가지채널부들(130)의 형상(제1유입채널부(120) 상에서 중앙집적 공간부(110)를 향하여 경사각을 갖도록 연결된 형상)에 따라, 중앙집적 공간부(110)를 향해 방향성을 가지고 유동하게 된다. 참고로, 상기 제1가지채널부들(130)의 경사 방향이 도시된 것과 반대의 방향으로 형성된 경우, 활성 미생물은 상기 중앙집적 공간부(110) 측이 아닌 그 반대의 방향으로 유동될 것이다.

만약, 상기 제1가지채널부들(130)이 없는 경우, 상기 활성 미생물은 상기 제1유입채널부들(120) 상에서 방향성 없이 유영하게 되므로 중앙집적 공간부(110) 내에 집적화되기 곤란하다. 그러나, 상기 제1가지채널부들(130)은 상기 활성 미생물의 이동을 상기 중앙집적 공간부(110) 측을 향해 방향성 있게 유도할 수 있어서, 활성 미생물의 집적 효율을 증대시킬 수 있다.

상기 제1가지채널부들(130)은 상기 제1유입채널부(120)의 길이방향에 대해 좌우 대칭형으로 형성되어 있는데, 이에 따라 화살촉 형상(arrowhead-shaped)을 갖는다. 이렇게 상기 제1가지채널부들(130)이 좌우 대칭형으로 형성됨에 따라, 상기 중앙집적 공간부(110)를 향한 활성 미생물의 방향성 있는 이동을 더욱 활발하고 신속하게 진행시킬 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 제1유입채널부(120)의 폭은 상기 중앙집적 공간부(110)를 향할수록 좁아지도록 형성되어 있는데, 이에 따르면 상기 중앙집적 공간부(110)를 향한 활성 미생물의 집적 속도 및 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

여기서, 상기 활성 미생물 집적기(100)는, 제1유입채널부들(120)의 외측에 대해, 제2둘레채널부(170), 복수 개의 제2유입채널부들(150), 복수 개의 제2가지채널부들(160)을 포함한다.

상기 제1둘레채널부(140)는 상기 제1유입채널부들(120)의 단부 사이를 연결하여 제1폐루프를 형성하고, 외부로부터 유입된 활성 미생물이 상기 제1폐루프를 따라 이동하면서 상기 제1유입채널부(120)들 내로 향하도록 유도한다. 이때, 상기 제1둘레채널부(140)는 활성 미생물의 이동이 끊임없이 원활히 진행되도록 원형에 가깝도록 형성되는데, 반드시 원형으로 한정되는 것은 아니다.

상기 제2유입채널부들(150)은 상기 제1둘레채널부(140)의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 그 연장된 단부를 통해 활성 미생물이 유입된다. 이때, 제2유입채널부들(150)은 제1둘레채널부(140)의 둘레에 연결되되, 상기 제1유입채널부들(120)과 어긋난 위치에 연결되어 있다. 따라서, 제2유입채널부들(150)을 통해 유입된 활성 미생물은 상기 제1둘레채널부(140)의 제1폐루프를 경유한 다음 상기 제1유입채널부(120)로 유입될 수 있다.

여기서, 상기 제1둘레채널부(140)는, 상기 제1유입채널부들(120)의 단부와 연결되는 부분이 내측으로 오목(A)하게 들어가도록 형성된 것을 알 수 있는데, 이는 상기 제1폐루프를 통해 이동하는 활성 미생물이 상기 제1유입채널부(120)의 내부로 향하도록 이동 방향을 유도하는 역할을 한다. 이렇게 제1둘레채널부(140)의 오목(A)한 부분의 형상 및 방향은, 상기 제1가지채널부(130)의 기울임 형상 및 방향과 유사한 것이 확인된다.

그리고, 상기 제2가지채널부들(160)은 제2유입채널부(150) 상에서 상기 중앙집적 공간부(110)를 향하여 경사각을 갖도록 연결되고, 상기 제2유입채널부(150)의 연장된 단부를 통해 유입된 활성 미생물이 상기 제1둘레채널부(140) 내로 향하도록 유도하는 역할을 한다. 이러한 제2가지채널부(160)의 기능은 앞서 제1가지채널부(130)의 경우와 동일하다.

이외에도, 상기 활성 미생물 집적기(100)는, 제2유입채널부들(150)의 외측에 대해, 제2둘레채널부(170), 복수 개의 제3유입채널부들(180), 복수 개의 제3가지채널부들(190)을 포함한다.

먼저, 상기 제2둘레채널부(170)는 제2유입채널부들(150)의 단부 사이를 연결하여 제2폐루프를 형성하고, 외부로부터 유입된 활성 미생물이 상기 제2폐루프를 따라 이동하면서 상기 제2유입채널부들(150) 내로 향하도록 유도하는 부분이다. 이때, 상기 제2둘레채널부(170)는 활성 미생물의 이동이 끊임없이 원활히 진행되도록 원형에 가깝도록 형성되는데, 반드시 원형으로 한정되는 것은 아니다.

상기 제3유입채널부들(180)은 상기 제2둘레채널부(170)의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 그 연장된 단부를 통해 활성 미생물이 유입된다. 이때에도, 제3유입채널부들(180)은 제2둘레채널부(170)의 둘레에 연결되되, 상기 제2유입채널부들(150)과 어긋난 위치에 연결되어 있다. 따라서, 제3유입채널부들(180)을 통해 유입된 활성 미생물은 상기 제2둘레채널부(170)에 의한 제2폐루프를 경유한 다음 상기 제2유입채널부(150)로 유입될 수 있다.

또한, 상기 제2둘레채널부(170) 또한, 상기 제2유입채널부들(150)의 단부와 연결되는 부분이 내측으로 오목(B)하게 들어가도록 형성되어 있다.

그리고, 상기 제3가지채널부들(190)은 제3유입채널부(180) 상에서 상기 중앙집적 공간부(110)를 향하여 경사각을 갖도록 연결되고, 상기 제3유입채널부(180)의 연장된 단부를 통해 유입된 활성 미생물이 상기 제2둘레채널부(170) 내로 향하도록 유도한다.

도 3은 도 1의 복수 배열 상태를 나타내는 평단면도이다. 즉, 이러한 활성 미생물 집적기(100)는 여러 개(ex, 9개)의 그룹이 복수로 배열된 상태로 존재할 수 있다. 이때는 각 그룹의 중앙집적 공간부(110) 마다 활성 미생물이 집적되게 된다.

이상과 같은 활성 미생물 집적기(100)에 따른 활성 미생물의 집적도를 측정한 결과를 알아보면 다음과 같다. 실제 사용된 활성 미생물은 와일드 타입(Wild type)의 K12에서 배양된 E. coli 균주(이하, 대장균)이었다. 그리고, 대장균의 이동 및 집적도를 확인하기 위하여, 녹색의 형광성 단백질(green fluorescent protein;GFP)을 사용하였다. 이러한 GFP는 형광도 즉, 밝기를 이용하여 대장균의 집적도를 확인하는 데 있어서 매우 유용하다.

그리고, 상기 활성 미생물 집적기(100)의 중앙집적 공간부(110) 및 각각의 채널(120~190)은 미세유체 디바이스(Microfluidics Device)의 전형적인 재료로 사용되는 PDMS(polydimethylsiloxane) 소재를 이용하였다.

도 4는 GFP로 표현되는 대장균의 집적상태를 나타내는 형광 이미지이다. 도 4의 A를 참조하면, 중앙집적 공간부(110) 부분이 가장 밝게 나타내는데 이는 중앙집적 공간부(110) 내에 다량의 대장균이 집적되었음을 의미한다.

또한, 상기 제1유입채널부(120)의 길이 방향에 따라 대장균의 이동 구배(gradient)가 확인된다. 상기 중앙집적 공간부(110)를 향할수록 밝기가 증가하고 있으며 대장균의 분포가 증가함을 알 수 있다.

이러한 제1가지채널부(130)는 상기 중앙집적 공간부(110)를 향한 대장균의 이동을 효과적으로 가이드할 수 있을 뿐만 아니라, 중앙집적 공간부(110) 내의 대장균이 이탈하는 것 또한 방지한다.

도 4의 B는 시간의 경과에 따른 GFP의 강도 변화를 나타낸다. 이는 100㎛ 직경을 갖는 중앙집적 공간부(110) 상의 형광 강도를 시간 흐름에 따라 알아본 것이다. 시간의 흐름에 따라 중앙집적 공간부(110) 내로 대장균이 집적되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 도 4의 C를 통해서도 검증된다.

도 5는 도 1의 복수 배열 상태를 구현한 SEM 이미지 및 형광 이미지이다. 이때에도 물론, 중앙집적 공간부(110)는 100㎛ 직경을 갖고 있으며, 중앙집적 공간부(110) 및 채널(120~190)의 높이는 25㎛를 갖는다.

도 5의 A는 서로 인접한 중앙집적 공간부들(110) 간의 이격 거리가 1.2mm인 경우의 SEM 이미지이다. 녹색의 화살표 경로와 같이 활성 미생물은 중앙집적 공간부(110) 내로 집적이 된다.

도 5의 B는 GFP로 표현되는 대장균의 집적 상태를 보여주는 형광 이미지로서, 중앙집적 공간부들(110) 마다 대장균이 효과적으로 집적되어 있음을 알 수 있다.

이상과 같은 결과에 따르면, 상기 활성 미생물 집적기(100)는 종래와 같은 원심분리기나 필터 세트가 전혀 필요 없으며, 대장균 이외에도 다양한 종류의 활성 미생물 수집에 매우 효과적으로 활용될 수 있다.

또한, 이러한 결과에 바탕하여 볼 때, 상기 활성 미생물 집적기(100)는 별도의 기계적 매커니즘이나 전기적 에너지 소스 없이도, 활성 미생물을 높은 집중도를 갖도록 수집할 수 있기 때문에, 활성 미생물을 구동원으로 하는 바이오흡착기(biosorption), 바이오센서(biosensor) 등에도 충분히 활용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 활성 미생물 집적기 110: 중앙집적 공간부
120: 제1유입채널부 130: 제1가지채널부
140: 제1둘레채널부 150: 제2유입채널부
160: 제2가지채널부 170: 제2둘레채널부
180: 제3유입채널부 190: 제3가지채널부

Claims (8)

1. 꼬리 달린 활성 미생물이 집적될 공간인 중앙집적 공간부;
   상기 중앙집적 공간부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 상기 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제1유입채널부들; 및
   상기 제1유입채널부에 대해 경사각을 갖는 형태로 상기 제1유입채널부의 외부에 연결되되, 상기 제1유입채널부의 길이방향에 대해 좌우 대칭형으로 연결되어 상기 중앙집적 공간부를 향하는 방향의 화살촉의 형상을 가지며, 상기 제1유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 상기 활성 미생물이 상기 중앙집적 공간부 내를 향해 방향성을 가지고 유동하도록 유도하는 복수 개의 제1가지채널부들을 포함하는 활성 미생물 집적기.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1유입채널부의 폭은 상기 중앙집적 공간부를 향할수록 좁아지도록 형성된 활성 미생물 집적기.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 제1유입채널부들의 단부 사이를 연결하여 제1폐루프를 형성하고, 외부로부터 유입된 활성 미생물이 상기 제1폐루프를 따라 이동하면서 상기 제1유입채널부들 내로 향하도록 유도하는 제1둘레채널부;
   상기 제1둘레채널부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제2유입채널부들; 및
   상기 제2유입채널부 상에서 상기 중앙집적 공간부를 향하여 경사각을 갖도록 연결되고, 상기 제2유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 활성 미생물이 상기 제1둘레채널부 내로 향하도록 유도하는 복수 개의 제2가지채널부들을 더 포함하는 활성 미생물 집적기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1둘레채널부는,
   상기 제1유입채널부들의 단부와 연결되는 부분이 내측으로 오목하게 들어가도록 형성된 활성 미생물 집적기.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2유입채널부들은,
   상기 제1둘레채널부의 둘레에 연결되되, 상기 제1유입채널부들과 어긋난 위치에 연결되어 있는 활성 미생물 집적기.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2유입채널부들의 단부 사이를 연결하여 제2폐루프를 형성하고, 외부로부터 유입된 활성 미생물이 상기 제2폐루프를 따라 이동하면서 상기 제2유입채널부들 내로 향하도록 유도하는 제2둘레채널부;
   상기 제2둘레채널부의 둘레를 따라 방사형으로 연결되어 외부로 연장되고, 연장된 단부를 통해 활성 미생물이 유입되는 복수 개의 제3유입채널부들; 및
   상기 제3유입채널부 상에서 상기 중앙집적 공간부를 향하여 경사각을 갖도록 연결되고, 상기 제3유입채널부의 연장된 단부를 통해 유입된 활성 미생물이 상기 제2둘레채널부 내로 향하도록 유도하는 복수 개의 제3가지채널부들을 더 포함하는 활성 미생물 집적기.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1둘레채널부 및 상기 제2둘레채널부는,
   원형의 폐루프인 활성 미생물 집적기.

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